ao生物脫氮工藝運(yùn)行方式的比較研究

ao生物脫氮工藝運(yùn)行方式的比較研究

生物脫氮過程主要由兩個(gè)階段完成。通過硝化作用將氨氮轉(zhuǎn)化為硝化作用，然后通過反硝化作用將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為水中的氧氣。在硝化作用階段，將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽（no-2-氮），并從亞硝酸鹽（nit）轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽（no-3-氮）。硝化作用的最終產(chǎn)物是亞硝酸鹽，硝化作用以亞硝酸鹽為電子受體。短程硝化抗硝化生物脫氮的基本原則是將硝化作用控制在亞硝酸鹽階段，防止進(jìn)一步硝化no-2-硝基，并直接反硝化。與傳統(tǒng)的生物脫氮工藝相比，短程硝化抗硝化生物脫氮工藝可以避免將硝化作用亞硝酸鹽氧化為亞硝酸鹽，并避免將硝化作用亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽。因此，理論上，大約可以節(jié)省約25%的預(yù)硝化反應(yīng)，大約40%的反硝化反應(yīng)可以減少污泥的生成量，降低硝化作用的耐堿性，縮短反應(yīng)時(shí)間，相應(yīng)地減少30%40%的反應(yīng)體積。這是由于短期硝化反硝化生物脫氮技術(shù)的上述優(yōu)點(diǎn)。近年來，該技術(shù)已成為水處理領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)高游離氨(FA)濃度、高pH值、高溫(>28℃)、低DO濃度等因素可抑制硝酸菌增殖或活性,從而造成亞硝酸菌在硝化系統(tǒng)中占優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)短程硝化.由于一般生活污水的氨氮濃度相對(duì)較低(<100mg/L),進(jìn)水pH值一般在7.0～7.8之間變化,一般不會(huì)出現(xiàn)高游離氨濃度和高pH值情況,雖然生活污水水溫隨季節(jié)性變化,但平均水溫維持在20℃左右,因此,實(shí)現(xiàn)連續(xù)流A/O工藝的短程硝化難度很大,國內(nèi)外在此方向上的研究基本處于空白.本試驗(yàn)基于短程硝化反硝化和全程硝化反硝化生物脫氮理論的不同,應(yīng)用中試試驗(yàn)裝置處理實(shí)際生活污水在常溫下實(shí)現(xiàn)A/O工藝短程硝化反硝化的基礎(chǔ)上,從供氧量、總氮去除率、污泥特性和反應(yīng)機(jī)理等方面詳細(xì)研究了短程/全程硝化反硝化的不同之處和存在的問題,以及它們之間相互轉(zhuǎn)化所需注意的問題,從而為污水處理廠的運(yùn)行和優(yōu)化提供技術(shù)支持和理論依據(jù).1材料和方法1.1反應(yīng)器及ro、orp的控制試驗(yàn)所用反應(yīng)器已達(dá)到中試規(guī)模,由聚氯乙烯塑料制作(如圖1).反應(yīng)器運(yùn)行體積為300L.分為8個(gè)格室(每個(gè)格室體積相等,根據(jù)需要反應(yīng)器的格室數(shù)可以變換),反應(yīng)器前2個(gè)格室缺氧運(yùn)行,后6個(gè)格室好氧.二沉池采用豎流式,體積為100L.試驗(yàn)進(jìn)水、回流污泥和硝化液回流均采用蠕動(dòng)泵控制.反應(yīng)器混合液的溫度維持在20～22℃范圍內(nèi),反應(yīng)器污泥濃度為3400～3700mg/L,SRT控制在15d左右,內(nèi)循環(huán)回流比為2,污泥回流比為0.7,進(jìn)水流量為30L/h,HRT為10h,通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)閥門開啟度來控制好氧區(qū)DO,反應(yīng)器中放置DO、pH和ORP在線傳感器,以測定硝化反硝化反應(yīng)過程中DO、ORP和pH的變化規(guī)律.1.2生活污水中總氮含量tn采用北京工業(yè)大學(xué)家屬區(qū)化糞池內(nèi)的生活污水,進(jìn)水水質(zhì)如表1所示,平均進(jìn)水COD濃度為248.6mg/L,而平均進(jìn)水總氮(TN)濃度為84.9mg/L,由此可知試驗(yàn)所應(yīng)用的生活污水具有C/N低(僅為2.93)的特點(diǎn),反硝化所需碳源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足,由于短程反硝化可以降低碳源消耗量,因此對(duì)短程硝化反硝化的研究更具有實(shí)際應(yīng)用意義.1.3水樣的測定方法COD、TN、NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N、PO3?443--P、總堿度、MLSS等測定均采用國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法,水樣經(jīng)離心后測定.DO和溫度測定采用WTW-level2溶解氧在線儀,pH值和ORP采用WTW在線測定儀.2結(jié)果與討論2.1do濃度對(duì)a/o工藝實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化的影響試驗(yàn)中維持其它條件不變,改變好氧區(qū)DO濃度獲得系統(tǒng)亞硝酸氮的積累率[NO-2-N/(NO-2-N+NO-3-N)×100%]和DO濃度之間的關(guān)系(圖2).由圖2可知,試驗(yàn)初期維持反應(yīng)器內(nèi)低DO濃度(0.3～0.7mg/L,均值為0.5mg/L),隨著反應(yīng)的進(jìn)行,亞硝酸氮積累率逐漸升高,20d后達(dá)到85%左右或更高(甚至實(shí)現(xiàn)了100%的亞硝酸氮積累率),隨后增加DO濃度,10多天的高DO運(yùn)行,反應(yīng)器內(nèi)亞硝酸鹽積累率開始以較快的速度下降,并降低到15%.然后再次維持低DO濃度,大約經(jīng)過2個(gè)污泥齡時(shí)間運(yùn)行,重現(xiàn)了短程硝化反硝化,最后亞硝酸鹽積累率穩(wěn)定在80%以上.由此可知,DO濃度是本試驗(yàn)A/O工藝實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化的主要原因,另外,可知DO濃度也是A/O工藝實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化最可行、最易于控制的因素.維持低DO濃度可重現(xiàn)系統(tǒng)短程硝化反硝化反應(yīng),而提高DO濃度將破壞系統(tǒng)短程硝化反硝化.溶解氧濃度對(duì)硝化菌比增長速率的影響可由下式表示:μ硝化=μASNHKA,NH+SNH?SOKA,O+SO(1)μ硝化=μASΝΗΚA,ΝΗ+SΝΗ?SΟΚA,Ο+SΟ(1)式中,μ硝化為硝化菌的比增值速率(h-1),即單位生物量的增值速率;μA為硝化菌最大比增值速率(h-1);KA,NH為氨氮的飽和常數(shù),為μ硝化=1/2μA時(shí)的氨氮濃度,也稱之為半速率常數(shù)(mg/L);KA,O為溶解氧飽和常數(shù)(mg/L);SNH為反應(yīng)器內(nèi)氨氮濃度(mg/L);SO為反應(yīng)器內(nèi)DO濃度(mg/L).由式(1)可知,當(dāng)環(huán)境中溶解氧濃度升高時(shí),硝化菌比增值速率增加,根據(jù)目前的分類,硝化菌主要由亞硝酸菌和硝酸菌所組成,這2種菌在不同溶解氧時(shí)表現(xiàn)出的增長速率不同.亞硝酸菌的氧飽和常數(shù)一般為0.2～0.4mg/L,而硝酸菌的氧飽和常數(shù)為1.2～1.5mg/L.當(dāng)控制反應(yīng)器內(nèi)DO濃度在0.5mg/L時(shí),把這2種菌的氧飽和常數(shù)代入式(1),可以得出在此溶解氧下,亞硝酸菌的比增值速率比硝酸菌大2.2～2.4倍.由此可以證明在低溶解氧下,硝酸菌被抑制并逐漸被淘汰,使亞硝酸菌逐漸積累起來,最終導(dǎo)致亞硝酸菌的活性或量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硝酸菌,至此,硝化產(chǎn)物主要以亞硝酸鹽氮為主.本研究正是在此機(jī)理下實(shí)現(xiàn)了短程硝化反硝化,這一觀點(diǎn)與Laanbrock提出的低DO下亞硝酸鹽大量積累是由于亞硝酸菌對(duì)DO的親和力較硝酸菌強(qiáng)相符.2.2試驗(yàn)系統(tǒng)及水質(zhì)為了詳細(xì)比較短程硝化反硝化和全程硝化反硝化在脫氮效率、運(yùn)行管理、污泥特性等方面的不同,為實(shí)際污水廠未來實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化提供指導(dǎo),試驗(yàn)分3個(gè)階段進(jìn)行,分別是低DO濃度下以短程硝化反硝化為主的反應(yīng)、低DO濃度下以全程硝化反硝化為主的反應(yīng)以及高DO濃度下全程硝化反硝化,試驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)基本恒定,進(jìn)水TN濃度為75mg/L,進(jìn)水COD濃度為200mg/L.2.2.1好氧區(qū)傳統(tǒng)硝化反應(yīng)圖3是控制低DO濃度下系統(tǒng)以短程硝化反硝化為主時(shí),反應(yīng)器各格室氮化合物濃度和pH值的變化規(guī)律.由圖3可知,維持好氧區(qū)低DO濃度,硝化反應(yīng)在好氧區(qū)第5格室基本完成.pH值在好氧格室一直下降,但當(dāng)硝化完成時(shí),不再產(chǎn)生酸度,曝氣吹脫導(dǎo)致CO2逸出,所以pH值隨后升高.因此,好氧區(qū)第5格室的pH值最低,稱為“氨谷”,好氧區(qū)pH值變化幅度大約為0.4.由于硝化反應(yīng)在好氧區(qū)5格室和6格室完成,在相同供氣量下,由于系統(tǒng)耗氧量大大降低,因此表現(xiàn)為DO濃度的大幅度上升,因此由DO濃度產(chǎn)生突躍以及pH曲線上出現(xiàn)“氨谷”可獲知系統(tǒng)完成硝化.好氧區(qū)所需曝氣量共為1.25m3/h,最后好氧區(qū)出水亞硝酸氮濃度為23.5mg/L,硝酸氮濃度為3mg/L,系統(tǒng)亞硝酸鹽積累率為89%,由圖3可知總氮濃度在好氧區(qū)有所下降,最后系統(tǒng)總氮去除率為65.1%.由于反硝化過程中產(chǎn)生堿度缺氧區(qū)pH值升高,pH差值(ΔpH)為0.08,相對(duì)較大.經(jīng)計(jì)算可得系統(tǒng)缺氧區(qū)反硝化速率為2.58mg/(g·h),好氧區(qū)硝化速率為0.75mg/(g·h).2.2.2好氧區(qū)硝化效果的影響圖4是系統(tǒng)恢復(fù)全程硝化反硝化后,依然維持實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化所需要的低DO濃度,反應(yīng)器各格室氮化合物濃度和pH的變化規(guī)律.如圖4可知,硝化反應(yīng)遠(yuǎn)未完成,系統(tǒng)硝化效果很差,出水氨氮濃度高達(dá)21mg/L,硝化產(chǎn)物以硝酸氮為主,這說明全程硝化低DO運(yùn)行情況下,由于硝化菌活性被抑制,造成系統(tǒng)硝化效果較差,可從好氧區(qū)的pH值變化進(jìn)一步說明問題,雖然pH值沿好氧區(qū)也在降低,但降低幅度很小,僅為0.09,這也說明系統(tǒng)硝化反應(yīng)被嚴(yán)重抑制.為了獲得較好的硝化效果,需要根據(jù)系統(tǒng)硝化類型(短程硝化還是全程硝化)來確定好氧區(qū)的DO濃度,全程硝化時(shí),應(yīng)維持好氧區(qū)DO濃度大于1.5mg/L;短程硝化為主時(shí),由于亞硝酸菌的氧飽和系數(shù)較小,因此低DO濃度就可獲得較好的硝化效果,這也是對(duì)傳統(tǒng)硝化反應(yīng)所需要DO濃度的1種補(bǔ)充和延伸.由于低DO濃度下,硝化反應(yīng)被抑制,因此所需曝氣量降低,控制低DO濃度(0.4～0.6mg/L)時(shí),系統(tǒng)所需曝氣量為1.1m3/h,好氧區(qū)最后出水硝酸氮濃度為18mg/L,亞硝酸氮濃度為3.0mg/L,低DO濃度下,好氧區(qū)總氮濃度大約降低了3mg/L,系統(tǒng)總氮去除率僅為44.7%.缺氧區(qū)1格室和缺氧區(qū)2格室的pH值基本相同,并沒有升高,經(jīng)計(jì)算可得系統(tǒng)反硝化速率為1.85mg/(g·h),硝化速率為0.51mg/(g·h).2.2.3好氧區(qū)傳統(tǒng)系統(tǒng)硝化反應(yīng)的結(jié)果圖5是高DO濃度下全程硝化反硝化為主時(shí),反應(yīng)器各格室不同氮化合物濃度和pH值的變化規(guī)律.由于系統(tǒng)以全程硝化反硝化為主,為了獲得較好的硝化效果,好氧區(qū)各格室DO濃度基本上大于1.5mg/L,系統(tǒng)最后曝氣量共為1.55m3/h.由圖5可知,在好氧區(qū)5格室基本實(shí)現(xiàn)完全硝化,也可從pH曲線上出現(xiàn)“氨氮谷點(diǎn)”和DO曲線上出現(xiàn)“DO突躍點(diǎn)”來判斷硝化反應(yīng)完成.硝化過程中pH值下降幅度較大,從好氧區(qū)1格室的7.2降低到好氧區(qū)5格室的6.65,然后上升,好氧6格室的pH值為6.77.好氧區(qū)出水硝酸氮濃度為43.6mg/L,亞硝酸氮濃度為0,由于高DO濃度下未發(fā)生同時(shí)硝化反硝化,且進(jìn)水C/N很低,所以系統(tǒng)總氮去除率僅為42.6%.缺氧區(qū)硝酸氮濃度稍微降低,但缺氧區(qū)1格室和2格室的pH值基本相同,并沒有升高,經(jīng)計(jì)算獲得系統(tǒng)的反硝化速率為2.27mg/(g·h),硝化速率為0.80mg/(g·h).2.3氧區(qū)ph值變化由以上3種情況可知,低DO短程硝化反硝化運(yùn)行方式無論從節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用還是總氮去除率方面都是最優(yōu)的.①由于反硝化反應(yīng)所需碳源相對(duì)于全程反硝化可節(jié)約40%,因此在相同進(jìn)水碳源下,低DO短程硝化反硝化運(yùn)行方式比高DO全程硝化反硝化運(yùn)行方式在總氮去除率上提高了22%.②在短程硝化和全程硝化2種運(yùn)行方式都完全硝化的情況下,短程硝化反硝化運(yùn)行方式可節(jié)約20%左右的曝氣量,相應(yīng)降低20%左右的運(yùn)行費(fèi)用.③另外發(fā)現(xiàn)全程硝化反硝化運(yùn)行方式,好氧區(qū)pH值變化幅度較大,好氧區(qū)pH值從7.16降低到6.65,但缺氧區(qū)pH值變化很小或基本不變化;短程硝化反硝化運(yùn)行方式,pH值變化幅度略低于上述運(yùn)行方式,好氧區(qū)pH值基本上都大于7,另外缺氧區(qū)pH值變化幅度也較大,主要是短程硝化反硝化過程所需堿度較少,由于短程反硝化反應(yīng)速率較快,可以快速補(bǔ)充系統(tǒng)所需堿度.因?yàn)樵诟逥O濃度下硝化菌的活性較強(qiáng),而在低DO濃度下硝酸菌活性被完全抑制,另外亞硝酸菌活性也有所降低,所以全程硝化速率略大于短程硝化速率.但短程和全程的反硝化速率相差較大,短程反硝化速率相對(duì)于全程反硝化速率增加了大約15%.④試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低DO短程硝化反硝化運(yùn)行方式,污泥沉淀性能依然很好,并沒有發(fā)生低DO污泥膨脹,污泥SVI基本維持在80～110mL/g,其原因可能是低DO濃度下,系統(tǒng)亞硝酸菌活性很強(qiáng),在和絲狀菌競爭中完全占據(jù)優(yōu)勢(shì),經(jīng)鏡檢沒有發(fā)現(xiàn)絲狀菌.全程硝化反硝化高DO運(yùn)行方式,污泥沉淀性能也一直很好.但當(dāng)系統(tǒng)的硝化類型為全程硝化,運(yùn)行在低DO情況下,系統(tǒng)的污泥沉淀性能逐漸變差.以上試驗(yàn)說明,在低DO短程硝化反硝化運(yùn)行方式下,系統(tǒng)硝化效果雖然很好,一旦系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為全程硝化反硝化時(shí),繼續(xù)維持低DO濃度不會(huì)獲得較好的硝化效果,只有提高DO濃度,才會(huì)獲得較好的硝化效果,這表明2種運(yùn)行方式下硝化菌的菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)硝化類型的變化確定系統(tǒng)運(yùn)行條件,從而實(shí)現(xiàn)提高出水水質(zhì)、節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用的目的.另外,需注意低DO濃度下重現(xiàn)短程硝化反硝化時(shí),硝化效果和DO濃度之間存在的矛盾.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在全程和短程硝化反硝化過程中,當(dāng)硝化完成時(shí),DO和pH在線測定參數(shù)所表現(xiàn)的規(guī)律是一樣的.可以應(yīng)用DO和pH的變化規(guī)律指示硝化反應(yīng)的結(jié)束,可以應(yīng)用它們?cè)诰€控制曝氣量,實(shí)現(xiàn)節(jié)約系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的目的,盡可能使“氨谷”或“DO突躍點(diǎn)”出現(xiàn)在好氧區(qū)后面的格室.3/o工藝硝化反應(yīng)(1)基于亞硝酸菌和硝酸菌的溶解氧飽和常數(shù)不同,控制DO濃度可實(shí)現(xiàn)硝化菌活性或種群的變化,維持低DO濃度,導(dǎo)致活性污泥中硝酸菌的逐步抑制或淘洗,亞硝酸菌成為優(yōu)勢(shì)菌種,從而