傳統的硝化反硝化脫氮工藝是通過硝化過程使氨氮轉化為NO3--N, 然后通過反硝化過程使NO3--N 還原為N2來降低處理水中TN 濃度｡國內外的很多研究表明,可以通過控制硝化過程,使微生物氧化氨氮生成中間體NO2--N, 然后利用NO2--N 進行還原反應生成N2,即短程硝化反硝化〔1-2〕｡與傳統的硝化反硝化相比,短程硝化反硝化具有以下優點〔3〕:可節省供氧量約25%,能耗低;可節省反硝化碳源約40%, 在C/N 值一定的情況下能提高對TN 的去除率;可減少污泥生成量約50%;可減少硝化過程堿的需求量;反應時間短,可減少反應器容積｡實驗利用低DO 和高pH 作為選擇條件實現短程硝化反硝化,并通過改變條件以求尋找短程硝化發生轉變的條件,該實驗研究具有理論探討和實踐應用的雙重意義｡
1 材料與方法
1.1 實驗裝置及流程
實驗采用一小型SBR(Sequencing Batch Reactor,序批式間歇反應器),見圖1｡
圖1 實驗裝置
實驗裝置的材質為有機玻璃,反應器尺寸為:30 cm×20 cm×30 m,有效水深為20 cm,總有效容積為12 L｡采用鼓風微孔曝氣,通過轉子流量計控制曝氣量｡每個周期包括進水､曝氣､沉淀､排水､閑置5 個階段｡
1.2 實驗進水及接種污泥
為穩定和方便控制實驗條件,實驗采用人工配制模擬氨氮廢水,其組成見表1｡其中微量元素溶液的組成(g/L) 為:MnCl2·4H2O 0.20,NaMoO4·2H2O0.11,CoCl2·6H2O 0.20,ZnSO4·7H2O 0.10,NiCl2·6H2O0.04,FeCl3·6H2O 0.24｡
1.3 分析項目與檢測方法COD:重鉻酸鉀法;NH3-N:納氏試劑光度法;NO3--N:紫外分光光度法;NO2--N:N-(1-萘基)-乙二胺光度法;MLSS:重量法;pH:pH 計;DO:DO 測定儀｡實驗用藥品均為分析純｡
2 結果與討論
2.1 短程硝化反應器的啟動短程硝化反硝化污泥是在先期培養成熟的硝化反硝化污泥基礎上,通過改變反應條件,引起亞硝化菌同硝化菌之間的競爭,導致他們增殖的不平衡,從而發生硝化過程的動力學選擇｡一般認為〔4〕,亞硝化菌的適宜pH 為7.0~8.5, 這時硝化速率會達到最大值, 當pH 超過這一范圍時, 硝化速率會降低,而硝酸菌最適宜的pH 在6.0~7.5 之間｡因此可以利用2 類細菌的適宜的pH 范圍的不同, 來淘汰硝酸菌｡實驗通過向進水中投加碳酸氫鈉來調節進水pH 在8.5 左右, 使得硝化過程中pH 能維持在7.7~8.6 左右｡
另外參考亞硝酸細菌的飽和常數K0為0.2~0.4mg/L,硝酸細菌的K0為1.2~1.5 mg/L,以及文獻〔5〕的研究結果,確定好氧反應的溶解氧在0.35~0.8mg/L｡馴化過程歷經24 d,馴化期間進水(進水結束后反應器中混合液)氨氮質量濃度由開始的50.2mg/L 逐漸升高到120.7 mg/L｡馴化期間進水氨氮增加過程中出水氨氮的變化及氨氮去除率的變化如圖2 所示,亞硝酸鹽的積累情況如圖3 所示｡
由圖2 可以看出,馴化初期,由于采用較低的曝氣量,氨氮的去除率略有下降,但仍然在80%以上,并且很快得到恢復, 至第5 天,NH4+-N 去除率已達到91.3%,出水NH4+-N 在10 mg/L 以下｡表明前期全程硝化污泥的培養比較成熟｡隨后每提高進水NH4+-N,NH4+-N 去除率均會在略有下降后迅速恢復｡至第24 天,進水NH4+-N 為120.7 mg/L 時,出水NH4+-N 為5.6 mg/L,NH4+-N 去除率為94.9%｡
結合圖2､圖3 可知,隨著進水NH4+-N 的升高,曝氣結束時亞硝化率不斷升高,至第18 天,亞硝化率達到52.9%,初步實現短程硝化,至第24 天,亞硝化率達到90.7%, 表明短程硝化已經達到了較高的水平｡
2.2 短程硝化反硝化的穩定性
2.2.1 提高曝氣量對短程硝化的影響
短程硝化實現后,為了提高硝化速率,縮短反應時間,逐漸提高曝氣量至30､45 L/h,并實時控制曝氣時間,考察高曝氣量對短程硝化的影響,結果如圖4 和圖5 所示｡其中實驗進水NH4+-N 為85 mg/L 左右,pH 為8.3 左右｡
由圖4 可知,隨著曝氣量的提高,硝化反應結束的時間逐漸提前,曝氣量為30 L/h 時,硝化反應時間約為330 min 左右,曝氣量為45 L/h 時,硝化反應時間縮短至270 min 左右,大大提高了硝化速率｡不過亞硝化率卻有所下降,亞硝化率從曝氣量為30L/h 時的82.4%降至45 L/h 時的74.3%,說明還沒有把硝酸菌完全淘汰出去, 所以對菌種的選擇是實現穩定的短程硝化的關鍵｡
結合圖4､圖5 可知,實時控制過程中,不同曝氣量下的pH 具有相似的變化規律,并且pH 的變化曲線與氮元素的轉化有很好的相關性,可以根據pH的變化特征點控制短程硝化反硝化反應過程｡
2.2.2 降低進水pH 對短程硝化的影響
將進水pH 從8.57 逐漸降低至7.21, 進水NH4+-N 維持在80 mg/L 左右,曝氣量為40 L/h,運行15 d,亞硝酸鹽積累情況如圖6 所示｡
由圖6 可知,隨著進水pH 的不斷降低,亞硝化率并沒有下降,一直維持在85%以上,說明前期的高pH 運行成功抑制了硝酸菌的生長, 系統中亞硝酸菌占據著絕對優勢, 一旦實現了短程硝化便會使系統穩定下來,即使在較低的pH 條件下,也不會破壞短程硝化的穩定性｡
2.2.3 定時控制對短程硝化的影響
為考察定時曝氣對短程硝化的影響, 將實時控制改為定時控制｡結合前期實驗數據,固定硝化反應時間為420 min,進水NH4+-N 為80 mg/L 左右,進水pH 為8.0 左右､運行6 d,定時控制對短程硝化的影響如圖7､圖8 所示｡
結合圖7､圖8 可知,系統第5 天還處于短程硝化狀態,第6 天就已經向全程硝化轉化,亞硝化率只有40.7%｡之所以過度曝氣會造成亞硝化率的下降,原因可能是由于:(1)反應器開始時即存在少量硝酸菌, 一旦外界環境有利于其生長便會迅速繁殖;(2)短程硝化的產物為亞硝態氮, 而硝酸菌生長所利用的底物正好是亞硝態氮;(3)硝酸菌和亞硝酸菌均是好氧菌, 當短程硝化結束時繼續曝氣將為硝酸菌氧化亞硝酸鹽氮提供充足的溶解氧｡實驗表明,實時控制對于維持短程硝化是十分重要的｡具體參見http://www.bnynw.com更多相關技術文檔。
3 結論
(1)在全程硝化反硝化的基礎上,通過降低溶解氧和提高進水pH, 經過24 d 的馴化,成功實現了短程硝化反硝化,NH4+-N 去除率達到94.9%, 亞硝化率達到90.7%｡
(2)曝氣量由30 L/h 提高到45 L/h,硝化反應時間則從約為330 min 縮短至270 min,大大提高了硝化速率,而亞硝化率由82.4%降至74.3%｡
(3)進水pH 從8.57 逐漸降低至7.21,亞硝化率并沒有下降,一直維持在85%以上,說明前期的高pH 運行成功地抑制了硝酸菌的生長｡
(4)過度曝氣容易引起短程硝化向全程硝化的轉變, 過度曝氣6 d 后, 硝化類型由亞硝化率為90.7%的短程硝化轉變為亞硝化率為40.7%的全程硝化｡
