城市污水处理过程中不同形态氮类营养物的转化特性

2017-03-15 08:51:50 9

  城市污水中的氮类营养物可分为有机氮和无机氮两大类,其中有机氮可分为:颗粒态有机氮(PON)和溶解态有机氮(DON)2种;无机氮包括氨氮(NH3-N)、硝态氮(NO3-N)和亚硝态氮(NO2-N)。污水进入二级生物处理系统(AAO、氧化沟、SBR等)后,无机氮元素在硝化/反硝化细菌作用下转化环境工程学报第9卷成N2 排出系统[1]。随着我国水环境质量的持续恶化[2],已有的标准和规范对污水厂出水总氮排放量的控制愈加严格[3];为此研究人员针对污水处理工艺和系统操作参数进行大量的研究并进行了改进与优化,确保处理水总氮指标能达到排放标准[4-6],但对处理水中氮营养盐的赋存形态却少有研究。与此同时,污水厂进水中的有机氮、无机氮在污水处理过程中不同工艺单元内的去除规律和转化特性,迄今为止鲜有文献报道。

  基于此,本文以采用A/A/O生物处理工艺的西安市某污水处理厂为研究对象,通过对污水处理工艺过程中氮元素赋存形态进行分析,以期揭示氮元素在污水处理过程中的迁移转化规律,对今后污水处理厂出水TN排放指标的进一步控制具有理论参考意义。

  1 研究方法

  1.1 分析方法

  该实验所用水样取自西安市第五污水处理厂,该水厂采用A/A/O处理工艺,处理规模约每天20万t,生物池采用微孔曝气,有效水深8.0m,生物池水力停留时间16.5h(其中厌氧池2h,缺氧池5.5h,好氧池9h)。污水厂处理流程以及取样点如图1所示。此次研究选择细格栅出水作为系统总进水,二沉池出水作为总出水。

  污水中不同形态氮营养物组分之间关系如图2所示,其中颗粒态氮(particulatenitrogen,PN)和溶解态氮(dissolvednitrogen,DN)用孔径为0.45μm滤膜区分。溶解态氮又包括溶解态有机氮(dissolve-dorganicnitrogen,DON)和溶解态无机氮(dissolvedinorganicnitrogen,DIN);颗粒态氮包括颗粒态有机氮(particulateorganicnitrogen,PON)和少量吸附在颗粒上的溶解态氮,称为吸附性氮(adsorptionofni-trogen,AN)。

  取500mL污水,首先混匀后测量污水总氮(TN1)和SS,再取100mL水样用0.45μm滤膜过滤,得到滤液和滤渣两部分。测量滤液中的总氮(TN2)和总无机氮(TIN),包括NH+4 -N、NO-3 -N和NO-2 -N。将滤渣用纯水洗脱到100mL的锥形瓶中,在25℃、200r/min下震荡2h,再5000r/min离心5min[7],最后定容到100mL,过0.45μm滤膜,测量滤液中的TN3、NH+4 -N、NO-3 -N和NO-2 -N,滤液中的氮叫做吸附性氮(AN)。

 

  PN=TN1 -TN2 DN=TN2 AN=TN3

  PON=PN-AN DON=TN2 -TIN

  TN、NH+4 -N、NO-3 -N和NO-2 -N的测量均采用北京谱析通用仪器有限责任公司生产的TU-1901双光束紫外可见分光光度计,测量方法均采用《水和废水监测分析方法》(第4版)上的标准方法,使用试剂均为标准方法上要求的优级纯试剂。

  沉淀泥中总氮包括PON和一部分吸附在颗粒表面的AN。取曝气沉砂池和初沉池的沉淀物,在50℃下恒温烘干,研磨成粉末状,称0.2g,分成2等份。第1部分加入50mL的水,移到100mL的锥形瓶中,在25℃、200r/min下震荡2h,再5000r/min离心5min,最后定容到100mL,过0.45μm滤膜,测量滤液中的TN、NH+4 -N、NO-3 -N和NO-2 -N。这部分氮为吸附性的氮(AN),其中DON=TN-NH+4 -NNO-3 -N-NO-2 -N。第2部分溶于50mL的水,用凯氏定氮法测量凯氏氮(KN)。PON=KN-NH+4 -N-DON。

  1.2 实验室模拟实验

  建立反应器(见图3),选择与污水厂相同的工艺参数,模拟溶解性有机氮在生物反应池中的降解。取回流污泥作为反应器接种泥,反应器内污水取自初沉池出水,调节MLSS在4000~5000mg/L之间。

 

  在恒温条件下分3个阶段运行,分别是厌氧条件下反应2h,缺氧条件下反应5.5h,好氧条件下反应9h,在反应过程中要持续搅拌。厌氧过程结束后(2h),向反应器中加入大约10mg/LKNO3,并且在好氧段开始时,打开曝气装置,使容器中溶解氧达到2mg/L以上,以模拟整个A/A/O处理过程。取样时间如图3所示,并用0.45μm滤膜过滤,测量TN、NH+4 -N、NO-3 -N和NO-2 -N。

  2 结果与讨论

  2.1 一级处理系统中氮营养物的分布

  2.1.1 污水中氮组分分布

  从表1可以看出,进水总氮含量为(80.52±1.4)mg/L,PN和DN含量分别为41.24mg/L和39.28mg/L,比例分别为51.24%和48.78%。不同形态氮类营养物分布如表1所示,其中DIN是DN的主要成分,比例占93.2%(36.61mg/L),其中以氨氮为主。而DN中有机氮(DON)含量很少,仅有2.67mg/L。PN主要由PON组成,所占比例高达96.58%,其余3.42%为AN。AN主要有硝态氮和DON,分别占AN的53.19%和27.66%,而氨氮在AN的含量极少。

  曝气沉砂池出水氮组分分布和进水中相似,进水总氮含量为73.43mg/L,PN和DN含量分别为35.04mg/L和38.39mg/L,比例分别为47.72%和52.28%。不同形态氮类营养物分布如表2所示,其中DN 主要还是以氨氮为主,PN 比进水减少了6.2mg/L,但吸附性氮(AN)含量几乎没有变化。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。

  在一级出水(初沉池出水)中总氮含量为60.46mg/L,PN和DN还是以PON和DIN为主,所占比例均大于90%。出水中总有机氮(PON+DON)浓度为24.3mg/L,占总氮的40.19%,其中又以PON为主,大约占TON的90.16% (见表3)。这与Czer-wionka[8]的研究结果相吻合,其对8个污水厂(BNR工艺)一级出水中有机氮进行了调查,研究表明,一级出水中总有机氮(TON)含量在15.5~35mg/L之间,占总氮24% ~45%,其中主要以PON为主,均占50%以上,最大可达到78%。

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