集成模块系统同步硝化反硝化处理低碳氮比污水的试验

邓时海,李德生,卢阳阳,曾琪静 (北京交通大学土建学院,北京 100044)

集成模块系统同步硝化反硝化处理低碳氮比污水的试验

邓时海,李德生*,卢阳阳,曾琪静 (北京交通大学土建学院,北京 100044)

以模拟低 C/N比污水为研究对象,采用集成模块式污水处理装置与技术,在反应器主反应区实现了同步硝化反硝化(SND),研究了在不同 DO、HRT、C/N比、pH值下污水氨氮、总氮的去除,研究结果表明,DO=1.2～1.4mg/L,总 HRT=20h(主反应区 HRT=8h),原水C/N=5:1,pH=7.5时,NH3--N可以从15mg/L降至2.5mg/L,总氮可以从20mg/L降至4mg/L,去除率可以达到83%和80%;主反应区SND动力学模型求解得出集成模块式污水处理SND动力学方程及反硝化过程中硝酸盐氮饱和常数 KNO−3−N=1.55mg/L,远高于普通活性污泥反硝化过程中的饱和常数0.06～0.2mg/L.集成模块式污水处理技术能高效去除低C/N比污水中的总氮,且具有运行稳定和抗冲击等优点.为中小城镇生活污水深度脱氮提供了技术支持和理论基础.

集成模块式污水处理装置；同步硝化反硝化(SND)；低碳氮比(C/N)污水；深度脱氮；动力学模型求解

随着我国农村城镇化建设进程的加快,农村居民聚居点发生很大变化[1-2].由于居民环保意识不强、排水系统和污水处理系统不完善,导致大多中小城镇生活污水和企业工业废水直接排入水体,引发大量环境问题[2].中小城镇污水具有点多、面广、量小、分散、碳氮比(C/N)低等特征[2-3],直接采用城市污水处理系统在经济上和技术上均不可行.

为适应中小城镇污水水量小的特点,小型化污水处理技术不断出现,其中以膜生物反应器、曝气生物滤池、升流式污泥厌氧床为主.小型化工艺能高效去除污水中有机污染物的、部分地脱氮除磷,同时减小了征地面积,减少了处理设施数量和运行人员数量,降低了中小城镇污水处理成本,在中小城镇水处理上取得了一定效果[2-3].但对于低C/N比小水量污水,已有小型化设备仍存在碳源不足、污泥浓度低、抗冲击负荷能力差等问题,难以实现高效深度脱氮[3-7].

本研究针对中小城镇污水低 C/N比、水量小的特征,开发出“集成模块式污水处理技术及装置”[8].该系统将好氧、缺氧(厌氧)进行技术集成使污水始终处在一个好氧、缺氧(厌氧)交替的环境中,原水在进入系统时合理分配,并在整个系统中不断循环,使碳源在整个反应器中合理分配,避免了脱氮过程中碳源不足,同时该系统实现了同步硝化反硝化,进一步提高了碳源的利用效率

[9-11],实现了污水脱氮的一体化,达到在无外加碳源条件下低C/N比污水高效深度脱氮的目的.通过对该技术同步硝化反硝化脱氮机理分析和研究,为小水量低C/N比污水的深度脱氮提供技术依据.

1 材料与方法

1.1 试验用水及水质

本试验采用人工配置模拟废水,以乙酸钠为碳源,氯化铵和硝酸钾为氮源,磷酸氢二钾为磷源.进水COD浓度及氮化合物浓度根据不同试验设计要求进行配制,试验原水 CODCr、NH4+-H、NO3

--N、TN 为(40～200),(15±2),(5±1),(20±3) mg/L, pH值为7.1±0.1.为保证所培养的微生物生长、繁殖需要,每1L水中加入1mL微量元素溶液[13],各微量元素浓度组成见表1.

表1 微量元素成分(g)Table 1 Trace elements in the solvent (g)

1.2 试验装置

本研究试验装置采用集成模块式污水处理设备[8],如图1所示.该反应器由有机玻璃制成,设备总容积为 120L,有效容积为 100L,主反应区有效容积40L.反应器分上下两部分,上部为同心圆,从内向外依次为主反应区、导流区和泥水分流区,下部的锥形结构便于污泥的收集和排放.在主反应区与泥水分离区分别装填集较强吸附性与生物亲和性特征于一体的碳纤维复合聚氨酯生物活性载体,该载体通过在聚氨酯泡沫发泡过程中添加改性活性碳纤维和微生物培养基制备而成,尺寸2cm×2cm×2cm,堆积密度28kg/m3,比表面积2100m2/m3,孔隙率98%.

集成模块式污水处理设备为机械强化污水提升循环式,与国内普通一体化装置的不同点是其混合区和好氧反应室合二为一,污水从内圈中下部的圆环形配水槽沿切线方向进入主反应区,在机械搅拌提升和曝气的共同作用下,污水、空气与回流污泥在主反应室迅速均匀混合,充分接触传质,同时菌胶团在气、水的冲击下,不断破碎、分裂、更新与扩大传质表面,获取新的氧源和碳源,进行高效的生物降解.污水经过主反应区后通过狭缩的导流区,脱气后进入泥水分离区,泥水分离区生物填料阻挡污泥,保证了出水水质,避免了污泥流失,同时该区为厌氧环境,可进行反硝化降低出水硝酸盐氮浓度,进一步脱氮.完成泥水分离后,出水溢流入集水槽排出.另一部分混合液由泥水分离区底部进入下部锥形结构,大部分污泥在主反应区底部被机械搅拌循环提升,少部分污泥经过沉降后由反应器底部的排泥管定期排出.

集成模块式污水处理设备曝气沉淀一体的形式避免了另建二沉池和污泥回流系统,同时保证了系统的污泥浓度.设备底部倾斜底板保证了污泥的下滑和浓缩,同时与下部曝气区构成一个与水流循环对流形状相吻合的空间,避免了死角的产生,可有效防止污泥膨胀.设备底部圆台型设计,池深较大,通过纵向曝气和机械提升搅拌使水流在池中池体中构成水流的循环,保证了气、水、污泥的三相传质效率,设备采用中部进水,碳源合理分配,可提高系统碳源利用效率,可改善低碳氮比污水中碳源不足的问题.该设备不受池型及处理量大小制约,仅需调节曝气量和机械搅拌强度,同时其池型可不受地形条件限制,可为地面式、地下式或半地下式,对中小城镇分散、不同水量污水适应性强.集成模块式污水处理设备内的生物填料对污水有吸附过滤作用,同时为活性污泥提供了良好的附着场所,形成生物膜,使细菌的分解功能得到加强,提高了系统对不同水质污水的适应性.

图1 实验装置Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

1.3 水质指标分析及方法

主要污水水质指标及测定分析方法参照《水和废水监测分析方法》[13],TN采用过硫酸钾分光光度法,氨氮(NH4+-N)采用纳氏试剂光度法, NO3--N 采用酚二磺酸光度法,NO2--N 采用N-(1-萘基)乙二胺光度法,SS采用重量法,DO和温度采用YSI便携式溶解氧仪进行检测,pH值、ORP分别采用WTW和HANA电极进行检测.试验过程中主要分析仪器为紫外-可见分光光度计(UV 2102C, UNICO company; USA)、TN快速测定仪[5B-3BN (V8), Lian-hua Tech. Co. Ltd; China]、CODCr快速分析仪[5B-3C(V7), Lian-hua Tech. Co. Ltd; China].试验药品均为分析纯,测定过程用水均为去离子水.

2 结果与讨论

2.1 DO对集成模块装置SND脱氮效果的影响

根据中小城镇生活污水低C/N比的特点,控制进水中的CODCr浓度100mg/L,NH4+-N浓度15mg/L,NO3--N浓度5mg/L,C/N为5:1,试验配水氮源均为无机氮.反应器在常温条件下以连续进水的方式运行,通过调节曝气量分别控制主反应区溶解氧浓度在<0.5,0.6～0.8mg/L,0.9～1.1mg/L, 1.2～1.4mg/L,1.5～1.7mg/L,>2mg/L,进水流量4L/h,主反应区停留时间为10h,总水力停留时间为25h,利用接种培训驯化法培养出处理污水的微生物群落,通过控制溶解氧浓度、碳源的供给和机械循环周期在反应器主反应区内实现同步硝化反硝化.变换运行参数并每天对 COD、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、pH值、DO进行监测,待每一参数运行稳定以后再监测3d.观察溶解氧浓度对同步硝化反硝化的影响,结果见图2.

由图2可见,COD、NH4+-N、TN在主反应区就已达到出水浓度,实现了脱氮,表明该处理系统在主反应区实现了同步硝化反硝化.当 DO<0.5,0.5～0.7,0.8～1.1,>1.2mg/L 时,氨氮去除率分别达到34.97%、47.21%、62.5%和>83%,表明在该反应器中DO浓度对硝化效率影响较大.当DO>1.2mg/L时,溶解氧系统中的DO充足,DO对生物絮体的穿透力增强促进硝化反应[14],氨氮浓度降至3.0mg/L以下.

图 2(c)表明该系统中出水 NO2--N 低于0.3mg/L,未实现NO2--N积累,可忽略短程硝化反硝化反应.由图 2(d)可知,当 DO<0.5,0.5～0.7, 0.8～1.1mg/L,出水 TN 浓度分别为 10.1,7.41, 7.33mg/L,平均去除率为 48.28%、62.06%和64.19%. DO较低时,主反应区易形成缺氧环境,反硝化效率提高,NO3--N去除较彻底,因而此时出水TN的组成以氨氮为主;DO控制在1.2～1.4, 1.5～1.7mg/L范围内时,TN的出水平均去除率达73.39%和 79.31%,出水 TN平均浓度为 5.24, 4.04mg/L;DO增加到2mg/L以上时,TN的出水平均去除率仅为 34.41%,出水 TN平均浓度为12.81mg/L,TN的组成以NO3--N为主,分析原因是,DO浓度高硝化细菌活性高,硝化能力强,氨氮基本全部去除,去除率在 97%以上,同时,氧分子在生物膜内传质推动力增大,使系统内好氧区体积增大,缺氧区的体积受到压缩,反硝化细菌受到抑制.故该系统最适DO为1.2～1.4mg/L.

图2 DO对集成装置SND脱氮效果的影响Fig.2 Effect of DO on SND in the integrated device

2.2 HRT对集成模块装置SND脱氮效果的影响

计算设计反应器停留时间 HRT分别为 50, 25,20,12.5h,相应主反应区停留时间为20,10,8,5h,进水流量分别为 2,4,5,8L/h.将 DO控制在 1.2～1.4mg/L,考察不同HRT下,反应器对于低C/N比生活污水SND脱氮效率影响情况.模拟污水中的COD=100mg/L,NH4+-N=15mg/L,NO3--N=5mg/L.试验结果如图3所示.

由图3(a)可知,COD去除率随HRT的缩短而降低,HRT为 12.5h时 COD的去除率仅为63.94%,HRT由20h增至50h时,COD去除率稳定在 90%～95%且增加不明显,分析原因是试验中以易降解的乙酸钠为碳源,适当延长HRT可使微生物与营养物质充分扩散、接触并降解, HRT=20h时碳源已基本耗尽,继续延长水力停留时间去除率不再增加;在相同条件下 HRT对NH4+-N的去除率如图3(b),当氨氮进水浓度一定时,NH4+-N的去除率随HRT延长去除率增加,当HRT为20h时,出水NH4+-N浓度为2.52mg/L,去除率达到 85%,已能满足排污标准;在一定HRT范围内,TN的去除率随着HRT的延长而升高,当HRT>25h时出水TN浓度升高,分析原因是,随着HRT的增大, NH4+-N与生物膜有足够的接触时间被彻底氧化,NO3--N进入生物膜内部缺氧区进行反硝化从而脱氮,而当 HRT过高时,大量有机物消耗造成碳源不足,甚至导致生物膜死亡脱落

[15-16],生物降解效率大幅下降.当 HRT> 20h时,TN去除率大于 78%,出水 TN浓度为2.78～4.03mg/L.因此在集成模块式反应器中, HRT=20h为最佳运行状态.

图3 HRT对集成装置SND脱氮效果的影响Fig.3 Effect of HRT on SND in the integrated device

2.3 C/N对集成模块装置SND脱氮效果的影响

为考察C/N比对集成系统SND脱氮的影响,试验保持进水TN值(NH4+-N=15mg/L,NO3--N= 5mg/L)不变,主反应区 HRT=2h,DO=1.2～1.4mg/L,通过改变进水的 COD浓度分别控制C/N=10:1、7:1、5:1、3:1和1:1,如图4所示.由图4可见,随着C/N比的增加,出水COD浓度都在 30mg/L以下,COD均>85%;当 DO为 1.4～1.6mg/L时,随着C/N的增加,NH4+-N的去除率逐渐降低,C/N比由2增至7时,NH4+-N去除率由90%下降至77.20%,C/N比增至10时, NH4+-N平均去除率仅为67.99%,对应出水NH4+-N浓度为5.06mg/L;由图4(c)可知,TN去除率先随C/N比的升高而逐渐提高,而当C/N>7时TN去除率明显下降,不同C/N比条件下TN的平均去除率分别为44.93%、80.75%、82.86%和63.5%.

图4 C/N对集成装置SND脱氮效果的影响Fig.4 Effect of C/N on SND in the integrated device

传统污水处理技术进水C/N比(COD/TN)大于6～7时,则认为碳源充足,能满足生物脱氮的需求,无需额外添加碳源[17-18],C/N>6时则影响系统脱氮.发生反硝化反应的两个前提条件是生物膜内缺氧区的形成和基质(电子供体和硝态氮)的获得[19],当进水有机物不足时,电子供体为硝态氮还原提供足够电子,无法保证反硝化的彻底进行,同时低 COD导致有机物扩散作用减弱,无法为生物膜内部的反硝化菌提供足够的碳源,导致出水TN以硝酸盐氮为主.此外,碳源不足时好氧区异养菌对氧气的消耗减小,大量的剩余氧气具有更强的穿透能力,导致系统中缺氧区压缩而不利于反硝化的进行.而当C/N过高时,异养微生物活跃,硝化菌争夺氧气而抑制硝化作用的进行[20-21],导致 TN 去除率降低,此时 TN 主要为NH3--N.因此,在集成模块式污水处理设备中实现同步硝化反硝化,通过控制 DO浓度在系统内形成适量的好氧生物膜层和缺氧生物膜层,同时使碳源在系统内合理分配,减少异养菌对碳源的消耗,提高反硝化菌比例,从而达到低C/N比污水SND高效脱氮.结果表明,该集成系统最佳C/N比为5:1.

2.4 进水pH对集成装置SND脱氮效果的影响

为考察 pH值对集成模块式处理系统 SND脱氮的影响,控制 DO=1.4～1.6mg/L,进水流量5L/h, HRT=20h,C/N=5,利用H2SO4和NaOH分别调节进水pH值为6、7、8和9.

由图5可见, pH值为7～8时氨氮去除率为81.2%～86.62%,TN去除率在72.93%～76.24%;当pH值为6时,去除率下降至55.01%,TN去除率降至44.18%;pH值为9时,氨氮去除率为67.62%, TN去除率为64.18%.分析其原因,氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的适宜 pH值分别为 7.0～8.0和6.5～7.5,反硝化菌最适宜的pH值是7.0～8.5[22],当不在最佳pH值的范围时,氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌和反硝化菌的活性受到抑制,导致处理效率下降.故该集成系统SND最佳pH值为7.5.

图5 pH值对集成装置SND脱氮效果的影响Fig.5 Effect of pH on SND in the integrated device

2.5 集成模块式SND动力学模型及求解

依据氨氧化菌和硝化菌比增长速率 Monod方程、反硝化过程中的反硝化菌的增殖速率和底物去除Monod方程[23],同时根据假设忽略系统中硝化和反硝化过程中的同化作用, 推导得集成模块式SND动力学模型:

式中:

C为浓度,mg/L;K为饱和常数,mg/L;DO为溶解氧浓度,mg/L;Y为产率系数,gVSS/gNH4+-N;µ为细菌比增长速率,h-1;P、Q均为方程(1)中动力学常数.

设反应器的反应区有效体积为 V,进、出水流量为q, NH4+-N反应速率为r(N),通过建立反应器内氮转化的物料衡算方程,利用反应器进、出水氨氮和硝酸盐氮连续监测数据,作图并进行线性回归,求解得 P=0.488,Q=0.379, KNO3−−N= 1.55.将动力学常数 P、Q和 KNO−3−N代入式(1)可得集成模块式SND动力学方程:

集成模块式SND系统反硝化过程中硝酸盐氮饱和常数 KNO−3−N为 1.55,远高于单级活性污泥反硝化过程中的饱和常数 0.06～0.2mg/L[23].SND的实现主要依赖于好氧/缺氧的微环境,同时反硝化过程为速控步骤,而 KNO−3−N的大小表示硝酸盐氮在反硝化过程中的传质效率及反硝化微生物的还原效率.因此,集成模块式污水处理设备SND脱氮效率高,适于低C/N污水的深度脱氮.

4 结论

4.1 由主反应区、泥水分离区、导流区等集成的SND模块式污水处理系统结构设计合理.

4.2 集成模块式污水处理装置同步硝化反硝化脱氮,处理效果受DO、HRT、C/N和pH值影响显著,主反应区溶解氧浓度及原水碳氮比对同步硝化反硝化的实现及深度脱氮效率的保证尤为重要,在主反应区DO=1.2～1.4mg/L,总HRT=20h (主反应区HRT=8h),原水C/N=5:1,pH=7.5时,氨氮可以从 15mg/L降至 2.5mg/L,总氮可以从20mg/L降至4mg/L,去除率可以达到83%和80%以上.

4.4 集成模块式污水处理技术及装置可实现低C/N比、小水量污水的深度脱氮,为中小城镇生活污水深度脱氮提供了技术支持和理论依据.

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Performance characteristics of simultaneous nitrification and denitrification (SND) for low carbon to nitrogen (C/N) ratio wastewater in an integrated device.

DENG Shi-hai, LI De-sheng*, LU Yang-yang, ZENG Qi-jing

Ammonia and total nitrogen (TN) removal efficiencies of SND in an integrated device and its influence factors, such as DO concentration, HRT, C/N ratio, influent pH, etc., were studied and analyzed. Dynamic model of SND in the system was established and solved. The results showed that total nitrogen was decreased to 4mg/L from 20mg/L (80%), ammonia to 2.5mg/L from 15mg/L (83%) by the SND in the integrated device at conditions of DO 1.2～1.4mg/L, HRT 20h (8h in the first reaction zone), C/N ratio 5:1, influent pH 7.5.KNO3−−N1.55, which was well above that of traditional active sludge process (0.2～0.5mg/L), was obtained by solving dynamic model of SND in the system. The results indicated that nitrogen in low C/N ratio wastewater could be efficiently removed by this technology. The integrated wastewater treatment technology was of operation stability and the ability to resist shock loading, and could be a basis for advanced nitrogen removal of low C/N ratio small discharge from small town.

integrated wastewater treatment device；simultaneous nitrification and denitrification (SND)；low C/N ratio wastewater；deep denitrogen；dynamic model solving

X703

A

1000-6923(2014)09-2259-07(School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China). China Environmental Science, 2014,34(9)：2259～2265

邓时海(1989-),男,四川资阳人,北京交通大学博士研究生,主要从事水污染控制理论与技术研究.发表论文4篇.

2014-01-03

国家自然科学基金项目(51278034);铁道部科技研究开发计划项目(2011Z003-A,2010Z003-B)

* 责任作者, 教授, dsli@bjtu.edu.cn