SBR短程同步硝化反硝化耦合除磷的研究

更新時(shí)間：2010-12-22 14:42 來(lái)源：中國(guó)給水排水作者: 閱讀：1064

摘要：在序批式活性污泥反應(yīng)器(SBR)中，以模擬城市污水為處理對(duì)象，考察了在穩(wěn)定運(yùn) 行期間的典型周期里COD、TP、TN、DO、pH以及ORP的變化規(guī)律。試驗(yàn)表明，在SBR反應(yīng)器中實(shí) 現(xiàn)短程同步硝化反硝化耦合除磷是完全可行的，在溫度為20～25℃、pH值為7．12～7．43的條件下，系統(tǒng)對(duì)COD的去除率達(dá)到95．6％，對(duì)TP和TN的去除率分別為88．8％和87％，實(shí)現(xiàn)了短程同步硝化反硝化與反硝化除磷的統(tǒng)一。

關(guān)鍵詞：序批式活性污泥反應(yīng)器(SBR)；短程同步硝化反硝化；反硝化除磷

生物法已廣泛用于去除大型綜合污水處理系統(tǒng) 中的氮、磷，但由于聚磷菌與硝化菌之間存在泥齡矛盾、碳源不足等問(wèn)題而限制了對(duì)氮、磷的去除效果。短程同步硝化反硝化的實(shí)現(xiàn)可以很好地解決脫氮除磷的泥齡矛盾，通過(guò)控制泥齡來(lái)淘洗出泥齡更短的亞硝酸鹽菌，以此來(lái)迎合聚磷菌所需的短泥齡 J。短程同步硝化反硝化技術(shù)較傳統(tǒng)脫氮技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)，不僅節(jié)省了25％的曝氣量，同時(shí)還縮短了反應(yīng)時(shí)間、減少了反應(yīng)器容積。碳源不足這一問(wèn)題則可通過(guò)反硝化除磷來(lái)解決 J。因此，筆者考慮把短程同步硝化反硝化技術(shù)與反硝化除磷技術(shù)相結(jié)合，這樣不僅可減少污水處理費(fèi)用，而且可實(shí) 現(xiàn)在同一反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行有機(jī)物的降解和脫氮除磷，從而提高了系統(tǒng)的處理能力和效率。筆者則主要研究了該反應(yīng)過(guò)程中COD、TP、TN、DO、pH以及ORP 的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料和方法

1．1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置采用序批式活性污泥反應(yīng)器(SBR) (見(jiàn)圖1)。反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，內(nèi)徑為20 cm，高為44 cm，有效容積為12 L。在其側(cè)壁垂直設(shè)5 個(gè)取樣口，用于取樣及排水，底部設(shè)有放空排泥管以及微孔曝氣頭。運(yùn)行時(shí)采用空壓機(jī)曝氣，通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量，并以電動(dòng)攪拌機(jī)慢速攪拌以提高固液混合程度，保持泥水混合均勻。反應(yīng)器每天運(yùn)行兩個(gè)周期，具體操作流程為：瞬時(shí)進(jìn)水一厭氧攪拌40 min一曝氣攪拌4 h一沉淀0．5 h一排水一靜置 6．5 h。在每個(gè)周期開始運(yùn)行時(shí)排出泥水混合液160 mL。試驗(yàn)污泥取自瀝涪污水處理廠曝氣池的回流污泥，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的培養(yǎng)馴化，實(shí)現(xiàn)了短程同步硝化反硝化耦合除磷。

圖1 試驗(yàn)裝置

1．2 原水水質(zhì)

原水為人工配制的模擬城市污水，主要成分為 NH4C1、KH2PO4、FeSO4、MgSO4、CaC12，配以淀粉和無(wú)水乙酸鈉為有機(jī)碳源，同時(shí)投加NaHCO 調(diào)節(jié)原水的pH。原水水質(zhì)如下：氨氮為26．45—30．25 mg／L、 TP為5．42～7．0l mg／L、COD為213．59～268．84 mg／L、pH值為7．12～7．43、溫度為20～25℃ 。

1．3 分析方法

氨氮：納氏試劑比色法；亞硝酸鹽氮：N一(1一萘基)一乙二胺比色法；硝酸鹽氮：麝香草酚分光光度法；COD：哈希回流比色法；TP：鉬銻抗分光光度法；MLSS：重量法；DO、pH、ORP：在線監(jiān)測(cè)。

2 結(jié)果與討論

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的培養(yǎng)馴化，出水水質(zhì)達(dá)到國(guó)家一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)一個(gè)典型周期內(nèi)的有機(jī)物、TP、氮以及電化學(xué)參數(shù)的變化情況進(jìn)行分析。

2．1 有機(jī)物及TP的變化規(guī)律

在典型周期內(nèi)，短程同步硝化反硝化耦合除磷過(guò)程中有機(jī)物和總磷的濃度變化見(jiàn)圖2。

圖2 有機(jī)物和總磷的濃度變化

由圖2可知，在厭氧結(jié)束后，COD由228．64 mg／L迅速降至22．61 mg／L，去除率約為90％，與此同時(shí)，總磷由5．62 mg／L上升至46．04 mg／L，釋磷量為40．42 mg／L，平均釋磷速率為60．63 mg／(L· h)。這主要是因?yàn)椋聪趸哿拙纸怏w內(nèi)的多聚磷酸鹽，并以主動(dòng)運(yùn)輸方式吸收有機(jī)物，將其合成 PHB，同時(shí)釋放出無(wú)機(jī)磷。這樣，釋磷越多則合成的 PHB就越多，表現(xiàn)為被消耗的有機(jī)物就越多。COD 的有效快速降解，不僅使PHB得到積累，亦為后續(xù) 的吸磷提供了充足能量，同時(shí)也使COD在厭氧段得到高效去除。而在隨后的好氧段中，反硝化聚磷菌以NO：-為電子受體，其氧化胞內(nèi)PHB時(shí)所產(chǎn)生的能量被ADP獲得，并結(jié)合外界環(huán)境中的H。P0 合成 ATP，從而進(jìn)行細(xì)胞合成和維持生命活動(dòng)。此時(shí)由于H PO 被過(guò)量攝入細(xì)胞體內(nèi)，從而達(dá)到從污水中除磷的效果。因此，在好氧段結(jié)束后，反應(yīng)器中的 COD最終降至10．05 mg／L，去除率達(dá)到95．6％，TP 最終降至0．63 mg／L，去除率達(dá)到88．8％。

2.2 氮元素的變化規(guī)律

在典型周期內(nèi)，短程同步硝化反硝化耦合除磷過(guò)程中NH；一N、NO；一N、NO3-一N以及TN的變化規(guī)律見(jiàn)圖3。由圖3可知，在整個(gè)典型周期的反應(yīng)過(guò)程中，亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮始終保持在一個(gè)較低的濃度范圍內(nèi)。亞硝酸鹽氮濃度在初始曝氣時(shí)一直很低，經(jīng) 3 h曝氣后，出現(xiàn)了小幅上升，隨后又逐漸降低；而硝酸鹽氮濃度只在反應(yīng)結(jié)束時(shí)出現(xiàn)了小幅上升。這主要是由于氧擴(kuò)散的限制，形成了DO濃度梯度，加上體系內(nèi)的DO濃度較低，氧氣無(wú)法深入到微生物絮體內(nèi)部，從而出現(xiàn)“表里不一”的現(xiàn)象，為硝化和反硝化反應(yīng)的進(jìn)行分別提供了有利環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了同步硝化反硝化。由于微生物絮體外表面的DO濃度較絮體內(nèi)部的高而形成了好氧區(qū)，以硝化菌為主，發(fā) 生了硝化反應(yīng)，而氧氣濃度較低使硝化反應(yīng)又只能停留在亞硝酸鹽階段，出現(xiàn)了短程硝化現(xiàn)象；絮體內(nèi) 部則由于氧傳遞受阻及外部氧大量消耗而形成缺氧區(qū)，反硝化菌占優(yōu)勢(shì)，發(fā)生了反硝化反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn) 了短程同步硝化反硝化。從圖3還可知，在典型周期內(nèi)，氨氮濃度隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，從反應(yīng)初始時(shí)的27．05 mg／L降至0．51 mg／L，去除率達(dá)到 98％。在反應(yīng)初期，氨氮濃度有所下降，這是由稀釋效應(yīng)引起的。而總氮的降解曲線與氨氮的降解曲線大致相同，這是因?yàn)檫M(jìn)水氮源主要為氨氮，且在整個(gè) 反應(yīng)過(guò)程中，由氨氮轉(zhuǎn)化的亞硝酸鹽氮與硝酸鹽氮一直沒(méi)有得到較多積累，使總氮始終保持與氨氮同樣的下降趨勢(shì)，由進(jìn)水時(shí)的30．19 mg／L降至出水時(shí) 的3．95 mg／L，去除率達(dá)到87％。

圖3 氮元素的濃度變化

2．3 電化學(xué)參數(shù)的變化

2．3．1 DO的變化規(guī)律

從試驗(yàn)可知，在厭氧結(jié)束后的前3 h曝氣反應(yīng) 內(nèi)，反應(yīng)體系的DO濃度從厭氧時(shí)的0．15 mg／L迅速升至好氧初期的0．80 mg／L左右，隨后維持在 0．80～0．95 mg／L，此環(huán)境利于短程同步硝化反硝化的進(jìn)行。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因主要有兩方面：一是在該時(shí)間段內(nèi)，微生物處于對(duì)數(shù)增殖期，耗氧速率處于最大時(shí)期；二是硝化菌將氨氮氧化成亞硝酸鹽氮的過(guò)程需要消耗大量的氧氣。在這兩方面的共同作用下，供氧速率與耗氧速率達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，并維持在較低的DO濃度范圍內(nèi)。隨著曝氣進(jìn)人最后1 h，反應(yīng)體系里的微生物處于減速增殖期，甚至是內(nèi)源呼吸期，需氧量迅速降低；同時(shí)由于反應(yīng)器內(nèi)的氨氮已近乎耗盡，硝化反應(yīng)速率與耗氧速率也隨之迅速降低，導(dǎo)致體系的DO濃度迅速升高。但在整個(gè)反應(yīng) 過(guò)程中，幾乎沒(méi)有出現(xiàn)硝酸鹽氮的積累，而且在DO 濃度迅速升高前，體系中TP濃度已達(dá)到較高的出水標(biāo)準(zhǔn)。這說(shuō)明在反應(yīng)體系內(nèi)實(shí)現(xiàn)了短程同步硝化反硝化耦合除磷。

2．3．2 pH及ORP的變化規(guī)律

試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)水的pH及ORP分別為7．18 和一29 mV，反應(yīng)結(jié)束時(shí)分別為7．52和139 mV。

從試驗(yàn)可知，pH在厭氧段呈一定的下降趨勢(shì)，厭氧結(jié)束時(shí)，pH值降至6．85。這是由于污水中的有機(jī)碳源首先轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸供微生物厭氧釋磷，這期間產(chǎn)生了CO ，CO 溶解在水中使得pH有所降低。在好氧初期，pH以較快的速度升高，這主要是因?yàn)槠貧獠粩鄬a(chǎn)生的CO 吹脫。待曝氣進(jìn) 行至2 h左右時(shí)，pH由上升轉(zhuǎn)而下降，這主要是因為硝化反應(yīng)產(chǎn)生了H 。pH的下降一直持續(xù)，當(dāng)曝氣進(jìn)行了3 h時(shí)，pH又出現(xiàn)緩慢上升，直至反應(yīng)結(jié) 束。這是因?yàn)椋谶@個(gè)階段氨氮近乎降解完全，堿度大于硝化所需。

ORP在厭氧段快速下降，厭氧結(jié)束時(shí)，ORP降至一129 mV。在好氧初期，ORP出現(xiàn)迅速上升現(xiàn) 象，隨后仍持續(xù)增大，直到反應(yīng)結(jié)束時(shí)ORP升至139 mV。這是因?yàn)樵诤醚醭跗冢珻OD濃度較低，異養(yǎng)菌無(wú)法再大量攝取有機(jī)物，而此時(shí)氨氮濃度較高，硝化菌的比增殖速率大大超過(guò)異養(yǎng)菌，故出現(xiàn)ORP迅速上升現(xiàn)象；后來(lái)隨著氨氮濃度不斷降低，硝化速率不斷減小，耗氧速率小于供氧速率，且硝化菌的比增殖速率明顯小于異養(yǎng)菌，從而使得ORP上升速度減緩。

3 結(jié)論

① 在SBR中，通過(guò)厭氧一好氧運(yùn)行方式培養(yǎng)、馴化活性污泥，使其具有短程同步硝化反硝化耦合除磷特性，從而實(shí)現(xiàn)了短程同步硝化反硝化與反硝化除磷的統(tǒng)一。

② 當(dāng)溫度為20～25℃、pH值為7．12～ 7．43、氨氮為26．45—30．25 mg／L、TP為5．42— 7．O1 mg／L、COD為213．59—268．84 mg／L時(shí)，SBR 短程同步硝化反硝化耦合除磷系統(tǒng)對(duì)COD的去除率為95．6％、對(duì)TP的去除率為88．8％、對(duì)TN的去除率為87％。

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