王 川,聶會(huì)元,左金龍,李 橋

(1.重慶大學(xué)a.建設(shè)管理與房地產(chǎn)學(xué)院,b.科技企業(yè)集團(tuán),c.城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院,重慶 400045;2.哈爾濱商業(yè)大學(xué)環(huán)境工程系,哈爾濱 150076）

同步硝化反硝化(Simultaneous Nitrification and Denitrification)簡(jiǎn)稱SND,是指硝化和反硝化過(guò)程在同一反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)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(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化過(guò)程,硝化反應(yīng)的產(chǎn)物可直接成為反硝化反應(yīng)的底物,避免了硝化過(guò)程中硝酸鹽的積累對(duì)硝化反應(yīng)的抑制,加速了硝化反應(yīng)的速度;而且反硝化反應(yīng)中所釋放出的堿度可部分補(bǔ)償硝化反應(yīng)所消耗的堿度,無(wú)需外添堿度[3-5]。硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)可在相同的條件和系統(tǒng)下進(jìn)行,簡(jiǎn)化了操作難度。SND大大簡(jiǎn)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(duì)于連續(xù)運(yùn)行的SND工藝污水處理廠,可以減少缺氧池容積。對(duì)于僅由一個(gè)反應(yīng)池組成的SBR反應(yīng)器而言,SND能夠降低實(shí)現(xiàn)完全硝化反硝化所需的總時(shí)間[6-7]。

目前SND生物脫氮的機(jī)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(xué)理論,其中微環(huán)境理論占主導(dǎo)地位[8-9]。微環(huán)境理論認(rèn)為,生物反應(yīng)器中的微生物個(gè)體形態(tài)較小,一般在50μm～80μm之間[10-11]。同時(shí)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(tuán)的不同深處,存在缺氧區(qū)和好氧區(qū)兩種微環(huán)境類(lèi)型,它們的位置、微生物類(lèi)型、基質(zhì)分布與代謝活動(dòng)、DO含量具有很大差異。缺氧區(qū)在菌膠團(tuán)內(nèi)部,其DO濃度很低,適宜于反硝化菌生活;而處于菌膠團(tuán)外部的好氧區(qū),DO較高,以有機(jī)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(guò)硝化菌和反硝化菌的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)同時(shí)硝化反硝化生物脫氮。

現(xiàn)有的的研究成果認(rèn)為SND關(guān)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(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的影響。DO濃度對(duì)能否實(shí)現(xiàn)SND是至關(guān)重要的,通過(guò)控制DO濃度,調(diào)節(jié)硝化和反硝化速率都能達(dá)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(dá)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(jìn)而影響微生物對(duì)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(shí)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(jī)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(xué)者分別支持不同的觀點(diǎn),SND的機(jī)理尚未十分清晰,因此該文主要針對(duì)DO濃度、污泥粒徑分布考察對(duì)城市污水SND的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)用水來(lái)源和水質(zhì)

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

表1 試驗(yàn)廢水成份

1.2 試驗(yàn)裝置和方法

采用2個(gè)反應(yīng)器平行試驗(yàn),每個(gè)反應(yīng)器由有機(jī)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(yàn)裝置

試驗(yàn)期間采用溫度控制器,反應(yīng)器中混合液的溫度控制在25±1℃。運(yùn)行方式為瞬時(shí)進(jìn)水、缺氧攪拌30 min、好氧曝氣3 h、靜止沉淀2 h和閑置待機(jī)2.5 h,因此每個(gè)周期運(yùn)行時(shí)間為8 h,每d運(yùn)行3個(gè)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(cè)分析項(xiàng)目與方法

指標(biāo)采用國(guó)家環(huán)保總局頒布的標(biāo)準(zhǔn)分析方法測(cè)定[12]。COD采用5B-3型COD快速測(cè)定儀測(cè)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(shí)驗(yàn)室臺(tái)式溶解氧儀在線檢測(cè)。COD和氨氮的試驗(yàn)結(jié)果均選取試驗(yàn)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(cè)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(yīng)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(xì)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(xì)菌難降解的惰性物質(zhì);4)由原水帶入的無(wú)機(jī)物質(zhì)。通過(guò)微生物的代表公式(C5H7NO2)可以估算得出用于細(xì)胞合成所消耗的氮量。繪制SBR反應(yīng)器發(fā)生SND時(shí)的氮平衡圖,如圖2所示。

圖2 SND時(shí)氮元素物料平衡

由圖2中所示,對(duì)于城市污水,在SBR典型的反應(yīng)周期內(nèi),氮元素主要通過(guò)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(guò)SND現(xiàn)象去除的?？梢?jiàn)系統(tǒng)存在明顯的同步硝化反硝化(SND)現(xiàn)象。

2.2 SND與DO關(guān)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(shí),是否仍然會(huì)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(duì)DO濃度與SND的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)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(guān)系,見(jiàn)圖3。

圖3 DO與NOX-N生成速率和氨氮氧化速率之比間的關(guān)系

根據(jù)圖3的試驗(yàn)數(shù)據(jù),可得出低DO濃度和高DO濃度條件下的兩個(gè)表達(dá)關(guān)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(guān)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(jiàn)圖4。

圖4 DO與NOX-N生成速率和氨氮氧化速率之比間的關(guān)系

由圖4中可得出二者的函數(shù)關(guān)系式如式3:

將方程式(1)、(2)和(3)進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn),在低DO活性污泥的SBR反應(yīng)器中,SND與DO濃度存在著明顯的線性關(guān)系。當(dāng)DO濃度為4.296 mg/L時(shí),硝化反應(yīng)產(chǎn)生的氨氮的減少量與硝態(tài)氮的生成量相等,此時(shí)基本不發(fā)生SND現(xiàn)象;當(dāng)溶解氧濃度為0.5 mg/L時(shí),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(bào)道的達(dá)到相等硝化速率與反硝化速率時(shí)的溶解氧濃度(0.5 mg/L)基本相當(dāng)[13]。表明在SBR反應(yīng)器中,當(dāng)好氧條件下進(jìn)行硝化反應(yīng)的同時(shí),也進(jìn)行著好氧反硝化過(guò)程。

可見(jiàn)DO濃度與SND的發(fā)生具有明顯的直接關(guān)系。通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)器中的DO濃度,使反應(yīng)系統(tǒng)中的硝化反應(yīng)以最大的反應(yīng)速率進(jìn)行,同時(shí)兼顧同步硝化反硝化,對(duì)于縮短SBR硝化反硝化反應(yīng)的時(shí)間,指導(dǎo)污水處理廠生產(chǎn)實(shí)踐具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.3 SND與污泥顆粒粒徑的關(guān)系

在進(jìn)行SND的試驗(yàn)的同時(shí),針對(duì)活性污泥菌膠團(tuán)顆粒的大小也進(jìn)行考察,結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 SND條件下活性污泥菌膠團(tuán)顆粒分布

從圖5中可以看出,實(shí)驗(yàn)活性污泥菌膠團(tuán)顆粒粒徑主要分布在 2μm ～6.83μm,平均粒徑為 5.02μm～6μm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)報(bào)道的活性污泥菌膠團(tuán)顆粒粒徑的平均值52μm和Beccari報(bào)道的平均80μm[10-11]。

分析產(chǎn)生粒徑小的原因:實(shí)驗(yàn)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(shí)活性污泥的顆粒比較細(xì)小破碎。在低DO的條件下,如此小的污泥粒徑下,DO擴(kuò)散非常迅速,不會(huì)產(chǎn)生DO濃度的梯度分布,也不會(huì)因?yàn)樵诰z團(tuán)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(shí)驗(yàn)是在非常小的菌膠團(tuán)顆粒粒徑(5.02μm～6μm)條件下實(shí)現(xiàn)了SND,證明以往的關(guān)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(tuán)顆粒粒徑較大的條件下,由于DO的擴(kuò)散,菌膠團(tuán)內(nèi)部產(chǎn)生缺氧環(huán)境,從而發(fā)生SND現(xiàn)象。但該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明:由于DO擴(kuò)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(yīng)器中總氮中大約23.11%的氮是通過(guò)SND去除的。氮平衡計(jì)算證實(shí)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(guān)系。通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)器中的DO濃度,使反應(yīng)系統(tǒng)中的硝化反應(yīng)以最大的反應(yīng)速率進(jìn)行,同時(shí)兼顧同步硝化反硝化,對(duì)于縮短SBR硝化反硝化反應(yīng)的時(shí)間,指導(dǎo)污水處理廠生產(chǎn)實(shí)踐具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3)當(dāng)DO濃度為4.296 mg/L時(shí),硝化反應(yīng)產(chǎn)生的氨氮的減少量與硝態(tài)氮的生成量相等,此時(shí)基本不發(fā)生SND現(xiàn)象;當(dāng)DO濃度為0.5 mg/L時(shí),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(dāng)。

4)當(dāng)SND發(fā)生時(shí),活性污泥菌膠團(tuán)平均顆粒粒徑僅為5.02～6μm,遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)報(bào)道活性污泥菌膠團(tuán)顆粒粒徑,仍然會(huì)發(fā)生明顯的SND現(xiàn)象,說(shuō)明SND不是單純的“微環(huán)境作用”的結(jié)果。

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