張　杰 ,張艷輝,李　冬,梁瑜海,關宏偉,趙世勛

(1.水質科學與水環(huán)境恢復工程北京市重點實驗室(北京工業(yè)大學),北京 100124; 2.城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學),哈爾濱 150090)

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缺氧/好氧和協(xié)同控制DO/HRT工藝對亞硝化的影響比較

張杰1,2,張艷輝1,李冬1,梁瑜海1,關宏偉1,趙世勛1

(1.水質科學與水環(huán)境恢復工程北京市重點實驗室(北京工業(yè)大學),北京 100124; 2.城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學),哈爾濱 150090)

摘要:為比較協(xié)同控制DO/HRT和缺氧/好氧兩種運行方式對亞硝化的影響,在常溫(18～22 ℃)下,采用兩組2級連續(xù)攪拌反應器(CSTR),1#采取協(xié)同控制DO/HRT的啟動和運行方式,2#采取缺氧/好氧的方式,分別比較兩種方式在亞硝化的啟動時間、穩(wěn)定運行效果、曝氣能耗、對進水NH4+-N質量濃度下降的適應性以及污泥沉降性能上的差異.結果表明:1#、2#分別用了26和41 d實現(xiàn)了亞硝化;在以原水經AO除磷出水為進水時(NH4+-N質量濃度35～43 mg/L),兩種運行方式亞硝化效果均較好,但缺氧/好氧的運行方式節(jié)省了約20%的曝氣能耗.當進水NH4+-N質量濃度由43 mg/L下降到27 mg/L時,1#亞硝化失穩(wěn),最終亞硝化率下降到67.39%,而2#亞硝化較穩(wěn)定,亞硝化率保持在88%以上;1#和2#在整個過程中污泥沉降性能良好.利用協(xié)同控制DO/HRT的方式啟動亞硝化,隨后轉變?yōu)槿毖?好氧運行,有助于亞硝化的快速啟動和穩(wěn)定運行，并能節(jié)省曝氣能耗.

關鍵詞:生活污水; 亞硝化; 連續(xù)攪拌反應器; 缺氧/好氧; 水力停留時間; 溶解氧

厭氧氨氧化工藝因無需外加碳源、污泥產量低等優(yōu)點成為目前已知最為節(jié)能、經濟的脫氮途徑[1-3],而作為厭氧氨氧化前段工藝的亞硝化的穩(wěn)定運行一直是研究的熱點和難點[4-5].目前，亞硝化反應器類型的研究正在由SBR向連續(xù)流反應器轉變,而CSTR(恒流攪拌反應器)作為典型的連續(xù)流反應器備受重視.目前，文獻中提到的亞硝化的控制因素主要有pH、溫度[6]、基質濃度[7]、超聲波處理[8]、投加抑制劑[9]、溶解氧(DO)、水力停留時間(HRT)[10]、缺氧/好氧[11]等.然而,在污水處理廠的實際運行中,pH、溫度、基質濃度屬于原水自然屬性，難以人為改變;投加抑制劑在工程上的可行性和經濟性仍有質疑;超聲波處理對亞硝化的影響還存在較大爭議.相比之下,協(xié)同控制HRT和DO以及缺氧/好氧的運行方式在實際工程中的可行性和經濟性更強.然而,在對實際生活污水的處理上,針對以上兩種方式的研究還很少,對二者進行比較的研究更是鮮有報道.

為此,采用兩組2級CSTR,1#采用協(xié)同控制DO和HRT的方式運行,2#采用缺氧/好氧的策略運行,對兩種運行效果進行比較,以期提出亞硝化較快的啟動策略及較穩(wěn)定的運行策略,為亞硝化的工程應用提供技術支持.

1實驗

1.1實驗裝置和方法

實驗在北京某污水廠進行,采用兩組相同的2級CSTR (1#、2#),如圖1所示.2級CSTR中各級的有效容積為7 L,通氣管的目的是使2級CSTR水流通暢,每一級底部設置曝氣沙盤,通過可調式氣泵為反應過程提供溶解氧,由轉子流量計控制氣量.

啟動前5 d為固定1#2級DO確定HRT階段,采用試算法,即設置1#2級DO分別為0.6～0.8和0.2～0.4 mg/L,根據(jù)經驗數(shù)據(jù)初定1#的HRT為6 h,試運行5 d,期間測定出水NH4+-N、NO2--N、NO3--N的變化情況,若氨氧化率在90%以上,則將HRT每次縮短0.5 h直到氨氧化率在(70±5)%為止.為使1#和2#的亞硝化效果更具可比性,最終確定5.5 h作為1#和2#共同的HRT.

1.2實驗用水和接種污泥

如表1所示,1#和2#共同經歷了3個階段,即啟動階段S1(第6～55天)、以原水經AO除磷出水為進水階段S2(第56～75天)和以原水經AO除磷出水為進水但NH4+-N質量濃度下降的適應階段S3(第76～95天),各階段進水NH4+-N質量濃度和運行參數(shù)見表1.

在啟動階段S1采用人工模擬生活污水.向自來水中投加(NH4)2SO4至NH4+-N質量濃度為95～100 mg/L,投加 NaHCO3提供堿度,堿度與NH4+-N質量比為10∶1,pH為7.5～8.0,每1 L 模擬廢水中含有0.136 g KH2PO4,同時含有微生物生長必需的微量元素.在S2階段采用城市污水廠原污水經AO除磷后的出水為進水,即NH4+-N質量濃度為35～43 mg/L,COD<50 mg/L(幾乎全部是微生物難降解的物質),ρ(NOx--N)<2 mg/L.在S3階段繼續(xù)采用原污水經AO除磷后的出水,但由于降雨的稀釋作用和亞硝化前段AO除磷反應器中NH4+-N的損失，使得亞硝化進水中NH4+-N質量濃度下降到27～33 mg/L,COD<50 mg/L,ρ(NOx--N)<5 mg/L,磷的質量濃度為1～2.3 mg/L.此時NH4+-N質量濃度的下降和孫艷等[12]的調研結果(北京地區(qū)的污水處理廠在7～9月份進水NH4+-N質量濃度下降)相吻合.因此，研究兩種運行方式對于進水NH4+-N質量濃度下降的適應性,可為實際工程中“如何應對原水中NH4+-N的波動”這一不可避免的問題提供寶貴經驗.1#和2#的接種污泥來自A2O曝氣池, MLSS為3 750 mg/L,MLVSS為2 850 mg/L,污泥沉降性能良好,SVI為95 mL/g.

表1　各階段反應器參數(shù)變化

1.3分析方法和計算方法

定期檢測反應器內混合液的MLSS、SV30及進出水NH4+-N、NO2--N、NO3--N 的質量濃度等參數(shù),通過WTW 便攜式測定儀測定DO、pH和水溫等.水樣分析中NH4+-N測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,COD采用快速測定儀[13].

氨氧化率RA、亞硝化率RN和游離氨(FA)按下式計算:

(1)

式中:ρin(NH4+-N)為進水NH4+-N質量濃度,mg/L;ρ(NH4+-N)為進出水NH4+-N質量濃度差, mg/L.

(2)

式中:ρ(NO2--N)為進出水NO2--N的質量濃度差, mg/L;ρ(NO3--N)為進出水NO3--N的質量濃度差, mg/L.

(3)

式中:ρinner(NH4+-N)為反應器內NH4+-N質量濃度, mg/L;T為水溫,K.

2結果與討論

2.1啟動時間的比較

根據(jù)AOB的氧飽和常數(shù)為0.2～0.4 mg/L, NOB氧飽和常數(shù)為1.2～1.8 mg/L[14],設置1#的2級DO分別為0.6～0.8和0.2～0.4 mg/L,第一級中DO較高的目的是抑制接種污泥中的厭氧雜菌,同時更好地利用2級DO梯度實現(xiàn)NO2--N的積累[15].2#中第一級只攪拌不曝氣,不控制DO,經過測定其DO在0～0.1 mg/L,第二級攪拌并曝氣,控制DO為0.6～0.8 mg/L.

如圖2所示,1#經過26 d(第5～31天)的運行,氨氧化率達86.94%,亞硝化率達93.10%.如圖3所示,2#經過41 d(第5～46天)的啟動，氨氧化率變?yōu)?8.31%,亞硝化率變?yōu)?3.02%.說明兩種方式都可以成功啟動亞硝化,但啟動快慢有差異.亞硝化啟動的實質是AOB的富集以及NOB等其他雜菌的被抑制并淘洗的過程.因為兩種運行方式都提供了適宜AOB但不適宜甚至抑制NOB等其他細菌生存的環(huán)境,即低DO(0.2～0.8 mg/L)、充足的基質NH4+-N ((95±5) mg/L)、較高FA(1.0～3.74 mg/L)等條件,最終都會實現(xiàn)亞硝化的啟動.

二者的啟動時間相差15 d,主要原因是2#中缺氧/好氧的運行方式在第一級只攪拌不曝氣,DO在0～0.1 mg/L不能為AOB提供充足的溶解氧,使得在第6～31天,2#中NH4+-N氧化平均值比1#少23.79 mg/L, NO2--N積累的平均值少13.98 mg/L.在其他條件相同時,溶解氧成為2#中AOB生長的限制因素,導致其富集較慢,啟動時間也相對較長.

如圖4、5所示,在第6天時1#和2#出水NO3--N分別為67.20和32.31 mg/L,說明開始階段缺氧/好氧運行方式能更好地抑制NOB,基于上述分析能否在2# 2級CSTR總體積不變且進水負荷一定的條件下,通過相對增大好氧段體積或者提高好氧段內的DO，達到既能夠抑制NOB，又能為AOB提供充足的DO使其快速富集,進而快速啟動亞硝化有待進一步研究.

圖2　1#亞硝化率及氨氧化率變化

Fig.2Variation of ammonia oxidation rate and nitrite accumulation rate in 1#

圖3　2#亞硝化率及氨氧化率變化

Fig.3Variation of ammonia oxidation rate and nitrite accumulation rate in 2#

圖4　1#出水NH4+-N、NO2--N、NO3--N變化

Fig.4Variation of NH4+-N,NO2--N and NO3--N concentration in effluent in 1#

圖5　2#出水NH4+-N、NO2--N、NO3--N變化

Fig.5Variation of NH4+-N, NO2--N and NO3--N concentration in effluent in 2#

啟動歷程表明,與缺氧/好氧的運行方式相比,控制DO/HRT能更快地啟動亞硝化.

2.2原水穩(wěn)定運行階段的比較

2.2.1亞硝化效果的比較

在1#和2#亞硝化啟動成功后,為強化亞硝化效果,從第46～55天繼續(xù)采用人工模擬廢水且水質保持不變,1#和2#在第46～55天亞硝化率均在90%以上,說明兩者亞硝化效果均已得到很好維持.此后,為了比較兩種運行方式對生活污水處理上的差異,進行了S2階段(第56～75天)的研究,從第56天轉變進水為原水經AO除磷后的出水,隨著進水NH4+-N質量濃度的下降, 如表1所示1#、2#的HRT降低到3 h,而1#在第56～75天氨氧化率和亞硝化率的平均值為85.74%和93.39%,與1#相似,2#分別為86.80%、91.76%,說明經過馴化后的AOB可以適應AO除磷出水低NH4+-N的環(huán)境,同時說明協(xié)同控制DO/HRT和缺氧/好氧這兩種運行方式在以原水經AO除磷出水(NH4+-N質量濃度為35～43 mg/L)為進水時均能維持穩(wěn)定的亞硝化效果.

為深入分析1#和2#在S2階段穩(wěn)定運行的原因,對二者2級的NH4+-N、NO2--N、NO3--N質量濃度進行測定,結果如圖6、7所示,在1#的第一級中NO2--N積累量達26.10 mg/L,第二級達31.91 mg/L,但是NO2--N轉化為NO3--N的量很少,原因在于通過控制DO介于AOB和NOB氧飽和常數(shù)之間使NOB被成功抑制,此時,協(xié)同控制HRT使得NH4+-N氧化為NO2--N時出水能維持較穩(wěn)定的亞硝化效果.與1#相似,2#的第1級和第2級中NO3--N的增加都很少，分別為0.31和2.81 mg/L,說明在低NH4+-N條件下缺氧/好氧方式的亞硝化效果也較好,這與Kornaros等[16]的研究相符,對于缺氧/好氧下亞硝化穩(wěn)定的機理在2.3部分進行說明.

圖6　1# S2階段NH4+-N、NO2--N、NO3--N變化

Fig.6Variation of NH4+-N, NO2--N and NO3--N concentration in pathway during S2 period in 1#

2.2.2曝氣能耗的比較

圖7　2# S2階段NH4+-N、NO2--N、NO3--N變化

Fig.7Variation of NH4+-N, NO2--N and NO3--N concentration in pathway during S2 period in 2#

2.3對進水NH4+-N波動的適應性

有研究表明,北京地區(qū)的污水處理廠在7～9月份普遍發(fā)生進水NH4+-N質量濃度下降的現(xiàn)象,主要是由于夏季雨水導致進水流量增大, 污染物質量濃度因為稀釋作用而降低[12].因此，比較兩種運行方式對NH4+-N質量濃度下降的適應性對于亞硝化應用到實際工程中有借鑒意義.如圖8所示,在本實驗的第76天進水NH4+-N也發(fā)生了下降的現(xiàn)象,由43 mg/L左右持續(xù)下降到27 mg/L左右. 進水NH4+-N質量濃度下降有2個原因,一是原污水廠進水NH4+-N質量濃度下降,二是在AO除磷反應器中污泥齡較長導致部分硝化菌未被淘汰,使得少量NH4+-N被氧化為NO3--N.

圖8　進水NH4+-N、NO2--N、NO3--N變化

Fig.8Variation of NH4+-N, NO2--N and NO3--N concentration in influent

為了比較兩種運行方式在對進水NH4+-N質量濃度下降適應性上的差異,進行S3階段(第76～95天)的研究.此階段保持1#和2#的曝氣量不變，考察二者對NH4+-N質量濃度下降的適應性.如表1所示,在第76～95天,1#2級DO分別變?yōu)?.8～1.0、0.3～0.5 mg/L,2# 2級DO變?yōu)?～0.1、0.8～1.0 mg/L.如圖2所示，在第95天 1#的氨氧化率在90%左右,而亞硝化率卻由88.59%下降到67.39%說明亞硝化已經失穩(wěn).與1#不同,2#在此階段氨氧化率一直在90%以上,亞硝化率也維持在88%以上,這說明2#對于進水NH4+-N下降的適應性更強.

如圖9所示，以第95天為例,在1#的第一級NH4+-N已經被氧化了87.00%, NO3--N增加到13.8 mg/L,說明在NH4+-N質量濃度下降而HRT不變的條件下, NH4+-N在更短的時間被氧化,1#和2#2級DO的上升也證明了這一現(xiàn)象.此時,NOB和NO2--N、DO接觸時間變長,為其生長提供了有利條件,在長期的運行過程中NOB得到增殖,亞硝化遭到破壞.這同時說明通過對DO/HRT的控制在進水NH4+-N質量濃度下降較大(由43 mg/L下降到27 mg/L)時很難維持連續(xù)流亞硝化的穩(wěn)定.

圖9　1#第95 天NH4+-N、NO2--N、NO3--N變化

Fig.9Variation of NH4+-N, NO2--N and NO3--N concentration in pathway in 1# on 95th day

然而,值得思考的是，如圖10所示，在進水水質、負荷等其他條件與1#都相同的2#也經歷了進水NH4+-N質量濃度的下降,其NH4+-N被氧化的時間也會縮短,也有可能導致亞硝化失穩(wěn)，但實際上并未發(fā)生這一現(xiàn)象.Yu等[18]的研究表明,從缺氧到好氧過程中AOB能夠比NOB更快地恢復活性,原因在于二者對“饑餓”的動力學反應不同, Bournazou[19]和Kornaros等[16]進行了類似實驗,結果表明,從缺氧到好氧的過程中NOB的生長速率下降很大.以上結論均為本實驗的結果“缺氧/好氧的運行方式在進水NH4+-N質量濃度下降很大時能夠抑制亞硝化向全程硝化轉化”提供有力支撐.

本實驗由于客觀上進水只發(fā)生了NH4+-N質量濃度下降的現(xiàn)象,而生活污水水量大、水質波動較大的特點使得污水處理廠進水NH4+-N也有突然上升的情況,而此時缺氧/好氧運行能否依然維持較好的亞硝化效果還有待進一步研究.但是,有一點是肯定的,即本實驗的條件下,在進水NH4+-N質量濃度下降較大時,與協(xié)同控制DO/HRT的運行方式相比,缺氧/好氧運行確實維持了更好的亞硝化效果,同時節(jié)省了約20%的曝氣能耗.

圖10　2#第95天NH4+-N、NO2--N、NO3--N變化

Fig.10Variation of NH4+-N, NO2--N and NO3--N concentration in pathway in 2# on 95th day

2.4污泥沉降性能比較

污泥膨脹一直是污水處理的一大難題[20],研究表明, NO2--N的大量積累容易引起污泥的膨脹[21-22].因此,有必要對兩種運行方式下SVI進行比較.如圖11所示,1#在第56～95天時SVI平均值為99 mL/g,最大值為105 mL/g, 2#在這一過程中SVI平均值為115 mL/g,最大值為130 mL/g.兩種運行方式污泥沉降性能良好,均未引起污泥膨脹,2#沉降性能沒有1#好的原因在于進水COD中仍有少量的可供異養(yǎng)菌降解的物質,為絲狀菌提供了一定的碳源,且2#第一級中只攪拌不曝氣的條件DO很低,絲狀菌氧飽和常數(shù)很低,這樣的條件為絲狀菌提供了繁殖的可能,使SVI增大,但是最終并未引起污泥的膨脹.

以上分析說明兩種運行方式污泥沉降性能良好,這在一定程度上也說明了A/O除磷+亞硝化+厭氧氨氧化整套工藝在處理生活污水上的優(yōu)勢.

圖11　SVI變化

3結論

1) 在常溫18～22 ℃、NH4+-N質量濃度為95～100 mg/L的條件下,采用缺氧/好氧工藝與協(xié)同控制DO/HRT工藝分別用了41和26 d成功啟動了亞硝化.

2) 采用水質較穩(wěn)定的AO除磷出水為進水時(NH4+-N質量濃度為35～43 mg/L),兩種運行方式均能維持較穩(wěn)定的亞硝化,且缺氧/好氧的運行方式節(jié)省了約20%的曝氣能耗.

3) 當進水NH4+-N質量濃度發(fā)生明顯下降(由43 mg/L下降到27 mg/L)時,缺氧/好氧運行方式亞硝化較穩(wěn)定,亞硝化率保持在88%以上,而協(xié)同控制HRT和DO的方式亞硝化率下降到67.39%.

4) 協(xié)同控制DO/HRT與缺氧/好氧運行的方式污泥沉降性能良好,均未引起污泥膨脹.

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(編輯劉彤)

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.08.002

收稿日期:2015-12-28

基金項目:北京市長城學者項目;北京市市委組織部青年拔尖團隊項目(2014000026833TD02)

作者簡介:張杰(1938—),男, 博士生導師,中國工程院院士；

通信作者:李冬,lidong2006@ bjut.edu.cn

中圖分類號:X703.1

文獻標志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)08-0011-06

Comparison of effects on partial nitrification between anoxic-oxic and controling DO /HRT process

ZHANG Jie1,2,ZHANG Yanhui1, LI Dong1,LIANG Yuhai1,GUAN Hongwei1, ZHAO Shixun1

(1.Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering(Beijing University of Technology),Beijing 100124,China;2.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment(Harbin Institute of Technology),Harbin 150090,China)

Abstract:To compare the effect of two different operational modes on partial nitrification (PN), two-stage continuous stirred-tank reactors (CSTR) 1# (anoxic-oxic) and 2# (controlling DO and HRT) were constructed and operated at room temperature (18-22 ℃). Start-up time, stability, aeration consumption, sludge settling ability, as well as the adaptability to the decreasing of ammonia nitrogen concentration were investigated. PN in 1# and 2# were accomplished in 26 d and 41 d, respectively. When the effluent of an anaerobic/oxic (A/O) process for phosphorous removing (containing ammonia nitrogen 35-43 mg/L) was used as influent, PN was stable both under 1# and 2# condition, however, aeration consumption could be reduced by about 20% in 2#. When the ammonia nitrogen decreasing from 43 to 27 mg/L, PN in 1# would be unstable and the rates of PN decreased to 67.39%. For comparison, PN in 2# could be maintained stable with an ammonia removal rate of >88%. Settleability of sludge was good both in 1# and 2#. Rapid start-up could be achieved through controlling DO and HRT, and a stable and efficient PN could be maintained through anoxic-oxic.

Keywords:domestic wastewater; partial nitrification; continuous stirred-tank reactor (CSTR); anoxic-oxic; hydraulic retention time (HRT); dissolved oxygen (DO)

李冬(1976—),女,教授,博士生導師