王 琳,徐新陽(yáng),張銘川(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110819)

間歇曝氣對(duì)化肥廢水的短程硝化性能影響

王 琳,徐新陽(yáng),張銘川*(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110819)

為提高化肥廢水的脫氮效率,試驗(yàn)采用間歇曝氣 SBR(IASBR)和連續(xù)曝氣 SBR(CASBR)控制模式,考察常溫條件下(16～26℃)化肥廢水的短程硝化脫氮特性.穩(wěn)定運(yùn)行階段COD去除率均達(dá)90%以上,IASBR和CASBR平均氨氮去除率分別為93.8%和87.2%,亞硝酸鹽累積率分別為72.6%和65.6%.短程硝化動(dòng)力學(xué)分析顯示,IASBR和CASBR的NH4+-N和NO2--N最大比硝化速率之比分別達(dá)到了830:1和16:1.通過(guò)研究間歇曝氣不同厭氧時(shí)間條件下的短程硝化效果,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)厭/好氧時(shí)間為 20/40min時(shí),短程硝化能力最強(qiáng).間歇曝氣的厭氧階段能夠強(qiáng)化 AOB的活性表達(dá),從而提高化肥廢水的氨氮去除率和短程硝化性能.另外,系統(tǒng)中游離氨濃度(1.3～7.5mg/L)也是快速實(shí)現(xiàn)短程硝化的關(guān)鍵參數(shù).

化肥廢水；間歇曝氣；短程硝化；厭氧時(shí)間；硝化反硝化動(dòng)力學(xué)

化肥廠排放的廢水氨氮(NH4+-N)濃度高、C/N 低、水質(zhì)波動(dòng)大,而作為主要污染物的NH4+-N處理及排放更是化肥廠的核心環(huán)保問(wèn)題.隨著含氮廢水處理技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多具有高脫氮效率和低能耗特點(diǎn)的新工藝正逐步應(yīng)用于實(shí)際工程中.與傳統(tǒng)硝化相比,短程硝化技術(shù)可以在 NH4+-N氧化成亞硝酸鹽氮(NO2--N)后,直接將NO2--N反硝化成氮?dú)?N2),具有出水穩(wěn)定,處理低碳氮比廢水能力強(qiáng)的特點(diǎn)[1-2].此外,短程硝化還具有節(jié)約硝化過(guò)程 25%氧氣和減少反硝化過(guò)程40%碳源消耗的優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注[3].

短程硝化是通過(guò)抑制NO2--N的氧化實(shí)現(xiàn)的,即抑制亞硝酸鹽氧化菌(NOB)的活性.溶解氧(DO)、pH值、溫度、污泥停留時(shí)間等因素都會(huì)影響短程硝化的效率[4-6].但這些參數(shù)的控制及相互作用增加了污水脫氮的操作難度,也是短程硝化實(shí)際應(yīng)用的制約因素.最近研究表明,間歇曝氣模式可以有效促進(jìn)短程硝化的實(shí)現(xiàn)[7-8],相比于連續(xù)曝氣,間歇曝氣不斷快速交替的厭/好氧條件更有利于氨氧化菌(AOB)的富集和活性表達(dá),同時(shí)也對(duì)NOB生長(zhǎng)和活性有一定的抑制效果[9].但目前,間歇曝氣對(duì)硝化活性和短程硝化性能的影響機(jī)理,以及在處理實(shí)際廢水過(guò)程中的效果表達(dá)仍不明確,因而需要在此方面進(jìn)行深入探討.本研究將針對(duì)高氨氮化肥廢水,通過(guò)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室規(guī)模序批式反應(yīng)器(SBR),對(duì)比間歇曝氣和連續(xù)曝氣運(yùn)行模式下的硝化反硝化過(guò)程,分析不同曝氣模式下的硝化反硝化動(dòng)力學(xué),研究間歇曝氣條件對(duì)短程硝化的強(qiáng)化特性,完善間歇曝氣短程硝化機(jī)理,為短程硝化處理高氨氮廢水的實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與運(yùn)行方案

圖1 SBR系統(tǒng)及控制周期Fig.1 Schematic diagram and operational cycle of SBR system

試驗(yàn)用SBR裝置如圖1所示.反應(yīng)器為有機(jī)玻璃制成,高 358mm,直徑 160mm,有效容積為5L.SBR利用蠕動(dòng)泵控制進(jìn)水及出水,電動(dòng)攪拌器控制污泥與廢水的充分混合.位于反應(yīng)器底部的曝氣裝置通過(guò)氣泵向反應(yīng)器內(nèi)供氣,并通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制曝氣量為 0.6L/min.反應(yīng)器系統(tǒng)分別利用間歇曝氣模式(IASBR)和連續(xù)曝氣模式(CASBR)進(jìn)行控制,周期時(shí)長(zhǎng) 4h,每個(gè)反應(yīng)周期處理試驗(yàn)廢水2L.其運(yùn)行周期如圖1所示.

1.2 接種污泥與試驗(yàn)用水

SBR系統(tǒng)接種活性污泥來(lái)自沈陽(yáng)市沈水灣污水處理廠.經(jīng)接種培養(yǎng)后,反應(yīng)器內(nèi)活性污泥的初始MLSS濃度為7.72g/L,MLVSS/MLSS為0.64.系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行期間,IASBR和CASBR的MLSS濃度分別為(3.99±1.11)g/L 和(4.30±1.01)g/L, MLVSS/MLSS均為 0.78±0.06.反應(yīng)器運(yùn)行階段污泥停留時(shí)間控制為12.5d.

試驗(yàn)用水取自沈陽(yáng)市某中型化肥廠,主要包括生產(chǎn)過(guò)程排放的工業(yè)廢水及生活污水.其水質(zhì)指標(biāo):COD 為(586±126)mg/L,NH4+-N 為(91± 18)mg/L,總磷(TP)為(18±8)mg/L,SS為(1.05± 0.34)g/L,pH值為8.8±0.4.另外,SBR系統(tǒng)內(nèi)的pH值通過(guò)在線裝置控制在8.4±0.1.

1.3 分析項(xiàng)目與方法

COD、NH4+-N、NO2--N、硝酸鹽氮(NO3

--N)、TP和MLSS按標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[10].DO和pH值分別使用溶解氧儀(HANNA HI98193,意大利)和pH計(jì)(安萊立思PD5200,中國(guó))測(cè)定.活性污泥粒徑采用激光粒度儀(MASTERSIZER 2000,英國(guó))測(cè)定.

亞硝酸鹽累積率(NAR)可以用來(lái)表示短程硝化的效率,本試驗(yàn)NAR按下式計(jì)算:

式中:ρNO2--N為出水NO2--N濃度,mg/L;ρNO3--N為出水NO3--N濃度,mg/L.游離氨(FA)濃度可由Ford等[11]提出的公式計(jì)算,如下所示:

式中: ρNH4+?N為混合液NH4+-N濃度,mg/L;pH為混合液pH值;T為混合液溫度,℃.

1.4 短程硝化性能試驗(yàn)

預(yù)處理:從反應(yīng)器中取泥水混合物 1L,曝氣90min后用清水沖洗 3次以去除剩余底物.靜置棄去上清液后,將污泥倒入燒杯或錐形瓶,加水至有效容積為1L,保證其中活性污泥的MLVSS濃度與反應(yīng)器中的MLVSS濃度相近.

比硝化反硝化動(dòng)力學(xué)試驗(yàn):分別測(cè)定間歇曝氣和連續(xù)曝氣條件下 NH4+-N、NO2--N比硝化速率及NO2--N、NO3--N比反硝化速率.比硝化速率試驗(yàn):燒杯底部安裝曝氣頭,通過(guò)流量計(jì)控制曝氣量;加入初始濃度為 20mg NH4+-N/L的NH4Cl(或20mg NO2--N/L的NaNO2),磁力攪拌并在線控制pH值為8.4±0.1;每隔10min取樣測(cè)定NH4+-N(或NO2--N)濃度.比反硝化速率試驗(yàn):燒杯用封口膜密封,鼓入氬氣吹脫混合液中的溶解氧;加入初始濃度為 20mg NO2--N/L 的NaNO2(或20mg NO3--N/L的NaNO3),同時(shí)加入與反應(yīng)器相同C/N的葡萄糖,磁力攪拌并在線控制 pH 值為 8.4±0.1;每隔 5min取樣測(cè)定NO2--N(或 NO3--N)濃度.比硝化反硝化速率試驗(yàn)結(jié)束后,分別測(cè)定燒杯中活性污泥的 MLVSS濃度.

間歇曝氣厭氧時(shí)間對(duì)短程硝化性能影響試驗(yàn):考察厭氧時(shí)間為0、10、20、30和40min時(shí)間歇曝氣短程硝化的效率.厭氧階段,燒杯用封口膜密封,鼓入氬氣吹脫混合液中的溶解氧.厭氧結(jié)束時(shí)加入初始濃度為20mg NH4+-N/L的NH4Cl,磁力攪拌并在線控制pH值為8.4±0.1.好氧階段,通過(guò)流量計(jì)控制曝氣量,每隔 5min取樣測(cè)定NH4+-N、NO2--N和NO3--N濃度.反應(yīng)結(jié)束后,測(cè)定燒杯中活性污泥的MLVSS濃度.

游離氨對(duì)短程硝化性能影響試驗(yàn):考察初始FA濃度為0.8,4,8,12,16mg/L時(shí)短程硝化的效率.厭氧階段,燒杯用封口膜密封,鼓入氬氣吹脫混合液中的溶解氧.厭氧結(jié)束時(shí)加入相應(yīng)初始濃度的NH4Cl,磁力攪拌并在線控制pH值為8.4±0.1.好氧階段,通過(guò)流量計(jì)控制曝氣量,每隔5min取樣測(cè)定NH4+-N、NO2--N和NO3--N濃度,FA濃度由式(2)計(jì)算得到.40min后反應(yīng)結(jié)束,測(cè)定燒杯中活性污泥的MLVSS濃度.

2 結(jié)果與討論

2.1 處理化肥廢水的運(yùn)行特性及短程硝化的建立

試驗(yàn)啟動(dòng)階段,IASBR和CASBR平均COD去除率分別為(45.8±3.1)%和(42.1±4.1)%,平均NH4+-N 去除率分別為(19.1±3.7)%和(18.9± 6.3)%. SBR系統(tǒng)通過(guò)曝氣作用,活性污泥中微生物的增殖速度迅速提高,接種污泥中異養(yǎng)菌活性在有氧條件下恢復(fù)較快,如圖 2所示,經(jīng)過(guò)4d培養(yǎng)COD去除率達(dá)到80%以上.在平均進(jìn)水NH4+-N濃度為(91±18)mg/L的條件下,2個(gè)反應(yīng)器分別經(jīng)過(guò)23d和31d培養(yǎng),自養(yǎng)硝化細(xì)菌活性也逐步增強(qiáng), NH4+-N去除率提高到 80%以上.系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行階段,IASBR和CASBR的COD去除率分別為(92.2±3.0)%和(91.8±3.1)%;平均NH4+-N 去除率分別為(93.8±3.5)%和(87.2± 2.1)%;總氮去除率分別為(72.1±10.4)%和(72.7± 7.1)%.相比于連續(xù)曝氣,間歇曝氣可以增加AOB的產(chǎn)率系數(shù)并降低其衰減系數(shù)[12],因此 IASBR具有更高的NH4+-N去除效率,但二者總氮去除效率沒(méi)有明顯差異.

圖2 SBR運(yùn)行期間COD和NH4+-N去除情況Fig.2 Operational performance of COD and NH4+-N removal in SBRs

圖3 SBR運(yùn)行期間NO2--N累積情況Fig.3 Operational performance of NO2--N accumulation in SBRs

SBR系統(tǒng)出水NO2--N濃度及NAR的變化情況如圖3所示.一般認(rèn)為,當(dāng)硝化反應(yīng)出水穩(wěn)定且有大量NO2--N累積,NAR達(dá)到50%以上即發(fā)生了短程硝化[13].由圖3可以看出, IASBR于第10d起實(shí)現(xiàn)短程硝化,CASBR于第19d起實(shí)現(xiàn)短程硝化.短程硝化穩(wěn)定階段,IASBR的平均 NAR為(72.6±6.6)%,CASBR為(65.6±6.5)%.在處理高氨氮化肥廢水的過(guò)程中,2種控制模式均較快的實(shí)現(xiàn)了短程硝化;間歇曝氣條件下短程硝化的實(shí)現(xiàn)更快且效果更好,同時(shí)也更利于NH+4-N的穩(wěn)定去除,這說(shuō)明間歇曝氣可以提高化肥廢水的短程硝化處理能力,在高濃度含氮廢水的處理中具有較好的應(yīng)用價(jià)值.短程硝化工藝處理出水可與含NO2--N廢水如鍋爐酸洗液等適宜比例摻混后進(jìn)入?yún)捬醢毖趸磻?yīng)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)完全脫氮,未來(lái)可應(yīng)用于化肥廢水高效、穩(wěn)定處理的實(shí)際工程中.

2.2 短程硝化過(guò)程硝化反硝化動(dòng)力學(xué)特性為確定SBR中微生物的短程硝化反硝化能力,本研究根據(jù)基質(zhì)利用模型[14]對(duì)反應(yīng)器中活性污泥硝化反硝化動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析,公式可表示為:

式中:v為基質(zhì)的比利用速率,mg N/(g VSS·h);vmax為基質(zhì)的最大比利用速率,mg N/(g VSS·h);ρN為基質(zhì)濃度,mg/L;KN為微生物半飽和常數(shù),mg/L.

對(duì)式(3)進(jìn)行解析,硝化反硝化動(dòng)力學(xué)公式可表示如下:

式中:X為微生物濃度,mg/L;t為時(shí)間,h;ρN0為0時(shí)刻的基質(zhì)濃度,mg/L;ρNt為 t時(shí)刻的基質(zhì)濃度, mg/L.

在短程硝化穩(wěn)定階段,SBR系統(tǒng)比硝化速率試驗(yàn)結(jié)果(于第73、77和82d測(cè)定,取平均值)表明:IASBR和CASBR中微生物的NH4+-N和NO2--N最大比硝化速率vmax分別為8.7和3.8mg NH4+-N/(g VSS·h)、0.01和 0.2mg NO2--N/(g VSS·h),半飽和常數(shù)KN分別為4.4和3.2mg NH+4-N/ L、11.4和12.2mg NO2--N/L.IASBR和CASBR的NH4+-N氧化速率和NO2--N氧化速率比值達(dá)到830:1和16:1.分析試驗(yàn)結(jié)果,間歇曝氣和連續(xù)曝氣模式下的SBR系統(tǒng)NH4+-N比硝化速率均遠(yuǎn)高于 NO2--N比硝化速率,且產(chǎn)生了較強(qiáng)的短程硝化能力.但相比于連續(xù)曝氣,間歇曝氣IASBR的硝化速率更大,且NH4+-N氧化速率與NO2--N氧化速率的比值也遠(yuǎn)高于CASBR,這說(shuō)明間歇曝氣模式具有顯著強(qiáng)化活性污泥NH4+-N氧化和NO2--N累積的能力.IASBR和CASBR的NH4+-N氧化KN值均高于ASM3模型中AOB半飽和常數(shù)推薦值(1mg N/L)[15],這是由于 SBR系統(tǒng)中較大的污泥粒徑(IASBR和CASBR內(nèi)污泥體積平均粒徑分別為 139和148μm)對(duì)基質(zhì)的傳質(zhì)產(chǎn)生抑制,KN也隨之升高.此外,由于2個(gè)SBR的NO2--N氧化的KN值均較大,在反應(yīng)器NO2--N濃度較低時(shí),NO2--N比硝化速率會(huì)遠(yuǎn)低于 vmax值,從而更利于 NO2--N的累積.

比反硝化速率試驗(yàn)結(jié)果(于第74、78和83d測(cè)定,取平均值)表明:IASBR和CASBR中微生物的NO2--N和NO3--N最大比反硝化速率分別為29.1和25.1mg NO2--N/(g VSS·h)、16.9和16.3mg NO3--N/(g VSS·h),半飽和常數(shù)分別為 3.9和6.7mg NO2--N/L、1.8和7.7mg NO3--N/L.IASBR的NO2--N最大比反硝化速率高于 CASBR,而NO3--N最大比反硝化速率相近,這說(shuō)明間歇曝氣可以提高亞硝酸鹽的還原,從而促進(jìn) NO2--N的反硝化作用.另外,2個(gè)反應(yīng)器 NO2--N比反硝化速率均大于 NO3--N,可能的原因是由于NO2--N反硝化過(guò)程所需碳源少于 NO3--N,在低碳氮比的系統(tǒng)中更容易適應(yīng)環(huán)境;同時(shí)SBR系統(tǒng)大量積累的NO2--N可促進(jìn)具有亞硝酸鹽還原能力細(xì)菌的增殖,因此在短程硝化體系中,亞硝酸鹽還原酶比硝酸鹽還原酶的競(jìng)爭(zhēng)能力更強(qiáng).

通過(guò)硝化反硝化動(dòng)力學(xué)分析發(fā)現(xiàn),間歇曝氣和連續(xù)曝氣SBR系統(tǒng)均具有較強(qiáng)的短程硝化能力,并且間歇曝氣可以更顯著的促進(jìn)短程硝化.因此,本試驗(yàn)將針對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行分析,以探究間歇曝氣對(duì)短程硝化的強(qiáng)化作用及SBR系統(tǒng)快速實(shí)現(xiàn)短程硝化的機(jī)理.

2.3 間歇曝氣對(duì)短程硝化的影響

有研究發(fā)現(xiàn),間歇曝氣不同的厭/好氧時(shí)間會(huì)產(chǎn)生不同的AOB和NOB種群結(jié)構(gòu),并且對(duì)比連續(xù)曝氣,間歇曝氣的低DO濃度可以導(dǎo)致更高的短程硝化效率[7,13,16].從系統(tǒng)運(yùn)行情況和硝化動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)也可以看出,間歇曝氣相比于連續(xù)曝氣具有更強(qiáng)的短程硝化能力.為進(jìn)一步分析間歇曝氣對(duì)短程硝化的強(qiáng)化作用,本試驗(yàn)在不同間歇曝氣厭氧時(shí)間條件下,考察IASBR系統(tǒng)短程硝化的變化情況.厭氧結(jié)束后,測(cè)定40min好氧反應(yīng)系統(tǒng)中氮的變化,反應(yīng)結(jié)束后測(cè)得污泥 MLVSS濃度為(3.34±0.10)g/L.試驗(yàn)結(jié)果表明(圖 4):在厭氧時(shí)間為0、10、20、30和40min時(shí),NO2--N累積速率和NO3

--N累積速率的比值分別達(dá)到3.5、4.2、6.1、5.3和3.9,其中厭氧時(shí)間為10、20、30和40min的累積速率比值分別是厭氧時(shí)間0min的1.2、1.8、1.5和1.1倍.

由此可以看出,相比于連續(xù)曝氣(厭氧時(shí)間為 0min),間歇曝氣交替進(jìn)行的厭氧階段具有強(qiáng)化NO2

--N累積效果的作用,分析其原因:(1)經(jīng)歷無(wú)底物供給的厭氧階段,IASBR的 DO濃度在0.20～0.38mg/L,由于 AOB 的氧半飽和常數(shù)(0.2～0.4mg/L)低于NOB(1.2～1.5mg/L)[17],當(dāng)恢復(fù)曝氣時(shí),AOB對(duì)氧的競(jìng)爭(zhēng)及適應(yīng)能力更強(qiáng),其活性恢復(fù)快于 NOB,從而產(chǎn)生更高的底物利用速率

[18-19];(2)在限制DO情況下,AOB氧化NH4+-N和羥銨過(guò)程所需AMO酶和HAO酶的mRNA濃度上升[20],有利于AOB的生長(zhǎng)、離子交換、電子傳遞和 DNA復(fù)制[21],從而使 AOB活性表達(dá)提高;(3)厭氧條件下 NOB的衰減速率(0.306d-1)大于 AOB(0.144d-1)[22],因此間歇曝氣的厭氧階段還可以降低 NOB活性.試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)間歇曝氣厭氧時(shí)間為20min時(shí),NO2--N累積率最高,污泥在單位時(shí)間內(nèi)可以比連續(xù)曝氣多累積 75.4%的NO2

--N.但隨著厭氧時(shí)間的延長(zhǎng),亞硝酸鹽累積率下降,這是由于長(zhǎng)時(shí)間厭氧沒(méi)有底物供給部分細(xì)胞死亡,AOB和NOB的細(xì)胞數(shù)量會(huì)隨著厭氧內(nèi)源呼吸時(shí)間的增加而降低,但 AOB的細(xì)胞死亡速率(0.076d-1)大于 NOB(0.054d-1)[22],從而導(dǎo)致短程硝化效果下降.

圖4 不同間歇曝氣厭氧時(shí)間條件下NO2--N和NO3--N累積速率比Fig.4 Ratio of NO2--N and NO3--N accumulation rate at the different intermittently-aerated non-aeration duration

目前許多學(xué)者對(duì)不同好/厭氧時(shí)間比的短程硝化效果進(jìn)行了分析研究,好/厭氧時(shí)間比在0.55～6.16的范圍內(nèi)均成功實(shí)現(xiàn)短程硝化[23-26].Zhang等[27]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)間歇曝氣交替進(jìn)行的厭氧階段可以延遲硝化過(guò)程 NOB的活性恢復(fù),但是針對(duì)不同厭氧時(shí)間的間歇曝氣對(duì)短程硝化影響和機(jī)理的研究還未見(jiàn)報(bào)道,上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步完善了間歇曝氣短程硝化的理論,可為間歇曝氣短程硝化的應(yīng)用推廣提供參考.

2.4 短程硝化實(shí)現(xiàn)的影響因素

通過(guò)硝化反硝化動(dòng)力學(xué)分析發(fā)現(xiàn),間歇曝氣和連續(xù)曝氣SBR系統(tǒng)均具有較強(qiáng)的短程硝化能力.由于試驗(yàn)用化肥廢水進(jìn)水pH值較高(8.8±0.4), SBR系統(tǒng)反應(yīng)階段 pH值可維持在較高水平,為避免硝化反硝化反應(yīng)產(chǎn)生的pH波動(dòng)對(duì)短程硝化效率產(chǎn)生影響,IASBR和CASBR的pH值均通過(guò)在線控制在8.4±0.1,從而考察間歇曝氣和連續(xù)曝氣控制模式對(duì)短程硝化性能的影響.但有研究表明pH值在7.5～8.5范圍內(nèi)利于AOB活性表達(dá)、抑制NOB的活性[28],其主要是產(chǎn)生較高FA濃度導(dǎo)致的[29].試驗(yàn)測(cè)定SBR典型周期(第84d)內(nèi)FA濃度和亞硝酸鹽氮累積率的變化情況(圖5).在好氧階段,IASBR和CASBR的NAR大于50%,FA濃度在1.3～7.5mg/L范圍內(nèi).分析FA濃度對(duì)短程硝化的影響將有助于找出 2個(gè)反應(yīng)器均快速實(shí)現(xiàn)短程硝化的原因.

圖5 典型周期內(nèi)NAR和FA變化情況Fig.5 Profiles of NAR and FA in a typical operational cycle

試驗(yàn)分析不同初始FA濃度對(duì)短程硝化性能的影響.結(jié)果表明(圖 6):當(dāng)初始 FA濃度在 0.8～16mg/L時(shí),SBR系統(tǒng)內(nèi)NO2--N累積速率均遠(yuǎn)大于NO3

--N累積速率,隨著FA濃度提高,NOB的活性一直處于較低水平.本試驗(yàn)反應(yīng)器 FA濃度在1.3～7.5mg/L之間(圖5),系統(tǒng)內(nèi)NOB活性可以被FA所抑制,從而表現(xiàn)出相對(duì)較強(qiáng)的NO2--N累積能力,因此連續(xù)曝氣和間歇曝氣SBR均能快速穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)短程硝化.

隨著 FA濃度升高,NH4+-N比氧化速率和NO2--N比累積速率呈上升趨勢(shì).當(dāng)初始FA濃度為 12mg/L時(shí),SBR的 NO2--N 累積效果最好,NO2--N和NO3--N累積速率的比值高達(dá)8.8.當(dāng)初始FA濃度達(dá)16mg/L時(shí),NO2--N和NO3--N累積速率之比下降至4.6,高FA濃度開(kāi)始對(duì)AOB的活性產(chǎn)生一定的抑制作用.這是因?yàn)檫^(guò)高的FA濃度同樣限制NH4+-N的氧化過(guò)程[30],從而導(dǎo)致間歇曝氣過(guò)程N(yùn)AR的降低.Pambrun等[31]對(duì)高氨氮廢水短程硝化模擬研究表明,低 FA濃度下因?yàn)榈孜?NH4+-N不足,AOB活性較低;而過(guò)高FA濃度條件下,由于高NH4+-N濃度和pH值的抑制作用,也會(huì)出現(xiàn)AOB活性下降現(xiàn)象.另外,部分研究認(rèn)為,FA濃度影響亞硝酸鹽累積率主要原因是:FA在一定濃度范圍內(nèi)對(duì)NOB產(chǎn)生抑制作用,而對(duì) AOB沒(méi)有影響[29-30].但是本試驗(yàn)結(jié)果表明,FA濃度的增加對(duì)AOB的活性還具有提高作用.原因主要有:(1)在一定FA濃度范圍內(nèi),隨著FA濃度升高,NH4+-N濃度將遠(yuǎn)大于NH4+-N氧化反應(yīng)的半速率常數(shù),硝化速率逐漸接近 vmax值;(2)高FA濃度下,較高的pH值更利于AOB的活性表達(dá)[28].因此,在 FA濃度小于 12mg/L范圍內(nèi),AOB的活性會(huì)隨FA濃度的升高而提高.

圖6 不同初始FA濃度條件下的NH4+-N比氧化速率和NOx--N比累積速率Fig.6 Specific NH4+-N oxidation rate and specific NOx--N accumulation rate at the different initial FA concentration condition

為表示FA濃度對(duì)AOB活性的影響,根據(jù)模擬分析,利用 Haldane模型[32]修正硝化動(dòng)力學(xué)方程,即:

式中:KFA為游離氨對(duì)微生物的抑制常數(shù),mg/L.

式(5)與 NH+4-N比利用速率方程相結(jié)合,積分整理如下式:

根據(jù)修正后的硝化動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算,得到KFA為 20.87mg/L.可推測(cè)FA濃度達(dá)20.87mg/L后,AOB的活性會(huì)被明顯抑制,導(dǎo)致NH+-N比氧4化速率顯著降低.FA濃度對(duì)短程硝化性能影響機(jī)理的研究表明,廢水的 FA濃度是實(shí)現(xiàn)短程硝化工藝穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一,合理有效的利用 FA濃度控制,可以促進(jìn)短程硝化處理高氨氮廢水的實(shí)際應(yīng)用.

3 結(jié)論

3.1 在污泥負(fù)荷為0.35kg COD/(kg MLSS·d)、C/N為6.7的條件下,本試驗(yàn)采用間歇曝氣和連續(xù)曝氣SBR處理高氨氮化肥廢水.平均COD去除率 分 別為 (92.2±3.0)%和(91.8±3.1)%,平均NH4+-N 去除率分別為(93.8±3.5)%和(87.2± 2.1)%.

3.2 短程硝化穩(wěn)定階段,NAR 分別為(72.6± 6.6)%和(65.6±6.5)%.硝化動(dòng)力學(xué)分析表明,間歇曝氣和連續(xù)曝氣SBR的NH4+-N和NO2--N最大比硝化速率的比值達(dá)到 830:1和 16:1,間歇曝氣模式具有強(qiáng)化SBR系統(tǒng)短程硝化效率的作用.

3.3 間歇曝氣厭氧階段能導(dǎo)致 NOB活性抑制和AOB活性表達(dá).在厭氧時(shí)間為20min條件下,間歇曝氣系統(tǒng)具有最佳的 NO2--N累積能力,其累積效率比連續(xù)曝氣高出75.4%.

3.4 游離氨可以影響短程硝化的效果.當(dāng)FA濃度為 12mg/L時(shí),SBR的 NO2--N 累積效果最好,NO2--N和NO3--N累積速率的比值達(dá)到8.8.硝化動(dòng)力學(xué)模擬分析,FA對(duì)AOB的抑制閾值為20.87mg/L.

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致謝：感謝李秋平、陳威在試驗(yàn)期間給予的支持與幫助.

Effects of intermittent aeration on the performance of partial nitrification treating fertilizer wastewater.

WANG Lin, XU Xin-yang, ZHANG Ming-chuan*
(School of Resources and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China). China Environmental Science, 2017,37(1)：146～153

For the purpose of enhancing nitrogen removal efficiency of the high-ammonium fertilizer wastewater, an intermittently-aerated sequencing batch reactor (IASBR) and a continuously-aerated sequencing batch reactor (CASBR) were developed to investigate the performance of partial nitrification for fertilizer wastewater treatment at room temperature (16～26℃). In the steady state, more than 90% of COD was removed. The mean NH+4-N removal rate was 93.8% and 87.2%, and the mean nitrite accumulation rate reached at 72.6% and 65.6% in IASBR and CASBR, respectively. Partial nitrification kinetics revealed that the ratio of NH4+-N and NO2--N maximum specific nitrification rates were up to 830:1 and 16:1 in IASBR and CASBR, respectively. In order to analyze the improvement effects of intermittent aeration on the performance of partial nitrification, a series of experiments with different non-aeration durations were conducted. It showed that the optimal NO2--N accumulation efficiency appeared at 20min non-aeration/40min aeration condition. The non-aeration phase of intermittent aeration was able to enhance the activity expression of AOB, and induce the efficient NH4+-N removal and NO2--N accumulation. Moreover, the free ammonia concentration in SBRs (1.3～7.5mg/L) was also one of key parameters for achieving partial nitrification.

fertilizer wastewater；intermittent aeration；partial nitrification；non-aeration duration；nitrification and denitrification kinetics

X703.1

A

1000-6923(2017)01-0146-08

王 琳(1992-),女,江蘇南京人,東北大學(xué)碩士研究生,主要從事生物脫氮新技術(shù)研究.

2016-05-12

國(guó)家自然科學(xué)基金(51408104);教育部基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(150104003)

* 責(zé)任作者, 講師, zhangmingchuan@mail.neu.edu.cn