延時曝氣對常溫低氨氮SBR亞硝化影響及恢復

張功良,李 冬*,張肖靜,曾輝平,蘇東霞,周元正,張 杰,

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

延時曝氣對常溫低氨氮SBR亞硝化影響及恢復

張功良1,李 冬1*,張肖靜2,曾輝平1,蘇東霞1,周元正1,張 杰1,2

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

常溫條件[(22±1)℃]下,采用SBR反應器,探討延時曝氣對常溫低氨氮生活污水亞硝化的影響及尋找一種因延時曝氣失穩的亞硝化高效恢復策略.結果表明,延時曝氣可為NOB創造一個迅速增殖的有利環境,經23d的延時曝氣(延遲時間1h)最終使亞硝化系統失穩;且失穩后僅通過限氧無法實現其恢復,而通過增設1h前置厭氧攪拌并縮短曝氣時間控制氨氧化率在50%左右,經過60個周期(20d)實現了亞硝化的恢復.

恢復；前置厭氧；延時曝氣；亞硝化；SBR

短程硝化-厭氧氨氧化等新型脫氮工藝具有節省基建費用和運行費用等優點[1-2],實現亞硝化的關鍵在于抑制亞硝酸鹽氧化菌(NOB),富集氨氧化[3-4]菌(AOB),使硝化過程停留在亞硝態氮生成階段.彭永臻等[5]研究表明,延時曝氣易使亞硝化逐漸向全程硝化轉變;張昭等[6]認為,延時曝氣會導致亞硝化的不穩定甚至逐步惡化直至崩潰.而目前國內90%的SBR反應器[5]均采用固定曝氣時間的方式運行,由于進水水質的波動性,固定的曝氣時間易造成延時曝氣,導致亞硝化失穩.因此如何使遭到破壞的SBR亞硝化系統得到快速恢復具有重要的研究價值.本試驗采用SBR運行方式,以常溫低氨氮城市生活污水為研究對象,通過探究延時曝氣對亞硝化的影響,尋找一種因延時曝氣失穩的亞硝化高效恢復策略.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

采用SBR工藝,反應器為圓柱形,高25cm,直徑33cm,總體積16L,有效容積為15L,有機玻璃制成.壁上垂直方向設置一排間距5cm的取樣口.采用機械攪拌混勻,底部安裝微孔曝氣管,微孔曝氣圓環直徑15cm,采用鼓風曝氣,曝氣量由轉子流量計控制.反應器采用定時器控制,能完成自動進水、攪拌、曝氣、排水.裝置圖如圖1所示.

1.2 接種污泥與實驗水質

圖1 反應器裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental equipment

試驗接種15L本實驗室培養的污泥濃度為4050mg/L的亞硝化污泥,其SV30為15%,該污泥亞硝化性能良好,亞硝化率99%以上.進水水質為人工含氮廢水,pH值為7.5～8.2,通過加熱裝置控制反應溫度為(22±1)℃,投加(NH4)2SO4提供所需NH4+-N濃度,投加NaHCO3提供堿度,堿度與氨氮濃度質量比10:1.進水NH4+-N濃度為(40±5)mg/L, NO2--N、NO3--N、COD濃度均小于1mg/L.每1L 模擬生活污水中含有0.136g KH2PO4,0.426gNa2SO4,0.136g CaCl2,0.3g MgSO4?7H2O以及1mL微量元素營養液,其1L中包括15gNa2EDTA,5g FeSO4?7H2O,0.43g ZnSO4?7H2O,0.24g CoCl2?6H2O,0.99g MnCl2?4H2O,0.25g CuSO4?5H2O,0.22g NaMoO4?H2O,0.19g NiCl2?6H2O,0.21g Na2SeO30.014g H3BO3.[7-9]

1.3 試驗方案

SBR反應器通過時間控制器實現反應過程的自動控制,試驗每天運行3個周期.每周期進水15min,好氧曝氣1.5～3h,沉淀30min,排水5min,其余時間閑置.反應器容積交換率為73.3%,整個試驗過程不排泥.試驗分為4個階段運行,分別為低氨氮穩定運行階段、延時曝氣破壞階段、限氧恢復階段、聯合恢復階段.

1.4 分析方法

每個周期測定反應器內混合液的 SV30、MLSS、SVI、NH4+-N、NO2--N、NO3--N等參數,DO、T、pH值均采用WTW在線測定儀測定; MLSS采用MODEL711手提式測定儀測定.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,其余水質指標的分析方法均采用國標方法[10-11].

本試驗中亞硝化率、氨氧化率按下式計算:

2 結果與討論

2.1 延時曝氣對亞硝化的影響

試驗接種高氨氮培養的成熟亞硝化污泥,亞硝化率99%以上,直接轉入低氨氮運行,平均進水氨氮濃度為(40±5)mg/L,曝氣時間2h.由圖2可知,在此階段的60個周期(1～20d)內,亞硝化率與氨氧化率均在90%以上,平均氨氮容積去除負荷為0.45kgN/(m3?d),說明經高氨氮培養的亞硝化污泥直接轉入常溫低氨氮運行時能夠保持較高的氧化性能及穩定的亞硝化效果,將初始DO質量濃度控制為0.5mg/L左右可實現常溫低氨氮的穩定運行.

自第61個周期起,將曝氣時間調整為3h,其他條件不變.120min時氨氮氧化完全,此后的60min處于延時曝氣狀態.由圖3可知,試驗在第61～第130個周期內(23d)亞硝化率從最初的99.00%下降至62.24%,硝氮生成量從0.59mg/L增加至13.91mg/L,亞硝化系統逐漸失去穩定.自第131個周期起不再延時曝氣,將曝氣時間降低至2h,,亞硝化率提升至80.95%,但在以后的45個周期內亞硝化率又持續下降至67.57%,亞硝化率呈現先升高又降低的趨勢主要原因是縮短曝氣時間后,NOB對亞硝態氮的氧化時間減少,使每個周期內生成的硝氮量相比延時曝氣時減少,但是延時曝氣已經使NOB得到了增殖,有了一定的基數.

圖2 啟動階段的氨氧化率及亞硝化率的變化趨勢Fig.2 Variations of ammonia oxidation rate and nitrite accumulation rate during the startup phase

圖3 延時曝氣階段亞硝化亞硝化率、氨氧化率、硝氮生成量變化Fig.3 Profiles of FA,FNA,pH and DO in a typical operational cycle during the stage of low ammonia

由圖4可知,延時曝氣初期,過程內硝氮生成速率低于0.0016mg/(gMLSS·min),說明系統內NOB含量很少或活性已被抑制.經過22d的延時曝氣(每周期延遲時間1h),亞氮生成速率最高達到了0.0588mg/(gMLSS?min),系統內 NOB活性提高并迅速增殖導致亞硝化破壞.分析認為延時曝氣造成亞硝化失穩的原因包括:首先是充足的NOB反應底物.反應末期,AOB的反應基質氨氮全部氧化為 NOB的反應底物亞氮,使得延時曝氣時段 NOB得到快速增殖;其次是充足的溶解氧.隨著反應進行,DO質量濃度逐漸升高,特別是延時曝氣時段內,溶解氧幾近飽和,反應后期充足的溶解氧解除了DO濃度對NOB抑制作用為其增殖提供了有利條件;最后是 FNA濃度的驟降,由圖5可知,當氨氮消耗殆盡時,pH值會逐漸升高,從而導致系統內 FNA濃度急劇下降,延時曝氣0.5h后,FNA濃度低于0.02mg/L,此濃度低于NOB的抑制濃度0.020mg/L[12-14],FA與FNA均不能抑制延時曝氣時段的 NOB增殖.綜上,延時曝氣主要是解除了穩定運行階段低 DO濃度和FNA的聯合抑制作用,使NOB短期內得到大量增殖,一旦得到增殖,很難通過避免延時曝氣的方式實現亞硝化的恢復.

圖4 第61、97、130周期內硝氮生成速率變化Fig4 Profiles of NO3-in the61th,97th,130th typical operational cycles

2.2 失穩后的恢復策略研究

2.2.1 限氧恢復 高 DO造成的亞硝化失穩可利用AOB與NOB氧飽和常數不同的原理通過限氧策略使其逐漸得到恢復.為了驗證限氧策略是否同樣適用于因延時曝氣而失穩的亞硝化恢復,試驗在178～241個周期(21d)內降低曝氣量,將初始溶解氧濃度控制在0.3mg/L左右.如圖6所示,采用限氧策略后,曝氣時間不變,導致系統的氧化能力降低,此階段平均氨氧化率降至75.64%,亞硝化率較延時曝氣階段有所升高,最初可達79.61%,但在以后的63個周期內,亞硝化率呈下降趨勢,最終降至55.65%,亞硝化率仍呈現先略有升高又降低的趨勢,主要是降低溶解氧后,使總反應時間加長,反應末期溶解氧有所降低對 NOB有一定的抑制作用,但通過之后的亞硝化率下降現象可以說明已經無法對NOB起到完全的抑制作用,原因主要是系統內 NOB已經得到充分增殖且其對之前的低 DO(0.5mg/L)環境產生了一定的適應性,研究表明,游離亞硝酸(FNA)完全抑制NOB和AOB生長的濃度分別為0.020mg/L和0.40mg/L[12-14].而整個過程中FA低于1.0mg/L,FNA低于0.05mg/L,較解除延時曝氣階段FNA更低,以上因素不足以起到關鍵抑制作用.因此本試驗中因延時曝氣導致的亞硝化失穩不能僅通過限氧來實現其恢復,在不改變進水水質的前提下必須引入新的抑制因素才可以將NOB完全抑制住.

圖5 低氨氮穩定階段典型周期內FA、FNA、pH值以及DO過程變化Fig.5 Profiles of FA,FNA,pH and DO in a typical operational cycle during the stage of low ammonia

2.2.2 前置厭氧與降低氨氧化率聯合 研究表明[5,15],在厭氧條件下,AOB仍然具有一定的活性,且由厭氧向好氧轉變的過程中,亞硝酸鹽氧化酶存在一定的滯后時間,因此AOB相比于NOB更易從厭氧狀態中恢復其活性,其適應環境的能力更強.故考慮增加前置厭氧段以進一步抑制 NOB的活性,且有利于好氧段AOB的生長.此外可考慮通過縮短曝氣時間的方式,降低氨氧化率來提高出水FA以抑制NOB;另外,由于曝氣時間進一步縮短使氨氧化率維持在50%左右,反應過程中NOB的基質NO2-一直小于AOB的基質NH4+,也有利于減緩NOB的增殖速度.因此,本試驗自第242個周期起采取一種聯合恢復的策略,即增設1h前置攪拌厭氧階段,并縮短曝氣時間至1.5h.由圖6可知,改變曝氣時間后,平均氨氧化率為50.23%,觀察亞硝化率并沒有像單純限氧階段出現繼續下降趨勢,而是穩中有升,經過60個周期(20d)后亞硝化率達到了91.81%,增設前置厭氧、縮短曝氣時間以降低氨氧化率使亞硝化率重新至90%以上,且沒有下降趨勢實現了亞硝化的初步恢復.

圖6 恢復時期氨氧化率及亞硝化率變化Fig.6 Variations of ammonia oxidation rate and nitrite accumulation rate during the recovery phase

圖7是增設前置厭氧、降低氨氧化率階段典型周期DO、FA、FNA變化,采取此策略后,曝氣階段的整個過程中DO濃度在0.29 ～0.36mg/L之間,NOB始終處于低DO濃度下生長;出水FA濃度在0.30mg/L以上也對NOB有一定的抑制作用.前置厭氧攪拌階段的增設,使前1h內AOB與NOB均處在厭氧的環境中,此過程氨氮基本不被消耗,當開始曝氣后,AOB能夠快速適應突變的環境,而NOB則存在滯后性.圖8是此恢復階段硝氮生成速率圖,曝氣0.5h后,硝氮生成速率低于0.004mg/(gMLSS?min),之后速率增加很快,說明前置厭氧確實能夠起到抑制 NOB的作用,但前置厭氧的最優時間還有待進一步證明.

當亞硝化率達到90%以上后,反應器又運行了21個周期(7d),亞硝化率無下降趨勢,于是逐漸提高曝氣時間以提高氨氧化率.首先保持曝氣時間2h運行了21個周期(7d),平均氨氧化率65.80%,接著提高曝氣時間至2.5h運行了52個周期(14d),平均氨氧化率達到89.92%,過程中亞硝化率一直維持在90%以上,由此實現了常溫低氨氮生活污水因延時曝氣導致亞硝化失穩后的完全恢復.

圖8 聯合恢復階段典型周期硝氮生成速率Fig.8 Profiles of the production rate of NO-N during the recovery phase

3 結論

3.1 經高氨氮培養的亞硝化污泥轉入常溫低氨氮運行時,控制初始DO質量濃度為0.5mg/L左右可保持較高的氧化性能及良好的亞硝化效果,實現常溫低氨氮生活污水亞硝化的穩定運行,平均氨氮容積去除負荷為0.45kgN/(m3?d).

3.2 延時曝氣解除了DO和FNA的聯合抑制作用,為 NOB創造了一個可以迅速增殖的有利環境,最終使亞硝化系統失穩,且系統內NOB一旦得到增殖,只取消延時曝氣很難實現亞硝化的恢復.

3.3 通過增設1h前置厭氧攪拌并縮短曝氣時間控制氨氧化率在50%左右,控制初始DO濃度在0.30mg/L左右經過60個周期(20d)可實現因延時曝氣失穩后的亞硝化恢復.

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Research on the recovery strategy for nitrosation at room temperature.

ZHANG Gong-liang1, LI Dong1*, ZHANG Xiao-jing2, ZENG Hui-ping1, SU Dong-xia1, ZHOU Yuan-zheng1, ZHANG Jie1,2
(1.Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing100124, China；2.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin150090, China). China Environmental Science,2014,34(8)：1998～2002

At room temperature conditions [(22±1℃)], by using SBR reactor, it is explored that how delay aeration impact nitrosation stability for low ammonia nitrogen sewage and efficient recovery strategy for nitrosation instability because of delay aeration is looked for. Results show that the delay aeration creates a favorable environment to NOBs so that NOBs can reproduce rapidly, delay aeration of1h for the23d eventually makes the nitrosation system instability; nitrosation instability needs to adopt a joint recovery strategy that the additional1h front stir anaerobic phase and control of ammonia oxidation rate at about50% by shortening the aeration time is carried out. Then nitrosation can be realized through60cycle (20d).

t：recovery；lead anaerobic；delay aeration；nitrosation；SBR

X703.1

：A

：1000-6923(2014)08-1998-05

張功良(1988-),男,河北滄州人,碩士研究生,研究方向為水質科學與水環境恢復技術.

2013-11-06

新世紀優秀人才支持計劃(NCET-10-0008);國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07202-005)

* 責任作者, 教授, lidong2006@bjut.edu.cn