張功良,李 冬*,張肖靜,曾輝平,蘇東霞,周元正,張 杰,

(1.北京工業(yè)大學(xué),水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100124；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱150090)

延時(shí)曝氣對(duì)常溫低氨氮SBR亞硝化影響及恢復(fù)

張功良1,李 冬1*,張肖靜2,曾輝平1,蘇東霞1,周元正1,張 杰1,2

(1.北京工業(yè)大學(xué),水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100124；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱150090)

常溫條件[(22±1)℃]下,采用SBR反應(yīng)器,探討延時(shí)曝氣對(duì)常溫低氨氮生活污水亞硝化的影響及尋找一種因延時(shí)曝氣失穩(wěn)的亞硝化高效恢復(fù)策略.結(jié)果表明,延時(shí)曝氣可為NOB創(chuàng)造一個(gè)迅速增殖的有利環(huán)境,經(jīng)23d的延時(shí)曝氣(延遲時(shí)間1h)最終使亞硝化系統(tǒng)失穩(wěn);且失穩(wěn)后僅通過限氧無法實(shí)現(xiàn)其恢復(fù),而通過增設(shè)1h前置厭氧攪拌并縮短曝氣時(shí)間控制氨氧化率在50%左右,經(jīng)過60個(gè)周期(20d)實(shí)現(xiàn)了亞硝化的恢復(fù).

恢復(fù)；前置厭氧；延時(shí)曝氣；亞硝化；SBR

短程硝化-厭氧氨氧化等新型脫氮工藝具有節(jié)省基建費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)[1-2],實(shí)現(xiàn)亞硝化的關(guān)鍵在于抑制亞硝酸鹽氧化菌(NOB),富集氨氧化[3-4]菌(AOB),使硝化過程停留在亞硝態(tài)氮生成階段.彭永臻等[5]研究表明,延時(shí)曝氣易使亞硝化逐漸向全程硝化轉(zhuǎn)變;張昭等[6]認(rèn)為,延時(shí)曝氣會(huì)導(dǎo)致亞硝化的不穩(wěn)定甚至逐步惡化直至崩潰.而目前國內(nèi)90%的SBR反應(yīng)器[5]均采用固定曝氣時(shí)間的方式運(yùn)行,由于進(jìn)水水質(zhì)的波動(dòng)性,固定的曝氣時(shí)間易造成延時(shí)曝氣,導(dǎo)致亞硝化失穩(wěn).因此如何使遭到破壞的SBR亞硝化系統(tǒng)得到快速恢復(fù)具有重要的研究價(jià)值.本試驗(yàn)采用SBR運(yùn)行方式,以常溫低氨氮城市生活污水為研究對(duì)象,通過探究延時(shí)曝氣對(duì)亞硝化的影響,尋找一種因延時(shí)曝氣失穩(wěn)的亞硝化高效恢復(fù)策略.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

采用SBR工藝,反應(yīng)器為圓柱形,高25cm,直徑33cm,總體積16L,有效容積為15L,有機(jī)玻璃制成.壁上垂直方向設(shè)置一排間距5cm的取樣口.采用機(jī)械攪拌混勻,底部安裝微孔曝氣管,微孔曝氣圓環(huán)直徑15cm,采用鼓風(fēng)曝氣,曝氣量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制.反應(yīng)器采用定時(shí)器控制,能完成自動(dòng)進(jìn)水、攪拌、曝氣、排水.裝置圖如圖1所示.

1.2 接種污泥與實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

圖1 反應(yīng)器裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental equipment

試驗(yàn)接種15L本實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的污泥濃度為4050mg/L的亞硝化污泥,其SV30為15%,該污泥亞硝化性能良好,亞硝化率99%以上.進(jìn)水水質(zhì)為人工含氮廢水,pH值為7.5～8.2,通過加熱裝置控制反應(yīng)溫度為(22±1)℃,投加(NH4)2SO4提供所需NH4+-N濃度,投加NaHCO3提供堿度,堿度與氨氮濃度質(zhì)量比10:1.進(jìn)水NH4+-N濃度為(40±5)mg/L, NO2--N、NO3--N、COD濃度均小于1mg/L.每1L 模擬生活污水中含有0.136g KH2PO4,0.426gNa2SO4,0.136g CaCl2,0.3g MgSO4?7H2O以及1mL微量元素營養(yǎng)液,其1L中包括15gNa2EDTA,5g FeSO4?7H2O,0.43g ZnSO4?7H2O,0.24g CoCl2?6H2O,0.99g MnCl2?4H2O,0.25g CuSO4?5H2O,0.22g NaMoO4?H2O,0.19g NiCl2?6H2O,0.21g Na2SeO30.014g H3BO3.[7-9]

1.3 試驗(yàn)方案

SBR反應(yīng)器通過時(shí)間控制器實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程的自動(dòng)控制,試驗(yàn)每天運(yùn)行3個(gè)周期.每周期進(jìn)水15min,好氧曝氣1.5～3h,沉淀30min,排水5min,其余時(shí)間閑置.反應(yīng)器容積交換率為73.3%,整個(gè)試驗(yàn)過程不排泥.試驗(yàn)分為4個(gè)階段運(yùn)行,分別為低氨氮穩(wěn)定運(yùn)行階段、延時(shí)曝氣破壞階段、限氧恢復(fù)階段、聯(lián)合恢復(fù)階段.

1.4 分析方法

每個(gè)周期測(cè)定反應(yīng)器內(nèi)混合液的 SV30、MLSS、SVI、NH4+-N、NO2--N、NO3--N等參數(shù),DO、T、pH值均采用WTW在線測(cè)定儀測(cè)定; MLSS采用MODEL711手提式測(cè)定儀測(cè)定.水樣分析中 NH4+-N 測(cè)定采用納氏試劑光度法, NO2--N采用 N-(1-萘基)乙二胺光度法,NO3--N

采用紫外分光光度法,其余水質(zhì)指標(biāo)的分析方法均采用國標(biāo)方法[10-11].

本試驗(yàn)中亞硝化率、氨氧化率按下式計(jì)算:

2 結(jié)果與討論

2.1 延時(shí)曝氣對(duì)亞硝化的影響

試驗(yàn)接種高氨氮培養(yǎng)的成熟亞硝化污泥,亞硝化率99%以上,直接轉(zhuǎn)入低氨氮運(yùn)行,平均進(jìn)水氨氮濃度為(40±5)mg/L,曝氣時(shí)間2h.由圖2可知,在此階段的60個(gè)周期(1～20d)內(nèi),亞硝化率與氨氧化率均在90%以上,平均氨氮容積去除負(fù)荷為0.45kgN/(m3?d),說明經(jīng)高氨氮培養(yǎng)的亞硝化污泥直接轉(zhuǎn)入常溫低氨氮運(yùn)行時(shí)能夠保持較高的氧化性能及穩(wěn)定的亞硝化效果,將初始DO質(zhì)量濃度控制為0.5mg/L左右可實(shí)現(xiàn)常溫低氨氮的穩(wěn)定運(yùn)行.

自第61個(gè)周期起,將曝氣時(shí)間調(diào)整為3h,其他條件不變.120min時(shí)氨氮氧化完全,此后的60min處于延時(shí)曝氣狀態(tài).由圖3可知,試驗(yàn)在第61～第130個(gè)周期內(nèi)(23d)亞硝化率從最初的99.00%下降至62.24%,硝氮生成量從0.59mg/L增加至13.91mg/L,亞硝化系統(tǒng)逐漸失去穩(wěn)定.自第131個(gè)周期起不再延時(shí)曝氣,將曝氣時(shí)間降低至2h,,亞硝化率提升至80.95%,但在以后的45個(gè)周期內(nèi)亞硝化率又持續(xù)下降至67.57%,亞硝化率呈現(xiàn)先升高又降低的趨勢(shì)主要原因是縮短曝氣時(shí)間后,NOB對(duì)亞硝態(tài)氮的氧化時(shí)間減少,使每個(gè)周期內(nèi)生成的硝氮量相比延時(shí)曝氣時(shí)減少,但是延時(shí)曝氣已經(jīng)使NOB得到了增殖,有了一定的基數(shù).

圖2 啟動(dòng)階段的氨氧化率及亞硝化率的變化趨勢(shì)Fig.2 Variations of ammonia oxidation rate and nitrite accumulation rate during the startup phase

圖3 延時(shí)曝氣階段亞硝化亞硝化率、氨氧化率、硝氮生成量變化Fig.3 Profiles of FA,FNA,pH and DO in a typical operational cycle during the stage of low ammonia

由圖4可知,延時(shí)曝氣初期,過程內(nèi)硝氮生成速率低于0.0016mg/(gMLSS·min),說明系統(tǒng)內(nèi)NOB含量很少或活性已被抑制.經(jīng)過22d的延時(shí)曝氣(每周期延遲時(shí)間1h),亞氮生成速率最高達(dá)到了0.0588mg/(gMLSS?min),系統(tǒng)內(nèi) NOB活性提高并迅速增殖導(dǎo)致亞硝化破壞.分析認(rèn)為延時(shí)曝氣造成亞硝化失穩(wěn)的原因包括:首先是充足的NOB反應(yīng)底物.反應(yīng)末期,AOB的反應(yīng)基質(zhì)氨氮全部氧化為 NOB的反應(yīng)底物亞氮,使得延時(shí)曝氣時(shí)段 NOB得到快速增殖;其次是充足的溶解氧.隨著反應(yīng)進(jìn)行,DO質(zhì)量濃度逐漸升高,特別是延時(shí)曝氣時(shí)段內(nèi),溶解氧幾近飽和,反應(yīng)后期充足的溶解氧解除了DO濃度對(duì)NOB抑制作用為其增殖提供了有利條件;最后是 FNA濃度的驟降,由圖5可知,當(dāng)氨氮消耗殆盡時(shí),pH值會(huì)逐漸升高,從而導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi) FNA濃度急劇下降,延時(shí)曝氣0.5h后,FNA濃度低于0.02mg/L,此濃度低于NOB的抑制濃度0.020mg/L[12-14],FA與FNA均不能抑制延時(shí)曝氣時(shí)段的 NOB增殖.綜上,延時(shí)曝氣主要是解除了穩(wěn)定運(yùn)行階段低 DO濃度和FNA的聯(lián)合抑制作用,使NOB短期內(nèi)得到大量增殖,一旦得到增殖,很難通過避免延時(shí)曝氣的方式實(shí)現(xiàn)亞硝化的恢復(fù).

圖4 第61、97、130周期內(nèi)硝氮生成速率變化Fig4 Profiles of NO3-in the61th,97th,130th typical operational cycles

2.2 失穩(wěn)后的恢復(fù)策略研究

2.2.1 限氧恢復(fù) 高 DO造成的亞硝化失穩(wěn)可利用AOB與NOB氧飽和常數(shù)不同的原理通過限氧策略使其逐漸得到恢復(fù).為了驗(yàn)證限氧策略是否同樣適用于因延時(shí)曝氣而失穩(wěn)的亞硝化恢復(fù),試驗(yàn)在178～241個(gè)周期(21d)內(nèi)降低曝氣量,將初始溶解氧濃度控制在0.3mg/L左右.如圖6所示,采用限氧策略后,曝氣時(shí)間不變,導(dǎo)致系統(tǒng)的氧化能力降低,此階段平均氨氧化率降至75.64%,亞硝化率較延時(shí)曝氣階段有所升高,最初可達(dá)79.61%,但在以后的63個(gè)周期內(nèi),亞硝化率呈下降趨勢(shì),最終降至55.65%,亞硝化率仍呈現(xiàn)先略有升高又降低的趨勢(shì),主要是降低溶解氧后,使總反應(yīng)時(shí)間加長,反應(yīng)末期溶解氧有所降低對(duì) NOB有一定的抑制作用,但通過之后的亞硝化率下降現(xiàn)象可以說明已經(jīng)無法對(duì)NOB起到完全的抑制作用,原因主要是系統(tǒng)內(nèi) NOB已經(jīng)得到充分增殖且其對(duì)之前的低 DO(0.5mg/L)環(huán)境產(chǎn)生了一定的適應(yīng)性,研究表明,游離亞硝酸(FNA)完全抑制NOB和AOB生長的濃度分別為0.020mg/L和0.40mg/L[12-14].而整個(gè)過程中FA低于1.0mg/L,FNA低于0.05mg/L,較解除延時(shí)曝氣階段FNA更低,以上因素不足以起到關(guān)鍵抑制作用.因此本試驗(yàn)中因延時(shí)曝氣導(dǎo)致的亞硝化失穩(wěn)不能僅通過限氧來實(shí)現(xiàn)其恢復(fù),在不改變進(jìn)水水質(zhì)的前提下必須引入新的抑制因素才可以將NOB完全抑制住.

圖5 低氨氮穩(wěn)定階段典型周期內(nèi)FA、FNA、pH值以及DO過程變化Fig.5 Profiles of FA,FNA,pH and DO in a typical operational cycle during the stage of low ammonia

2.2.2 前置厭氧與降低氨氧化率聯(lián)合 研究表明[5,15],在厭氧條件下,AOB仍然具有一定的活性,且由厭氧向好氧轉(zhuǎn)變的過程中,亞硝酸鹽氧化酶存在一定的滯后時(shí)間,因此AOB相比于NOB更易從厭氧狀態(tài)中恢復(fù)其活性,其適應(yīng)環(huán)境的能力更強(qiáng).故考慮增加前置厭氧段以進(jìn)一步抑制 NOB的活性,且有利于好氧段AOB的生長.此外可考慮通過縮短曝氣時(shí)間的方式,降低氨氧化率來提高出水FA以抑制NOB;另外,由于曝氣時(shí)間進(jìn)一步縮短使氨氧化率維持在50%左右,反應(yīng)過程中NOB的基質(zhì)NO2-一直小于AOB的基質(zhì)NH4+,也有利于減緩NOB的增殖速度.因此,本試驗(yàn)自第242個(gè)周期起采取一種聯(lián)合恢復(fù)的策略,即增設(shè)1h前置攪拌厭氧階段,并縮短曝氣時(shí)間至1.5h.由圖6可知,改變曝氣時(shí)間后,平均氨氧化率為50.23%,觀察亞硝化率并沒有像單純限氧階段出現(xiàn)繼續(xù)下降趨勢(shì),而是穩(wěn)中有升,經(jīng)過60個(gè)周期(20d)后亞硝化率達(dá)到了91.81%,增設(shè)前置厭氧、縮短曝氣時(shí)間以降低氨氧化率使亞硝化率重新至90%以上,且沒有下降趨勢(shì)實(shí)現(xiàn)了亞硝化的初步恢復(fù).

圖6 恢復(fù)時(shí)期氨氧化率及亞硝化率變化Fig.6 Variations of ammonia oxidation rate and nitrite accumulation rate during the recovery phase

圖7是增設(shè)前置厭氧、降低氨氧化率階段典型周期DO、FA、FNA變化,采取此策略后,曝氣階段的整個(gè)過程中DO濃度在0.29 ～0.36mg/L之間,NOB始終處于低DO濃度下生長;出水FA濃度在0.30mg/L以上也對(duì)NOB有一定的抑制作用.前置厭氧攪拌階段的增設(shè),使前1h內(nèi)AOB與NOB均處在厭氧的環(huán)境中,此過程氨氮基本不被消耗,當(dāng)開始曝氣后,AOB能夠快速適應(yīng)突變的環(huán)境,而NOB則存在滯后性.圖8是此恢復(fù)階段硝氮生成速率圖,曝氣0.5h后,硝氮生成速率低于0.004mg/(gMLSS?min),之后速率增加很快,說明前置厭氧確實(shí)能夠起到抑制 NOB的作用,但前置厭氧的最優(yōu)時(shí)間還有待進(jìn)一步證明.

當(dāng)亞硝化率達(dá)到90%以上后,反應(yīng)器又運(yùn)行了21個(gè)周期(7d),亞硝化率無下降趨勢(shì),于是逐漸提高曝氣時(shí)間以提高氨氧化率.首先保持曝氣時(shí)間2h運(yùn)行了21個(gè)周期(7d),平均氨氧化率65.80%,接著提高曝氣時(shí)間至2.5h運(yùn)行了52個(gè)周期(14d),平均氨氧化率達(dá)到89.92%,過程中亞硝化率一直維持在90%以上,由此實(shí)現(xiàn)了常溫低氨氮生活污水因延時(shí)曝氣導(dǎo)致亞硝化失穩(wěn)后的完全恢復(fù).

圖8 聯(lián)合恢復(fù)階段典型周期硝氮生成速率Fig.8 Profiles of the production rate of NO-N during the recovery phase

3 結(jié)論

3.1 經(jīng)高氨氮培養(yǎng)的亞硝化污泥轉(zhuǎn)入常溫低氨氮運(yùn)行時(shí),控制初始DO質(zhì)量濃度為0.5mg/L左右可保持較高的氧化性能及良好的亞硝化效果,實(shí)現(xiàn)常溫低氨氮生活污水亞硝化的穩(wěn)定運(yùn)行,平均氨氮容積去除負(fù)荷為0.45kgN/(m3?d).

3.2 延時(shí)曝氣解除了DO和FNA的聯(lián)合抑制作用,為 NOB創(chuàng)造了一個(gè)可以迅速增殖的有利環(huán)境,最終使亞硝化系統(tǒng)失穩(wěn),且系統(tǒng)內(nèi)NOB一旦得到增殖,只取消延時(shí)曝氣很難實(shí)現(xiàn)亞硝化的恢復(fù).

3.3 通過增設(shè)1h前置厭氧攪拌并縮短曝氣時(shí)間控制氨氧化率在50%左右,控制初始DO濃度在0.30mg/L左右經(jīng)過60個(gè)周期(20d)可實(shí)現(xiàn)因延時(shí)曝氣失穩(wěn)后的亞硝化恢復(fù).

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Research on the recovery strategy for nitrosation at room temperature.

ZHANG Gong-liang1, LI Dong1*, ZHANG Xiao-jing2, ZENG Hui-ping1, SU Dong-xia1, ZHOU Yuan-zheng1, ZHANG Jie1,2
(1.Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing100124, China；2.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin150090, China). China Environmental Science,2014,34(8)：1998～2002

At room temperature conditions [(22±1℃)], by using SBR reactor, it is explored that how delay aeration impact nitrosation stability for low ammonia nitrogen sewage and efficient recovery strategy for nitrosation instability because of delay aeration is looked for. Results show that the delay aeration creates a favorable environment to NOBs so that NOBs can reproduce rapidly, delay aeration of1h for the23d eventually makes the nitrosation system instability; nitrosation instability needs to adopt a joint recovery strategy that the additional1h front stir anaerobic phase and control of ammonia oxidation rate at about50% by shortening the aeration time is carried out. Then nitrosation can be realized through60cycle (20d).

t：recovery；lead anaerobic；delay aeration；nitrosation；SBR

X703.1

：A

：1000-6923(2014)08-1998-05

張功良(1988-),男,河北滄州人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗|(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)技術(shù).

2013-11-06

新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET-10-0008);國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07202-005)

* 責(zé)任作者, 教授, lidong2006@bjut.edu.cn