陸曉婭,徐 華,徐 晨,黃瓊琳,賈楚楚,張永明

(上海師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,上海 200234)

但傳統(tǒng)的生物反應(yīng)系統(tǒng)中,反硝化過程相比硝化過程較難實(shí)現(xiàn),這是因?yàn)樵谝粋€(gè)反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)很難保證擁有穩(wěn)定的缺氧區(qū).因此,對于一個(gè)能實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化功能的反應(yīng)器來說,首先要求其具有較好的反硝化功能.通常同步硝化和反硝化的實(shí)現(xiàn)有2種主要方式:一種是基于微生物群落的微觀分布,即在一個(gè)生物反應(yīng)體系中,通過控制反應(yīng)器的溶解氧分布,使硝化菌和反硝化菌能共存于同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi).但這一方法往往會(huì)受到廢水濃度及負(fù)荷等外界因素的波動(dòng)而導(dǎo)致微生物群落的變化,進(jìn)而影響同步硝化反硝化的效果[9-10].另一種方式則是基于反應(yīng)器的結(jié)構(gòu),即通過反應(yīng)器的設(shè)計(jì),通過控制操作條件在宏觀范圍使其能在同一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)具有好氧區(qū)和缺氧區(qū),從而實(shí)現(xiàn)硝化和反硝化.相比較而言,通過反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)同步硝化和反硝化較為容易抵抗外界因素的干擾.張萃逸等[11]采用氣升式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)硝化和反硝化.但氣升式反應(yīng)器存在的問題是,當(dāng)曝氣量增大時(shí),容易導(dǎo)致整個(gè)反應(yīng)器處于好氧狀態(tài);而曝氣量較小時(shí),反應(yīng)器內(nèi)溶液循環(huán)效果較差導(dǎo)致傳質(zhì)效率較低.

基于以上分析,采用內(nèi)循環(huán)折流式的生物反應(yīng)器(Internal circulating baffled bioreactor,ICBBR),來實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的好氧與缺氧區(qū)共存,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同步硝化和反硝化,以克服氣升式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的不足.在具體研究過程中,首先考察ICBBR的反硝化功能,重點(diǎn)探討氮素的去除規(guī)律,為該反應(yīng)器的實(shí)際應(yīng)用,尤其為城市生活污水的深度處理提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 反應(yīng)器

圖1 折流式內(nèi)循環(huán)生物反應(yīng)器示意圖

實(shí)驗(yàn)所用的內(nèi)循環(huán)折流式生物反應(yīng)器如圖1所示.該反應(yīng)器中的工作體積為2500 mL,由一塊隔離板將反應(yīng)器分為上部和下部兩部分,上下部的體積分別為500 mL和2000 mL.在反應(yīng)器的下部上下交錯(cuò)安裝排列有14塊多孔陶瓷板作為生物膜的載體,同時(shí)又構(gòu)成折流通道.在反應(yīng)器下部還安裝有一個(gè)潛水泵,驅(qū)動(dòng)溶液在反應(yīng)器內(nèi)的上下部循環(huán)流動(dòng).在反應(yīng)器的上部,從水泵流出的水流由于湍動(dòng),導(dǎo)致溶解氧量增加.當(dāng)溶液進(jìn)入反應(yīng)器下部時(shí),由于生物反應(yīng),其中的溶解氧逐漸消耗,因此在反應(yīng)器下部的折流區(qū)域內(nèi)自右至左由好氧區(qū)向缺氧區(qū)過渡,由此可以在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)形成好氧區(qū)和缺氧區(qū).該反應(yīng)器結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)同步硝化和反硝化打下了基礎(chǔ).

1.2 生物膜的培養(yǎng)和馴化

將取自從上海市龍華污水處理廠二沉池的活性污泥加入到反應(yīng)器中,讓多孔陶瓷浸沒于活性污泥中5 h,然后將剩余污泥倒出,通過吸附初步形成生物膜.隨后加入配制的模擬污水于反應(yīng)器中,馴化1周.期間每天更換新配制的溶液.當(dāng)溶液中的氨氮和總氮的去除率達(dá)到穩(wěn)定之后,則認(rèn)為已形成了穩(wěn)定的生物膜.

1.3 模擬廢水的配制

所用試劑主要包括:葡萄糖(C2H12O6·H2O)、氯化銨(NH4Cl)、硝酸鈉(NaNO3)、亞硝酸鈉(NaNO2)、磷酸二氫鉀(KH2PO4).即由葡萄糖提供碳源,氯化銨或硝酸鈉提供氮源,而磷酸二氫鉀提供磷源.配水時(shí),將這些試劑溶解于自來水中,配制成C/N比從5～30不同比例的溶液,以考察C/N對總氮或氨氮去除率的影響.在實(shí)驗(yàn)過程中N/P的比例均為5.

1.4 廢水處理

實(shí)驗(yàn)采用間歇方式進(jìn)行.首先進(jìn)行反硝化的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),以檢驗(yàn)ICBBR的反硝化功能.此時(shí)利用硝酸鈉提供氮源,即以硝酸鹽作為氮源.后續(xù)的實(shí)驗(yàn)采用氯化銨提供氮源,并比較不同C/N比對總氮去除速率的影響.實(shí)驗(yàn)時(shí),每次加入2500 mL的模擬廢水溶液,每間隔一定時(shí)間取樣分析溶液中硝酸鹽、氨氮和總氮濃度.

1.5 分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 基于作為氮源的反硝化過程

表1 C/N比與NO3--N去除速率(k)的關(guān)系

k單位為(mg/L)0.12·h-1

表2 以為氮源時(shí)C/N比與TN去除速率(k)的關(guān)系

k單位為(mg/L)0.12·h-1

圖2 基于的反硝化實(shí)驗(yàn)中的去除速率

圖3 基于的反硝化實(shí)驗(yàn)中TN的去除速率

2.2 基于作為氮源的反硝化

圖4 基于的反硝化過程中的去除速率

圖5 基于的反硝化過程中TN的去除速率

表3 C/N比與去除速率(k)的關(guān)系

k單位為(mg/L)0.12·h-1

表4 以為氮源時(shí)C/N比與TN去除速率(k)的關(guān)系

k單位為(mg/L)0.12·h-1

此外,比較表2、4可以看出,對于總氮的去除速率,當(dāng)以亞硝酸鹽為氮源時(shí),總氮的去除速率比以硝酸鹽作為氮源時(shí)稍微快些.這是因?yàn)?硝酸鹽在反硝化過程中,通常是先轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽后,再轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾榷箍偟靡杂行コ?但這個(gè)速率非常接近,表明硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽的速率非常快.

2.3 同步硝化反硝化過程

上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,ICBBR具有良好的反硝化功能.后續(xù)的實(shí)驗(yàn)以氯化銨作為氮源,分別配制不同C/N比的溶液進(jìn)行同步硝化反硝化實(shí)驗(yàn),其中氨氮的去除速率如圖6所示.同樣,它的去除規(guī)律也符合分?jǐn)?shù)級(jí)動(dòng)力學(xué),經(jīng)過試差法求解其反應(yīng)級(jí)數(shù)也為0.88級(jí).相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)常數(shù)如表5所示.圖6和表5中的結(jié)果表明,隨著C/N比的增加,其氨氮的降解速率逐步增加.這是因?yàn)?隨著C/N比增加,微生物可以獲得能量而增長,生物量的增加導(dǎo)致氨氮的去除速率得以提高.同時(shí)也證明了在該反應(yīng)器內(nèi)也存在硝化反應(yīng).

圖6 不同C/N比所對應(yīng)的去除速率

表5 C/N比與氨氮去除速率(k)的關(guān)系

k單位為(mg/L)0.12·h-1

圖7 以為氮源時(shí),C/N與TN去除速率的關(guān)系

經(jīng)試差法求解,對于3級(jí)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)如表6所示.同樣的,總氮的去除速率也與C/N成正比.

表6 C/N比與總氮去除速率(k)的關(guān)系

k單位為(mg/L)-2·h-1

圖8 氨氮與總氮降解速率的比較

將表5與表1、3進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn):同樣的C/N比條件下,氨氮的去除速率比硝酸鹽和亞硝酸鹽的去除速率要慢許多.這表明,在ICBBR系統(tǒng)的上部由于湍動(dòng),溶解氧濃度為2～3 mg/L,進(jìn)入下部的生物降解區(qū),溶解氧濃度逐步降低,硝化反應(yīng)要比反硝化速率慢.

由于反應(yīng)級(jí)數(shù)不同,不能簡單地通過反應(yīng)速率常數(shù)比較氨氮和總氮的去除速率.為此,以C/N=5和C/N=30為例,比較氨氮和總氮的去除速率,結(jié)果如圖8所示.從圖8中可以看出,在以氨氮作為氮源時(shí),總氮的去除速率明顯的低于氨氮的去除速率.這進(jìn)一步說明以氨氮為氮源時(shí),氨氮需要經(jīng)歷硝酸鹽和亞硝酸鹽之后,總氮才能有效法去除.因此,總氮的去除速率要明顯低于氨氮的去除速率.

3 結(jié) 論

當(dāng)采用硝酸鹽或亞硝酸鹽為氮源模擬廢水進(jìn)行生物除氮時(shí),內(nèi)循環(huán)折流式生物反應(yīng)器可以順利地實(shí)現(xiàn)反硝化.硝酸鹽、亞硝酸鹽的去除速率與總氮的去除速率相近,此時(shí)氮素的去除可以分?jǐn)?shù)級(jí)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行擬合.當(dāng)以氨氮作為氮源時(shí),通過該反應(yīng)器可以實(shí)現(xiàn)同步硝化和反硝化.此時(shí)總氮的去除與硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮有關(guān),符合3級(jí)動(dòng)力學(xué)方程.在相同C/N條件下,根據(jù)動(dòng)力學(xué)計(jì)算可知,硝酸鹽和亞硝酸鹽的去除率遠(yuǎn)高于氨氮的去除速率.

參考文獻(xiàn):

[1] 馬世豪,何星海.《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》淺釋[J].給水排水,2003,29(9):89-94.

[2] 吳光,邱廣明,陳翠仙,等.超濾膜法城市污水深度處理中水回用中試試驗(yàn)研究[J].膜科學(xué)與技術(shù),2004,24(1):38-41.

[3] 李桂平,欒兆坤.微絮凝—直接過濾工藝在城市污水深度處理中的應(yīng)用研究 [J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2002,3(4):65-68.

[4] RITTMANN B E,MCCARTY P L.Environmental biotechnology [M].New York:Mc Graw Hill,2001.

[5] HE S,XUE G,WANG B.Factors affecting simultaneous nitrification and de-nitrification (SND) and its kinetics model in membrane bioreactor [J].Journal of Hazardous Materials,2009,168(2):704-710.

[6] HOLMAN J B,WAREHAM D G.COD,ammonia and dissolved oxygen time profiles in the simultaneous nitrification/denitrification process [J].Biochemical Engineering Journal,2005,22(2):125-133.

[7] MORITA M,UEMOTO H,WATANABE A.Nitrogen removal bioreactor capable of simultaneous nitrification and denitrification for application to industrial wastewater treatment[J].Biochem Eng J,2008,41(1):59-66.

[8] KUGLEMAN I,SPECTOR M,HARVILLA A.Aerobic denitrification in activated sludge[J].Environ Eng,1991,117(2):312-318.

[9] KLANGDUEN P,JURG K.Study of factors affecting simultaneous nitrification and denitrification (SND)[J].Wat Sci Tech,1999,39(6):61-68.

[10] ROBERTSON L A,CORNELISSE R,DE VOS P,et al.Aerobic denitrification in various heterotrophic nitrifiers[J].Antonie van Leeuwenhoek,1989,56(4):289-299.

[11] ZHANG C,WANG L,YAN N,et al.Air-lift internal loop biofilm reactor for realized simultaneous nitrification and denitrification[J].Bioprocess and Biosystems Engineering,2013,36(5):597-602.

[12] 汪言滿,李坤平,葉樹才.連續(xù)流動(dòng)分析儀測定水體中揮發(fā)酚的方法研究[J].工業(yè)水處理,2005,25(1):49-51.

[13] ZHANG Y,CHANG L,YAN N,et al.UV photolysis for accelerating pyridine biodegradation [J].Environmental Science and Technology,2014,48(1):649-655.