鐘 珊, 黃 睿, 李柏林, 李 曄, 楊丹丹

(1. 武漢理工大學(xué) 教務(wù)處, 湖北 武漢 430070；2. 武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 湖北 武漢 430070)

環(huán)境科學(xué)與工程是一門(mén)以工程科學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)的跨學(xué)科和多學(xué)科交叉的應(yīng)用型學(xué)科,加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)是環(huán)境類(lèi)專(zhuān)業(yè)的立足之本。環(huán)境類(lèi)專(zhuān)業(yè)相關(guān)主干課程不僅涵蓋很多基礎(chǔ)原理及理論內(nèi)容,而且還涉及到大量的工藝、技術(shù)、設(shè)備等工程應(yīng)用知識(shí)點(diǎn),使學(xué)生有效掌握并融會(huì)貫通,是新形勢(shì)下環(huán)境專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)的必然要求。實(shí)驗(yàn)課程環(huán)節(jié)是環(huán)境類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程的重要教學(xué)內(nèi)容,是理論知識(shí)與工程實(shí)踐之間的橋梁,并培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以往環(huán)境專(zhuān)業(yè)主干課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)主要是以演示實(shí)驗(yàn)為主,不能達(dá)到較好的教學(xué)效果。針對(duì)以上問(wèn)題,本文構(gòu)建了環(huán)境專(zhuān)業(yè)主干課程“水污染控制工程”中的污水生物處理工藝實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)可深入理解基礎(chǔ)理論并掌握工藝技術(shù)要點(diǎn)。

污水生物脫氮工藝是目前廣泛應(yīng)用的水污染控制方法[1]。傳統(tǒng)的硝化-反硝化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在缺乏有機(jī)碳源、能耗大、成本高等問(wèn)題[2]。眾多學(xué)者通過(guò)研究陸續(xù)開(kāi)發(fā)出了多種新型脫氮工藝,以達(dá)到低耗高效脫氮除碳的目的,開(kāi)發(fā)的思路主要包括以下兩點(diǎn)：一是通過(guò)縮減硝化和反硝化過(guò)程的路徑從而減少反應(yīng)時(shí)間,代表工藝為短程硝化反硝化工藝；二是利用新型的脫氮代謝途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)廢水脫氮效果,典型工藝為厭氧氨氧化工藝。

基于以上研究基礎(chǔ),本文自主設(shè)計(jì)了一套新型的生物脫氮除碳裝置,將以上兩種工藝相結(jié)合,構(gòu)建短程硝化反硝化-厭氧氨氧化耦合脫氮的實(shí)驗(yàn)裝置,一方面可以削減生物脫氮過(guò)程中的能源消耗,另一方面,將本裝置應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與研究興趣,培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力[3-4],強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論與實(shí)踐相結(jié)合的理解,從而進(jìn)一步提高學(xué)生的創(chuàng)新能力與自主探索能力。

1 裝置設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

如式(1)：

將以上兩種工藝耦合,在2個(gè)反應(yīng)器中分別進(jìn)行短程硝化反硝化和厭氧氨氧化反應(yīng),短程硝化反硝化過(guò)程能夠降低系統(tǒng)總氮(TN)負(fù)荷,同時(shí)降解部分有機(jī)物。其反應(yīng)后的出水水質(zhì)適宜作為Anammox反應(yīng)器的進(jìn)水,故將其作為前置工藝,通過(guò)Anammox作用進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)除氮的目的。兩者的結(jié)合可以無(wú)需有機(jī)碳源、減少曝氣量、投堿量、縮短反應(yīng)時(shí)間[11-12]等。該新型的耦合系統(tǒng)脫氮途徑見(jiàn)圖1，AAOB為厭氧氨氧化細(xì)菌，DNF為反硝化細(xì)菌。

圖1 新型的耦合系統(tǒng)脫氮途徑示意圖

1.2 系統(tǒng)裝置的構(gòu)建

圖2 短程硝化反硝化-厭氧氨氧化兩級(jí)耦合裝置流程圖

其中,進(jìn)水系統(tǒng)是由濃縮液、微量元素和堿液3個(gè)水箱聯(lián)合一套自動(dòng)控制的配水水箱構(gòu)成,通過(guò)計(jì)時(shí)器的程序設(shè)置來(lái)控制系統(tǒng)中繼電器的啟閉,從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)出水的自動(dòng)控制。待進(jìn)水完成后,開(kāi)啟攪拌和曝氣系統(tǒng),由氣泵提供動(dòng)力鼓入空氣,通過(guò)連接的轉(zhuǎn)子流量計(jì)來(lái)控制曝氣量的大小,再由微孔曝氣盤(pán)將氣體均勻地分散在系統(tǒng)中。實(shí)驗(yàn)的厭氧段與好氧段則通過(guò)計(jì)時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

SBR1反應(yīng)器是內(nèi)徑為17 cm的雙筒圓柱體,整體采用有機(jī)玻璃制備,總體積為9 L,有效體積可達(dá)6 L。反應(yīng)器雙筒之間是3 cm厚的水浴夾層,維持反應(yīng)器的溫度恒定在30 ℃±1 ℃之間。在反應(yīng)器的頂部安裝電機(jī),帶動(dòng)下部的攪拌槳來(lái)使污泥達(dá)到充分混合狀態(tài),轉(zhuǎn)速設(shè)置在100 r/min左右。此外,在反應(yīng)器壁上設(shè)有取樣口,用于取樣和排泥；在靠近頂部法蘭盤(pán)的高度上設(shè)有溢流孔,防止自動(dòng)進(jìn)水系統(tǒng)出現(xiàn)紊亂時(shí)引起的污水溢出現(xiàn)象。

SBR2反應(yīng)器是內(nèi)徑為17 cm的雙筒圓柱體,整體采用有機(jī)玻璃制備而成,總體積為9 L,有效液體體積可達(dá)6 L。頂部安裝電機(jī),電機(jī)部分采用磁力聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)帶動(dòng)攪拌槳,轉(zhuǎn)速設(shè)為100 r/min。磁力聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)可確保反應(yīng)器處于密閉狀態(tài),為Anammox反應(yīng)提供了厭氧環(huán)境。反應(yīng)器雙筒之間是3 cm厚的水浴夾層,通過(guò)循環(huán)泵入水浴桶內(nèi)加熱后的液體來(lái)維持反應(yīng)器的溫度恒定在33 ℃±1 ℃之間?？拷敳糠ㄌm盤(pán)的高度上同樣設(shè)有溢流孔。

2 裝置實(shí)驗(yàn)效果

2.1 實(shí)驗(yàn)用水與接種污泥

微量元素各組分配比：MgCl2·2H2O 25.07 g/L，CaCl2·2H2O 7.34 g/L，CuCl2·2H2O 0.112 g/L，ZnSO4·7H2O 0.015 g/L，MnCl2·4H2O 1.03 g/L，NaMO4·2H2O 0.0025 g/L。

在SBR1、SBR2反應(yīng)器中分別接種實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的硝化污泥和厭氧氨氧化顆粒污泥(見(jiàn)圖3)。

圖3 兩種污泥外觀形態(tài)

2.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

主要化學(xué)指標(biāo)分析方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)》[13]：氨氮濃度采用納氏試劑分光光度法,亞硝態(tài)氮濃度采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法,硝態(tài)氮采用酚二磺酸分光光度法,總氮采用過(guò)硫酸鉀氧化分光光度法測(cè)定,CODCr采用重鉻酸鉀快速測(cè)定法,溶解氧濃度、pH值采用便攜測(cè)定儀(美國(guó)哈希)測(cè)定。

2.3 結(jié)果與討論

2.3.1 裝置的脫氮性能分析

短程硝化反硝化-厭氧氨氧化耦合裝置穩(wěn)定運(yùn)行階段系統(tǒng)的脫氮效果如圖4所示。

圖4 裝置脫氮效果

2.3.2 裝置的除碳效果分析

短程硝化反硝化-厭氧氨氧化耦合裝置的除碳效果如圖5所示。

圖5 裝置除碳效果

由圖5可知,短程硝化反硝化反應(yīng)器的進(jìn)水COD濃度為500 mg/L左右,進(jìn)水COD負(fù)荷約為0.5 mg COD/(mgMLSS·d)；經(jīng)前置反應(yīng)器處理后，出水中的COD為214.39～246.38 mg/L,COD的去除率約為53%左右；Anammox反應(yīng)器的出水中COD質(zhì)量濃度為73.48～143.64 mg/L, AAOB已經(jīng)適應(yīng)了有機(jī)環(huán)境。前置反應(yīng)器出水中含DO,但由于反應(yīng)器是在低DO條件下運(yùn)行,因此Anammox反應(yīng)器進(jìn)水中所含的少量DO對(duì)AAOB活性的影響不大。此外,前置反應(yīng)器的出水pH為7.4左右,而適合AAOB生長(zhǎng)繁殖的pH環(huán)境偏堿性,為6.7～8.3,因此pH條件對(duì)AAOB活性沒(méi)有太大的影響。

綜合上述分析聯(lián)合裝置的TN和COD去除率分別達(dá)到88%和80%左右,能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。

3 教學(xué)應(yīng)用與拓展

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的創(chuàng)新與應(yīng)用

短程硝化反硝化耦合厭氧氨氧化生物脫氮除碳系統(tǒng)較傳統(tǒng)生物脫氮系統(tǒng)相比,極大地減少了曝氣量、投堿量,無(wú)需外加碳源,縮短反應(yīng)時(shí)間等,將能源節(jié)約、資源節(jié)約貫徹到實(shí)踐教學(xué)中,對(duì)強(qiáng)化學(xué)生的環(huán)保意識(shí)具有重要意義。本實(shí)驗(yàn)裝置可多次甚至連續(xù)運(yùn)行,具有較長(zhǎng)的使用年限,可為每學(xué)年的實(shí)驗(yàn)課程提供設(shè)備支持,并為進(jìn)一步深入研究新型生物脫氮技術(shù)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

3.2 課程考核模式的探索

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常是教師在課堂上講解理論,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)動(dòng)手操作。采用新型的生物脫氮實(shí)驗(yàn)裝置后,實(shí)驗(yàn)課的課程考核包括課前、課內(nèi)、課后評(píng)分。課前要求學(xué)生充分理解本實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)理論,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程的自主設(shè)計(jì),這部分的成績(jī)占總成績(jī)的30%；課內(nèi)要求學(xué)生動(dòng)手操作,學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行模式及操作過(guò)程,同時(shí)進(jìn)行取樣及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),著重考察學(xué)生的實(shí)踐能力,這部分的成績(jī)占總成績(jī)的40%；完成實(shí)驗(yàn)部分后,學(xué)生在課后對(duì)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析,同時(shí)針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的各種問(wèn)題提出優(yōu)化解決措施,這部分占總成績(jī)的30%。采用了新的教學(xué)考核模式后,不僅將新裝置的運(yùn)行與實(shí)驗(yàn)課程緊密結(jié)合,同時(shí),實(shí)現(xiàn)了理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作在時(shí)間和空間上的有效結(jié)合,將枯燥的理論知識(shí)與有趣的實(shí)驗(yàn)過(guò)程結(jié)合在一起,大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性。

4 結(jié)語(yǔ)

(2) 基于課程的理論學(xué)習(xí),學(xué)生對(duì)短程硝化反硝化與厭氧氨氧化已有了一定的初步認(rèn)識(shí),通過(guò)觀察與學(xué)習(xí)自主研制的短程硝化反硝化-厭氧氨氧化耦合脫氮除碳系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程和操作模式,可以使學(xué)生更深入地掌握新型生物脫氮技術(shù)的基本操作和運(yùn)行模式；通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)處理和分析討論等訓(xùn)練,可提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)全方位多角度分析、解決問(wèn)題的能力；通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化和改進(jìn),可強(qiáng)化學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)踐精神。同時(shí),這種將教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相整合,構(gòu)建課程理論知識(shí)與實(shí)踐知識(shí)在組織方式、知識(shí)排序方式以及知識(shí)習(xí)得方式上有機(jī)融合的新教學(xué)模式,也為今后的教學(xué)工作提供了重要的參考價(jià)值。