李 祥,陳宗姮,黃 勇,袁 怡,張大林 (蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,環(huán)境生物技術(shù)研究所,江蘇 蘇州215011)

控制ORP實(shí)現(xiàn)連續(xù)流反應(yīng)器部分亞硝化穩(wěn)定運(yùn)行

李 祥,陳宗姮,黃 勇*,袁 怡,張大林 (蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,環(huán)境生物技術(shù)研究所,江蘇 蘇州215011)

利用ORP在線監(jiān)控設(shè)備,研究了控制ORP值實(shí)現(xiàn)連續(xù)流部分亞硝化反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的可行性,并使出水水質(zhì)滿足厭氧氨氧化需求.結(jié)果表明,在亞硝氮與氨氮比值、溫度和pH值恒定的條件下,反應(yīng)器內(nèi) ORP值波動(dòng)主要由于 DO濃度波動(dòng)引起.在穩(wěn)定的亞硝化系統(tǒng)中,當(dāng)ORP值大于250mV左右時(shí),反應(yīng)器出水亞硝氮與氨氮比值大于2.1;當(dāng)ORP值控制在150mV左右時(shí),反應(yīng)器出水亞硝氮與氨氮比值穩(wěn)定在1.2～1.3之間.ORP值控制在120mV時(shí),反應(yīng)器出水亞硝氮與氨氮濃度比值為0.9～1.06.將ORP值控制在150mV時(shí),隨著進(jìn)水氨氮濃度由300mg/L提高至813mg/L,反應(yīng)器出水亞硝氮與氨氮比值基本維持在1.1～1.3之間.但隨之增加的游離氨濃度易導(dǎo)致亞硝化菌活性抑制.因此,在低氧環(huán)境下ORP作為連續(xù)流部分亞硝化反應(yīng)器亞硝化程度的控制指標(biāo),其靈敏度和精度明顯優(yōu)于DO監(jiān)測(cè)設(shè)備.

部分亞硝化；氧化還原電位；連續(xù)流反應(yīng)器；穩(wěn)定運(yùn)行

隨著厭氧氨氧化工藝研究的不斷深入,基于厭氧氨氧化反應(yīng)的“部分亞硝化-厭氧氨氧化”聯(lián)合工藝已成為廢水生物脫氮處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1].與傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比,該工藝具有耗氧量少,無(wú)需有機(jī)物參與和脫氮效能高的優(yōu)點(diǎn),在低碳高氨氮廢水處理方面顯現(xiàn)出巨大優(yōu)越性.亞硝化作為整個(gè)聯(lián)合工藝的前置反應(yīng),穩(wěn)定性及亞硝化效能將決定著后續(xù)厭氧氨氧化工藝的脫氮效能[2-4].

目前,實(shí)現(xiàn)亞硝化的控制因素很多,關(guān)鍵控制因子有溫度、堿度、pH值和DO[5-7].研究者一般通過(guò)單個(gè)或者多個(gè)控制因子實(shí)現(xiàn)亞硝化反應(yīng)器的快速啟動(dòng).考慮到后續(xù)厭氧氨氧化反應(yīng)需要一個(gè)嚴(yán)格厭氧的環(huán)境,研究者一般通過(guò)限制 DO實(shí)現(xiàn)部分亞硝化反應(yīng)的穩(wěn)定運(yùn)行,以滿足后續(xù)工藝的厭氧環(huán)境.據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[8-10],將 DO控制在0.5mg/L以內(nèi)可實(shí)現(xiàn)亞硝化系統(tǒng)的部分亞硝化,同時(shí)減少 DO對(duì)厭氧氨氧化菌活性的影響,有利于部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝的啟動(dòng).低DO環(huán)境的控制需要靈敏的信號(hào)反饋和可控的調(diào)節(jié)范圍,否則過(guò)高或者過(guò)低的 DO會(huì)相應(yīng)地導(dǎo)致厭氧氨氧化菌所需的厭氧環(huán)境破壞或者部分亞硝化反應(yīng)器出水的亞硝氮與氨氮比例失調(diào),最終影響聯(lián)合工藝的脫氮效能.但是目前市場(chǎng)上的溶解氧監(jiān)測(cè)設(shè)備在低氧環(huán)境中響應(yīng)比較緩慢,不能滿足該聯(lián)合工藝的需求.

ORP即水中的氧化還原電位,是反應(yīng)系統(tǒng)氧化還原狀態(tài)的綜合指標(biāo).20世紀(jì) 40年代初已開發(fā)出ORP監(jiān)測(cè)電極并應(yīng)用于污水生物處理中曝氣量的控制.因 ORP作為一個(gè)環(huán)境變量,其監(jiān)測(cè)結(jié)果相對(duì)難以合理解釋.直到最近,去除營(yíng)養(yǎng)鹽成為研究熱點(diǎn)后,人們才又對(duì)ORP的研究和應(yīng)用產(chǎn)生了興趣[11].目前,ORP在序批式全量亞硝化系統(tǒng)中運(yùn)用比較廣泛.通過(guò)ORP和pH值的波動(dòng)信號(hào)調(diào)節(jié)進(jìn)氣量,成功實(shí)現(xiàn)SBR生物脫氮系統(tǒng)好氧和厭氧環(huán)境的交替[12-13].但將其運(yùn)用在連續(xù)流反應(yīng)器中作為 DO變化的控制指標(biāo),實(shí)現(xiàn)低氧環(huán)境下部分亞硝化反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行控制參數(shù)的相關(guān)報(bào)道較少.

本文將通過(guò)控制ORP值調(diào)節(jié)進(jìn)氣量,研究滿足厭氧氨氧化反應(yīng)所需低氧環(huán)境的部分亞硝化反應(yīng)器控制新方法,旨在為連續(xù)流型部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝中亞硝化段的控制手段選取提供參考.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和運(yùn)行條件

亞硝化反應(yīng)器采用寬14cm、高60cm的有機(jī)玻璃制成,有效容積8L(圖1).反應(yīng)內(nèi)填充聚乙烯環(huán)狀填料,填充度為 50%.反應(yīng)器進(jìn)出水的運(yùn)行方式為連續(xù)流,流量由蠕動(dòng)泵控制.反應(yīng)器溫度控制在32℃,由加熱棒控制.反應(yīng)器內(nèi)pH值控制在 8.0±0.2,配水時(shí)通過(guò)投加低濃度強(qiáng)酸強(qiáng)堿調(diào)節(jié)進(jìn)水.進(jìn)氣流量大小依據(jù) ORP在線監(jiān)測(cè)數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié). 1.2 反應(yīng)器前期運(yùn)行狀態(tài)

圖1 部分亞硝化連續(xù)流反應(yīng)裝置示意Fig.1 Schematic of the partial nitritation reactor

在實(shí)驗(yàn)之前,部分亞硝化反應(yīng)器已經(jīng)過(guò)150d左右的培養(yǎng),亞硝化膜已經(jīng)成功掛好,出水亞硝氮與氨氮比例穩(wěn)定在 1.2左右,亞硝化效能穩(wěn)定在0.3kg N/(m3·d)[14].

1.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)M廢水組成

廢水采用人工配水,主要由 NH4Cl(按需配制)、NaHCO3(按需配制)、KH2PO427mg/L 、CaCL2·2H2O 136mg/L、MgSO4·7H2O 20mg/L和微量元素濃縮液Ⅰ1mL/L,微量元素濃縮液Ⅱ1.25ml/L 組成.微量元素濃縮液Ⅰ:EDTA 5000mg/L,FeSO45000mg/L;微量元素濃縮液Ⅱ :EDTA 5000mg/L,ZnSO4·7H2O 430mg/L, CoCl2·6H2O 240mg/L,MnCl2·4H2O 990mg/L, CuSO4·5H2O 250mg/L,NaMoO4·2H2O 220mg/L, NiCl2·6H2O 190mg/L,NaSeO4·10H2O 210mg/L, H3BO414mg/L.

1.4 實(shí)驗(yàn)測(cè)定項(xiàng)目和方法

指標(biāo)測(cè)定方法均按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》.NH4+-N采用納氏分光光度法;NO2--N采用N-(1萘基)-乙二胺分光光度法;NO3--N采用離子色譜法;DO 采用梅特勒熒光法在線監(jiān)測(cè)儀;ORP/pH采用梅特勒熒光法在線監(jiān)測(cè)儀[15].

1.5 實(shí)驗(yàn)方法

ORP代替DO作為進(jìn)氣量調(diào)節(jié)指標(biāo)的可行性研究:首先將反應(yīng)器裝滿清水,利用高純氮?dú)鈱?duì)水中DO進(jìn)行吹脫,研究ORP值隨DO降低的數(shù)值響應(yīng)變化.當(dāng) DO值降低到缺氧環(huán)境時(shí),控制 DO不變,研究基質(zhì)濃度(亞硝氮與氨氮比值保持在1.2)提高對(duì)ORP值影響.確定ORP作為部分亞硝化反應(yīng)器亞硝化程度的控制指標(biāo)時(shí),基質(zhì)濃度和DO變化對(duì)ORP數(shù)值變化的貢獻(xiàn)度.

在恒定溫度、pH值和充足堿度的條件下,將ORP作為部分亞硝化過(guò)程限制進(jìn)氣量的一個(gè)重要控制參數(shù).尋求連續(xù)流部分亞硝化反應(yīng)器出水亞硝氮與氨氮比值為1～1.3的ORP控制范圍,以滿足厭氧氨氧化需求.然后運(yùn)用此參數(shù),研究以提高進(jìn)水氨氮濃度的方式提高反應(yīng)器氨氮負(fù)荷過(guò)程中,該參數(shù)能否成為部分亞硝化穩(wěn)定運(yùn)行及出水亞硝氮與氨氮比值為 1～1.3的控制指標(biāo).同時(shí)通過(guò)FA、FNA分析亞硝化效能提升過(guò)程中失穩(wěn)的原因.

2 結(jié)果與討論

2.1 在空白實(shí)驗(yàn)中基質(zhì)濃度和DO對(duì)ORP的影響

廢水生物處理系統(tǒng)中存在著多種變價(jià)離子和分子氧,即存在多個(gè)氧化還原電對(duì),是一個(gè)復(fù)雜的體系,往往同時(shí)進(jìn)行大量的氧化還原反應(yīng),所以系統(tǒng)的ORP是多種氧化物與還原物進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的綜合結(jié)果.因此,有必要了解DO及基質(zhì)濃度變化對(duì)ORP值的影響.

在研究DO濃度對(duì)ORP值影響時(shí),反應(yīng)器內(nèi)完全裝清水,水中的DO濃度為9.2mg/L,ORP在線監(jiān)測(cè)儀數(shù)顯值為383mV.隨著水中的DO逐步被高純氮?dú)庵脫Q出,ORP值迅速降低(圖 2).當(dāng)水中DO濃度降到0.2mg/L時(shí),ORP值下降到60mV.說(shuō)明在無(wú)其他氧化還原物質(zhì)存在的條件下,水中ORP值與DO濃度變化具有較強(qiáng)的線性相關(guān)性,與尹軍等[16]研究結(jié)果相似.

在亞硝化系統(tǒng)中除了溶解氧之外,還主要存在氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽等氧化還原物質(zhì),這些物質(zhì)濃度變化也可能導(dǎo)致ORP值發(fā)生變化.為了使連續(xù)流部分亞硝化反應(yīng)器出水滿足厭氧氨氧化進(jìn)水水質(zhì)要求,一般將出水亞硝氮與氨氮比值控制在 1～1.3之間,因此有必要研究基質(zhì)濃度比值滿足后續(xù)厭氧氨氧化反應(yīng)時(shí),其濃度變化對(duì)ORP值的影響.因氨氮與亞硝氮同時(shí)以等比例加入,濃度變化趨勢(shì)相同,所以圖2中未繪制亞硝氮濃度變化趨勢(shì)線.由圖2可知,隨著反應(yīng)器內(nèi)氨氮和亞硝酸鹽 (亞硝酸和氨氮比值為 1.2)濃度的提高,ORP值基本處于穩(wěn)定狀態(tài).當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)氨氮濃度達(dá)到 1000mg/L,亞硝酸鹽濃度達(dá)到1200mg/L時(shí),ORP值僅降低到55mV.說(shuō)明氨氮的還原性與亞硝酸的氧化性能基本夠得到相互抵消,ORP值未受到兩者同時(shí)升高而發(fā)生巨大變化.因此在穩(wěn)定的亞硝化反應(yīng)系統(tǒng)中 DO濃度波動(dòng)對(duì)ORP值的影響明顯強(qiáng)于水中基質(zhì)濃度的變化,可以運(yùn)用ORP作為穩(wěn)定亞硝化系統(tǒng)中DO濃度變化的間接指標(biāo).

圖2 DO與基質(zhì)濃度對(duì)ORP值的影響Fig.2 The effect of dissolved oxygen and substrate concentration on ORP

2.2 ORP值變化對(duì)部分亞硝化反應(yīng)中氮素轉(zhuǎn)化比的影響

根據(jù)已經(jīng)啟動(dòng)成功的亞硝化反應(yīng)器的亞硝化效能,將此階段進(jìn)水氨氮濃度控制在 300mg/L左右.實(shí)驗(yàn)初期的 ORP值控制在(350±10)mV,然后通過(guò)降低進(jìn)氣量方式逐步降低ORP值.反應(yīng)器出水亞硝氮與氨氮濃度變化如圖 3所示.在反應(yīng)器運(yùn)行的前6d,當(dāng)ORP 值控制在350mV時(shí),由于水中分子氧含量充分,出水亞硝氮濃度達(dá)到270mg/L,剩余氨氮濃度僅 28mg/L左右,亞硝氮與氨氮比值達(dá)到3.0～3.6,嚴(yán)重超越了厭氧氨氧化對(duì)進(jìn)水氨氮與亞硝氮的需求.當(dāng) ORP值降低至250mV時(shí),出水氨氮濃度有所上升,最高達(dá)到91mg/L.但是出水亞硝氮與氨氮比值在 2.1～2.3范圍內(nèi)波動(dòng),仍然不能滿足厭氧氨氧化的需求.當(dāng)ORP值逐步降低至 150mV時(shí),出水亞硝氮與氨氮濃度比值才穩(wěn)定在1.2～1.3之間,基本滿足厭氧氨氧化對(duì)進(jìn)水水質(zhì)的要求.考慮到厭氧氨氧化反應(yīng)是一個(gè)嚴(yán)格的厭氧過(guò)程,DO的存在會(huì)對(duì)厭氧氨氧化活性產(chǎn)生抑制作用.在部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝的運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)該盡可能地降低水中DO的濃度.因此繼續(xù)降低反應(yīng)器ORP值至100mV,由圖3可知,此時(shí)反應(yīng)出水氨氮和亞硝氮濃度分別為150mg/L和149mg/L,亞硝氮與氨氮濃度比值為 0.9～1.06,此時(shí)基本不能滿足厭氧氨氧化需求.目前,眾多研究者在厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)亞硝酸鹽與氨氮的消耗比為1.1～1.27之間[17-18],略低于 Strous的所報(bào)道的計(jì)量比.因此,在防止部分亞硝化系統(tǒng)剩余DO對(duì)厭氧氨氧化產(chǎn)生影響的情況下,部分亞硝化過(guò)程的ORP值應(yīng)該控制在100～150mV之間.

圖3 ORP值對(duì)部分亞硝化過(guò)程中NO2--N轉(zhuǎn)化的影響Fig.3 The effect of ORP on transformation of NO2--N in partial nitritation process

2.3 基于 ORP控制的部分亞硝化反應(yīng)器亞硝化效能的提高

當(dāng)反應(yīng)器ORP值控制在120～150mV之間,研究通過(guò)逐步提高反應(yīng)器氨氮容積負(fù)荷過(guò)程中ORP值控制是否有效.在反應(yīng)器運(yùn)行前10d,進(jìn)水氨氮控制在270mg/L,ORP 控制在150mV左右時(shí)(圖4),出水氨氮與亞硝氮濃度分別為120mg/L和139mg/L,其比值為1.1左右.為了使ORP值保持穩(wěn)定,不斷提高進(jìn)水氨氮濃度的過(guò)程中,曝氣量也不斷提高.在此過(guò)程中,反應(yīng)器的亞硝化能力不斷增加,出水亞硝氮與氨氮濃度比值基本保持1.1～1.3之間.當(dāng)反應(yīng)運(yùn)行到56d時(shí),進(jìn)水氨氮濃度增加到 813mg/L,出水氨氮和亞硝氮濃度分別為376.8mg/L和 410mg/L,亞硝氮與氨氮比值開始下降到 1.1.隨著進(jìn)水氨氮濃度進(jìn)一步增加,出水亞硝氮濃度開始逐步下降.當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度增加到967mg/L時(shí),出水亞硝氮濃度下降到330mg/L左右,出水亞硝氮與氨氮比值下降到0.53.與此同時(shí),由于亞硝化反應(yīng)能力的下降,在不降低進(jìn)氣流量的條件下,大量DO剩余在反應(yīng)器中,使得ORP值不斷上升.因此,在穩(wěn)定的連續(xù)流亞硝化系統(tǒng)中,ORP值的突變可以很好地指示亞硝化過(guò)程是否處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài).在整個(gè)部分亞硝化反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中,硝化細(xì)菌活性基本處于抑制狀態(tài),硝酸鹽濃度基本控制在 15mg/L以內(nèi).說(shuō)明高濃度含氮廢水可以建立穩(wěn)定的生物亞硝化系統(tǒng).姚曉園等[19]研究也發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)水氨氮的濃度達(dá)到800～900mg/L時(shí),亞硝化過(guò)程受到部分抑制,亞硝化率為80%.

圖4 控制ORP值條件下氮負(fù)荷提高對(duì)部分亞硝化穩(wěn)定性影響Fig.4 Influence of nitogen load increased on nitrosation stability with ORP controlled

2.4 高基質(zhì)濃度下部分亞硝化反應(yīng)器氮轉(zhuǎn)化效能下降原因

氨氮既是亞硝化菌的基質(zhì),同時(shí)過(guò)高的基質(zhì)又會(huì)對(duì)亞硝化菌和硝化菌產(chǎn)生抑制作用.目前, Anthonisen等[20]研究已經(jīng)證明 FA對(duì) AOB和NOB均有抑制作用.FA對(duì)AOB活性的抑制值為10～150mg/L,而對(duì)NOB活性的抑制濃度為3.5～10mg/L.Bae等[21]研究認(rèn)為FA對(duì)NOB活性的抑制濃度為0.1～4mg/L.

圖5 FA與FNA對(duì)亞硝化效能的影響Fig.5 the effect of FA and FNA on nitrite rate

由圖5可知,隨著進(jìn)水氨氮負(fù)荷的不斷提高,反應(yīng)器內(nèi)FA濃度基本大于10mg/L,因此NOB一直處于抑制狀態(tài),使得反應(yīng)器出水硝酸鹽濃度處于 15mg/L以內(nèi).隨著反應(yīng)器內(nèi)氨氮負(fù)荷的不斷增加,亞硝化能力不斷提高.當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行到77d,進(jìn)水氨氮濃度達(dá)到500mg/L時(shí),反應(yīng)亞硝化能力最高達(dá)到 1.82kgN/(m3·d),反應(yīng)器內(nèi)的亞硝化能力未因FA濃度升高到45mgN/L而受到影響.隨著進(jìn)水氨氮濃度的進(jìn)一步提高,反應(yīng)器內(nèi)的 FA濃度達(dá)到50mg/L,此時(shí)亞硝化能力開始出現(xiàn)下降.隨著FA濃度維持在50～58mg/L波動(dòng)時(shí),亞硝化效能開始出現(xiàn)明顯的下降.當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行至 80d時(shí),反應(yīng)器的亞硝化效能下降到1.32kg N/(m3·d).說(shuō)明在此反應(yīng)器中,當(dāng) FA濃度高于 50mg/L時(shí),亞硝化菌的脫氮效能開始明顯受到抑制.另一方面,Wei等[22]研究表明在亞硝化系統(tǒng)中游離亞硝酸濃度達(dá)到0.056mg/L也不會(huì)對(duì)AOB活性產(chǎn)生抑制.在整個(gè)亞硝化過(guò)程中,反應(yīng)器內(nèi)的 FNA濃度始終沒(méi)有超過(guò)0.012mg/L,因此FNA未對(duì)亞硝化系統(tǒng)氮轉(zhuǎn)化效能的下降作出貢獻(xiàn).進(jìn)一步說(shuō)明在高基質(zhì)濃度下,部分亞硝化反應(yīng)器脫氮效能的下降是由于FA濃度過(guò)高引起的,而不是ORP值監(jiān)控失效引起的.

2.5 ORP作為部分亞硝化-厭氧氨氧化過(guò)程控制參數(shù)的優(yōu)劣

近年來(lái),很多研究者通過(guò)各種手段成功地啟動(dòng)了部分亞硝化反應(yīng)器.張肖靜等[23]研究表明,堿度不足時(shí),進(jìn)水堿度和亞硝氮轉(zhuǎn)化率比成線性關(guān)系.通過(guò)堿度可以指示亞硝酸鹽質(zhì)量濃度,有效控制出水的亞硝化比例.Joss等[24]通過(guò)氨氮、亞硝氮在線監(jiān)測(cè)儀和 DO在線監(jiān)測(cè)儀共同控制反應(yīng)器的部分亞硝化狀態(tài).田智勇等[6]在低 DO的條件下成功實(shí)現(xiàn)了亞硝酸鹽的積累.然而在亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝的運(yùn)行過(guò)程中,不僅需要實(shí)現(xiàn)部分亞硝化的穩(wěn)定運(yùn)行,同時(shí)還需要其出水水質(zhì)和環(huán)境滿足厭氧氨氧化菌需求.厭氧氨氧化反應(yīng)是一個(gè)厭氧反應(yīng),DO的存在會(huì)對(duì)其產(chǎn)生抑制作用.同時(shí)厭氧氨氧化反應(yīng)還需要大量HCO3-維持體系 pH變化和自身生長(zhǎng)需求.因此,限制DO成為聯(lián)合工藝的首選控制參數(shù).目前,雖然眾多研究者通過(guò)限氧手段成功地啟動(dòng)了亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合裝置.但是亞硝化系統(tǒng)中常常因一些監(jiān)測(cè)儀器靈敏度不夠使得 DO濃度過(guò)高導(dǎo)致亞硝化過(guò)量或者硝化反應(yīng)的發(fā)生[12,25].最終導(dǎo)致整個(gè)聯(lián)合工藝的脫氮效能并不高,基本處于1～2kg/ (m3·d).

相比傳統(tǒng)的 DO、電導(dǎo)率等在線監(jiān)測(cè)設(shè)備,ORP逐漸在生物脫氮系統(tǒng)中獲得廣泛運(yùn)用.目前研究者一般將其運(yùn)用在序批試反應(yīng)器(SBR)中,作為好氧和厭氧環(huán)境交替的控制參數(shù).Ra等[26]研究表明ORP在亞硝化系統(tǒng)中的控制簡(jiǎn)便性和精確度明顯優(yōu)于 DO、電導(dǎo)儀等監(jiān)測(cè)儀器.DO濃度變化與ORP值變化具有相同的變化梯度.反硝化的厭氧環(huán)境進(jìn)入亞硝化的好氧環(huán)境時(shí),ORP值波幅達(dá)到200mV,但是DO儀數(shù)顯并沒(méi)有什么變化.說(shuō)明DO檢測(cè)儀對(duì)環(huán)境改變的靈敏度明顯低于ORP.

由清水實(shí)驗(yàn)可知,將ORP作為連續(xù)流部分亞硝化反應(yīng)器中亞硝化程度的控制參數(shù)時(shí),ORP值的變化主要由DO濃度變化引起.當(dāng)DO濃度在0.7mg/L以上時(shí),ORP值變化趨勢(shì)基本與DO相同.但是隨著水中DO濃度的減少,DO濃度曲線緩慢下降,而ORP值仍保持快速下降,與Ra等[27]研究結(jié)果相似.依據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道,在部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝的運(yùn)行過(guò)程中,一般將 DO控制在0.5mg/L以內(nèi).若用DO測(cè)定儀調(diào)節(jié)(0.1計(jì)量單位)很難精準(zhǔn)地控制曝氣量大小.而用 ORP測(cè)定儀調(diào)節(jié),大約有 150mV的調(diào)節(jié)范圍.由亞硝化反應(yīng)器運(yùn)行可知,將 ORP值控制在 120～150mV之間,成功實(shí)現(xiàn)了亞硝化反應(yīng)器亞硝化效能的提高.經(jīng)過(guò) 77d運(yùn)行亞硝氮轉(zhuǎn)化率達(dá)到 1.82kg N/(m3·d).所以,ORP替代DO作為連續(xù)流部分亞硝化反應(yīng)器的監(jiān)控設(shè)備是可行的,并且ORP值突變現(xiàn)象可以很好地反應(yīng)亞硝化反應(yīng)器的亞硝化穩(wěn)定性.但是ORP變化還與環(huán)境溫度、pH值、有機(jī)物濃度有著密切地聯(lián)系,因此將ORP運(yùn)用于工程化的連續(xù)流部分亞硝化反應(yīng)器時(shí),還需要對(duì)這些影響因子進(jìn)一步研究.

3 結(jié)論

3.1 在連續(xù)流部分亞硝化反應(yīng)器中,ORP值巨大波幅是由 DO濃度變化引起的,而反應(yīng)器氮容積負(fù)荷(亞硝氮與氨氮比值保持在 1.2)變化不會(huì)引起ORP值巨大波幅.

3.2 在連續(xù)流部分亞硝化反應(yīng)器中,當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度300mg/L,反應(yīng)器ORP值大于250mV左右時(shí),出水亞硝氮與氨氮比值大于 2.1;當(dāng)ORP值控制在 150mV左右時(shí),出水亞硝氮與氨氮比值穩(wěn)定在 1.2～1.3之間.ORP值控制在120mV時(shí),出水亞硝氮與氨氮濃度比值為0.9～1.06.

3.3 在連續(xù)流部分亞硝化反應(yīng)器中,將 ORP值控制在120～150mV之間時(shí),隨著進(jìn)水氨氮濃度由300mg/L提高 813mg/L,反應(yīng)器出水亞硝氮與氨氮濃度比值基本穩(wěn)定在1.1～1.3之間,最終亞硝氮轉(zhuǎn)化率達(dá)到 1.82kg N/(m3·d).但是過(guò)高的氨氮易導(dǎo)致亞硝化菌受到抑制,反應(yīng)器ORP值會(huì)出現(xiàn)快速升高的現(xiàn)象.

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Stable operation of partial nitritation by controlling ORP in continuous flow reactor.

LI Xiang, CHEN Zhong-heng,

HUANG Yong*, YUAN Yi, ZHANG Da-lin (Institute of Environmental Biotechnology, School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 2150l1, China). China Environmental Science, 2014,34(12)：3086～3092

Stable operation of partial nitritation reactor by using ORP online monitoring equipment and the effluent satisfied the anammox process were studied in continuous flow reactor. The results showed that fluctuation of ORP value was mainly caused by the fluctuation of DO concentration, when the ratio of nitrite and ammonia, pH and temperature were constant in the reactor. In partial nitritation system, the ratio of nitrite and ammonia was greater than 2.1when the ORP value was greater than 250mV, which didn’t satisfy the ANAMMOX process demanded. The ratio of nitrite and ammonia was oscillating between 1.2 and 1.3when ORP value was controlled at 150mV. The ratio of nitrite and ammonia was oscillating between 0.9 and 1.06when ORP value was controlled at 120mV. The results also showed that the ratio of effluent nitrite and ammonia was oscillating between 1.1 and 1.3 with the influent ammonia concentration increased from 300mg/L to 813mg/L when ORP value was controlled at 150mV. However, increased free ammonium (FA) concentration inhibited ammonia-oxidizing bacteria activity. Sensitivity and accuracy of ORP were better than DO monitoring equipment as indicators to controlling partial nitritation reactor in low oxygen environment.

partial nitritation；oxidation-reduction potential；continuous flow reactor；stable operation

X703

A

1000-6923(2014)12-3086-07

李 祥(1984-),男,江蘇儀征人,實(shí)驗(yàn)師,碩士,主要從事廢水脫氮處理理論及工藝研究.發(fā)表論文30余篇.

2014-03-10

國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目(51008202);江蘇省環(huán)保廳重大項(xiàng)目(201104);江蘇省環(huán)境科學(xué)與工程重點(diǎn)專業(yè);江蘇省特色優(yōu)勢(shì)學(xué)科二期項(xiàng)目

* 責(zé)任作者, 教授, yhuang@ mail.usts.edu.cn