范 寅,羅固源,張 園

(重慶大學三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶400045)

DO濃度對OGO系統(tǒng)同步硝化反硝化脫氮的影響

范 寅,羅固源,張 園

(重慶大學三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶400045)

采用改良OGO工藝處理模擬城市生活污水,考察了溶解氧(DO)濃度對其同步硝化反硝化(SND)脫氮的影響。試驗設計了好氧區(qū)中段DO濃度在1.0 mg/L、2.0 mg/L以及3.8 mg/L左右的三種工況,研究了OGO系統(tǒng)同時硝化反硝化脫氮的效果。結果表明,好氧區(qū)中段最佳DO濃度為2.0 mg/L左右,此時系統(tǒng)的外環(huán)發(fā)生明顯的同步硝化反硝化現象,系統(tǒng)的硝化和反硝化效果較好,其對 TN的平均去除量占OGO系統(tǒng)對 TN去除量的48.89%,系統(tǒng)對 TN的平均去除率達到74.80%以上。

OGO反應器;DO;同步硝化反硝化;生物脫氮

Abstract:The OGO reactor was used to treat domestic wastewater.The effect of DO concentration on simultaneous nitrification and denitrification(SND)in themiddle of aerobic area was investigated.Different DO concentration in the middle of aerobic area was designed,thatwas 1.0 mg/L,2.0 mg/L and 3.8 mg/L,to study the effect of the nitrogen removal on simultaneous nitrification and denitrification in OGO reactor system.The results showed that the op timal DO concentration in the middle of aerobic area is about 2.0 mg/L.A t this level,obvious phenomenon of simultaneous nitrification and denitrification occurs in the system,the OGO system can obtain favo rable nitrificationdenitrification.The p roportion of SND nitrogen removal in the total nitrogen removal is about 48.89%,and the average removal efficiency of TN in OGO system is over 74.80%.

Key words:OGO reactor;DO concentration;simultaneous nitrification and denitrification;biological nitrogen removal

同步硝化反硝化(SND)是指在空間上沒有明顯缺氧和好氧分區(qū)或者在時間上沒有缺氧/好氧交替的條件下,硝化和反硝化反應在空間和時間上同步進行的生物脫氮過程。

研究表明,DO是影響同步硝化反硝化效果的重要因素之一。筆者采用OGO反應器處理生活污水,考察了系統(tǒng)的同步硝化反硝化脫氮效果和好氧區(qū)中段的DO濃度對其同步硝化反硝化(SND)脫氮的影響。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗流程與裝置

OGO反應器是在改進OCO反應器內同心圓內隔墻結構和混合液回流的設備配置的一種新型反應器[1]。反應流程如圖1所示。反應器以有機玻璃板加工制成,總有效容積145 L,其中厭氧區(qū)、缺氧區(qū)與好氧區(qū)(以圓環(huán)容積計)的容積比約為 1∶3.2∶4.6,有效水深40 cm。原水經蠕動泵計量后隨沉淀池的回流污泥一起進入厭氧區(qū)底部,從上部開口流經缺氧區(qū)、混合區(qū)、好氧區(qū),并在反應器中形成環(huán)流循環(huán);混合液則從外環(huán)好氧區(qū)流至沉淀池進行泥水分離。試驗期間反應器按下述參數運行:總水力停留時間(HRT)10 h,污泥回流比70%,污泥齡(SRT)為18～20 d。試驗溫度為22～28℃。

圖1 OGO工藝試驗流程圖

1.2 試驗水質及分析測試方法

試驗用水由學生宿舍生活污水加自來水混合而成,同時加入一定量的 KH2PO4、NH4Cl、乙酸鈉、葡萄糖、奶粉和無水Na2CO3,使其接近中等濃度城市污水情況,試驗用水水質及其分析方法參照《水和廢水檢測分析方法》(第4版)[2]。OGO穩(wěn)定運行期間的進水水質:COD為250～450 mg/L、TN為31～43.5 mg/L、NH3-N 為 28～38 mg/L、P3O4-P為3.6～5.8 mg/L、TP為4～6 mg/L。

2 結果與討論

當系統(tǒng)運行穩(wěn)定以后,對系統(tǒng)的處理效果進行監(jiān)測。當進水TN和NH3-N分別為31.82～42.78 mg/L和27.95～39.75 mg/L時,出水的 TN和 NH3-N可降至6.35～11.21 mg/L和0.97～2.26 mg/L,系統(tǒng)對TN和N H3-N的平均去除率達到75.23%和94.52%。

2.1 外環(huán)脫氮效果

OGO系統(tǒng)的缺氧、好氧及混合區(qū)由隔墻和導流墻分隔(見圖1),但鑒于各區(qū)域的開放特性,本研究將它們稱為OGO系統(tǒng)的外環(huán),并將外環(huán)作為一個整體來分析。

將測定數據取平均值做圖2。如圖2所示:在外環(huán)中 TN和NH3-N的濃度均有大幅度降低,減少量分別達到13.77 mg/L和18.79 mg/L,而硝酸鹽氮僅增加5.02 mg/L,在外環(huán)中發(fā)生了明顯的硝化和反硝化反應。

由于曝氣裝置僅安裝在好氧區(qū)的前半部,通過對反應器內DO的檢測,發(fā)現其在整個外環(huán)中具有明顯的濃度梯度。取樣分布圖如圖3所示。由表1可見,在外環(huán)中 TN、NH3-N的濃度基本上沒有隨DO的變化而表現出明顯的差異。取樣點3與鄰近取樣點2相比,底物濃度略有升高,這可能是因為厭氧區(qū)出水口正位于該點,厭氧出水與隔墻內側混合液混合不均引起的。在整個外環(huán)中,僅NH3-N在混合液流經好氧區(qū)時略有降低。

圖2 OGO系統(tǒng)各區(qū)TN、NH3-N、硝酸鹽氮的平均濃度變化

圖3 OGO系統(tǒng)取樣分布圖

因此,發(fā)生在外環(huán)的硝化和反硝化作用可能并不是分別局限地發(fā)生于某些確定的區(qū)域,而更可能是在一定程度上受到DO濃度梯度的影響而不均勻地分布于整個外環(huán)中,故此認為在外環(huán)中發(fā)生的硝化和反硝化作用是同步硝化反硝化(SND)脫氮[3]。

由于系統(tǒng)特定的曝氣方式在外環(huán)形成了明顯的好氧段和缺氧段,因此宏觀分區(qū)理論適用于外環(huán)中發(fā)生的SND現象[4]。

2.2 DO濃度對同步硝化反硝化的影響

在OGO系統(tǒng)穩(wěn)定運行后,通過改變曝氣量來控制好氧區(qū)中段的DO濃度,考察其對同步硝化反硝化的影響,按好氧區(qū)中部的不同DO濃度將試驗分為3種工況,各工況下的DO濃度見表2。

表1 OGO系統(tǒng)DO、TN、NH3-N、硝酸鹽氮的濃度變化 mg/L

表2 不同工況下好氧區(qū)中段DO的濃度

2.2.1 工況Ⅰ的試驗結果

在工況Ⅰ的DO濃度的條件下,系統(tǒng)進水及各區(qū)出水的氮濃度如表3所示。

由表3數據可以看出,系統(tǒng)出水中的N H3-N的平均濃度很低,為0.21 mg/L,而硝態(tài)氮和 TN的平均濃度卻較高,分別為15.45m g/L和16.85 mg/L,由此可見,當好氧區(qū)中段的DO濃度升高到3.8 mg/L左右時,雖然OGO系統(tǒng)的硝化效果很好,但是反硝化效果很差,因此 TN的去除效果明顯下降;另外由表3的數據計算可知,外環(huán)同步硝化反硝化脫氮量與系統(tǒng)總氮去除量的比值(簡稱SND/TN)僅為40.48%,系統(tǒng)對TN的平均去除率為57.74%。

表3 工況Ⅰ的系統(tǒng)中氮濃度變化 mg/L

當好氧區(qū)中段DO濃度升高后,導致系統(tǒng)整體脫氮效果及同步硝化反硝化脫氮效果變差的原因可能有兩個方面:一是好氧區(qū)至缺氧區(qū)的回流混合液中攜帶有大量的氧氣分子,在缺氧區(qū)末端DO達到1.2 mg/L,破壞了穩(wěn)定運行狀態(tài)下宏觀分區(qū)的缺氧環(huán)境,使反硝化不完全,從而引起脫氮效果變差;二是較高的DO濃度破壞了顆粒污泥內部的缺氧微環(huán)境,從而降低了系統(tǒng)同步硝化反硝化脫氮的能力[5]。

2.2.2 工況Ⅱ的試驗結果

在工況Ⅱ的溶解氧濃度的條件下,系統(tǒng)進水及各區(qū)出水的氮濃度如表4所示。

表4 工況Ⅱ的系統(tǒng)中氮濃度變化 mg/L

由表 4中的數據可以看出,系統(tǒng)出水中的NH3-N的平均濃度為1.53mg/L,硝態(tài)氮和 TN的平均濃度分別為6.86 mg/L和9.56 mg/L,由此可見,當好氧區(qū)中段的DO濃度控制在1.8～2.0 mg/L時,OGO系統(tǒng)的硝化和反硝化效果都較好,對TN的平均去除率達到74.80%;另外由表4的數據計算可知,OGO系統(tǒng)外環(huán)中的同步硝化反硝化脫氮更加明顯,SND/TN平均值為48.89%。

2.2.3 工況Ⅲ的試驗效果

在工況Ⅲ的溶解氧濃度的條件下,系統(tǒng)進水及各區(qū)出水的氮濃度如表5所示。

表5 工況Ⅲ的系統(tǒng)中氮濃度變化 mg/L

由表5可以看出,系統(tǒng)出水的NH3-N的平均濃度為9.51 mg/L,硝態(tài)氮的平均濃度為5.32 mg/L,TN的平均濃度為16.02 m g/L,系統(tǒng) TN的平均去除率僅為60.77%。出水 TN中有57.98%是以氨氮形式存在的,而硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮占32.40%;而在工況Ⅰ、Ⅱ中,出水 TN主要是以硝態(tài)氮的形式存在的,NH3-N所占的比例極低。由此可見,好氧區(qū)中段的溶解氧濃度降低到約1.0 mg/L時,系統(tǒng)的硝化反應進行的很不充分。雖然SND/TN的平均值為51.17%,但是系統(tǒng)對 TN的平均去除率僅為60.77%。

根據表3～5中的數據,在不同的DO濃度下TN的去除率和外環(huán)同步硝化反硝化(SND)脫氮效果如圖4所示。

圖4 不同DO濃度下OGO系統(tǒng)對TN的去除效果

由圖4可以看出,從變化工況到系統(tǒng)出水基本穩(wěn)定的時間大約為3～5 d。系統(tǒng) TN的去除率及SND/TN值在DO濃度變化的影響下,波動較大。但從總體來看,當好氧區(qū)中段DO濃度在2.0 mg/L左右時,系統(tǒng)對 TN的去除率及SND/TN值均較高。

綜上所述,好氧區(qū)中段的DO濃度過高或過低都不利于OGO系統(tǒng)對 TN的去除。在該試驗條件下,工況Ⅱ中的DO濃度值最佳,此時系統(tǒng)對 TN的去除率最高,且外環(huán)中同步硝化反硝化脫氮的效果最佳。

2.3 不同DO濃度下OGO系統(tǒng)出水中氮形態(tài)的變化規(guī)律

由表3～5可以看出,隨著好氧區(qū)中段DO濃度的改變,系統(tǒng)出水氮形態(tài)也發(fā)生相應的改變。當DO濃度為1.0 mg/L左右時,系統(tǒng)出水中 TN主要是以氨氮形式存在;當DO濃度為2.0 mg/L左右時,系統(tǒng)出水主要以硝態(tài)氮形式存在;當DO濃度為3.8 m g/L左右時,系統(tǒng)出水氨氮幾乎為零。由此可知,DO濃度的升高有利于系統(tǒng)中硝化反應的進行,但對反硝化反應有抑制作用。

3 結論

3.1 外環(huán)中的硝化和反硝化作用在一定程度上受到DO濃度梯度的影響而不均勻地分布于整個外環(huán)中,即在外環(huán)中發(fā)生的硝化和反硝化作用是同時硝化反硝化(SND)脫氮。

3.2 當好氧區(qū)中段DO濃度為2.0 mg/L左右時,系統(tǒng)對 TN的去除效果最好,平均去除率達到74.80%,此時外環(huán)中同步硝化反硝化的效果也較好,外環(huán)同步硝化反硝化對 TN的平均去除量占系統(tǒng)對TN去除量的48.89%。

[1] 羅固源,許曉毅,唐 剛,等.OGO工藝處理城市污水脫氮除磷試驗研究[J].中國給水排水,2006,22(3):69-72.

[2] 國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].第4版.北京:中國環(huán)境科學出版社,2006.

[3] 羅固源,吳姝媛,許曉毅,等.OGO工藝處理城市污水脫氮效果及機理初探[J].重慶大學學報(自然科學版),2007,(6):125-128,136.

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[5] Sen Priyali,Dentel Steven K.Simultaneous nitrification denitrification in a Fluidized Bed Reacto r[J].Water SciTechnol,1998,38(1):247-254.

Effects of DO Concen tration on Simultaneous Nitrification and Den itrification in OGO Reactor System

FAN Yin,LUO Gu-yuan,ZHANG Yuan

(Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region,Ministry of Education,Chongqing University,Chongqing 400045,China)

X703.1

A

1674-2842(2010)03-0001-04

2009-11-01

國家自然科學基金資助項目(50378095)

范 寅(1984-),女,湖北孝感人,碩士研究生,研究方向為水污染控制原理與技術。E-mail:fanyin112@163.com