王 川,聶會元,左金龍,李 橋

(1.重慶大學a.建設管理與房地產(chǎn)學院,b.科技企業(yè)集團,c.城市建設與環(huán)境工程學院,重慶 400045;2.哈爾濱商業(yè)大學環(huán)境工程系,哈爾濱 150076）

同步硝化反硝化(Simultaneous Nitrification and Denitrification)簡稱SND,是指硝化和反硝化過程在同一反應器中同時進行,它是由于好氧系統(tǒng)中污泥絮體內(nèi)部缺氧產(chǎn)生的[1-2]。在同一處理系統(tǒng)中實現(xiàn)同步硝化反硝化過程,硝化反應的產(chǎn)物可直接成為反硝化反應的底物,避免了硝化過程中硝酸鹽的積累對硝化反應的抑制,加速了硝化反應的速度;而且反硝化反應中所釋放出的堿度可部分補償硝化反應所消耗的堿度,無需外添堿度[3-5]。硝化反應和反硝化反應可在相同的條件和系統(tǒng)下進行,簡化了操作難度。SND大大簡化生物脫氮工藝并提高脫氮效率,從而節(jié)省投資、提高處理效率,也可節(jié)省碳源。對于連續(xù)運行的SND工藝污水處理廠,可以減少缺氧池容積。對于僅由一個反應池組成的SBR反應器而言,SND能夠降低實現(xiàn)完全硝化反硝化所需的總時間[6-7]。

目前SND生物脫氮的機理分析主要有以下3種:宏觀環(huán)境理論、微環(huán)境理論和生物學理論,其中微環(huán)境理論占主導地位[8-9]。微環(huán)境理論認為,生物反應器中的微生物個體形態(tài)較小,一般在50μm～80μm之間[10-11]。同時影響生物的生存環(huán)境也是微小的,在溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)比較低的好氧條件下,由于存在傳質(zhì)阻力,在活性污泥菌膠團的不同深處,存在缺氧區(qū)和好氧區(qū)兩種微環(huán)境類型,它們的位置、微生物類型、基質(zhì)分布與代謝活動、DO含量具有很大差異。缺氧區(qū)在菌膠團內(nèi)部,其DO濃度很低,適宜于反硝化菌生活;而處于菌膠團外部的好氧區(qū),DO較高,以有機物好氧降解菌(異養(yǎng)菌)和硝化菌為主。異養(yǎng)菌、硝化菌和反硝化菌分別占據(jù)適宜的生態(tài)位,系統(tǒng)通過硝化菌和反硝化菌的協(xié)同作用實現(xiàn)同時硝化反硝化生物脫氮。

現(xiàn)有的的研究成果認為SND關鍵控制因素主要為DO、污泥絮體形態(tài)因素,pH值、溫度、污泥齡、碳源等因素也會對其產(chǎn)生一定的影響。DO濃度對能否實現(xiàn)SND是至關重要的,通過控制DO濃度,調(diào)節(jié)硝化和反硝化速率都能達到比較合適的水平,最佳的狀態(tài)是使硝化速率與反硝化速率達到基本一致,以保證完全硝化反硝化。另外,微生物絮體結(jié)構(gòu)也直接影響污泥絮體內(nèi)部好氧區(qū)與缺氧區(qū)比例的大小和絮體內(nèi)部物質(zhì)的傳質(zhì)效果,進而影響微生物對DO和底物獲取的難易程度。體積較大的污泥顆粒增加了缺氧微環(huán)境的比例,結(jié)構(gòu)密實的污泥顆粒的傳質(zhì)阻力大。只有顆粒大小適中的污泥才能保證DO和有機碳源在污泥絮體內(nèi)部的分布有利于同步硝化反硝化。

由于目前不同的學者分別支持不同的觀點,SND的機理尚未十分清晰,因此該文主要針對DO濃度、污泥粒徑分布考察對城市污水SND的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗用水來源和水質(zhì)

該試驗所用生活污水取自哈爾濱商業(yè)大學校園生活區(qū),水質(zhì)主要指標如表1中所示。

表1 試驗廢水成份

1.2 試驗裝置和方法

采用2個反應器平行試驗,每個反應器由有機玻璃制成,上部為圓柱形,下部為圓錐體,高為700 mm,直徑為200 mm,總有效容積為12 L。

圖1 試驗裝置

試驗期間采用溫度控制器,反應器中混合液的溫度控制在25±1℃。運行方式為瞬時進水、缺氧攪拌30 min、好氧曝氣3 h、靜止沉淀2 h和閑置待機2.5 h,因此每個周期運行時間為8 h,每d運行3個周期。每周期結(jié)束后排放泥水混合液,控制MLSS在2000 mg/L-2500 mg/L,SRT=15 d左右。

1.3 檢測分析項目與方法

指標采用國家環(huán)保總局頒布的標準分析方法測定[12]。COD采用5B-3型COD快速測定儀測定;NH4+-N采用納氏試劑分光光度法;MLSS、SS采用濾紙重量法;DO、pH、ORP和溫度采用 WTW inoLab Oxi level2實驗室臺式溶解氧儀在線檢測。COD和氨氮的試驗結(jié)果均選取試驗穩(wěn)定的典型周期,采用重現(xiàn)性較好的數(shù)據(jù)。污泥粒徑分布測定采用HIAC Royco9703粒徑分析儀。

2 結(jié)果與討論

2.1 SND分析

在SBR反應器典型周期內(nèi),采用低DO(平均DO=0.5～0.8 mg/L)控制SND形成,活性污泥由下面4部分組成:1)具有代謝功能活性的微生物群體(主要是細菌);2)微生物內(nèi)源代謝、自身氧化的殘留物;3)由原水帶的細菌難降解的惰性物質(zhì);4)由原水帶入的無機物質(zhì)。通過微生物的代表公式(C5H7NO2)可以估算得出用于細胞合成所消耗的氮量。繪制SBR反應器發(fā)生SND時的氮平衡圖,如圖2所示。

圖2 SND時氮元素物料平衡

由圖2中所示,對于城市污水,在SBR典型的反應周期內(nèi),氮元素主要通過缺氧段的反硝化脫氮、好氧段的SND、剩余污泥的排放等途徑得到有效去除。其中缺氧反硝化去除氮的量占總氮的32.46%,而占總氮大約23.11%的氮是通過SND現(xiàn)象去除的?？梢娤到y(tǒng)存在明顯的同步硝化反硝化(SND)現(xiàn)象。

2.2 SND與DO關系

以往研究表明,SND現(xiàn)象均是在較低的DO濃度的條件下發(fā)生的。但在DO濃度較高時,是否仍然會發(fā)生明顯的同步硝化反硝化現(xiàn)象?為此分別在低曝氣量和高曝氣量的條件下對DO濃度與SND的關系進行了試驗研究,得到高DO和低DO濃度與NOX-N生成速率和氨氮氧化速率之比(發(fā)生SND的程度)的關系,見圖3。

圖3 DO與NOX-N生成速率和氨氮氧化速率之比間的關系

根據(jù)圖3的試驗數(shù)據(jù),可得出低DO濃度和高DO濃度條件下的兩個表達關系式:

分析公式1和2發(fā)現(xiàn),在高和低DO濃度條件下,NOX-N生成速率與NH4-N氧化速率之比與DO高、低濃度都均保持了較好的線性關系。將DO高、低濃度與NOX-N生成速率與氨氮氧化速率之比繪圖,見圖4。

圖4 DO與NOX-N生成速率和氨氮氧化速率之比間的關系

由圖4中可得出二者的函數(shù)關系式如式3:

將方程式(1)、(2)和(3)進行比較后發(fā)現(xiàn),在低DO活性污泥的SBR反應器中,SND與DO濃度存在著明顯的線性關系。當DO濃度為4.296 mg/L時,硝化反應產(chǎn)生的氨氮的減少量與硝態(tài)氮的生成量相等,此時基本不發(fā)生SND現(xiàn)象;當溶解氧濃度為0.5 mg/L時,硝態(tài)氮的生成量與氨氮的減少量之比為0.454,與Munch等曾報道的達到相等硝化速率與反硝化速率時的溶解氧濃度(0.5 mg/L)基本相當[13]。表明在SBR反應器中,當好氧條件下進行硝化反應的同時,也進行著好氧反硝化過程。

可見DO濃度與SND的發(fā)生具有明顯的直接關系。通過調(diào)節(jié)反應器中的DO濃度,使反應系統(tǒng)中的硝化反應以最大的反應速率進行,同時兼顧同步硝化反硝化,對于縮短SBR硝化反硝化反應的時間,指導污水處理廠生產(chǎn)實踐具有重要的現(xiàn)實意義。

2.3 SND與污泥顆粒粒徑的關系

在進行SND的試驗的同時,針對活性污泥菌膠團顆粒的大小也進行考察,結(jié)果見圖5。

圖5 SND條件下活性污泥菌膠團顆粒分布

從圖5中可以看出,實驗活性污泥菌膠團顆粒粒徑主要分布在 2μm ～6.83μm,平均粒徑為 5.02μm～6μm,遠遠小于文獻報道的活性污泥菌膠團顆粒粒徑的平均值52μm和Beccari報道的平均80μm[10-11]。

分析產(chǎn)生粒徑小的原因:實驗采用家屬區(qū)生活污水,水質(zhì)屬于普通城市污水。根據(jù)污泥絮體形態(tài)觀察,發(fā)現(xiàn)在SND時活性污泥的顆粒比較細小破碎。在低DO的條件下,如此小的污泥粒徑下,DO擴散非常迅速,不會產(chǎn)生DO濃度的梯度分布,也不會因為在菌膠團內(nèi)部產(chǎn)生缺氧區(qū)。因此在這種條件下發(fā)生SND的現(xiàn)象,一定不是“微環(huán)境作用”的單一結(jié)果。

實驗是在非常小的菌膠團顆粒粒徑(5.02μm～6μm)條件下實現(xiàn)了SND,證明以往的關于SND微環(huán)境理論解釋的具有一定的片面性。而目前普遍接受的理論為:在菌膠團顆粒粒徑較大的條件下,由于DO的擴散,菌膠團內(nèi)部產(chǎn)生缺氧環(huán)境,從而發(fā)生SND現(xiàn)象。但該實驗的結(jié)果證明:由于DO擴散產(chǎn)生濃度梯度引發(fā)SND現(xiàn)象,并不是SND形成的唯一原因。

3 結(jié)論

1)采用SBR工藝處理城市污水,反應器中總氮中大約23.11%的氮是通過SND去除的。氮平衡計算證實了SBR工藝污泥微膨脹狀態(tài)下發(fā)生了明顯的SND現(xiàn)象。

2)在高DO和低DO濃度的條件下,硝態(tài)氮生成速率與氨氮氧化速率之比與DO濃度間均保持了較好的線性關系。通過調(diào)節(jié)反應器中的DO濃度,使反應系統(tǒng)中的硝化反應以最大的反應速率進行,同時兼顧同步硝化反硝化,對于縮短SBR硝化反硝化反應的時間,指導污水處理廠生產(chǎn)實踐具有重要的現(xiàn)實意義。

3)當DO濃度為4.296 mg/L時,硝化反應產(chǎn)生的氨氮的減少量與硝態(tài)氮的生成量相等,此時基本不發(fā)生SND現(xiàn)象;當DO濃度為0.5 mg/L時,硝態(tài)氮生成量與氨氮的減少量之比為0.454,硝化速率與反硝化速率基本相當。

4)當SND發(fā)生時,活性污泥菌膠團平均顆粒粒徑僅為5.02～6μm,遠小于文獻報道活性污泥菌膠團顆粒粒徑,仍然會發(fā)生明顯的SND現(xiàn)象,說明SND不是單純的“微環(huán)境作用”的結(jié)果。

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