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为了开发经济高效的生物脱氮工艺,在MBBR中进行了短程硝化反硝化的研究,考察了水力停留时间HRT与pH对短程硝化反硝化的影响。结果表明,在短程硝化反硝化过程中,在室温、不控制溶解氧的条件下,NH4+-N与COD去除率随着HRT的延长而增大,出水NO2--N随着HRT的延长先增大后减少,当HRT为8 h时出水NO2--N最高;当pH由5增加到10时,COD去除率的变化较小,NH4+-N去除率和出水NO2--N则随着pH的增大先增大后减小,pH在8~9时对NH4+-N的处理效果最好,出水NO2--N最高。
随着中国经济的迅猛发展,水资源受到了严重污染,水体富营养化问题尤为突出,废水脱氮日益受到人们的重视。而传统的生物脱氮工艺能耗高,反应时间长,污泥产量高,针对目前的水污染状况,开发经济高效的生物脱氮工艺迫在眉睫。与传统的全程硝化反硝化工艺相比,短程硝化反硝化具有诸多优点,它能耗低,可节省25%的耗氧量,污泥产量少,可节省碳源和占地面积。短程硝化反硝化是一种新型的可持续发展的脱氮工艺,是目前国内外生物脱氮工艺研究的热点。
移动床生物膜反应器(moving bed biofilm reactor,MBBR)工艺具有占地少、动力消耗低、运行操作管理简单等优点,本研究将MBBR工艺与短程硝化反硝化相结合,在自制的MBBR中研究了HRT与pH对短程硝化反硝化的影响。
1、Unisense微电极系统的应用
使用Clarktype微电极(Unisense,丹麦)测量整个生物膜深度内溶解N2O和溶解氧(DO)浓度剖面,并连接皮安表(Unisense,奥尔胡斯,丹麦)进行数据采集。氧气微电极和N2O微电极的尖端直径分别为50um和25um。在使用微电极测试生物膜之前,对每个微电极进行了校准。微操作器和微电极使用Sensor Trace Pro软件精确控制微电极插入生物膜的位置(Unisense,丹麦)。在假定稳态条件下,利用菲克第二扩散定律,估算了各浓度分布下的平均CDO、N2O去除率。
2结果与讨论
2.1反应器的挂膜与启动
本试验所用填料为大连宇都改性生物悬浮填料,填充率为50%。采取快速排泥法进行填料的挂膜,接种污泥取自沈阳南部污水处理厂,驯化后装入反应器开始运行。经过20 d的稳定运行,填料上长出一层褐色的生物膜,此时反应器对COD的平均去除率达到85%,对NH4+-N的平均去除率达到65%,表明填料挂膜成功。试验保持进水水质不变,通过调控溶解氧实现短程硝化反硝化,待系统稳定运行后对溶解氧不进行控制。
2.2HRT对短程硝化反硝化的影响
2.2.1不同HRT时三氮的变化
在进水pH为7.2左右的条件下,考察了不同HRT下NH4+-N、NO2--N、NO3--N的变化,结果:出水NH4+-N随着HRT的延长而减少,当HRT为8 h时,平均NH4+-N去除率由HRT为6 h时的82.16%增加到96.69%;HRT为10 h时,平均NH4+-N去除率为98.23%,可以看出HRT为8 h和10 h时的平均NH4+-N去除率变化不大。出水NO2--N随着HRT的延长先增大后减小,当HRT为8h时,出水NO2--N最高,平均为19.68mg/L,亚硝态氮积累率均值为75.15%;当HRT增加到10 h时,出水NO2--N反而减少,平均为16.33mg/L,亚硝态氮积累率均值为69.53%。出水NO3--N随着HRT的延长而增加,当HRT由4 h增加到10 h时,平均出水NO3--N由2.62mg/L增加到6.26mg/L。
从实验结果来看,HRT对短程硝化反硝化有着一定的影响。HRT越长,亚硝化菌氧化的NH4+-N总量就越多,产生的NO2--N也越多,所以亚硝氮的积累率随着HRT的延长而增加。但当NH4+-N去除率达到一定值后,再继续增加HRT,出水NO2--N呈下降趋势,这是因为此时进水中的NH4+-N已在系统能力范围内由亚硝化菌氧化掉,此时再增加HRT只能将更多的NO2--N氧化为NO3--N。
2.2.2不同HRT时有机物的去除情况
在进水pH为7.2左右的条件下,考察了不同HRT下COD的变化。COD去除率随着HRT的延长而提高,HRT为4 h时,平均COD去除率为63.89%,出水COD平均为150.12mg/L;HRT为6 h时,平均COD去除率上升到75.59%,出水COD平均为104.42mg/L;HRT为8 h时,平均COD去除率继续上升到88.3%,出水COD平均为55.31mg/L;HRT为10 h时,平均COD去除率达到92.03%,出水COD平均为36.79mg/L。HRT为8 h和10 h时的出水COD分别达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级B标准和一级A标准,说明反应器内有机物去除情况良好。在MBBR中,较长的HRT有利于有机底物向生物膜表面传递,进而使COD去除率随着HRT的延长而增加。
2.3pH对短程硝化反硝化的影响
2.3.1不同pH时三氮的变化
在HRT为8 h的条件下,考察了不同pH下NH4+-N、NO2--N、NO3--N的变化,结果当pH由5增加到9时,出水NH4+-N随着pH的增大而减小,当pH在8~9时出水NH4+-N最小,仅为0.1mg/L,平均NH4+-N去除率达到了97.68%;当pH在9~10时,出水NH4+-N有所提高,平均为11.82mg/L,平均NH4+-N去除率降到76.22%。出水NO2--N随着pH的增加先增大后减小,当pH为8~9时出水NO2--N最大,平均为19.6 mg/L,当pH为9~10时,平均出水NO2--N降到3.62 mg/L。
亚硝化菌的底物为游离氨,硝化菌以亚硝氮为基质,随着pH的提高,游离氨浓度逐渐提高,因此要提高亚硝氮积累率,需要控制适宜的pH,使游离氨浓度控制在亚硝化菌和硝化菌的抑制浓度之间。pH在8~9时,NH4+-N的去除效果最好,说明亚硝化菌在该pH范围内活性最高,比增长速率也最大。pH在5~6时,亚硝化菌活性受到严重抑制,pH在9~10时,碱性环境则抑制了微生物的生长。
2.3.2不同pH时有机物的去除情况
在HRT为8 h的条件下,考察了不同pH下COD的变化,随着pH的变化,COD的去除稳定,波动较小,说明该MBBR短程硝化脱氮体系在去除有机物方面独具优势,其抗pH冲击能力较强,不同pH范围平均COD去除率达到了83%,平均出水COD均在100mg/L以下,低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的二级标准。
2.4反应器内的生物相
在电子显微镜下对MBBR中的生物相进行了观察,结果表明,填料上的生物膜絮体密实,含有大量微生物菌胶团。
2.5生物膜电镜扫描
在短程硝化反硝化启动初期,以及最佳HRT及最佳pH下的稳定运行阶段,对MBBR中的生物膜进行了SEM表征,与启动初期相比,当HRT为8 h和pH为8~9时,生物膜中菌落数量明显升高,生物膜中微生物排列紧密。
3结论
(1)HRT对短程硝化反硝化的影响试验表明,出水NH4+-N随着HRT的延长而减少,但NH4+-N去除率在HRT为8 h和10 h时相差不大,平均分别为96.69%和98.23%。出水NO2--N随着HRT的延长先增大后减少,HRT为8 h时出水NO2--N最高,平均为19.68 mg/L;当HRT增加到10 h时出水NO2--N反而减少,平均为16.33mg/L。COD去除率随着HRT的延长而提高,HRT为8 h和10 h时的出水COD分别达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级B标准和一级A标准。
(2)pH对短程硝化反硝化的影响试验表明,当pH由5增加到9时,出水NH4+-N随着pH的增大而减小,当pH在8~9时NH4+-N处理效果最好,平均NH4+-N去除率达到了97.68%;当pH在9~10时,平均NH4+-N去除率降到76.22%。出水NO2--N随着pH的增加先增大后减小,pH为8~9时出水NO2--N最大,平均为19.6mg/L;当pH为9~10时,平均出水NO2--N降到3.62mg/L。随着pH的变化,COD的去除稳定,波动较小,不同pH范围平均COD去除率达到了83%,平均出水COD均在100 mg/L以下,低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的二级标准。
(3)观察发现,反应器运行稳定后填料上的生物膜絮体密实,含有大量微生物菌胶团;SEM表征结果表明,与运行初期相比,HRT为8 h和pH为8~9时生物膜中的菌落数量明显升高,生物膜中微生物排列紧密。