氨氮冲击负荷对硝化过程的短期影响

第26卷 第11期中国给水排水V o. l 26N o . 11

2010年6月C H I NA WAT ER &W ASTE W ATER J un . 2010

氨氮冲击负荷对硝化过程的短期影响

彭赵旭, 彭永臻, 桂丽娟, 刘旭亮, 王然登

与能源工程学院, 北京100124)

摘 要: 为了考察氨氮冲击负荷对硝化过程的短期影响, 采用SB R 反应器研究了不同进水氨氮浓度下, 系统硝化过程的特点以及活性污泥耗氧速率的变化。结果表明, 在好氧时间不变的前提下, 根据进水氨氮浓度相应地调高曝气量并不能有效消除氨氮冲击负荷对系统脱氮的影响, 但DO 的高低可以影响氧在水中的传质效率和微生物的硝化活性。综合考虑以上两个因素, 调控好氧段的DO 在2. 5m g /L左右可以在不浪费能量的情况下最大限度地提高对氨氮的去除率。在短期的氨氮冲击负荷下, 活性污泥的组分变化不大, 对氨氮去除率的提高主要是通过增加活性污泥的硝化速率来实现的。氨氮冲击负荷对系统的释磷和吸磷过程都会产生负面影响, 造成系统除磷效果的恶化。

关键词: SBR 反应器; 硝化; 氨氮冲击负荷; 溶解氧; 耗氧速率

中图分类号:X703 文献标识码:A 文章编号:1000-4602(2010) 11-0009-04

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(1. 哈尔滨工业大学市政环境工程学院, 黑龙江哈尔滨150090; 2. 北京工业大学环境

Short -ter m Infl uence of Ammonia N itrogen I mpact Load on N itrification Process

PENG Zhao -xu , PENG Y ong -zhen , GU I L-i juan , LI U Xu -liang , WANG R an -deng

(1. School of Munici p al and Environm ental Eng i n eering, H arbin Institute of Technology, H arbin 150090, China; 2. Co llege of Environm ental and Energy Engineering, B eijing Institute of Technology, B eijing 100124, China ) A bstract : I n o r der to i n vestigate the shor-t ter m infl u ence o f a mm on ia nitrogen m i pact load on the n itrification process , a lab -sca l e sequenc i n g batch reactor (SBR) w as used to study t h e characteristics of the n itrifi c ation process and the variation o f activa ted sludge oxygen uptake rate (OUR ) under different influent a mm on i a nitrogen concentra ti o ns . The results sho w thatwhen aerobic phase ti m e is constan, t ad -justi n g the aeration rate according to the infl u ent a mm on ia n itrogen concen trati o n can not effecti v e l y e li m -i nate the influence of a mm on ia nitrogen i m pact load on the n itrification pr ocess . H ow ever , DO l e vel can deter m ine bo t h oxygen transfer effic i e ncy in w ater and m icr obia ln itrifi c ation activity . Co mprehensi v e l y an -a l y zi n g the t w o factors above , contr o lli n g the DO concentrati o n in the aerob ic phase at ar ound 2. 5mg /Lcan i m prove a mm on i a n itrogen re m ova l efficiency by the g reatest a m ount w ithout w asti n g ener gy . The co m position o f acti v ated sl u dge changes little w ith shor-t ter m a mm on i a n itrogen i m pact load , and the i n -crease o f a mm on ia n itrogen re m ova l rate ism a i n l y due to t h e i n crease o f sludge n itrification rate . The a m-monia nitrogen i m pact l o ad has a negative i m pact on both phosphorus re lease and uptake processes , resu-l

ting in deteri o ra ti o n of phosphorus re m oval efficiency .

基金项目:国家科技支撑计划重点项目(2006BAC19B03); 城市水资源与水环境国家重点实验室开放基金资助项目

(QAK200802)

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第26卷 第11期

中国给水排水

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K ey words : SB R; nitrificati o n ; a mm on ia nitrogen i m pact l o ad ; dissolved oxygen ; oxygen uptake rate

氮、磷的过量排放是引起水体富营养化的主要原因, 因此污水厂出水氮、磷的排放标准越来越高。城市生活污水的水质、水量时刻处于变化

中, 对污水处理厂的稳定运行提出了严格要求。为此, 研究了进水氨氮冲击负荷对硝化过程的影响以及在该过程中微生物活性的变化, 意在为污水处理厂应对氨氮冲击负荷提供理论指导。1 材料与方法111 试验用水水质

为便于控制反应条件, 试验进水采用人工配水, 其组分见表1, 并加入0. 3mL /L的营养液

+

3-[2]

[1]

间隔为10c m 的取样口, 用于取样和排水。底部设有放空管, 用于放空和排泥。以曝气砂头作为微孔曝气器, 由转子流量计调节曝气量。每个周期包括:连续进水(0. 5h , 同时搅拌) 、好氧曝气(2h) 、静沉(1h) 、滗水排放和闲置待机。在每个周期的曝气末

段排放100mL 泥水混合液, 以维持M LSS 在2200~2400m g /L, SRT 控制在12. 5d , HRT 控制在10h 。

113 分析项目及方法

COD 、NH 4-N 、NO 2-N 、NO 3-N 、PO 4-P 、SV 、SV I 、MLSS 和MLVSS 等均采用国家标准方法测定

[3]

+

--3-

。测得

配水的C OD 、NH 4-N 、PO 4-P 、碱度分别为(300

~330) 、(43~129) 、(8~9) 、(400~450) mg /L。

表1 配水的组分

T ab . 1 Compositi on of syn t hetic w aste w ater

g #L

组 分

C H 3COON a NH 4C l KH 2PO 4N a H CO 3M gSO 4CaC l 2

数值0. 420. 17~0. 50. 040. 40. 080. 04

-1

; 比耗氧速率(SOUR ) 采用Joanna 等提出的方

[4]

法测定; DO 、p H 、ORP 和温度采用仪器进行在线

检测。需要指出的是, 水样经过0. 45L m 的滤膜过滤后迅速放到4e 的冰箱内保存, 并在3h 内测定。114 技术路线

试验污泥取自实验室中试A /O反应器, 具有良好的脱氮除磷能力, SV I 在150mL /g左右, 按照

上述方式运行了30个周期, 效果趋于稳定后开始氨氮冲击负荷试验。具体操作方式见表2。

表2 不同试验阶段的运行模式

T ab . 2 O peration mode i n diff e rent exper i m enta l phases 进水氨氮/

(mg #L -1)

[1**********]9

好氧阶段曝气量/(L #h -1)

6060/[1**********]

运行周期数/个

303/9333

2

112 试验装置

试验装置见图1。

2 结果与讨论

211 氨氮冲击负荷对脱氮的影响

在前30个周期, 系统的进水NH 4-N 为43m g /L、曝气量为60L /h, SB R 反应器的脱氮效果稳定, 出水NH 4-N 始终保持在4. 0m g /L以下。第

图1 SBR 试验装置

F i g. 1 Schema ti c diagra m of SBR equ i p m ent

+

+

31个周期后维持曝气量不变, 增大进水NH 4-N 到65m g /L, 到第33个周期时出水NH 4-N 上升到11. 21m g /L。从第34个周期开始将曝气量提升至90L /h,但是硝化效果继续恶化, 第36个周期的出水NH 4-N 达到了19. 70m g /L。之后出现好转, 至

+

+

+

SBR 反应器由有机玻璃制成, 高为700mm, 直径为200mm , 总有效容积为12L 。每周期进水为3L, 充水比为0. 25, 在反应器壁的垂直方向设置一排

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+

彭赵旭, 等:氨氮冲击负荷对硝化过程的短期影响第26卷 第11期

第42个周期时出水NH 4-N 降到14. 85m g /L。此后继续提高进水NH 4-N 浓度, 同时按相应比例调高曝气量, 但硝化效果仍然不断恶化(见图2) 。

+

断升高。由氧气在水中的传质方程可知, 液相主体中的DO 浓度越高, 氧的传质效率越低。所以在本

+

试验中, 随着进水NH 4-N 浓度和曝气量的同时上升, 去除1m g 氨氮所需的曝气量呈现先升高的趋势。但是当好氧阶段的平均DO 达到2. 67m g /L时, 去除单位氨氮所需的曝气量反而降低。这是因为随着DO 浓度的升高, 微生物的硝化活性加强, 提高了对DO 的利用率。之后再继续增加DO, 由于氧在水中的传质效率进一步下降, 因此去除单位氨氮所需的曝气量又再次升高。

表3 不同工况下好氧阶段在线参数的变化T ab . 3 V ar iati ons of on li ne param eters dur i ng aerob i c phase

图2 脱氮效果的变化

F i g . 2 N itrog en re m ova l perfor m ance dur i ng exper i m enta l

period

unde r d ifferent experi m enta l cond iti ons

去除单位好氧阶段DO /好氧阶段p H 进水氨氮/-1

(mg #L ) 氨氮所需

(m g #L -1)

曝气量/L范围均值范围均值

431. 030~0. 740. 507. 50~7. 7. 74

6586108129

1. 191. 131. 351. 36

0~3. 131. 597. 56~7. 7. 730~4. 652. 677. 46~8. 7. 730~4. 133. 127. 49~8. 7. 690~3. 923. 247. 35~8. 7. 65

图3是不同试验阶段每个周期内氨氮浓度的变化情况, 计算发现在按照表2的方式运行时(65

mg /L时的曝气量为90L /h),好氧阶段的比硝化速率分别为0. 0025、0. 0054、0. 0058、0. 0033和0. 0045mgNH -N /(m g M LSS #h), 呈现先升高再降低的趋势。

+4

212 污泥活性的变化

硝化过程消耗碱度, 因而会导致p H 降低。试

+

验中随着进水NH 4-N 浓度和曝气量的同步增加, 好氧过程p H 的下降幅度也逐渐增加, 分别为0. 36、0. 38、0. 63、0. 69和0. 89, 更大的p H 降幅意味着有更多的氨氮在好氧段被硝化掉。导致硝化作用增强的原因有两个, 一是活性污泥微生物组成的改变, 二是污泥活性的提高。由于SRT 控制在12. 5d , 而氨氮的短期冲击负荷试验在4d 内完成, 因此活性污泥中微生物的组分变化不大。这说明硝化作用的改善主要是微生物活性增强所致。硝化过程分为两步, 第一步由氨氧化菌(AOB ) 完成, 第二步由亚硝酸盐氧化菌(NOB ) 完成。图4是不同工况下好氧段平均比耗氧速率的变化情况。

+

随着进水NH 4-N 和DO 浓度的增加, AOB 的比耗氧速率明显升高, 这主要是底物强化作用所致。亚硝化反应的加速进行也为硝化作用提供了丰富的底物, 因此NOB 的比耗氧速率也随之增加。值得注意的是, 虽然AOB 的比耗氧速率与NOB 的比耗氧速率的数值都在变大, 但是两者之间的比值始终保持在3左右。由于AOB 和NOB 都是在底物丰富的情况下进行反应, 可以忽略底物的限制, 因此两者比

图3 不同试验条件下的氨氮变化曲线

F i g. 3 V a riati ons o fNH +n d ifferent exper i m enta l phases 4-N i

一般来说, 由于活性污泥的组分在短期内难以发生重大变化, 因此增大曝气量是实际工程中应对氨氮冲击负荷的常用手段。试验中好氧阶段的曝气量随着进水NH 4-N 浓度的增加而成比例升高, 在进水NH -N 为43、65、86、108、129mg /L的情况下, 每去除1m g 的NH -N 所需的曝气量分别为1. 03、1. 19、1. 13、1. 35和1. 36L , 呈现先上升后减小再上升的规律(见表3), 与比硝化速率的变化趋势相吻合。由于是随着进水NH -N 浓度的增加而不断提高曝气量, 因此好氧阶段的DO 浓度也不

+

4

+4

+4

+

第26卷 第11期

中国给水排水

+

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值的恒定说明两种微生物的组成在短期内基本保持

不变。

随着进水NH 4-N 浓度的升高则同化作用增强, 所利用的碳源增加, 也会影响除磷过程。3 结论

¹ 在好氧时间不变的前提下, 根据进水氨氮

浓度相应地调高曝气量并不能有效消除短期氨氮冲击负荷对系统脱氮的影响。

º 综合考虑氧在水中的传质效率和微生物的硝化活性, 调控好氧段的DO 在2. 5m g /L左右可以在不浪费能量的情况下最大限度地提高对氨氮的去除效率。

» 在短期的氨氮冲击负荷作用下活性污泥组分变化不大, 硝化速率的增加是提高氨氮去除效率的主要途径。

¼ 氨氮冲击负荷会严重影响系统的释磷和吸磷过程, 造成除磷效果迅速恶化。参考文献:

[1] 郝晓地, 朱向东, 马文瑾, 等. 模拟评价优化北京某大

型污水处理厂升级改造方案[J].中国给水排水, 2009, 25(17):14-19.

[2] T s uneda S , Ohno T, Soe ji m a K, et al . Si m ultaneous n itro -gen and phospho rus re m ova l usi ng den itrify i ng phosphate -accu m ulati ng organ i s m s i n a sequenc i ng batch reactor [J].B i ochem Eng J , 2006, 27(3):191-196.

[3] 国家环境保护总局. 水和废水监测分析方法(第4版)

[M ].北京:中国环境科学出版社, 2002. [4]

Joanna S G, K r i st G, C arl D , et al . N itrifica tionm onito ri ng in acti vated sl udge by oxygen uptake rate (OUR ) m eas -ure m en t[J].W a ter R es , 1996, 30(5):1228-1236. [5] M ino T, van L oosdrechtM CM, H e ijnen J J . M icrobio l ogy

and bioche m istry of the enhanced b i o l og ical phospho rus re m ov al process[J].W a ter R es , 1998, 32(11) :3193-3207.

[6] M e i nho ld J , A rno ld E , Isaacs S . E ffect o f n itr ite on anox ic

phospha te uptake i n b i o log ical phosphorus re m ova l activa -ted s l udge[J].W a ter R es , 1999, 33(8):1871-1883. 作者简介:彭赵旭(1983- ), 男, 黑龙江哈尔滨

人, 博士研究生, 研究方向为污水脱氮除磷技术。

电话:[1**********]

E -m ail :pengzhaoxu1983@163. co m 收稿日期:2009-12-11

图4 不同试验阶段活性污泥的比耗氧速率F i g . 4 Spec ifi c oxygen uptake rate (S OUR ) o f activated

sl udge i n different experi m ental phases

213 氨氮冲击负荷对除磷的影响

不同进水氨氮浓度下的除磷效果见图5

。

图5 不同工况下的除磷效果

F i g . 5 P hosphorus re m ova l perfor m ance unde r d ifferent

experi m ental cond itions

图5显示, 伴随着氨氮负荷的增加, 系统的除磷效果呈恶化趋势。生物除磷分为厌氧释磷和好氧(缺氧) 吸磷两大部分

[5]

, 只有两者都进行得比较充

分, 才能保证系统实现良好的除磷效果。试验中厌氧释磷量和好氧吸磷量都逐渐减小, 分析其原因主要有:¹进水NH 4-N 越多, 好氧结束后出水中的NO 2-N (NO 3-N ) 也就越多, 导致下一周期前置反硝化消耗的碳源增加, 而用于释磷的碳源不足, 进而形成的P H B 少, 因此后续好氧段的吸磷量也少。º进水NH 4-N 浓度的升高导致硝化过程进行得不充分, 产生了NO 2-N 的积累。NO 2-N 是一种有毒物质, Jens 等

[6]--+

--+

发现当NO 2-N >5mg /L时会

-2

-

抑制吸磷的进行。而在试验中好氧段的NO -N 长期处于5~10m g /L之间, 严重抑制了吸磷反应的进行。»微生物同化作用吸收的氮主要是NH 4-N,

+