基于内循环折流式反应器的同步硝化反硝化

陆晓娅,徐 华,徐 晨,黄琼琳,贾楚楚,张永明

(上海师范大学 生命与环境科学学院,上海 200234)

但传统的生物反应系统中,反硝化过程相比硝化过程较难实现,这是因为在一个反应系统内很难保证拥有稳定的缺氧区.因此,对于一个能实现同步硝化反硝化功能的反应器来说,首先要求其具有较好的反硝化功能.通常同步硝化和反硝化的实现有2种主要方式:一种是基于微生物群落的微观分布,即在一个生物反应体系中,通过控制反应器的溶解氧分布,使硝化菌和反硝化菌能共存于同一个反应器内.但这一方法往往会受到废水浓度及负荷等外界因素的波动而导致微生物群落的变化,进而影响同步硝化反硝化的效果[9-10].另一种方式则是基于反应器的结构,即通过反应器的设计,通过控制操作条件在宏观范围使其能在同一个反应器中同时具有好氧区和缺氧区,从而实现硝化和反硝化.相比较而言,通过反应器的结构设计来实现同步硝化和反硝化较为容易抵抗外界因素的干扰.张萃逸等[11]采用气升式内循环反应器实现了在同一个反应器内硝化和反硝化.但气升式反应器存在的问题是,当曝气量增大时,容易导致整个反应器处于好氧状态;而曝气量较小时,反应器内溶液循环效果较差导致传质效率较低.

基于以上分析,采用内循环折流式的生物反应器(Internal circulating baffled bioreactor,ICBBR),来实现在同一个反应器内的好氧与缺氧区共存,进而实现同步硝化和反硝化,以克服气升式内循环反应器的不足.在具体研究过程中,首先考察ICBBR的反硝化功能,重点探讨氮素的去除规律,为该反应器的实际应用,尤其为城市生活污水的深度处理提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 反应器

图1 折流式内循环生物反应器示意图

实验所用的内循环折流式生物反应器如图1所示.该反应器中的工作体积为2500 mL,由一块隔离板将反应器分为上部和下部两部分,上下部的体积分别为500 mL和2000 mL.在反应器的下部上下交错安装排列有14块多孔陶瓷板作为生物膜的载体,同时又构成折流通道.在反应器下部还安装有一个潜水泵,驱动溶液在反应器内的上下部循环流动.在反应器的上部,从水泵流出的水流由于湍动,导致溶解氧量增加.当溶液进入反应器下部时,由于生物反应,其中的溶解氧逐渐消耗,因此在反应器下部的折流区域内自右至左由好氧区向缺氧区过渡,由此可以在同一个反应器内形成好氧区和缺氧区.该反应器结构为实现同步硝化和反硝化打下了基础.

1.2 生物膜的培养和驯化

将取自从上海市龙华污水处理厂二沉池的活性污泥加入到反应器中,让多孔陶瓷浸没于活性污泥中5 h,然后将剩余污泥倒出,通过吸附初步形成生物膜.随后加入配制的模拟污水于反应器中,驯化1周.期间每天更换新配制的溶液.当溶液中的氨氮和总氮的去除率达到稳定之后,则认为已形成了稳定的生物膜.

1.3 模拟废水的配制

所用试剂主要包括:葡萄糖(C2H12O6·H2O)、氯化铵(NH4Cl)、硝酸钠(NaNO3)、亚硝酸钠(NaNO2)、磷酸二氢钾(KH2PO4).即由葡萄糖提供碳源,氯化铵或硝酸钠提供氮源,而磷酸二氢钾提供磷源.配水时,将这些试剂溶解于自来水中,配制成C/N比从5～30不同比例的溶液,以考察C/N对总氮或氨氮去除率的影响.在实验过程中N/P的比例均为5.

1.4 废水处理

实验采用间歇方式进行.首先进行反硝化的验证实验,以检验ICBBR的反硝化功能.此时利用硝酸钠提供氮源,即以硝酸盐作为氮源.后续的实验采用氯化铵提供氮源,并比较不同C/N比对总氮去除速率的影响.实验时,每次加入2500 mL的模拟废水溶液,每间隔一定时间取样分析溶液中硝酸盐、氨氮和总氮浓度.

1.5 分析方法

2 结果与讨论

2.1 基于作为氮源的反硝化过程

表1 C/N比与NO3--N去除速率(k)的关系

k单位为(mg/L)0.12·h-1

表2 以为氮源时C/N比与TN去除速率(k)的关系

k单位为(mg/L)0.12·h-1

图2 基于的反硝化实验中的去除速率

图3 基于的反硝化实验中TN的去除速率

2.2 基于作为氮源的反硝化

图4 基于的反硝化过程中的去除速率

图5 基于的反硝化过程中TN的去除速率

表3 C/N比与去除速率(k)的关系

k单位为(mg/L)0.12·h-1

表4 以为氮源时C/N比与TN去除速率(k)的关系

k单位为(mg/L)0.12·h-1

此外,比较表2、4可以看出,对于总氮的去除速率,当以亚硝酸盐为氮源时,总氮的去除速率比以硝酸盐作为氮源时稍微快些.这是因为,硝酸盐在反硝化过程中,通常是先转化为亚硝酸盐后,再转化为氮气等而使总氮得以有效去除的.但这个速率非常接近,表明硝酸盐转化为亚硝酸盐的速率非常快.

2.3 同步硝化反硝化过程

上述的实验结果证明,ICBBR具有良好的反硝化功能.后续的实验以氯化铵作为氮源,分别配制不同C/N比的溶液进行同步硝化反硝化实验,其中氨氮的去除速率如图6所示.同样,它的去除规律也符合分数级动力学,经过试差法求解其反应级数也为0.88级.相应的动力学常数如表5所示.图6和表5中的结果表明,随着C/N比的增加,其氨氮的降解速率逐步增加.这是因为,随着C/N比增加,微生物可以获得能量而增长,生物量的增加导致氨氮的去除速率得以提高.同时也证明了在该反应器内也存在硝化反应.

图6 不同C/N比所对应的去除速率

表5 C/N比与氨氮去除速率(k)的关系

k单位为(mg/L)0.12·h-1

图7 以为氮源时,C/N与TN去除速率的关系

经试差法求解,对于3级的动力学参数如表6所示.同样的,总氮的去除速率也与C/N成正比.

表6 C/N比与总氮去除速率(k)的关系

k单位为(mg/L)-2·h-1

图8 氨氮与总氮降解速率的比较

将表5与表1、3进行比较可以发现:同样的C/N比条件下,氨氮的去除速率比硝酸盐和亚硝酸盐的去除速率要慢许多.这表明,在ICBBR系统的上部由于湍动,溶解氧浓度为2～3 mg/L,进入下部的生物降解区,溶解氧浓度逐步降低,硝化反应要比反硝化速率慢.

由于反应级数不同,不能简单地通过反应速率常数比较氨氮和总氮的去除速率.为此,以C/N=5和C/N=30为例,比较氨氮和总氮的去除速率,结果如图8所示.从图8中可以看出,在以氨氮作为氮源时,总氮的去除速率明显的低于氨氮的去除速率.这进一步说明以氨氮为氮源时,氨氮需要经历硝酸盐和亚硝酸盐之后,总氮才能有效法去除.因此,总氮的去除速率要明显低于氨氮的去除速率.

3 结 论

当采用硝酸盐或亚硝酸盐为氮源模拟废水进行生物除氮时,内循环折流式生物反应器可以顺利地实现反硝化.硝酸盐、亚硝酸盐的去除速率与总氮的去除速率相近,此时氮素的去除可以分数级动力学进行拟合.当以氨氮作为氮源时,通过该反应器可以实现同步硝化和反硝化.此时总氮的去除与硝酸盐、亚硝酸盐和氨氮有关,符合3级动力学方程.在相同C/N条件下,根据动力学计算可知,硝酸盐和亚硝酸盐的去除率远高于氨氮的去除速率.

参考文献:

[1] 马世豪,何星海.《城镇污水处理厂污染物排放标准》浅释[J].给水排水,2003,29(9):89-94.

[2] 吴光,邱广明,陈翠仙,等.超滤膜法城市污水深度处理中水回用中试试验研究[J].膜科学与技术,2004,24(1):38-41.

[3] 李桂平,栾兆坤.微絮凝—直接过滤工艺在城市污水深度处理中的应用研究 [J].环境污染治理技术与设备,2002,3(4):65-68.

[4] RITTMANN B E,MCCARTY P L.Environmental biotechnology [M].New York:Mc Graw Hill,2001.

[5] HE S,XUE G,WANG B.Factors affecting simultaneous nitrification and de-nitrification (SND) and its kinetics model in membrane bioreactor [J].Journal of Hazardous Materials,2009,168(2):704-710.

[6] HOLMAN J B,WAREHAM D G.COD,ammonia and dissolved oxygen time profiles in the simultaneous nitrification/denitrification process [J].Biochemical Engineering Journal,2005,22(2):125-133.

[7] MORITA M,UEMOTO H,WATANABE A.Nitrogen removal bioreactor capable of simultaneous nitrification and denitrification for application to industrial wastewater treatment[J].Biochem Eng J,2008,41(1):59-66.

[8] KUGLEMAN I,SPECTOR M,HARVILLA A.Aerobic denitrification in activated sludge[J].Environ Eng,1991,117(2):312-318.

[9] KLANGDUEN P,JURG K.Study of factors affecting simultaneous nitrification and denitrification (SND)[J].Wat Sci Tech,1999,39(6):61-68.

[10] ROBERTSON L A,CORNELISSE R,DE VOS P,et al.Aerobic denitrification in various heterotrophic nitrifiers[J].Antonie van Leeuwenhoek,1989,56(4):289-299.

[11] ZHANG C,WANG L,YAN N,et al.Air-lift internal loop biofilm reactor for realized simultaneous nitrification and denitrification[J].Bioprocess and Biosystems Engineering,2013,36(5):597-602.

[12] 汪言满,李坤平,叶树才.连续流动分析仪测定水体中挥发酚的方法研究[J].工业水处理,2005,25(1):49-51.

[13] ZHANG Y,CHANG L,YAN N,et al.UV photolysis for accelerating pyridine biodegradation [J].Environmental Science and Technology,2014,48(1):649-655.