生活污水的好氧反硝化研究

生態(tài)環(huán)境2006, 15(5): 905-908htp://wwwjeesci.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 denirification)來(lái)共同完9.3(平均為8.2)，絮凝池pH平均為7.3,成川，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)10 doNO2+0.5O2 NO;(2)NO2+3H(碳源) 0.5N2+2H2O+OH(3)NO3+5H(碳源) 0.5N2+2H2O+OH(4)豆化幫額開(kāi)式(1)和(2)在好氧條件下進(jìn)行，而式(3)和(4)在缺氧條件下進(jìn)行。由式(1)~(4)可知，硝化過(guò)程產(chǎn)目成污泥2州余污波--?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7.14g堿度(CaCO3計)，每反硝化1g 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1gNH-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31試驗用水采用宿舍區生活污水，具體水質(zhì)指標之一見(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. I Nitrogen removal vs (C)Ii(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: _ (NH-N,)/(mg _ P(TN,/(mg:運行條件下發(fā)生SND。近年來(lái),好氧反硝化(Aerobic進(jìn).出7%進(jìn)出_ _ 7%進(jìn)出7%denitrification) [8.9也有不少研究和報道。在許多實(shí)2.418 90.11 58.12 36.88 36.65 73.00 50.54 30.77際運行中的好氧硝化池中也常常發(fā)現有30%的總3.56 2: 5326 89.72 59.38 30.35 48.89 71.08 44.72 37.084.58340 31 90.88 A 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 p( COD)/ p(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)/ p(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%)，隨基金項目:中冶賽迪技術(shù)開(kāi)發(fā)合同(CISD12004-15)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)。E-mail: zhangzhicq@ 163.com收稿日期: 2006-05-09 :906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p(DO)分別為-◆-influent0.2、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。250-fluent! 40，f30230十20-▲removalratio(%)育6(22.533.544.55ρ(C)p(N) .自20圖2 ! TN去除率隨ρ (C)/ ρ (N)變化曲線(xiàn)0 0.511.522.533.54ig2 TN removal ratio vs CINρ (DO)(mgL)此外，氨氮的去除大于總氮，而對于完全的圖3 IN去除率 隨DO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，p(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 mg:L' (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13。這樣p(COD)p(N)對好氧反硝化的影響便太低[(D0)=0.2 mgL勹]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(059;當2.2好氧過(guò)程中的反硝化p(DO)超過(guò)0.5 mg:L",污泥充氧劇烈，大顆粒絮體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 mg:L='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 foclation tankmgL'氧(自養"0)反硝化，而是傳統的異養反硝化，因為進(jìn)水出水減少量去除率%p(NH-N)50.1215.1230.17隨氧濃度的增加，氧的穿透能力加強，會(huì )使菌膠團p(NO2~ N) .0.250.230.028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ANO, N)11.9613.72-1.76硝化反應趨于平衡，脫氨速率提高;當氧濃度增加__P(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 mgL'試驗采用低曝氣量[p(D0)-=0.5 mgL]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 71910也發(fā)現: p(DO)=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+2H2OKlangduenl21為了證明SND是一種物理現象的若沒(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解釋為:密實(shí)的缺氧核(anoxicmass用會(huì )引起微量減少外), p(TN)的明 顯降低(減少了fraction)存在于生物絮體中心，導致氧向絮體的傳13.36 mgL )則說(shuō)明確實(shí)有好氧反硝化發(fā)生。遞受到限制。典型的絮體尺寸為50~110 pum,相對張智等:生活污水的好氧反硝化研究907要比Andreadkis22)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)aerobicDissolved Oxygen Profile境;同樣，厭氧性微環(huán)境在某些條件下，也能轉化inside a floenorie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 floeSmall floc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 acrobic 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)因為:一-般 絮體的尺寸在0.15 mm高碳氮比和短泥齡2728。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trifcation)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(heterotrophice 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NH-N 0.1 kgd (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kgd'時(shí)，出水p(NH;-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)以曾大。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。C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)30-31?？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-→H2N-NH2聯(lián)胺-→NH2-OH 羥胺-→N2 氮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。一+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20發(fā)現，好氧條件的反硝化會(huì )1993.產(chǎn)生比缺氧條件反硝化時(shí)更多的N2O中間產(chǎn)物。GU Xiasheng Mathematical mode of wastewater biologicaltreatment[M]. 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