传统的硝化反硝化脱氮工艺是通过硝化过程使氨氮转化为NO3--N, 然后通过反硝化过程使NO3--N 还原为N2来降低处理水中TN 浓度｡国内外的很多研究表明,可以通过控制硝化过程,使微生物氧化氨氮生成中间体NO2--N, 然后利用NO2--N 进行还原反应生成N2,即短程硝化反硝化〔1-2〕｡与传统的硝化反硝化相比,短程硝化反硝化具有以下优点〔3〕:可节省供氧量约25%,能耗低;可节省反硝化碳源约40%, 在C/N 值一定的情况下能提高对TN 的去除率;可减少污泥生成量约50%;可减少硝化过程碱的需求量;反应时间短,可减少反应器容积｡实验利用低DO 和高pH 作为选择条件实现短程硝化反硝化,并通过改变条件以求寻找短程硝化发生转变的条件,该实验研究具有理论探讨和实践应用的双重意义｡
1 材料与方法
1.1 实验装置及流程
实验采用一小型SBR(Sequencing Batch Reactor,序批式间歇反应器),见图1｡
图1 实验装置
实验装置的材质为有机玻璃,反应器尺寸为:30 cm×20 cm×30 m,有效水深为20 cm,总有效容积为12 L｡采用鼓风微孔曝气,通过转子流量计控制曝气量｡每个周期包括进水､曝气､沉淀､排水､闲置5 个阶段｡
1.2 实验进水及接种污泥
为稳定和方便控制实验条件,实验采用人工配制模拟氨氮废水,其组成见表1｡其中微量元素溶液的组成(g/L) 为:MnCl2·4H2O 0.20,NaMoO4·2H2O0.11,CoCl2·6H2O 0.20,ZnSO4·7H2O 0.10,NiCl2·6H2O0.04,FeCl3·6H2O 0.24｡
1.3 分析项目与检测方法COD:重铬酸钾法;NH3-N:纳氏试剂光度法;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 计;DO:DO 测定仪｡实验用药品均为分析纯｡
2 结果与讨论
2.1 短程硝化反应器的启动短程硝化反硝化污泥是在先期培养成熟的硝化反硝化污泥基础上,通过改变反应条件,引起亚硝化菌同硝化菌之间的竞争,导致他们增殖的不平衡,从而发生硝化过程的动力学选择｡一般认为〔4〕,亚硝化菌的适宜pH 为7.0~8.5, 这时硝化速率会达到最大值, 当pH 超过这一范围时, 硝化速率会降低,而硝酸菌最适宜的pH 在6.0~7.5 之间｡因此可以利用2 类细菌的适宜的pH 范围的不同, 来淘汰硝酸菌｡实验通过向进水中投加碳酸氢钠来调节进水pH 在8.5 左右, 使得硝化过程中pH 能维持在7.7~8.6 左右｡
另外参考亚硝酸细菌的饱和常数K0为0.2~0.4mg/L,硝酸细菌的K0为1.2~1.5 mg/L,以及文献〔5〕的研究结果,确定好氧反应的溶解氧在0.35~0.8mg/L｡驯化过程历经24 d,驯化期间进水(进水结束后反应器中混合液)氨氮质量浓度由开始的50.2mg/L 逐渐升高到120.7 mg/L｡驯化期间进水氨氮增加过程中出水氨氮的变化及氨氮去除率的变化如图2 所示,亚硝酸盐的积累情况如图3 所示｡
由图2 可以看出,驯化初期,由于采用较低的曝气量,氨氮的去除率略有下降,但仍然在80%以上,并且很快得到恢复, 至第5 天,NH4+-N 去除率已达到91.3%,出水NH4+-N 在10 mg/L 以下｡表明前期全程硝化污泥的培养比较成熟｡随后每提高进水NH4+-N,NH4+-N 去除率均会在略有下降后迅速恢复｡至第24 天,进水NH4+-N 为120.7 mg/L 时,出水NH4+-N 为5.6 mg/L,NH4+-N 去除率为94.9%｡
结合图2､图3 可知,随着进水NH4+-N 的升高,曝气结束时亚硝化率不断升高,至第18 天,亚硝化率达到52.9%,初步实现短程硝化,至第24 天,亚硝化率达到90.7%, 表明短程硝化已经达到了较高的水平｡
2.2 短程硝化反硝化的稳定性
2.2.1 提高曝气量对短程硝化的影响
短程硝化实现后,为了提高硝化速率,缩短反应时间,逐渐提高曝气量至30､45 L/h,并实时控制曝气时间,考察高曝气量对短程硝化的影响,结果如图4 和图5 所示｡其中实验进水NH4+-N 为85 mg/L 左右,pH 为8.3 左右｡
由图4 可知,随着曝气量的提高,硝化反应结束的时间逐渐提前,曝气量为30 L/h 时,硝化反应时间约为330 min 左右,曝气量为45 L/h 时,硝化反应时间缩短至270 min 左右,大大提高了硝化速率｡不过亚硝化率却有所下降,亚硝化率从曝气量为30L/h 时的82.4%降至45 L/h 时的74.3%,说明还没有把硝酸菌完全淘汰出去, 所以对菌种的选择是实现稳定的短程硝化的关键｡
结合图4､图5 可知,实时控制过程中,不同曝气量下的pH 具有相似的变化规律,并且pH 的变化曲线与氮元素的转化有很好的相关性,可以根据pH的变化特征点控制短程硝化反硝化反应过程｡
2.2.2 降低进水pH 对短程硝化的影响
将进水pH 从8.57 逐渐降低至7.21, 进水NH4+-N 维持在80 mg/L 左右,曝气量为40 L/h,运行15 d,亚硝酸盐积累情况如图6 所示｡
由图6 可知,随着进水pH 的不断降低,亚硝化率并没有下降,一直维持在85%以上,说明前期的高pH 运行成功抑制了硝酸菌的生长, 系统中亚硝酸菌占据着绝对优势, 一旦实现了短程硝化便会使系统稳定下来,即使在较低的pH 条件下,也不会破坏短程硝化的稳定性｡
2.2.3 定时控制对短程硝化的影响
为考察定时曝气对短程硝化的影响, 将实时控制改为定时控制｡结合前期实验数据,固定硝化反应时间为420 min,进水NH4+-N 为80 mg/L 左右,进水pH 为8.0 左右､运行6 d,定时控制对短程硝化的影响如图7､图8 所示｡
结合图7､图8 可知,系统第5 天还处于短程硝化状态,第6 天就已经向全程硝化转化,亚硝化率只有40.7%｡之所以过度曝气会造成亚硝化率的下降,原因可能是由于:(1)反应器开始时即存在少量硝酸菌, 一旦外界环境有利于其生长便会迅速繁殖;(2)短程硝化的产物为亚硝态氮, 而硝酸菌生长所利用的底物正好是亚硝态氮;(3)硝酸菌和亚硝酸菌均是好氧菌, 当短程硝化结束时继续曝气将为硝酸菌氧化亚硝酸盐氮提供充足的溶解氧｡实验表明,实时控制对于维持短程硝化是十分重要的｡具体参见污水技术资料更多相关技术文档。
3 结论
(1)在全程硝化反硝化的基础上,通过降低溶解氧和提高进水pH, 经过24 d 的驯化,成功实现了短程硝化反硝化,NH4+-N 去除率达到94.9%, 亚硝化率达到90.7%｡
(2)曝气量由30 L/h 提高到45 L/h,硝化反应时间则从约为330 min 缩短至270 min,大大提高了硝化速率,而亚硝化率由82.4%降至74.3%｡
(3)进水pH 从8.57 逐渐降低至7.21,亚硝化率并没有下降,一直维持在85%以上,说明前期的高pH 运行成功地抑制了硝酸菌的生长｡
(4)过度曝气容易引起短程硝化向全程硝化的转变, 过度曝气6 d 后, 硝化类型由亚硝化率为90.7%的短程硝化转变为亚硝化率为40.7%的全程硝化｡