DO浓度对OGO系统同步硝化反硝化脱氮的影响

范 寅,罗固源,张 园

(重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400045)

DO浓度对OGO系统同步硝化反硝化脱氮的影响

范 寅,罗固源,张 园

(重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400045)

采用改良OGO工艺处理模拟城市生活污水,考察了溶解氧(DO)浓度对其同步硝化反硝化(SND)脱氮的影响。试验设计了好氧区中段DO浓度在1.0 mg/L、2.0 mg/L以及3.8 mg/L左右的三种工况,研究了OGO系统同时硝化反硝化脱氮的效果。结果表明,好氧区中段最佳DO浓度为2.0 mg/L左右,此时系统的外环发生明显的同步硝化反硝化现象,系统的硝化和反硝化效果较好,其对 TN的平均去除量占OGO系统对 TN去除量的48.89%,系统对 TN的平均去除率达到74.80%以上。

OGO反应器;DO;同步硝化反硝化;生物脱氮

Abstract:The OGO reactor was used to treat domestic wastewater.The effect of DO concentration on simultaneous nitrification and denitrification(SND)in themiddle of aerobic area was investigated.Different DO concentration in the middle of aerobic area was designed,thatwas 1.0 mg/L,2.0 mg/L and 3.8 mg/L,to study the effect of the nitrogen removal on simultaneous nitrification and denitrification in OGO reactor system.The results showed that the op timal DO concentration in the middle of aerobic area is about 2.0 mg/L.A t this level,obvious phenomenon of simultaneous nitrification and denitrification occurs in the system,the OGO system can obtain favo rable nitrificationdenitrification.The p roportion of SND nitrogen removal in the total nitrogen removal is about 48.89%,and the average removal efficiency of TN in OGO system is over 74.80%.

Key words:OGO reactor;DO concentration;simultaneous nitrification and denitrification;biological nitrogen removal

同步硝化反硝化(SND)是指在空间上没有明显缺氧和好氧分区或者在时间上没有缺氧/好氧交替的条件下,硝化和反硝化反应在空间和时间上同步进行的生物脱氮过程。

研究表明,DO是影响同步硝化反硝化效果的重要因素之一。笔者采用OGO反应器处理生活污水,考察了系统的同步硝化反硝化脱氮效果和好氧区中段的DO浓度对其同步硝化反硝化(SND)脱氮的影响。

1 试验装置与方法

1.1 试验流程与装置

OGO反应器是在改进OCO反应器内同心圆内隔墙结构和混合液回流的设备配置的一种新型反应器[1]。反应流程如图1所示。反应器以有机玻璃板加工制成,总有效容积145 L,其中厌氧区、缺氧区与好氧区(以圆环容积计)的容积比约为 1∶3.2∶4.6,有效水深40 cm。原水经蠕动泵计量后随沉淀池的回流污泥一起进入厌氧区底部,从上部开口流经缺氧区、混合区、好氧区,并在反应器中形成环流循环;混合液则从外环好氧区流至沉淀池进行泥水分离。试验期间反应器按下述参数运行:总水力停留时间(HRT)10 h,污泥回流比70%,污泥龄(SRT)为18～20 d。试验温度为22～28℃。

图1 OGO工艺试验流程图

1.2 试验水质及分析测试方法

试验用水由学生宿舍生活污水加自来水混合而成,同时加入一定量的 KH2PO4、NH4Cl、乙酸钠、葡萄糖、奶粉和无水Na2CO3,使其接近中等浓度城市污水情况,试验用水水质及其分析方法参照《水和废水检测分析方法》(第4版)[2]。OGO稳定运行期间的进水水质:COD为250～450 mg/L、TN为31～43.5 mg/L、NH3-N 为 28～38 mg/L、P3O4-P为3.6～5.8 mg/L、TP为4～6 mg/L。

2 结果与讨论

当系统运行稳定以后,对系统的处理效果进行监测。当进水TN和NH3-N分别为31.82～42.78 mg/L和27.95～39.75 mg/L时,出水的 TN和 NH3-N可降至6.35～11.21 mg/L和0.97～2.26 mg/L,系统对TN和N H3-N的平均去除率达到75.23%和94.52%。

2.1 外环脱氮效果

OGO系统的缺氧、好氧及混合区由隔墙和导流墙分隔(见图1),但鉴于各区域的开放特性,本研究将它们称为OGO系统的外环,并将外环作为一个整体来分析。

将测定数据取平均值做图2。如图2所示:在外环中 TN和NH3-N的浓度均有大幅度降低,减少量分别达到13.77 mg/L和18.79 mg/L,而硝酸盐氮仅增加5.02 mg/L,在外环中发生了明显的硝化和反硝化反应。

由于曝气装置仅安装在好氧区的前半部,通过对反应器内DO的检测,发现其在整个外环中具有明显的浓度梯度。取样分布图如图3所示。由表1可见,在外环中 TN、NH3-N的浓度基本上没有随DO的变化而表现出明显的差异。取样点3与邻近取样点2相比,底物浓度略有升高,这可能是因为厌氧区出水口正位于该点,厌氧出水与隔墙内侧混合液混合不均引起的。在整个外环中,仅NH3-N在混合液流经好氧区时略有降低。

图2 OGO系统各区TN、NH3-N、硝酸盐氮的平均浓度变化

图3 OGO系统取样分布图

因此,发生在外环的硝化和反硝化作用可能并不是分别局限地发生于某些确定的区域,而更可能是在一定程度上受到DO浓度梯度的影响而不均匀地分布于整个外环中,故此认为在外环中发生的硝化和反硝化作用是同步硝化反硝化(SND)脱氮[3]。

由于系统特定的曝气方式在外环形成了明显的好氧段和缺氧段,因此宏观分区理论适用于外环中发生的SND现象[4]。

2.2 DO浓度对同步硝化反硝化的影响

在OGO系统稳定运行后,通过改变曝气量来控制好氧区中段的DO浓度,考察其对同步硝化反硝化的影响,按好氧区中部的不同DO浓度将试验分为3种工况,各工况下的DO浓度见表2。

表1 OGO系统DO、TN、NH3-N、硝酸盐氮的浓度变化 mg/L

表2 不同工况下好氧区中段DO的浓度

2.2.1 工况Ⅰ的试验结果

在工况Ⅰ的DO浓度的条件下,系统进水及各区出水的氮浓度如表3所示。

由表3数据可以看出,系统出水中的N H3-N的平均浓度很低,为0.21 mg/L,而硝态氮和 TN的平均浓度却较高,分别为15.45m g/L和16.85 mg/L,由此可见,当好氧区中段的DO浓度升高到3.8 mg/L左右时,虽然OGO系统的硝化效果很好,但是反硝化效果很差,因此 TN的去除效果明显下降;另外由表3的数据计算可知,外环同步硝化反硝化脱氮量与系统总氮去除量的比值(简称SND/TN)仅为40.48%,系统对TN的平均去除率为57.74%。

表3 工况Ⅰ的系统中氮浓度变化 mg/L

当好氧区中段DO浓度升高后,导致系统整体脱氮效果及同步硝化反硝化脱氮效果变差的原因可能有两个方面:一是好氧区至缺氧区的回流混合液中携带有大量的氧气分子,在缺氧区末端DO达到1.2 mg/L,破坏了稳定运行状态下宏观分区的缺氧环境,使反硝化不完全,从而引起脱氮效果变差;二是较高的DO浓度破坏了颗粒污泥内部的缺氧微环境,从而降低了系统同步硝化反硝化脱氮的能力[5]。

2.2.2 工况Ⅱ的试验结果

在工况Ⅱ的溶解氧浓度的条件下,系统进水及各区出水的氮浓度如表4所示。

表4 工况Ⅱ的系统中氮浓度变化 mg/L

由表 4中的数据可以看出,系统出水中的NH3-N的平均浓度为1.53mg/L,硝态氮和 TN的平均浓度分别为6.86 mg/L和9.56 mg/L,由此可见,当好氧区中段的DO浓度控制在1.8～2.0 mg/L时,OGO系统的硝化和反硝化效果都较好,对TN的平均去除率达到74.80%;另外由表4的数据计算可知,OGO系统外环中的同步硝化反硝化脱氮更加明显,SND/TN平均值为48.89%。

2.2.3 工况Ⅲ的试验效果

在工况Ⅲ的溶解氧浓度的条件下,系统进水及各区出水的氮浓度如表5所示。

表5 工况Ⅲ的系统中氮浓度变化 mg/L

由表5可以看出,系统出水的NH3-N的平均浓度为9.51 mg/L,硝态氮的平均浓度为5.32 mg/L,TN的平均浓度为16.02 m g/L,系统 TN的平均去除率仅为60.77%。出水 TN中有57.98%是以氨氮形式存在的,而硝酸盐氮和亚硝酸盐氮占32.40%;而在工况Ⅰ、Ⅱ中,出水 TN主要是以硝态氮的形式存在的,NH3-N所占的比例极低。由此可见,好氧区中段的溶解氧浓度降低到约1.0 mg/L时,系统的硝化反应进行的很不充分。虽然SND/TN的平均值为51.17%,但是系统对 TN的平均去除率仅为60.77%。

根据表3～5中的数据,在不同的DO浓度下TN的去除率和外环同步硝化反硝化(SND)脱氮效果如图4所示。

图4 不同DO浓度下OGO系统对TN的去除效果

由图4可以看出,从变化工况到系统出水基本稳定的时间大约为3～5 d。系统 TN的去除率及SND/TN值在DO浓度变化的影响下,波动较大。但从总体来看,当好氧区中段DO浓度在2.0 mg/L左右时,系统对 TN的去除率及SND/TN值均较高。

综上所述,好氧区中段的DO浓度过高或过低都不利于OGO系统对 TN的去除。在该试验条件下,工况Ⅱ中的DO浓度值最佳,此时系统对 TN的去除率最高,且外环中同步硝化反硝化脱氮的效果最佳。

2.3 不同DO浓度下OGO系统出水中氮形态的变化规律

由表3～5可以看出,随着好氧区中段DO浓度的改变,系统出水氮形态也发生相应的改变。当DO浓度为1.0 mg/L左右时,系统出水中 TN主要是以氨氮形式存在;当DO浓度为2.0 mg/L左右时,系统出水主要以硝态氮形式存在;当DO浓度为3.8 m g/L左右时,系统出水氨氮几乎为零。由此可知,DO浓度的升高有利于系统中硝化反应的进行,但对反硝化反应有抑制作用。

3 结论

3.1 外环中的硝化和反硝化作用在一定程度上受到DO浓度梯度的影响而不均匀地分布于整个外环中,即在外环中发生的硝化和反硝化作用是同时硝化反硝化(SND)脱氮。

3.2 当好氧区中段DO浓度为2.0 mg/L左右时,系统对 TN的去除效果最好,平均去除率达到74.80%,此时外环中同步硝化反硝化的效果也较好,外环同步硝化反硝化对 TN的平均去除量占系统对TN去除量的48.89%。

[1] 罗固源,许晓毅,唐 刚,等.OGO工艺处理城市污水脱氮除磷试验研究[J].中国给水排水,2006,22(3):69-72.

[2] 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M].第4版.北京:中国环境科学出版社,2006.

[3] 罗固源,吴姝媛,许晓毅,等.OGO工艺处理城市污水脱氮效果及机理初探[J].重庆大学学报(自然科学版),2007,(6):125-128,136.

[4] M ENG Qingjuan,YANG Fenglin,L IU Lifen,et al.Effects of COD/N ratio and DO concentration on simultaneous nitrification and denitrification in an airlift internal circulation membrane bioreactor[J].Journal of Environmental Sciences,2008,(20):933-939.

[5] Sen Priyali,Dentel Steven K.Simultaneous nitrification denitrification in a Fluidized Bed Reacto r[J].Water SciTechnol,1998,38(1):247-254.

Effects of DO Concen tration on Simultaneous Nitrification and Den itrification in OGO Reactor System

FAN Yin,LUO Gu-yuan,ZHANG Yuan

(Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region,Ministry of Education,Chongqing University,Chongqing 400045,China)

X703.1

A

1674-2842(2010)03-0001-04

2009-11-01

国家自然科学基金资助项目(50378095)

范 寅(1984-),女,湖北孝感人,硕士研究生,研究方向为水污染控制原理与技术。E-mail:fanyin112@163.com