曝氣參數對短程硝化的影響及氮素等高線分析

袁忠玲,秦彥榮,張民安,張 明,毛佩玥,安芳嬌,陳永志 (蘭州交通大學環境與市政工程學院,甘肅省污水處理行業技術中心,甘肅省黃河水環境重點實驗室,甘肅 蘭州 730070)

采用常規脫氮工藝處理低氨氮低碳源生活污水已難以滿足氮排放標準[1-3],短程硝化-厭氧氨氧化組合工藝作為生物脫氮新型工藝,有效彌補了傳統生物脫氮工藝的一些缺陷[4],具有減少50%曝氣、節省100%碳源消耗和減少污泥產量[5]等優點.短程硝化作為厭氧氨氧化的前置工藝是高效穩定脫氮的基礎,穩定短程硝化即將硝化過程嚴格控制在-N 階段,在增加氨氧化菌(AOB)生物量及活性的同時抑制亞硝酸鹽氧化菌(NOB)的生物量和活性.根據Bernet 的競爭機理[6],溶解氧(DO)是影響AOB和NOB 活性的關鍵因素之一,且AOB 和NOB 對DO 的親和力不同[7].

目前,短程硝化工藝多采用間歇曝氣策略,使AOB 成為優勢菌種[8-10],曝氣過程中的紊動可能會造成水動力條件變化,導致DO 濃度差異,因而有必要深入探究實現間歇曝氣的關鍵參數[11-12].于陽陽等[13]認為曝氣強度是控制DO 濃度的關鍵參數之一,曝氣造成的水力剪切作用直接影響生物特性,進而影響系統處理能力,該研究發現在曝氣強度為100L/h 時,COD 及氨氮的平均去除率高達95.6%和95.86%;為探究改善系統曝氣工況的方法,李冬等[14]提出“曝氣密度”這一參數,即在反應器運行的一個周期內的曝氣頻率,該研究表明曝氣密度為12 時有利于全程自養脫氮工藝(CANON)的啟動,提高系統對DO 的利用率及總氮去除率,并且NOB 的抑制更為徹底.

上述研究主要是在人工配水條件下,控制曝氣強度或曝氣密度單一因素,探究系統對污染物的去除能力,而采用SBR 處理常溫低C/N 實際生活污水時,同時控制兩曝氣參數,以實現穩定短程硝化的研究還鮮見報道.一方面考察不同曝氣強度條件下,對系統實現穩定亞硝積累的影響,以期通過合理安排曝氣強度,來提高處理效果,達到降低系統能耗的目的;另一方面考察在不同曝氣密度下,對反應系統內曝氣時間的合理分配,確定準佳間歇曝氣工況,實現穩定的短程硝化.因此,本試驗設計在室溫(26±0.5)℃條件下,采用等高線及剖面圖優化分析曝氣強度和曝氣密度的聯合作用,創造有利于AOB 的生存環境,以實現穩定短程硝化,為實際生活污水處理提供一定理論依據.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

SBR 反應器由圓柱形有機玻璃制成,裝置示意如圖1 所示,直徑14cm,高46cm,有效容積5L,反應器底部設曝氣裝置以提供反應所需DO,側壁垂直方向安裝取樣口.

圖1 SBR 試驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of SBR reactor

1.2 接種污泥

試驗接種污泥取自完全短程硝化污泥,污泥脫氮性能良好,MLSS 為3250mg/L,f 值(MLVSS/MLSS)為0.65,SV30為30%～45%.

1.3 試驗用水水質及檢測方法

SBR 反應器進水采用實際生活污水,取自蘭州交通大學某生活區,投加NaHCO3補充反應所需堿,水質指標見表1.

表1 SBR 進水水質Table 1 Quality of influent of SBR

COD,快速消解分光光度法;NH4+-N,納氏試劑分光光度法;NO2--N,N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;-N,麝香草酚法;pH 值、溫度和DO 采用WTW 便攜式多參數測定儀測定,MLSS、MLVSS 根據國家標準方法檢測[15].

1.4 計算方法

NH4+-N 去除率(ARE)、NO2--N 積累率(NiAR)、-N 積累率(NaAR)、比氨氮氧化速率(SAOR)、比亞硝酸鹽氮氧化速率(SNiPR)和比硝態氮氧化速率(SNaPR)等參考尤永軍[16]的計算公式.

1.5 TN 和COD 平衡分析

為了考察不同曝氣密度下SBR 工藝短程硝化氮損失ΔTN,根據物料衡算對 TN和COD進行平衡分析[17],采用ΔTN 和ΔCOD 計算SBR 同步硝化反硝化碳氮比例(ΔCOD/ΔTN):

1.6 試驗設計方案

首先分別探究曝氣強度和曝氣密度兩種曝氣參數對SBR 工藝穩定短程硝化的影響,然后設計批次實驗探究兩者綜合影響.

為探究不同曝氣強度對實現穩定短程硝化的影響,設計采用三種工況(表2)分別在曝氣強度為1、1.5 和2L/(L?h)條件下各運行40、45、40 個周期,每周期780min,根據不同曝氣時長調整運行周期內的攪拌和閑置時長,沉淀時間為30min,排水比75%.

為探究不同曝氣密度對實現穩定短程硝化的影響,根據曝氣密度定義,即在曝停比α和總曝氣強度一定的條件下,一個運行周期曝氣的頻率,設計采用三種工況(表2),每周期480min,分別在曝氣密度為6 (480min:80min)、8(480min:60min)和12(480min:40min)條件下各運行50、45、45 個周期,沉淀時間為30min,排水比75%.

表2 運行工況Table 2 Operation conditions

1.7 批次試驗

表3 批次試驗設計Table 3 Design of batch test

通過間歇曝氣策略實現穩定短程硝化,改變不同的曝氣強度、曝氣密度、曝氣時長等條件均會對NH4+-N 去除率、NO2--N 積累率產生一定的影響,為綜合探究曝氣強度和曝氣密度對實現穩定短程硝化的相關性,設計批次試驗見表3.控制試驗溫度為26℃,反應周期720min,沉淀時間為30min,排水比75%.

2 結果與討論

2.1 三種曝氣強度下短程硝化性能的變化特征

圖2 為三種曝氣強度下氨氮去除率和比氨氧化速率(SAOR)的變化情況.進水NH4+-N 的濃度為87.21～103.58mg/L,在曝氣強度分別為1,1.5,2L/(L?h)時,出水NH4+-N 分別在32、38、30 周期為35.60,35.92,38.07mg/L;ARE 在整個運行周期內逐步增加,分別在10、15、12 周期時達到52.68%、47.89%、55.29%,周期末各為57.13%、62.45%和67.10%.整個運行周期內,SAOR 逐漸增大至趨于平穩,分別穩定在0.50,0.48,0.54g/(g·d) .分析原因,三種曝氣強度分別形成低(DO 為0.3～0.5mg/L)、中(DO 為1.0～1.2mg/L)、高(DO 為1.8～2.0mg/L)DO 環境,隨DO 濃度升高,AOB 和NOB 的增長速率和代謝活性逐漸增大[7],ARE 增加,SAOR 升高.

圖3 為三種曝氣強度下NO2--N 的變化特性.進水N 平均濃度均為0.23mg/L,工況Ⅰ和Ⅲ出水-N 濃度都隨運行周期的增加而升高,分別在32、30 周期達到30 和35mg/L,NiAR 為90%和95%,SNiPR 為0.15 和0.28.對比工況Ⅰ和Ⅲ,工況Ⅱ運行前期,平均出水NO2--N 濃度、NiAR 和SNiPR隨反應運行波動升高,至第18 周期達到最大值,分別為24.67mg/L、94.04%、0.17,亞硝化性能良好.隨后,亞硝積累逐漸惡化,NiAR 從94.04%逐步降低至65.34%,出水NO2--N 濃度和SNiPR 逐漸下降至14.58mg/L 和0.09.

試驗表明,工況Ⅰ的低DO 濃度(0.3～0.5mg/L)和工況Ⅲ的高DO 濃度(1.8～2.0mg/L)都能實現較好的亞酸鹽積累,工況Ⅲ的NiAR 更高.分析原因,在低曝氣強度和間歇曝氣條件下,NOB 生長受到抑制[18],AOB 逐漸成為優勢菌種,但是由于低DO 環境,AOB和NOB 的增值速率和代謝活性下降[19],Wang 等[20]研究表明當 DO 為 0.5mg/L 時,AOB 和NOB 增長速率分別為正常值的 60%和30%,一定程度上削弱了對NH4+-N 的高效轉化;高曝氣強度下DO 充足,AOB、NOB 的生長活性均增強,Regmi 等[21]的試驗證明高 DO(大于1.5mg/L)條件下,AOB 對DO 的競爭力大于NOB,同時,交替缺氧-好氧條件下,AOB適應性更強,因而NiAR 達95%.工況Ⅱ的NiAR 變化情況說明在中曝氣強度(DO 為0.7～0.9mg/L)反應前期,AOB、NOB 的生長活性均有所增強,但DO 對NOB 仍有抑制.中后期,NOB 逐漸適應DO 環境,DO對NOB 的抑制減小,NOB 增長速率加快,AOB 不再是優勢菌種,故亞硝化系統遭到破壞.張杰等[22]控制曝氣強度為 1.58L/(L·h),亞硝化性能逐漸惡化,周期末NiAR 為 48%,控制曝氣強度為 1.93L/(L·h),實現NiAR 為91.6%,與本研究結果基本一致.

圖4 為三種曝氣強度下NO3--N 及同步硝化反硝化率(SND)的變化特性.進水NO3--N 平均濃度為0.73mg/L,工況Ⅰ和Ⅲ,整個運行過程中出水NO3--N的濃度都低于 3.0mg/L,說明在低和高曝氣強度下,NOB 抑制效果良好;比硝酸鹽氮氧化速率(SNaPR)平均各為0.066,0.11g/(g?d),說明高曝氣強度下的高DO 環境中,NOB 活性增加.工況Ⅱ,隨反應器運行出水NO3--N 濃度和SNaPR 顯著增加,后期分別穩定至14.03mg/L 和0.096g/(g?d).分析原因,反應前期,NOB 處于適應中曝氣強度下的 DO(0.7～0.9mg/L)環境條件,在中后期,DO 對NOB 的抑制減弱,NOB 活性恢復.

圖2 三種曝氣強度下NH4+-N 去除和SAOR 變化特性Fig.2 NH4+-N removal and SAOR characteristics under three kinds of aeration strength

圖3 三種曝氣強度下NO2--N 變化特性Fig.3 Variation characteristics of NO2--N under three kinds of aeration strength

圖4 三種曝氣強度下NO3--N 及同步硝化反硝化率(SND)的變化特性Fig.4 Characteristics of NO3--N and simultaneous nitrification and denitrification rate (SND) under three kinds of aeration strength

整個運行過程中,進水ΔTN 為87.43～105.65mg/L,出水Δ TN 分 別 為:58.94～80.19mg/L、58.98～81.10mg/L、63.33～76.66mg/L,均發生了不同程度的氮損失,造成氮損失的原因[19]包括:游離氨的吹脫、厭氧氨氧化、N2O 的釋放、同步硝化反硝化以及微生物的同化作用等.由圖4 可看出,在工況Ⅰ和Ⅲ中,SND都呈下降趨勢,周期末分別穩定在45.65%和36.41%,工況Ⅱ,SND 在運行前期逐漸降低,中后期上升后穩定在65.28%,微環境理論認為[23],由于氧傳遞受限,在活性污泥絮體內產生DO 濃度梯度,內部會形成微缺(厭)氧環境,為反硝化和厭氧氨氧化提供反應條件.工況Ⅰ低DO 條件下,微缺(厭)氧環境所占比例可能提高,反硝化作用增強,SND 占比高.工況Ⅲ高DO 條件下,NH4+-N 主要通過短程硝化作用轉化,氮損失量減少,SND 占比降低.工況Ⅱ前期,AOB 逐漸占優勢將NH4+-N 氧化為NO2--N,運行中后期,短程硝化系統破壞,NOB 生長速率加快,SND 逐漸穩定.

2.2 三種曝氣密度下短程硝化性能的變化特征

圖5 三種曝氣密度下NH4+-N 去除和SAOR 變化特性Fig.5 NH4+-N removal and SAOR characteristics under three kinds of aeration densities

圖5 為三種曝氣密度下ARE 和SAOR 的變化情況.曝氣密度分別為6、8 和12,進水NH4+-N 濃度均為62.21～100.58mg/L,出水NH4+-N 濃度隨運行周期的增加而降低,運行至40、37、22 周期時,出水NH4+-N 趨于穩定,分別為16.52、30.48 和36.59mg/L;NH4+-N 去除率在整個運行周期內逐步增加,分別在40、37、22 周期時達到了71.40%、52.36%和59.60%.運行后期SAOR 逐漸增大并穩定在0.33、0.36 和0.42gN/(gVSS?d),可以看出工況Ⅵ下SAOR增長幅度較大.分析原因,AOB 在交替缺氧/好氧環境下提高自身產率系數來加快生長繁殖[24],生物量增加,SAOR 增大.間歇曝氣可以使得AOB 和NOB經歷周期性的缺氧/好氧交替,AOB 具備的“飽食饑餓”特性[25]使其成為優勢菌種,NOB 不具備此特性因而被抑制,且曝氣密度越大即間歇缺氧/好氧的時間間隔越短,越有利于AOB 生長,使其在與NOB 的競爭中處于優勢地位[26-27].

圖6 表示三種曝氣密度下NO2--N 積累及SNaPR、SNiPR 變化特性.進水NO2--N 和NO3--N平均濃度為0.23 和0.73mg/L,出水NO2--N 濃度都隨運行周期增加而升高,分別運行至第40、37 和22 周期時,出水 NO2--N 穩定至 26.07、19.82 和23.45mg/L,NiAR 均在95%以上.SNiPR 也呈先增加后逐漸穩定的趨勢,周期末SNiPR分別為0.16、0.20、0.27gN/(gVSS?d).短程硝化性能均較好.

三種工況下,運行初期出水NO3--N 濃度均低于3.0mg/L,SNaPR 均呈現逐漸下降的趨勢,周期末SNaPR 分別穩定在 0.008、0.003 和 0.001gN/(gVSS?d),出水NO3--N 濃度分別降至1.00、0.19和 0.30mg/L,這可能是因為三種曝氣密度:6(40min:40min) 、 8(30min:30min) 和 12(20min:20min)的間歇曝氣時長不同,曝氣時長縮短,對NOB 的抑制作用增強,其活性降低,逐漸被淘洗[28].

圖6 三種曝氣密度下NO2--N 積累及SNaPR、SNiPR 變化特性Fig.6 Accumulation of NO2--N and variation characteristics of SNaPR and SNiPR under three aeration densities

李冬等[14]設計曝氣密度3、6 和12,分別經過 32、29、23d 實現了CANON 工藝成功的啟動,曝氣密度為12時,因其較大的曝氣密度和合適的時間間隔,更有利于抑制NOB 活性,使得系統對DO 的利用率更高,提高了系統的脫氮性能,與本研究結果一致.

圖7 為三種曝氣密度下ΔTN 及ΔCOD 變化特性.三種工況下,ΔTN 的變化范圍分別為:2.67～18.46mg/L、3.68～30.21mg/L 和9.32～21.60mg/L,都發生了氮損失.本試驗忽略微生物同化作用等,ΔTN表示為同步硝化反硝化作用去除的總氮.由式(1)、(2)計算ΔTN、ΔCOD 及ΔCOD/ΔTN.三種工況的ΔTN 在周期末穩定至18.46、15.90 和13.29mg/L,ΔCOD 分別為155.43、121.53 和90.35mg/L, ΔCOD/ΔTN 最后各穩定在8.42、7.64 和6.79.分析認為,工況Ⅳ和Ⅵ的ΔCOD 差異明顯,這是因為總曝氣強度一定條件下,曝氣密度越小,好氧段時間越長,好氧消耗的COD 越多,供給缺氧段異養反硝化的COD 越少,即好氧段的長短決定有機碳源的消耗量,這與劉安迪等[29]研究相似.工況Ⅳ的ΔTN 最大,這可能是由于工況Ⅳ的好氧段時間最長,好氧段污泥內部的微觀厭氧環境發生“好氧反硝化”[23]消耗ΔTN 較多.

圖7 三種曝氣密度下ΔTN 及ΔCOD 變化特性Fig.7 ΔTN and ΔCOD characteristics under three kinds of aeration densities

2.3 曝氣密度、曝氣強度對ARE 及NiAR 的影響

分別以ARE 和NiAR 為探究對象,以曝氣強度和曝氣密度為2 個試驗因素,進行批次實驗,實驗結果見表4,對ARE、NiAR 進行等高線分析,分析結果見圖8 和圖9.

采用批次試驗分析曝氣強度和曝氣密度對交替間歇曝氣SBR 短程硝化系統中ARE 和NiAR 的影響.圖8(a)為ARE 等高線圖,隨著曝氣強度增加,ARE 逐步升高且受曝氣密度的影響減小,圖8(b)分別截取曝氣強度為1、1.5、2 和2.5L/(L?h)四條剖線,ARE 與曝氣密度呈正相關,當曝氣強度為2L/(L?h)時,剖線整體較平緩即受曝氣密度影響較小;圖8(c)中分別截取曝氣密度為4、8、14 三條剖線,隨曝氣強度增加ARE 升高,且曝氣密度越大ARE 越好.

表4 氨氮去除率(ARE)和亞硝酸鹽積累率(NiAR)Table 4 Ammonia nitrogen removal rate (ARE)and nitrite accumulation rate (NiAR)

圖8 (a)ARE 的等高線 (b)曝氣強度剖面 (c)曝氣密度剖面Fig.8 (a)Contour of ARE (b)Section of aeration strength (c)Section of aeration densities

圖9 (a)NiAR 的等高線(b)曝氣強度剖面(c)曝氣密度剖面Fig.9 (a)Contour of NiAR(b)Section of aeration strength(c)Section of aeration densities

圖9(a)為NiAR等高線圖,曝氣強度為1.5L/(L?h)時NiAR 最低,隨曝氣強度增加或降低NiAR 均逐漸升高,且受曝氣密度影響降低.圖9(b)分別截取曝氣強度為1、1.5、2 和2.5L/(L?h)四條剖線,曝氣強度為1 和2L/(L?h)時,隨曝氣密度增加NiAR 逐漸升高接近100%;曝氣強度為1.5 和2.5L/(L?h)時,隨曝氣密度增加NiAR 逐漸降低,曝氣密度增至15 時,NiAR 分別降至55%和63%.圖9(c)分別截取曝氣密度為4、8、14 三條剖線,曝氣強度為1～1.5,2～2.5L/(L?h)時,三種曝氣密度下的NiAR 與曝氣強度都呈負相關,即隨曝氣強度增加, NiAR 效果變差,在曝氣強度為2L/(L?h)時,NiAR 都達到最大值,且曝氣密度為14 時NiAR 效果最好.

分析原因:低曝氣強度下,AOB 活性高于NOB,AOB成為優勢菌種,因而SBR亞硝化性能較好,且隨間歇曝氣時間間隔減少即曝氣密度增大,NOB 不能及時利用基質[30]導致NOB 活性進一步降低,因而NiAR 升高,但同時低DO 環境導致AOB 增值速率和代謝活性下降[21],增大曝氣密度無法阻止AOB 活性的下降[31],氨氮去除效果下降.高曝氣強度下,DO充足,AOB 和NOB 的增值速率和代謝活性均增加,因而ARE 有所升高,同時增大曝氣密度,即減小曝氣時間間隔,NOB 受到抑制,AOB 仍為優勢菌種,NiAR增大.但繼續增大曝氣強度,DO 過量,亞硝積累效果反而下降,NOB 不能被有效抑制[32-33],短程硝化的穩定性遭到破壞.

根據以上試驗結果,曝氣強度和曝氣密度均會對ARE 和NiAR 產生影響,但曝氣強度占主導地位,在高曝氣強度為2L/(L?h)、曝氣密度為15 時,可實現77%ARE 和99%NiAR.

3 結論

3.1 間歇曝氣SBR 短程硝化系統中,設計曝氣密度為12,控制低[1L/(L?h)]、中[1.5L/(L?h)]和高[2L/(L?h)]三種曝氣強度,在低和高曝氣強度下,ARE 和NiAR分別為57.13%、67.10%和90%、95%,高曝氣強度下氨氮去除效果更佳,中曝氣強度下運行后期短程硝化系統破壞,NiAR 最終降至65.34%.

3.2 設計曝氣強度為2L/(L?h),控制三種曝氣密度分別為6、8 和12,ARE 分別在40、37、22 周期時達到了 71.40%、52.36%和 59.60%,NiAR 增至98.94%、96.72%和98.20%,曝氣密度為12 時達到穩定短程硝化所需時間最短.

3.3 對批次試驗結果進行等高線和剖面圖分析,曝氣強度和曝氣密度均會對ARE 和NiAR 產生影響,但曝氣強度占主導地位;準佳曝氣強度為2L/(L?h),協同增大曝氣密度,可同時達到較為理想的氨氮去除效果和亞硝積累效果.