傳統(tǒng)的硝化反硝化脫氮工藝是通過硝化過程使氨氮轉(zhuǎn)化為NO3--N, 然后通過反硝化過程使NO3--N 還原為N2來降低處理水中TN 濃度｡國內(nèi)外的很多研究表明,可以通過控制硝化過程,使微生物氧化氨氮生成中間體NO2--N, 然后利用NO2--N 進行還原反應(yīng)生成N2,即短程硝化反硝化〔1-2〕｡與傳統(tǒng)的硝化反硝化相比,短程硝化反硝化具有以下優(yōu)點〔3〕:可節(jié)省供氧量約25%,能耗低;可節(jié)省反硝化碳源約40%, 在C/N 值一定的情況下能提高對TN 的去除率;可減少污泥生成量約50%;可減少硝化過程堿的需求量;反應(yīng)時間短,可減少反應(yīng)器容積｡實驗利用低DO 和高pH 作為選擇條件實現(xiàn)短程硝化反硝化,并通過改變條件以求尋找短程硝化發(fā)生轉(zhuǎn)變的條件,該實驗研究具有理論探討和實踐應(yīng)用的雙重意義｡
1 材料與方法
1.1 實驗裝置及流程
實驗采用一小型SBR(Sequencing Batch Reactor,序批式間歇反應(yīng)器),見圖1｡
圖1 實驗裝置
實驗裝置的材質(zhì)為有機玻璃,反應(yīng)器尺寸為:30 cm×20 cm×30 m,有效水深為20 cm,總有效容積為12 L｡采用鼓風(fēng)微孔曝氣,通過轉(zhuǎn)子流量計控制曝氣量｡每個周期包括進水､曝氣､沉淀､排水､閑置5 個階段｡
1.2 實驗進水及接種污泥
為穩(wěn)定和方便控制實驗條件,實驗采用人工配制模擬氨氮廢水,其組成見表1｡其中微量元素溶液的組成(g/L) 為:MnCl2·4H2O 0.20,NaMoO4·2H2O0.11,CoCl2·6H2O 0.20,ZnSO4·7H2O 0.10,NiCl2·6H2O0.04,FeCl3·6H2O 0.24｡
1.3 分析項目與檢測方法COD:重鉻酸鉀法;NH3-N:納氏試劑光度法;NO3--N:紫外分光光度法;NO2--N:N-(1-萘基)-乙二胺光度法;MLSS:重量法;pH:pH 計;DO:DO 測定儀｡實驗用藥品均為分析純｡
2 結(jié)果與討論
2.1 短程硝化反應(yīng)器的啟動短程硝化反硝化污泥是在先期培養(yǎng)成熟的硝化反硝化污泥基礎(chǔ)上,通過改變反應(yīng)條件,引起亞硝化菌同硝化菌之間的競爭,導(dǎo)致他們增殖的不平衡,從而發(fā)生硝化過程的動力學(xué)選擇｡一般認為〔4〕,亞硝化菌的適宜pH 為7.0~8.5, 這時硝化速率會達到最大值, 當(dāng)pH 超過這一范圍時, 硝化速率會降低,而硝酸菌最適宜的pH 在6.0~7.5 之間｡因此可以利用2 類細菌的適宜的pH 范圍的不同, 來淘汰硝酸菌｡實驗通過向進水中投加碳酸氫鈉來調(diào)節(jié)進水pH 在8.5 左右, 使得硝化過程中pH 能維持在7.7~8.6 左右｡
另外參考亞硝酸細菌的飽和常數(shù)K0為0.2~0.4mg/L,硝酸細菌的K0為1.2~1.5 mg/L,以及文獻〔5〕的研究結(jié)果,確定好氧反應(yīng)的溶解氧在0.35~0.8mg/L｡馴化過程歷經(jīng)24 d,馴化期間進水(進水結(jié)束后反應(yīng)器中混合液)氨氮質(zhì)量濃度由開始的50.2mg/L 逐漸升高到120.7 mg/L｡馴化期間進水氨氮增加過程中出水氨氮的變化及氨氮去除率的變化如圖2 所示,亞硝酸鹽的積累情況如圖3 所示｡
由圖2 可以看出,馴化初期,由于采用較低的曝氣量,氨氮的去除率略有下降,但仍然在80%以上,并且很快得到恢復(fù), 至第5 天,NH4+-N 去除率已達到91.3%,出水NH4+-N 在10 mg/L 以下｡表明前期全程硝化污泥的培養(yǎng)比較成熟｡隨后每提高進水NH4+-N,NH4+-N 去除率均會在略有下降后迅速恢復(fù)｡至第24 天,進水NH4+-N 為120.7 mg/L 時,出水NH4+-N 為5.6 mg/L,NH4+-N 去除率為94.9%｡
結(jié)合圖2､圖3 可知,隨著進水NH4+-N 的升高,曝氣結(jié)束時亞硝化率不斷升高,至第18 天,亞硝化率達到52.9%,初步實現(xiàn)短程硝化,至第24 天,亞硝化率達到90.7%, 表明短程硝化已經(jīng)達到了較高的水平｡
2.2 短程硝化反硝化的穩(wěn)定性
2.2.1 提高曝氣量對短程硝化的影響
短程硝化實現(xiàn)后,為了提高硝化速率,縮短反應(yīng)時間,逐漸提高曝氣量至30､45 L/h,并實時控制曝氣時間,考察高曝氣量對短程硝化的影響,結(jié)果如圖4 和圖5 所示｡其中實驗進水NH4+-N 為85 mg/L 左右,pH 為8.3 左右｡
由圖4 可知,隨著曝氣量的提高,硝化反應(yīng)結(jié)束的時間逐漸提前,曝氣量為30 L/h 時,硝化反應(yīng)時間約為330 min 左右,曝氣量為45 L/h 時,硝化反應(yīng)時間縮短至270 min 左右,大大提高了硝化速率｡不過亞硝化率卻有所下降,亞硝化率從曝氣量為30L/h 時的82.4%降至45 L/h 時的74.3%,說明還沒有把硝酸菌完全淘汰出去, 所以對菌種的選擇是實現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化的關(guān)鍵｡
結(jié)合圖4､圖5 可知,實時控制過程中,不同曝氣量下的pH 具有相似的變化規(guī)律,并且pH 的變化曲線與氮元素的轉(zhuǎn)化有很好的相關(guān)性,可以根據(jù)pH的變化特征點控制短程硝化反硝化反應(yīng)過程｡
2.2.2 降低進水pH 對短程硝化的影響
將進水pH 從8.57 逐漸降低至7.21, 進水NH4+-N 維持在80 mg/L 左右,曝氣量為40 L/h,運行15 d,亞硝酸鹽積累情況如圖6 所示｡
由圖6 可知,隨著進水pH 的不斷降低,亞硝化率并沒有下降,一直維持在85%以上,說明前期的高pH 運行成功抑制了硝酸菌的生長, 系統(tǒng)中亞硝酸菌占據(jù)著絕對優(yōu)勢, 一旦實現(xiàn)了短程硝化便會使系統(tǒng)穩(wěn)定下來,即使在較低的pH 條件下,也不會破壞短程硝化的穩(wěn)定性｡
2.2.3 定時控制對短程硝化的影響
為考察定時曝氣對短程硝化的影響, 將實時控制改為定時控制｡結(jié)合前期實驗數(shù)據(jù),固定硝化反應(yīng)時間為420 min,進水NH4+-N 為80 mg/L 左右,進水pH 為8.0 左右､運行6 d,定時控制對短程硝化的影響如圖7､圖8 所示｡
結(jié)合圖7､圖8 可知,系統(tǒng)第5 天還處于短程硝化狀態(tài),第6 天就已經(jīng)向全程硝化轉(zhuǎn)化,亞硝化率只有40.7%｡之所以過度曝氣會造成亞硝化率的下降,原因可能是由于:(1)反應(yīng)器開始時即存在少量硝酸菌, 一旦外界環(huán)境有利于其生長便會迅速繁殖;(2)短程硝化的產(chǎn)物為亞硝態(tài)氮, 而硝酸菌生長所利用的底物正好是亞硝態(tài)氮;(3)硝酸菌和亞硝酸菌均是好氧菌, 當(dāng)短程硝化結(jié)束時繼續(xù)曝氣將為硝酸菌氧化亞硝酸鹽氮提供充足的溶解氧｡實驗表明,實時控制對于維持短程硝化是十分重要的｡具體參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
(1)在全程硝化反硝化的基礎(chǔ)上,通過降低溶解氧和提高進水pH, 經(jīng)過24 d 的馴化,成功實現(xiàn)了短程硝化反硝化,NH4+-N 去除率達到94.9%, 亞硝化率達到90.7%｡
(2)曝氣量由30 L/h 提高到45 L/h,硝化反應(yīng)時間則從約為330 min 縮短至270 min,大大提高了硝化速率,而亞硝化率由82.4%降至74.3%｡
(3)進水pH 從8.57 逐漸降低至7.21,亞硝化率并沒有下降,一直維持在85%以上,說明前期的高pH 運行成功地抑制了硝酸菌的生長｡
(4)過度曝氣容易引起短程硝化向全程硝化的轉(zhuǎn)變, 過度曝氣6 d 后, 硝化類型由亞硝化率為90.7%的短程硝化轉(zhuǎn)變?yōu)閬喯趸蕿?0.7%的全程硝化｡
