中试MBBR装置强化氨氮去除速率的影响条件研究

郑 敏 ,杨 波 ,汪诚文 *,贾捍卫 (.清华大学环境学院,北京 00084；.邯郸市环境保护局,河北 邯郸05600；.北京国环清华环境工程设计研究院,北京 00084)

中试MBBR装置强化氨氮去除速率的影响条件研究

郑 敏1,杨 波2,汪诚文1*,贾捍卫3(1.清华大学环境学院,北京 100084；2.邯郸市环境保护局,河北 邯郸056002；3.北京国环清华环境工程设计研究院,北京 100084)

采用中试MBBR组合工艺处理深圳市布吉河道的城镇污水,进水平均氨氮浓度为(25.88±7.73)mg/L,出水平均为(1.11±1.93)mg/L.单因素小试研究表明,反应器中挂有生物膜的悬浮填料具有强化氨氮去除的效果,投加该填料时获得的比氨氧化速率比采用活性污泥进行反应提高了 25.5%;试验条件下通过投加甲醇将 COD从 139mg/L提高至 587mg/L,比氨氧化速率从 2.55mg/(gMLVSS·h)下降至1.91mg/(gMLVSS·h);当MLVSS浓度从0.45g/L逐步提高到4.05g/L时,容积氨氧化速率从3.68mg/(L·h)线性增加至7.82mg/(L•h),拟合度R2为0.967,但比氨氧化速率随MLVSS浓度的提高反而逐渐下降,从8.24mg/(gMLVSS·h)降至1.93mg/(gMLVSS·h);当温度从5℃升高到35℃,比氨氧化速率从0.99mg/(gMLVSS·h)提高至2.89mg/(gMLVSS·h),采用Arrhenius经验方程描述时,拟合度R2为0.970;当DO浓度从0.5mg/L逐步增加至4.0mg/L时,比氨氧化速率从0.62mg/(gMLVSS·h)提高至2.28mg/(gMLVSS·h),Monod方程可以很好的描述DO浓度与比氨氧化速率之间的关系,拟合度R2为0.994,氨氧化半饱和常数值为3.0mg O2/L.

移动床生物膜反应器；氨氮去除率；氨氧化速率；悬浮填料

当前,无论是新建或改建的活性污泥法污水处理厂,在工艺单元操作中生物脱氮尤其是氨氮的硝化都是操作中重点调控的目标,其中氨氮的硝化效果是决定出水氨氮的关键因素之一[1].在20世纪 90年代中期,由国外开发的悬浮填料移动床(MBBR)工艺通过以密度接近于水的悬浮填料投加到曝气池中作为微生物的载体,并依靠曝气池内的曝气和水流的提升作用处于流化状态实现载体填料与污水的充分接触反应.研究表明,该工艺对硝化过程和生物脱氮效率的提升具有直接的作用[2-5],一些研究者分别在实验室和中试等规模研究影响MBBR工艺硝化过程的因素,包括碱度、氧受限、污泥负荷、生物膜菌群等[6-10].

本试验以中试规模处理城镇河道污水的MBBR组合工艺为研究对象,通过直接从中试反应器取出污泥样品与城镇的河道污水混合进行小试单因素试验研究的方法,分别考察了投加悬浮填料、COD、MLVSS、温度、及DO浓度对氨氮去除过程的影响,分析了中试MBBR工艺强化去除氨氮的原因.

1 材料与方法

1.1 试验装置

中试试验装置处理水量为 140m3/d,进水经鼓细格栅后进入生化处理工段,依次设有预缺氧池、厌氧池、缺氧池、填料好氧池和好氧池,每个反应池的HRT分别为1.5,1.5,2.0,2.5,3.5h,后接平流沉淀池,污泥外回流,自沉淀池回流至预缺氧池,回流比为 100%,混合液内回流自好氧池回流至缺氧池,回流比为200%,运行期间SRT控制在10d左右,好氧池MLVSS为1.2～1.8g/L.在填料好氧池中投加 K3悬浮填料,填料材质为聚丙烯塑料,填充率为30%.K3填料总表面积680m2/m3,设计有效比表面积 500m2/m3,直径 25mm,高度12mm,采用高密度聚乙烯(HDPE)中空吹塑成形,具有较好的抗冲击、防老化、防褪色的特点.填料重量为1.026g/个,整齐堆积密度约100kg/m3.

1.2 试验用水水质

深圳市布吉城镇河道污水作为中试反应器进水,夏季和冬季水温分别为 25～30℃和 12～20℃,COD平均为(118.8±43.3)mg/L和(259.1± 34.5)mg/L,氨氮平均为(15.72±4.61)mg/L 和(32.30±3.63)mg/L,TN平均为(22.1±4.00)mg/L和(37.2±2.30)mg/L,TP平均为(1.82±0.62)mg/L和(4.25±0.53)mg/L.

1.3 实验方法

采用单因素小试试验考察不同条件对氨氮去除速率的影响.小试实验装置为 17.5L容积的圆柱形温控反应器,底部设曝气系统,通过电动搅拌器维持反应器内混合液的均匀混合.试验开始前,通过从中试反应器好氧池现场取得的活性污泥与采集的污水混合,控制投加不同体积的沉降浓缩活性污泥以实现不同的污泥浓度调节.将污水与污泥进行搅拌混合,并加入适量氯化铵溶液控制混合液起始氨氮浓度约为50.0mg/L,1h后开始进行计时曝气硝化.实验过程中,以 1h为时间单位取样过滤后测定氨氮浓度,不同批次试验的控制的条件如表1所示.

表1 小试单因素试验条件控制Table 1 Conditions in the single factor tests

根据试验测定氨氮浓度氧化至 1.0mg/L(不足1.0mg/L时按最小值计算)所需时间Δt和在Δt时间内氨氮浓度的减少值(NH4+-N)氧化,根据彭永臻等[11]的研究采用公式(1)、(2)分别计算容积氨氧化速率r和比氨氧化速率k:

式中:MLVSS为小试反应器内的混合液挥发性悬浮固体浓度.

1.4 分析方法

MLVSS:马弗炉灼烧法;COD:标准重铬酸钾法;NH4+-N:纳氏试剂光度法;TN:过硫酸钾氧化紫外分光光度法;TP:钼酸铵分光光度法;DO浓度和温度通过便携式溶解仪(Hach,HQ30d)测定.

2 结果与讨论

2.1 中试MBBR工艺对氨氮的强化去除效果

图1显示了2008年7月11日至2009年8月1日期间中试工艺对氨氮的去除效果.结果表明,进水平均氨氮浓度为(25.88±7.73) mg/L,在一年中随季节的变化而变化,从 2008年11月 15日,中试反应器因施工原因停工1个月后重新启动,因而启动初期的出水氨氮浓度较高,但在夏季或冬季的稳定运行期间,出水氨氮浓度均能稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》[12]中的一级 A排放标准,出水氨氮平均为(1.11± 1.93)mg/L,平均去除率为 95.7%.在冬季水温较低时仍能保持较高的氨氮去除效果表明部分中试运行的条件可能是强化氨氮去除效果的原因,通过小试试验进一步研究了悬浮填料、COD、MLVSS、温度和DO浓度对氨氮去除过程的影响,有助于分析中试 MBBR工艺高效稳定去除氨氮的原因.

图1 中试工艺对氨氮的强化去除效果Fig.1 Removal of NH4+-N in the pilot-scale MBBR

2.2 填料对氨氮去除效果的影响

中试反应器在运行1个月以后,载体填料上会附着一定的生物膜,通过A1～A3批次小试试验分别对比研究了投加活性污泥、包埋硝化细菌的填料和从反应器中取出的附有生物膜的填料对氨氮去除效果的影响,如图2所示.

图2 投加活性污泥污泥、包埋硝化细菌的填料和从反应器中取出的附有生物膜的填料对氨氮去除的影响Fig.2 Influence of activated sludge, entrapped nitrifying bacteria fillers and biofilm fillers on NH4+-N removal

试验结果表明,通过投加包埋硝化细菌和挂有生物膜的填料均能强化氨氮去除的效果,比氨氧化速率分别为 2.22,2.50,2.76mg/ (gMLVSS·h).其中投加挂有生物膜的填料的比氨氧化速率比活性污泥提高了 25.5%.包埋硝化细菌的填料由于事先固定包埋了比较丰富的硝化细菌,所以理论上是增加了硝化细菌的数量获取了更好地硝化效果.在中试MBBR反应器中的悬浮填料具有多孔结构,表面粗糙且有棱状条纹,通过在污水处理好氧曝气池中长时间的运行,表面已经挂起一层生物膜,其上也可能附着了一定数量的硝化细菌,因而可以加快氨氮的降解.另外,通过投加悬浮填料自生也可能会影响反应器内氧的传质作用,进而对氨氮的降解产生影响.

2.3 COD对氨氮去除效果的影响

通过在混合液中投加额外的甲醇作为碳源,将起始混合液上清液COD控制成5个不同的梯度,在 B1～B5的批次小试试验中对比研究了COD对氨氮去除过程的影响,如图3所示.

图3 COD对氨氮去除的影响Fig.3 Influence of COD on NH4+-N removal

当COD为139,256mg/L时,氨氮几乎全程呈现线性下降的趋势,并且二者的降解曲线有较好的相似性;当 COD提高至 332,475,587mg/L时,氨氮在初期的2～3h内降解速率较慢,然后再呈现快速线性下降.当 COD从 139mg/L增加至587mg/L时,比氨氧化速率从2.55mg/(gMLVSS·h)下降至 1.91mg/(gMLVSS·h).传统活性污泥中高浓度的有机物严重影响硝化功能的发挥[13-14],如果外界有机物长期较为丰富,随着污泥的增长,硝化细菌也会被包裹在污泥的内部,并在溶解氧或营养物的获得上与异养菌的竞争处于劣势,使得硝化反应的活性得不到有效发挥,只有在部分有机物经过一段时间得到有效去除后,硝化反应才会比较容易进行[15].在 MBBR工艺中,由于在填料上形成生物膜的附着生长作用,使得硝化细菌更易被异养菌包埋.但取自中试MBBR工艺的污泥在通过投加甲醇将COD从139mg/L提高至256mg/L时,氨氮的降解速率却基本不变,说明该工艺形成的污泥微生物硝化反应具备一定的抗COD冲击的能力,在投加甲醇浓度不超过100mg/L时,对氨氮的降解过程影响不大.在COD在一定程度内提高时,被包埋在异养菌内的硝化细菌的代谢可能还不受影响,因而才可能获得了一定的抗COD冲击能力.

2.4 MLVSS对氨氮去除效果的影响

通过活性污泥沉降压缩的方法获得5组不同的MLVSS浓度的混合液,在C1～C5批次小试试验中考察了MLVSS浓度对氨氮的去除过程的影响,如图4所示.

图4 MLVSS对氨氮去除的影响Fig.4 Influence of MLVSS on NH4+-N removal

由图4可见,较高的MLVSS浓度有利于氨氮的降解,当MLVSS从0.45g/L逐步提高到4.05g/L时,容积氨氧化速率呈现线性增加的趋势,从3.68mg/(L·h)逐步提高至7.82mg/(L·h),R2为0.967,其中最大氨氧化速率为最小的2.13倍.因而如果污水处理出水氨氮硝化效果不理想,可以采取提高 MLVSS浓度的方法强化污水的硝化效果.如果曝气池设计停留时间短与硝化所需时间较长无法确保氨氮达标而产生矛盾时,也可以采取提高MLVSS浓度,缩短硝化反应所需的时间.在另一方面,比氨氧化速率却随着 MLVSS的增大而减小,从 8.24mg/(gMLVSS·h)降至 1.93mg/ (gMLVSS·h).在实际工程中为同时获得较适宜的硝化细菌活性和氨氮去除效果,在采用提高MLVSS浓度强化氨氮去除的同时,还应考虑到对硝化活性的影响.

2.5 温度对氨氮去除效果的影响

通过D1～D5批次试验考察了温度对氨氮去除过程的影响,如图5所示.

图5 温度对氨氮去除的影响Fig.5 Influence of temperature on NH4+-N removal

由图5可见,当温度从5℃升高至35℃,比氨氧化速率随温度增加而增大,从 0.99mg/ (gMLVSS·h)增加至 2.89mg/(gMLVSS·h),最大比氨氧化速率为最小的2.93倍,在5,10℃条件下经过12h氨氮浓度无法达到1.0mg/L以下.一般情况下当夏季水温在25℃以上时,活性污泥具有很高的活性,因而污水处理厂的氨氮去除效果均较好,但冬季的水温较低,特别是在一些较为寒冷的地区,当水温低于 10℃时,硝化反应的活性也会大大降低[16].因此,在污水处理厂实际运行过程中,可以采用保温升温来强化氨氮的去除效果,但在污水处理量较大时的经济性较差.

在一定的温度范围内(5～40℃),温度对生物反应速率的影响可以采用Arrhenius方程进行描述[17],即温度每升高约 10℃,微生物最大比生长速率μ值增加1倍.在5～35℃之间采用Arrhenius方程对比氨氧化速率与温度之间的关系进行拟合,y = 1.792e0.0365(x-20),R2为0.970,θ值为0.0365,拟合的结果较好,说明该方程对氨氮的降解过程也具有良好的适用性.

2.6 DO浓度对氨氮去除效果的影响

通过 E1～E5批次小试试验改变不同的曝气强度,研究 DO浓度对氨氮去除过程的影响,如图6所示.

图6 DO对氨氮去除的影响Fig.6 Influence of DO on NH4+-N removal

由图6可见,DO浓度在0.5到4.0mg/L范围内,氨氮均呈线性下降.当DO超过2.0mg/L时,氨氮去除效果提高并不显著;当DO从2.0降低至0.5mg/L时,比氨氧化速率从1.88mg/(gMLVSS·h)降至0.62mg/(gMLVSS·h),此时DO浓度对氨氮的硝化反应影响很大;当DO小于1.0mg/L时,硝化作用得不到有效发挥.在污水处理厂去除氨氮的过程中,采取合理的控制DO浓度不但有利于提高污水处理效果,而且有利于污水处理厂的节能降耗.结果显示,维持DO在2.0mg/L就可以满足硝化的要求,但是低于 2.0mg/L尤其是低于1.0mg/L就可以抑制硝化,在相当长时间内,氨氮降低缓慢,并且可能会造成亚硝态氮的积累.

Monod方程可以较好的描述DO浓度和比氨氧化速率之间的关系,R2为 0.994,拟合结果表明氨氧化反应DO半饱和常数为3.0mg O2/L.该结果比在活性污泥 3号模型[18]硝化反应常采用的半饱和常数值(0.5mg O2/L)要高.传统活性污泥中亚硝化和硝化细菌的 DO半饱和常数分别为0.20～0.40mg O2/L和1.20～1.50mg O2/L,相比本研究的结果均较小,说明MBBR工艺处理实际污水降解氨氮时在混合液中所需维持的 DO浓度比传统活性污泥工艺更高.田淼等[9]认为当MBBR反应器中的DO约为3.0mg/L时可以满足生物膜中好氧微生物正常代谢所需,能够取得理想的氨氮去除率,本研究通过测试氨氧化半饱和常数值的变化也说明该工艺中硝化细菌的代谢所需的氧浓度比正常条件下更高.但也有研究表明在低 DO浓度条件下如果污泥发生微膨胀时氨氮去除速率会得到很大程度的提高[19].

3 结论

3.1 中试MBBR组合工艺在夏季和冬季对氨氮的去除效果稳定,全年进水平均氨氮浓度为(25.88± 7.73)mg/L,出水平均为(1.11±1.93)mg/L,平均去除率为95.7%,出水氨氮浓度稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A排放标准.

3.2 中试反应器中挂有生物膜的悬浮填料具有强化氨氮去除的效果,比氨氧化速率为 2.76mg/ (gMLVSS·h),比不投加填料的活性污泥提高了25.5%.

3.3 MBBR工艺对氨氮的降解具有一定的抗COD冲击能力,在投加甲醇浓度不高于100mg/L时对氨氮的降解影响不大,但高浓度的 COD会对氨氮的去除产生显著的抑制作用;提高MLVSS浓度可以线性提高容积氨氧化速率,但比氨氧化速率反而会逐渐降低,需根据工程具体需要控制合适的MLVSS浓度运行以实现氨氮的优化去除,使得曝气池的容积得到进一步优化;温度和 DO浓度对比氨氧化速率的影响分别符合Arrhenius经验方程和Monod方程,通过测定表明氨氧化半饱和常数为3.0mg O2/L,在MBBR工艺的实际运行中需要维持比传统活性污泥工艺更高的DO浓度,宜长期维持2.0mg/L以上.

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Enhanced ammonia removal rate in a pilot-scale MBBR.

ZHENG Min1, YANG Bo2, WANG Cheng-wen1*, JIA Han-wei3(1.School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China；2.Handan Environmental Protection Bureau, Handan 056002, China；3.Beijing Guohuan Tsinghua Environmental Engineering Design and Research Institute, Beijing 100084, China). China Environmental Science, 2012,32(10)：1778～1783

A combined pilot-scale MBBR process was used for treatment of the wastewater in the Buji River in Shenzhen city. The averaged influent and effluent ammonia nitrogen concentrations were (25.88±7.73) mg/L and (1.11±1.93)mg/L, respectively. The results of the single factor experiments show that the biofilm fillers enhanced the ammonia removal and increased the specific ammonia oxidation rate by 25.5% to activated sludge. The specific rate decreased from 2.55mg/(gMLVSS·h) to 1.91mg/(gMLVSS·h) with the COD increasing from 139mg/L to 587mg/L, decreased from 8.24mg/(gMLVSS·h) to 1.93mg/(gMLVSS·h) with the MLVSS increasing from 0.45g/L to 4.05g/L, increased from 0.99mg/(gMLVSS·h) to 2.89mg/(gMLVSS·h) with the temperature increasing from 5℃ to 35℃ and increased from 0.62mg/(gMLVSS·h) to 2.28mg/(gMLVSS·h) with the DO concentration increasing from 0.5mg/L to 4.0mg/L, respectively. However, the volume ammonia oxidation rate increased linearly from 3.68mg/(L·h) to 7.82mg/(L·h) with the increased MLVSS (R2= 0.967). The Arrhenius experience equation was used to describe the influence of temperature (R2= 0.970). The Monod equation fitted the process well (R2= 0.994) and the estimated half saturation constant of ammonia oxidation was 3.0mg O2/L.

moving bed biofilm reactor (MBBR)；ammonia nitrogen removal rate；ammonia oxidation rate；suspended filler

2012-01-03

深圳市财政支持项目(SZCG2007046206);水体污染控制与治理科技重大专项(2008ZX07313)

* 责任作者, 研究员, wangcw@tsinghua.edu.cn

X703.1

A

1000-6923(2012)10-1778-06

郑 敏(1988-),男,安徽怀宁人,清华大学博士研究生,

主要从事水污染治理和水环境保护领域.发表论文4篇.