碳源濃度和投加方式對sbr反應器短程硝化的影響

碳源濃度和投加方式對sbr反應器短程硝化的影響

1材料和方法1.1進水、恒壓測試安裝如圖1所示。SBR反應器的總容積為5L(有效容積為4L),其進水、曝氣、沉淀、排水等操作由程序自動控制,采用瞬時(5min)進水、恒定供氣的運行方式。1.2結合ceona3h2o、kh2po4及微量元素的nh3-p原水為人工配制,成分為:NH4HCO3、NaHCO3、CH3COONa·3H2O、KH2PO4及微量元素,其中NH+4-N為300mg/L,COD為400~600mg/L,PO3?443--P為3mg/L;接種污泥取自西安北石橋污水處理廠的氧化溝。1.3分析設計和方法氨氮:納氏試劑比色法;亞硝態(tài)氮:N-1-萘基乙二胺比色法;硝態(tài)氮:紫外分光光度法;COD:重鉻酸鉀法;其他指標按標準方法測定。2結果與討論2.1進水氨氮濃度對反應器的影響采用逐漸提高進水氨氮濃度的方法對污泥進行馴化、培養(yǎng),為了加快培養(yǎng)速度保持反應器溫度在28~32℃。由于污泥本身具有硝化能力,在進水氨氮濃度為50~100mg/L時,經過兩天的適應就可使出水氨氮濃度<5mg/L。但當進水氨氮濃度從100mg/L增加到200mg/L時出水氨氮濃度明顯增加,說明反應器受硝化菌數量的限制,不能將氨氮完全轉化。又經過10d的馴化、培養(yǎng),硝化細菌數量增加,出水氨氮濃度再次降低到5mg/L以下,反應器的氨氮去除負荷達到0.62kg/(m3·d),氨氮轉化率為98%,標志著高氨硝化污泥馴化、培養(yǎng)的結束。2.2反應器內的do和ph值分布SBR的工作周期為6h,其中進水5min、曝氣295min、沉淀30min、排水15min、閑置15min,采用曝氣量恒定的供氧方式(曝氣量為70~80L/h)。圖2是一個周期內含氮化合物的濃度變化情況。由圖2可知,在進水(氨氮濃度為150mg/L)結束后氨氮濃度隨著反應的進行先呈直線下降(在5~180min時段),而后緩慢下降(在180~240min時段),最后基本保持不變(在240~300min時段)。這是序批式反應器內物質濃度變化的典型特征,它反映了氨氧化反應遵循Monod方程,即氨氮濃度>15mg/L時氨氧化反應屬零級反應,反應速率與反應物濃度無關,反應以最大反應速率進行;當氨氮濃度<15mg/L以后氨氧化轉為一級反應,反應速率因受到氨氮濃度的限制而越來越小,由于反應器內微生物的基質利用速率隨著時間的變化而變化,而供氧速率保持不變,故反應器內的DO濃度必定發(fā)生變化。反應器內的DO和pH值的變化如圖3所示。圖2、3表明:①前期反應速率較大,使得微生物對氧的利用率大于供氧速率,所以反應器內的DO濃度很低;當氨氮濃度<15mg/L以后反應速率逐漸減小,微生物對氧的利用率逐漸降低,而供氧速率不變,故反應器內的DO濃度不斷上升,直至硝化菌進入內源呼吸階段(溶解氧水平高達6mg/L)。②由于硝化反應是一個產酸過程,為了維持反應器內的pH值在進水中加入一定量的NaHCO3,反應20min后pH值開始不斷下降,但當硝化反應結束后pH值又不斷上升。pH值的這種變化是合理的,因為開始時由硝化反應產生的H+多于由曝氣作用引起的H+減少(CO2被吹脫所致),當硝化反應結束后曝氣的持續(xù)進行使得CO2吹脫仍然存在,所以pH值呈上升趨勢。③反應的前20min內在氨氧化的同時硝態(tài)氮的濃度也在下降,此時pH值有所升高,說明反應器內發(fā)生了同步硝化反硝化。2.3降壓器運行情況首先控制曝氣量在70~80L/h,使SBR反應階段的溶解氧濃度呈現高、低交替的方式(見圖3),稱之為溶解氧變化的第一種模式;然后降低曝氣量為50~60L/h,使整個周期內的溶解氧都保持在很低的水平(0~0.2mg/L),稱之為溶解氧的第二種模式;最后提高曝氣量(恢復為第一種溶解氧變化模式)。在此過程中系統內氨氮氧化和亞硝態(tài)氮積累的情況分別如圖4、5所示。由圖4、5可知,當SBR在第一種溶解氧模式下運行時,出水氨氮濃度<5mg/L,亞硝態(tài)氮積累率由最初的73%上升到90%左右,反應器處在良好的短程硝化狀態(tài);當SBR轉為第二種溶解氧模式運行時,前8天出水氨氮及亞硝氮積累率基本沒有變化,此后出水氨氮濃度增加到80~140mg/L(高氨出水狀態(tài)持續(xù)了12d),出水亞硝態(tài)氮減少了約50%,出水硝態(tài)氮由原來的10mg/L下降到5mg/L左右,說明硝化過程在持續(xù)低溶解氧條件下受到了嚴重抑制;提高曝氣量使SBR再次以第一種溶解氧模式運行,4d后系統即恢復正常。經分析,第一種溶解氧變化模式對氨氧化、亞硝酸鹽積累的影響主要由3種原因所致。反應器內亞硝酸鹽菌和亞硝酸菌爭奪do在反應前期,由于需氧量大于供氧量,故反應器內的DO水平很低。此時,亞硝酸菌和硝酸菌共同爭奪DO,由于亞硝酸菌對氧的親和力大于硝酸菌,因此反應器內的氧首先被亞硝酸菌利用,硝酸菌由于得不到氧而停止呼吸,使得亞硝態(tài)氮在反應器內積累下來。高、低溶解氧交替氧化速率調整曝氣量,控制反應后期反應器內的高溶解氧時間分別為10、60、120min,測定氨氧化速率和亞硝態(tài)氮氧化速率及出水中亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的濃度,結果見表1。由表1可知,亞硝酸菌在高、低溶解氧交替的環(huán)境下能夠保持較高的活性,氨氧化速率較大并且有隨著高溶解氧時間的增加而增加的趨勢,說明高溶解氧有利于亞硝酸菌恢復活性,提高氨氧化速率。而硝酸菌在此條件下則活性受到明顯抑制,亞硝態(tài)氮氧化速率比氨氧化速率小一個數量級,所以亞硝態(tài)氮得以積累。隨著高溶解氧時間的加長則會有更多的NO-2轉化為NO-3,但硝酸菌的活性也會隨著高溶解氧時間的增加而增加,所以高溶解氧階段不宜過長,試驗中控制在30min左右為宜。碳源對亞硝酸菌的影響活性污泥系統中的微生物會經常遇到物質充足和缺乏的情況,碳氧化菌為適應碳源充足、缺乏的環(huán)境而發(fā)展了特定的代謝方式——飽食饑餓特性,即碳源充足時細菌在體內儲存聚合物(如PHB),但并不直接用于其生長,碳源缺乏時細菌才利用PHB。研究表明,亞硝酸菌與碳氧化菌一樣具有飽食饑餓特性,即能夠適應溶解氧的周期性波動。亞硝酸菌在前期的低溶解氧下,利用有限的氧氧化氨氮進行呼吸(低氧飽食階段);當SBR進入高溶解氧且氨氮濃度很低的階段(高氧饑餓階段)后亞硝酸菌處于內源呼吸狀態(tài),其活性在這一時期得到恢復,硝酸菌則因不具有飽食饑餓特性而不能適應溶解氧高、低交替的環(huán)境,逐漸被淘汰。細菌計數表明,反應器穩(wěn)定運行兩個月后亞硝酸菌與硝酸菌的數量比為103∶1,證明SBR反應期內高、低溶解氧交替模式是獲得短程硝化的關鍵條件,這與亞硝酸菌的飽食饑餓特性有關。2.4cod濃度及投加方式對同步硝化反硝化效率的影響在低溶解氧下的短程硝化過程中發(fā)現有總氮減少的現象,即反應器內發(fā)生了同步硝化反硝化。分析試驗條件(高氨低碳水質、溶解氧水平很低、污泥絮體顆粒較大),可以推斷總氮減少是由于溶氧擴散的限制而在污泥絮體內產生溶解氧梯度造成的。在污泥絮體外部亞硝酸菌利用氧把氨氧化成了亞硝酸鹽,在內部的缺氧區(qū)異養(yǎng)菌又把部分亞硝酸鹽還原成了氮氣。研究表明,溶解氧濃度、有機碳源和污泥絮體結構是影響同步硝化反硝化的三個重要因素,其中有機碳源作為反硝化過程的電子供體,對同步硝化反硝化體系起著至關重要的作用。為此筆者考察了COD濃度及投加方式對同步硝化反硝化效率的影響。試驗采用了三種碳源投加方式:在反應器進水期一次性加入(瞬時加入);在好氧反應期用蠕動泵連續(xù)投加碳源;在好氧反應期每隔一小時加一次碳源(半連續(xù)加入)。試驗結果如表2所示(氨氮濃度為300mg/L)。由表2可知,在試驗研究的范圍內COD濃度對總氮去除率影響不大,而不同COD投加方式時的脫氮率明顯不同,當采用一次性投加方式時COD很快就降解到較低值,隨后由于碳源缺乏而使得反硝化受阻,總氮去除率只有50%~60%;當采用連續(xù)投加方式時總氮去除率提高到70%左右,這種投加方式保證了反應過程中始終都有COD存在,但反應器內碳源濃度太低,故滲透到絮體內部缺氧區(qū)的碳源有限,所以這種碳源投加方式也有局限性;半連續(xù)投加結合了上述兩種碳源投加方式的優(yōu)點,能保證總氮去除率>80%。利用表2中的數據可以計算出每種COD濃度及投加方式下用于脫氮的COD與碳氧化的COD的量(反應器內的反應以亞硝化反硝化為主,理論上去除1g的NO-2-N需消耗1.71g的COD),其中反硝化去除的COD所占之比例依次為5.71%、9.26%、18.56%、10.85%、37.82%、26.33%。反應器內的COD一部分用于反硝化,一部分被氧化,因此要提高同步脫氮的效率,就需提高反硝化去除COD的比例,而采用半連續(xù)投加方式時反硝化碳源所占比例最高,故其脫氮效率最高。2.5污泥沉降性能低溶解氧下短程硝化成功的例子并不多見,原因是此時污泥易發(fā)生絲狀菌膨脹,但筆者的試驗過程中不僅沒有發(fā)生絲狀菌膨脹而且污泥沉降性能極好(污泥容積指數由接種時的160mL/g降至50~60mL/g)。鏡檢(反應器運行第55天的污泥)顯示,污泥絮凝密實并形成了較大的顆粒:污泥的平均粒徑為200μm,最大可達543μm。這也說明正是由于污泥顆粒比較大而溶解氧又比較低,故在膠團內部形成了缺氧區(qū),所以發(fā)生了同步脫氮現象。3碳源投加對亞硝酸菌全氧代酸鹽系總氮去除能力的影響①在溫度為21~25℃、進水氨氮濃