生活污水的好氧反硝化研究

生態(tài)環(huán)境2006, 15(5): 905-908http://www.jeesci.comEcology and EnvironmentE-mail: editor@jeesci.com生活污水的好氧反硝化研究張智'，楊華仙', 張曉衛”，浦軍毅'1.重慶大學(xué)城市建設與環(huán)境工程學(xué)院，重慶400045; 2. 中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶400013摘要:采用強化生物絮凝工藝處理生活污水，試驗結果驗證了好氧反硝化的存在;好氧反硝化的效率依賴(lài)三個(gè)因素:溶解氧濃度、絮體大小、有效碳源。低溶解氧質(zhì)量濃度有利于好氧反硝化脫氮，當ρ(DO)為 0.5 mg L'時(shí)，TN去除率達到57.7%。結合理論分析，對好氧反硝化的機理以及影響因素進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞:氨氮;生活污水;好氧反硝化;溶解氧;碳氮比中圖分類(lèi)號: X703文獻標識碼: A文章編號: 1672-2175 (2006) 05-0905-04傳統的生物脫氮理論認為生物脫氮( biological板焊接制作。流量為4.0m? d',缺氧池、絮凝池、nitrogen removal, BNR )過(guò)程由好氧條件下的自養型沉淀池容積: 0.3、 0.25、 0.46 m'，對應的HRT分硝化(autotrophic nitrification) 和缺氧條件下的異別為: 1.8、1.5、2.8 ho水溫20~ ~22 C,進(jìn)水pH=7.6~養型反硝化( heterotrophic denitrification)來(lái)共同完9.3(平均為8.2)，絮凝池pH平均為7.3成"，可由NH-N的去除過(guò)程來(lái)說(shuō)明2:MLSS=1 800~1900 mg L'，泥齡(SRT)維持在8~NH4*+1.5O2 NO2+H2O+2H+(1)10d。.NO2+0.5O2 NO3(2)NO2 +3H(碳源) 0.5N2+2H2O+OH(3)NO3 +5H(碳源) 0.5N2+2H2O+OH(4)缺強化絮額式(1 )和(2)在好氧條件下進(jìn)行，而式(3)和(4)在TTT缺氧條件下進(jìn)行。由式(1)~(4)可知，硝化過(guò)程產(chǎn)目流污泥V_ 剩余污晁_生酸，因此消耗水中的堿度，而在反硝化過(guò)程中則產(chǎn)生堿度。根據理論計算，每硝硝化1 g NH3-N需圖1工藝流程約7.14 g堿度(CaCO3計)，每反硝化1 g NO2-N或Fig. 1 Flow chart of treatmentNO3-N可產(chǎn)生3.57 g堿度。因此對于生物脫氮工藝，若反硝化完全，則每去除1 g NH3-N需投堿約1.2試驗水質(zhì)3.57 g,這就是傳統硝化反硝化(NDN)存在的問(wèn)題3試驗用水采用宿舍區生活污水，具體水質(zhì)指標見(jiàn)表1。好氧反硝化又稱(chēng)同時(shí)硝化反硝化(SND)4,是表1 p(9/ p( N對脫氮的影響在有氧條件下發(fā)生反硝化。上個(gè)世紀人們就清 楚地Tab. 1 Nitrogen removal vs ()/i(N)發(fā)現5-7:若溶解氧濃度得到嚴格控制，可以在同一(P(C)/i(N)-P(COD,)/(mg. 少_ p(NH-N,)/(mg- L ρ(TN,)(mg 少運行條件下發(fā)生SND。近年來(lái)，好氧反硝化(Aerobic進(jìn)出η%進(jìn)denitrification) [8.9也有不少研究和報道。在許多實(shí)2.49 182 18 90.11 58.12 36.88 36.65 73.00 50. 5430.77際運行中的好氧硝化池中也常常發(fā)現有30%的總3.56 253 2 589.72 59.38 30.35 48.89 71.08 4.72 37.084.58340 31 90.88 59.71 30.08 50.12 74.16 40.61 45.24氮損失0。稻森悠平"等觀(guān)察到缺氧階段和好氧階段2h內TN的明顯降低認為發(fā)生了好氧反硝化。2試驗結果及分析作者采用強化生物絮凝工藝處理某大學(xué)生活污水2.1 (C0D)/ ρ(N之比對好氧反硝化的影響過(guò)程中，同樣發(fā)現明顯的好氧反硝化現象，并對好從表1中的處理效果看，由于強化絮凝工藝采氧反硝化的機理以及影響因素進(jìn)行了探討。用了短水力停留時(shí)間(Short HRT),使得硝化反應不1試驗條件及方法很徹底，在低ρ(COD)/ ρ(N)(2.49)下,反硝化對碳源1.1試驗裝置及運行工藝流程見(jiàn)圖1。試驗一體化裝置采用熱扎鋼(能量)需求難以滿(mǎn)足，TN去除不理想(30.77%)，隨中國煤化工基金項目:中冶賽迪技術(shù)開(kāi)發(fā)合同(CISD2004-15)作者簡(jiǎn)介:張智(1960-), 男，教授，博士，博導，多年從事水處理技術(shù)研究與教學(xué)。MHCNMH G收稿日期: 2006-05-09.)06生態(tài)環(huán)境第15 卷第5期(2006年9月)p(COD)/p(N)的增加，TN去除率的上升趨勢明顯(見(jiàn)2.3溶解氧對好氧反硝化的影響圖2)。溶解氧濃度直接影響到硝化反硝化速率，進(jìn)而影響脫氮效率。試驗中調節絮凝池ρ(DO)分別為80-◆-infuent.0.2、0.5、 0.8、1.3、 1.5、 3.0、 3.6mgL',考察Do對脫氮的影響，結果見(jiàn)圖3。5-+-euent40十2(十10 - + removalratio(%)60↑22.533.544.550p(C)p(N)E0圖2 TN去除率隨 p (C)/ p (0)變化曲線(xiàn)0 0.5 1. 1.52 2.533.5 4Fig.2 TN removal ratio vs CNρ (DO)(mgrL)此外，氨氮的去除大于總氮，而對于完全的圖3 TN去除率隨D0變化曲線(xiàn)SND,銨氧化速率應大致等于反硝化速率[12]。因為Fig.3 TN removal ratio vs DO自養硝化要比異養代謝慢，所以SND在硝化過(guò)程中需要緩慢降解的有機碳源來(lái)持續提供給反硝化TN的去除曲線(xiàn)呈現“雙峰”狀，ρ(D0)=0.5能量。廢水中通常是固有緩慢降解的coD,而內部mgL'(低溶氧水平)對應去除率的左峰值點(diǎn)，有機碳儲藏聚合體也是另一個(gè)緩慢降解的能量源。p(D0)=1.5 mgL" (中溶氧水平)對應去除率的右峰因為PHB的氧化速率較可溶性的碳源要慢，所以值點(diǎn)，其左右峰值幾乎等高(57.7%與58.1%)。p(DO)從易生物降解的COD轉化到細菌儲藏聚合體(例在0.2~1.3范圍內，TN去除率先上升后跌落，表如PHB)貯備了溶解性的COD以用作緩慢降解的明好氧反硝化易在低溶解氧條件下取得，當氧濃度底物3。這樣p(COD)Vp(N)對好氧反硝化的影響便太低[p(D0)=0.2 mg:L]時(shí)，氨的氧化受到抑制，亞不難理解了。硝酸鹽及硝酸鹽濃度較低，脫氮效率降低5);當p(DO)超過(guò)0.5 mgL',污泥充氧劇烈，大顆粒絮體2.2好氧過(guò)程中的反硝化為了避免將缺氧段的常規異養反硝化歸功于逐漸被打碎，破壞了絮體內部的缺氧(厭氧)微環(huán)境，絮凝池的好氧反硝化，試驗對絮凝池中氮的不同形使得好氧反硝化受到抑制，從而降低了脫氮速率。態(tài)進(jìn)行了跟蹤監測，結果見(jiàn)表2。當p(DO)超過(guò)1.3 mgL', TN的去除率迅速上升, .到p(D0)=1.5 mgL"時(shí)達到峰值,而后又逐漸衰減，表2絮凝池中氮的變化這表明p(DO)在1.3~3.6 范圍內，發(fā)生的不再是好Table2 Variation of nitrogen in foculation tankmgL'氧(自養"0)反硝化，而是傳統的異養反硝化，因為項目50.12出水減少量去除率%隨氧濃度的增加，氧的穿透能力加強，會(huì )使菌膠團p(NH-N)35.0015.1230.17p(NO2 N)0.250.230.02內部的部分微環(huán)境由厭氧型轉變?yōu)楹醚跣?，氨氧化p(NO, N)11.7113.49-1.78速率提高，亞硝酸鹽及硝酸鹽濃度提高，硝化與反11.9613.72-1.76硝化反應趨于平衡，脫氮速率提高;當氧濃度增加)(TN)62.0848.7213.3621.52到一定程度時(shí)，反硝化反應受阻，會(huì )出現硝酸鹽及亞硝酸鹽的大量積累，脫氮速率降低。從表2中可以看出，氨氮的減少量15.12 mg:L'試驗 采用低曝氣量[(D0)=0.5 mgL門(mén)]以減少不等于硝態(tài)氮的增加量1.76 mgL',表明有13.36能耗，反而取得較好的好氧反硝化效果。國外許多mgL"的氮通過(guò)其它途徑“消失”掉，實(shí)質(zhì)上氨氮以研究19120也3發(fā)現: p(D0)=0.5 mgL",硝化硝態(tài)氮作為電子受體直接被氧化成N2而釋放到大速率等于反硝化速率，會(huì )導致完全的SND發(fā)生。氣中?？捎膳悸?lián)4反應表示: NH2*+O2- >NO2，2.4絮體大小對好氧反 硝化的影響NH4+ +NO2- +N2+2H2OKlangduenl2為了證明SND是- -種物理現象的若沒(méi)有好氧反硝化，p(TN)在整個(gè)絮凝池曝氣假設，做了大量試驗考察絮體大小對SND的影響。過(guò)程中應基本保持不變(除少量物理吹脫和同化作根本的物理中國煤化工anoxic mass用會(huì )引起微量減少外)，p(TN)的明 顯降低(減少了fraction)存在YHCN MH G向絮體的傳13.36 mg:L' )則說(shuō)明確實(shí)有好氧反硝化發(fā)生。遞受到限制。典生的系體八為3U ~i10 um,相對張智等:生活污水的好氧反硝化研究907要比Andreadkisl2]測量的10~70 um大。如此巨大用，在活性污泥菌膠團和生物膜內部會(huì )存在多種多的絮體尺寸會(huì )在絮體內部創(chuàng )造缺氧區(anoxic zone)樣的微環(huán)境類(lèi)型。而導致反硝化發(fā)生(見(jiàn)圖4)。在好氧性微環(huán)境中，由于好氧菌的劇烈活動(dòng),當耗氧速率高于氧傳遞速率時(shí)，可變成厭氧性微環(huán)aerobicDisolved Oxygen Profle境;同樣，厭氧性微環(huán)境在某些條件下，也能轉化inside a floc' aerobieanoxic成好氧性微環(huán)境。- 般而論，既使在好氧性微環(huán)境占主導地位的活性污泥系統中，也常常同時(shí)存在少Oxygen dfusion量的微氧、缺氧、厭氧等狀態(tài)的微環(huán)境。而采用點(diǎn)Large flocSmall floce源性曝氣裝置或曝氣不均勻時(shí)，則易出現較大比例的局部缺氧微環(huán)境。因此曝氣階段會(huì )出現某種程度圖4絮體尺寸對好氧缺氧區比率的影響的反硝化，或稱(chēng)同時(shí)硝化反硝化的現象。Fig. 4 Influence of floc size on aerobic anoxic zoneratio in schematic activated sludge floc4結論(1)好氧反硝化的最適環(huán)境條件為:低溶解氧、國內的觀(guān)點(diǎn)[23)為: - -般絮體的尺寸在0.15 mm高碳氮比和短泥齡27-28]。異氧硝化(Heterotrophic ni-或生物膜厚度超過(guò)0.1 mm的范圍已經(jīng)足夠允許在trification)在自然界中對氨的氧化占了很大部分|29)，傳統的活性污泥處理系統中形成實(shí)際上的反硝化。而異養硝化菌(heterotrophic nitrifiers)相比 自養硝化2.5硝化負荷對好氧反硝化的影響菌(autotrophic nitrifers)通常:增殖更快產(chǎn)量更高、硝化負荷影響氨氮的轉化，負荷太高，硝化反需要更低的溶解氧、對酸性環(huán)境忍耐性更高8，故應不完全，脫氮效果變差。根據經(jīng)驗，硝化負荷小酸性環(huán)境(acidic environment)是 否對好氧反硝化有于NH3-N0.1kgd'(略高于城市污水處理中的氮負利就成為后續深入研究的焦點(diǎn)。荷1240.05 kgd )為宜，當硝化負荷超過(guò)NH3-N 0.1(2)反硝化過(guò)程中，硝酸鹽和亞硝酸鹽按照氧的kgdl時(shí)，出水p(NH3-N)明顯上升，去除率急劇下方式在呼吸作用的電子轉移鏈中(electron transport降，活性污泥結構松散，沉淀池污泥成顆粒狀隨水chain)用作電子受體，對細菌的代謝作用只有較小帶出。的影響8。溶解氧嚴格控制運行下，污泥沉降性能3機理探討得到改善(SVI=80)，肉眼便可觀(guān)察到污泥絮體礬花對于好氧反硝化機理可從生物學(xué)、生物化學(xué)以增大。及物理學(xué)的角度進(jìn)行探討。(3)與缺氧反硝化菌相比，好氧反硝化菌具有:(1)生物學(xué)角度。80年代好氧反硝化菌的重要發(fā)稍低的反硝化速率，在好氧和卻氧之間變動(dòng)的更優(yōu)現，使得好氧反硝化的解釋有了生物學(xué)的依據。已越的生態(tài)小環(huán)境，優(yōu)先利用特定的有機底物(如甲知的好氧反硝化菌[25]有Pseudomonas Spp,醇)3-31?？梢愿鶕涮匦钥刂品磻欣姆较蜻M(jìn)Alcaligenes faecalis, Thiosphaera Pantotrophao行(如進(jìn)水碳氮比不足時(shí)，可以投加甲醇，工程上以(2)生物化學(xué)角度。好氧反硝化所呈現出的最大p(COD)/p(N)=10為控制上限。特征是好氧階段總氮的損失。關(guān)于硝化作用的生物(4)供氧受到限制或缺少有機碳源的條件下，好化學(xué)機制的研究，目前已初步清楚按以下途徑進(jìn)氧反硝化技術(shù)有其獨特的優(yōu)點(diǎn):氨氮和亞硝酸鹽分行: NH3氨-HN-NH2聯(lián)胺-→NH2-OH 羥胺- +N2 氨別作為電子供體和電子受體發(fā)生自養脫氮，使曝氣氣→N2O(HNO)氧化亞氮(硝?；?-→NO氧化氮能耗和有機碳源需求量大大減少。- +NO2亞硝酸- +NO;硝酸。在這個(gè)過(guò)在這個(gè)過(guò)程參考文獻:中，至少有三個(gè)中間產(chǎn)物N2、N2O和NO能以氣體1] 顧夏聲.廢水生物處理數學(xué)模式[M]北京:清華大學(xué)出版社,形式產(chǎn)生，甚至有人261發(fā)現，好氧條件的反硝化會(huì )1993.GU Xiasheng. 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Both mechanism and influencing factors of SND were discussed inthis paper.中國煤化工Key words: ammonia; sewage; aerobic denitrification; dissolved oxygen; p(C)/p(N)MYHCNMH G.