低耗高效生物脫氮除碳系統構建與教學應用

鐘 珊, 黃 睿, 李柏林, 李 曄, 楊丹丹

(1. 武漢理工大學 教務處, 湖北 武漢 430070；2. 武漢理工大學 資源與環境工程學院, 湖北 武漢 430070)

環境科學與工程是一門以工程科學知識為基礎的跨學科和多學科交叉的應用型學科,加強學生實踐能力的培養是環境類專業的立足之本。環境類專業相關主干課程不僅涵蓋很多基礎原理及理論內容,而且還涉及到大量的工藝、技術、設備等工程應用知識點,使學生有效掌握并融會貫通,是新形勢下環境專業課程教學的必然要求。實驗課程環節是環境類專業課程的重要教學內容,是理論知識與工程實踐之間的橋梁,并培養學生的實踐創新能力的關鍵環節。以往環境專業主干課程的實驗環節主要是以演示實驗為主,不能達到較好的教學效果。針對以上問題,本文構建了環境專業主干課程“水污染控制工程”中的污水生物處理工藝實驗，使學生通過實驗可深入理解基礎理論并掌握工藝技術要點。

污水生物脫氮工藝是目前廣泛應用的水污染控制方法[1]。傳統的硝化-反硝化技術在實際應用中存在缺乏有機碳源、能耗大、成本高等問題[2]。眾多學者通過研究陸續開發出了多種新型脫氮工藝,以達到低耗高效脫氮除碳的目的,開發的思路主要包括以下兩點：一是通過縮減硝化和反硝化過程的路徑從而減少反應時間,代表工藝為短程硝化反硝化工藝；二是利用新型的脫氮代謝途徑來實現廢水脫氮效果,典型工藝為厭氧氨氧化工藝。

基于以上研究基礎,本文自主設計了一套新型的生物脫氮除碳裝置,將以上兩種工藝相結合,構建短程硝化反硝化-厭氧氨氧化耦合脫氮的實驗裝置,一方面可以削減生物脫氮過程中的能源消耗,另一方面,將本裝置應用到實驗教學中,可提高學生的學習積極性與研究興趣,培養學生動手實踐能力[3-4],強化學生對理論與實踐相結合的理解,從而進一步提高學生的創新能力與自主探索能力。

1 裝置設計

1.1 設計原理

如式(1)：

將以上兩種工藝耦合,在2個反應器中分別進行短程硝化反硝化和厭氧氨氧化反應,短程硝化反硝化過程能夠降低系統總氮(TN)負荷,同時降解部分有機物。其反應后的出水水質適宜作為Anammox反應器的進水,故將其作為前置工藝,通過Anammox作用進一步實現除氮的目的。兩者的結合可以無需有機碳源、減少曝氣量、投堿量、縮短反應時間[11-12]等。該新型的耦合系統脫氮途徑見圖1，AAOB為厭氧氨氧化細菌，DNF為反硝化細菌。

圖1 新型的耦合系統脫氮途徑示意圖

1.2 系統裝置的構建

圖2 短程硝化反硝化-厭氧氨氧化兩級耦合裝置流程圖

其中,進水系統是由濃縮液、微量元素和堿液3個水箱聯合一套自動控制的配水水箱構成,通過計時器的程序設置來控制系統中繼電器的啟閉,從而實現進出水的自動控制。待進水完成后,開啟攪拌和曝氣系統,由氣泵提供動力鼓入空氣,通過連接的轉子流量計來控制曝氣量的大小,再由微孔曝氣盤將氣體均勻地分散在系統中。實驗的厭氧段與好氧段則通過計時器來實現自動控制。

SBR1反應器是內徑為17 cm的雙筒圓柱體,整體采用有機玻璃制備,總體積為9 L,有效體積可達6 L。反應器雙筒之間是3 cm厚的水浴夾層,維持反應器的溫度恒定在30 ℃±1 ℃之間。在反應器的頂部安裝電機,帶動下部的攪拌槳來使污泥達到充分混合狀態,轉速設置在100 r/min左右。此外,在反應器壁上設有取樣口,用于取樣和排泥；在靠近頂部法蘭盤的高度上設有溢流孔,防止自動進水系統出現紊亂時引起的污水溢出現象。

SBR2反應器是內徑為17 cm的雙筒圓柱體,整體采用有機玻璃制備而成,總體積為9 L,有效液體體積可達6 L。頂部安裝電機,電機部分采用磁力聯動結構帶動攪拌槳,轉速設為100 r/min。磁力聯動結構可確保反應器處于密閉狀態,為Anammox反應提供了厭氧環境。反應器雙筒之間是3 cm厚的水浴夾層,通過循環泵入水浴桶內加熱后的液體來維持反應器的溫度恒定在33 ℃±1 ℃之間?？拷敳糠ㄌm盤的高度上同樣設有溢流孔。

2 裝置實驗效果

2.1 實驗用水與接種污泥

微量元素各組分配比：MgCl2·2H2O 25.07 g/L，CaCl2·2H2O 7.34 g/L，CuCl2·2H2O 0.112 g/L，ZnSO4·7H2O 0.015 g/L，MnCl2·4H2O 1.03 g/L，NaMO4·2H2O 0.0025 g/L。

在SBR1、SBR2反應器中分別接種實驗室培養的硝化污泥和厭氧氨氧化顆粒污泥(見圖3)。

圖3 兩種污泥外觀形態

2.2 測定項目與方法

主要化學指標分析方法參照《水和廢水監測分析方法(第四版)》[13]：氨氮濃度采用納氏試劑分光光度法,亞硝態氮濃度采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法,硝態氮采用酚二磺酸分光光度法,總氮采用過硫酸鉀氧化分光光度法測定,CODCr采用重鉻酸鉀快速測定法,溶解氧濃度、pH值采用便攜測定儀(美國哈希)測定。

2.3 結果與討論

2.3.1 裝置的脫氮性能分析

短程硝化反硝化-厭氧氨氧化耦合裝置穩定運行階段系統的脫氮效果如圖4所示。

圖4 裝置脫氮效果

2.3.2 裝置的除碳效果分析

短程硝化反硝化-厭氧氨氧化耦合裝置的除碳效果如圖5所示。

圖5 裝置除碳效果

由圖5可知,短程硝化反硝化反應器的進水COD濃度為500 mg/L左右,進水COD負荷約為0.5 mg COD/(mgMLSS·d)；經前置反應器處理后，出水中的COD為214.39～246.38 mg/L,COD的去除率約為53%左右；Anammox反應器的出水中COD質量濃度為73.48～143.64 mg/L, AAOB已經適應了有機環境。前置反應器出水中含DO,但由于反應器是在低DO條件下運行,因此Anammox反應器進水中所含的少量DO對AAOB活性的影響不大。此外,前置反應器的出水pH為7.4左右,而適合AAOB生長繁殖的pH環境偏堿性,為6.7～8.3,因此pH條件對AAOB活性沒有太大的影響。

綜合上述分析聯合裝置的TN和COD去除率分別達到88%和80%左右,能夠實現穩定運行。

3 教學應用與拓展

3.1 實驗設備的創新與應用

短程硝化反硝化耦合厭氧氨氧化生物脫氮除碳系統較傳統生物脫氮系統相比,極大地減少了曝氣量、投堿量,無需外加碳源,縮短反應時間等,將能源節約、資源節約貫徹到實踐教學中,對強化學生的環保意識具有重要意義。本實驗裝置可多次甚至連續運行,具有較長的使用年限,可為每學年的實驗課程提供設備支持,并為進一步深入研究新型生物脫氮技術提供了強有力的技術支撐。

3.2 課程考核模式的探索

傳統的實驗教學通常是教師在課堂上講解理論,學生在實驗時動手操作。采用新型的生物脫氮實驗裝置后,實驗課的課程考核包括課前、課內、課后評分。課前要求學生充分理解本實驗裝置的設計理論,并進行實驗過程的自主設計,這部分的成績占總成績的30%；課內要求學生動手操作,學習實驗裝置的運行模式及操作過程,同時進行取樣及數據監測,著重考察學生的實踐能力,這部分的成績占總成績的40%；完成實驗部分后,學生在課后對實驗的數據進行處理與分析,同時針對實驗過程的各種問題提出優化解決措施,這部分占總成績的30%。采用了新的教學考核模式后,不僅將新裝置的運行與實驗課程緊密結合,同時,實現了理論學習與實踐操作在時間和空間上的有效結合,將枯燥的理論知識與有趣的實驗過程結合在一起,大大提高了學生學習的積極性、主動性和創造性。

4 結語

(2) 基于課程的理論學習,學生對短程硝化反硝化與厭氧氨氧化已有了一定的初步認識,通過觀察與學習自主研制的短程硝化反硝化-厭氧氨氧化耦合脫氮除碳系統的運行過程和操作模式,可以使學生更深入地掌握新型生物脫氮技術的基本操作和運行模式；通過對實驗結果的數據處理和分析討論等訓練,可提高學生綜合運用所學知識全方位多角度分析、解決問題的能力；通過對實驗的優化和改進,可強化學生的創新意識、科學素養和實踐精神。同時,這種將教學與實踐教學相整合,構建課程理論知識與實踐知識在組織方式、知識排序方式以及知識習得方式上有機融合的新教學模式,也為今后的教學工作提供了重要的參考價值。