DO/NH4+-N调控实现MBBR工艺生活污水短程硝化

赵 青,卞 伟,李 军,赵昕燕,阚睿哲,王文啸,孙艺齐,梁东博,张舒燕 (北京工业大学建筑工程学院,北京 100124)

目前我国多数采用活性污泥法实现短程硝化.从实际运行来看,活性污泥法耐冲击负荷差[1],耗能高,宜降解高氨氮废水.而生物膜法生物链长,抗冲击力强[2],更适宜处理氨氮含量偏低的城市生活污水[3].无论是从理论还是实际来看,序批式比连续流更易实现短程硝化[4-5].连续进水时,若反应器更接近推流式,易获得较高亚硝酸盐积累.完全混合态下的反应器,进水氨氮浓度立刻被稀释,进水浓度即出水浓度,而在推流模式下,反应器进水氨氮浓度逐级递减,促进氨氮向亚硝态氮转化,且此时由游离氨(FA)产生的抑制更为强烈[5],故推流式反应器更易实现短程硝化.移动床生物膜反应器(MBBR)是一种新型高效生物膜脱氮工艺,出水水质稳定,工艺简单.因此,研究连续流完全混合式MBBR工艺处理低氨氮污水具有工程意义.

短程硝化实现和维持的手段主要有：高温[6]、高pH值[7]、高FA[8-9]、高游离亚硝酸(FNA)[9]、适宜的水力停留时间(HRT)[10]、低DO[11-13]等,其调控机理是使氨氧化菌(AOB)活性高于亚硝酸盐氧化菌(NOB).部分文献指出[5,14],氧抑制是通过控制DO浓度,使得AOB增长速率高于NOB,且 Bougard等[15]证实氧抑制比温度控制更易实现和维持短程硝化.最近,比值控制(DO/NH4+-N,R)实现短程硝化逐渐获得关注[16].比例控制可同时发挥氧抑制和氨抑制的双重作用,最大程度上可使氨氮100%转化为亚硝态氮.Wei等[17]在移动床生物膜反应器中采用比值控制,成功降解6～26℃无机污水,实现稳定的短程硝化,但未对含碳源污水做出研究.原水中是否含有碳源及碳源多少,直接影响生物膜外层异养菌生长.

本文采用MBBR工艺,利用DO/NH4+-N调控降解低碳源低氨氮废水.研究目的是不同温度下,比值控制调控实现MBBR工艺短程硝化的可行性;不同温度下MBBR工艺短程硝化对R的需求;有机碳源含量对 DO/NH4+-N调控实现短程硝化的影响,旨在对短程硝化处理实际生活污水提供参考.

1 材料与方法

1.1 实验装置

图1 实验装置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental device

实验装置如图1所示.反应器材质为有机玻璃,立方体结构,长、宽、高分别18,12,18cm,有效体积约为 4.3L.实验装置外部是恒温槽(DC-0515,上海),可使反应器维持所需温度(15,20,25℃).反应器底部设有曝气盘.DO和pH值探头在线实时检测DO、pH值变化.反应器内填充鲍尔环作为生物膜载体,体积填充比约为22%.

1.2 接种污泥及进水水质

反应器接种污泥取自北京市某污水厂曝气池,硝化性能良好,其 f(MLVSS/MLSS)值约为0.75,MLSS值约为 3500mg/L,SVI值约为90mL/g;MBBR连续流进水,进水水质为人工合成 废 水,NH4+-N(NH4Cl)浓 度 为 58～65mg/L,COD(CH3COONa)分别为 9,30,90mg/L 左右,磷(KH2PO4)为 2mg/L.根据工艺实际降解氨氮量,投加NaHCO3,维持反应器pH值为7.8～8.2.实验废水添加适量营养液,为微生物生理活动提供所需微量元素,各组分浓度分别为：铁(FeSO4·7H2O)1mg/L,硼 (H3BO4) 0.2mg/L,锰 (MnCl4·4H2O)0.2mg/L, 锌 (ZnSO4·7H2O) 0.2mg/L, 铜(CuSO4·5H2O) 0.1mg/L,镁(MgSO4·7H2O) 0.1mg/L,镍 (NiCl2·6H2O) 0.2mg/L, 钴 (CoSO4·6H2O)0.3mg/L.

1.3 检测指标及分析方法

NH4+-N：纳氏试剂分光光度法;NO2--N：N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;NO3--N：麝香草酚分光光度法;DO、pH值和T采用在线探头检测(WTW,德国).定义亚氮积累率为NO2--N均指由NH4+-N氧化而来的部分;MLSS、MLVSS：超声波(45kHz,120W,2～3min)剥落生物膜,离心(10000g,15min),后重量法测量.生物膜脱落后,鲍尔环烘干、称重,定义生物量为每单位质量的鲍尔环干重上MLVSS值,即mg VSS/g.

1.4 控制手段

为实现和维持稳定短程硝化,控制方式采用比值控制,生物膜系统内氧抑制起主导地位[17].AOB实现短程硝化的主要因素,DO和 NH4+-N浓度是AOB增殖的2个主要底物,故优先考虑使用 DO/NH4+-N作为控制手段.曝气量通过转子流量计控制.NH4+-N浓度通过调节蠕动泵转速,改变反应器水力停留时间(HRT),进而调控出水NH4+-N浓度.分别控制DO和NH4+-N浓度;R表示DO/NH4+-N,通过调整DO或NH4+-N或DO和NH4+-N两者来实现R的变化.相反,为保持R不变,DO和 NH4+-N并不是恒定不变的.由于控制手段精确度问题,R值会小幅度波动.

Harremoes[18]认为,当满足式(1)时,生物膜反应器才会呈现氧抑制状态.

式中,[DO]和[NH4+]是反应器中DO和NH4+质量浓度,和分别代表氨氮和氧气扩散系数是氨氮和氧气当量系数比值.将扩散系数和当量系数数值[19]带入式(1),则

2 结果与讨论

2.1 MBBR运行工况

接种曝气池污泥后,加入60mg N/L人工配水,将反应器置于 30℃下,闷曝 2～3d恢复污泥活性.然后降低温度至25℃,每次换水将泥水混合物排空 50%,加入人工配水,曝气 8h.经过一段时间的运行,反应器硝化性能先降低后升高,这是由于活性污泥随着换水流失,载体上生物膜活性较低,硝化能力下降,随后生物膜上细菌快速繁殖,氨氮降解加快.第 15d出水氨氮浓度稳定,逐渐缩短水力停留时间至 4h.控制 pH=7.8～8.2,T=25℃, DO=5mg/L,每天运行 3周期,第30d成功实现短积累率在90%以上,此时DO和氨氮浓度分别为2.0mg/L和10mg N/L,R=0.2,运行5d.

MBBR工艺采取比值控制策略,探究不同温度(25,15,10℃)和不同有机碳源含量(COD/NH4+-N=0,0.5,1.5)对R的需求.表1中A～F阶段考察温度降低对比值控制实现短程硝化的影响,通过调节流量计和蠕动泵转速,改变DO和NH4+-N值,温度降低,R值调小.考虑到 C～D 段温度降低,微生物活性有所下降,将曝气量维持较高水平,缩短HRT提高出水氨氮浓度,促进AOB生长.G～K阶段,探究有机碳源含量对比值控制实现短程硝化的影响,温度控制在 25℃左右,逐步增加有机碳源投加量,调高R值.

表1 MBBR工艺运行工况Table 1 Operating conditions of MBBR process

如表1所示,阶段A～F,反应器内基本不投加 有机碳源.随着温度的降低,为实现短程硝化,相应R值变小,但DO值并不随之降低.G阶段反应器温度恢复25℃,此时亚硝酸盐浓度是硝酸盐浓度的 10倍左右.阶段 G～K,考察不同 C/N(COD/NH4+-N)下,维持短程硝化所需 R值变化情况,发现随着有机碳源投加量的增加,所需R值变大.但当C/N=1.5,R值为0.6时,短程硝化破坏.

图2 NO3--N、NO2--N浓度及NAR变化Fig.2 The diagram of NO3--N、NO2--N and NAR

观察成功实现短程硝化的B, D, F等时期的R值,发现R值均小于1,远小于式(2)得出的理论值.类似的是,Wei 等[17]研究表明,常温(26℃)下,DO/TAN=0.8时,短程硝化已然破坏;Cecen[20]研究表明,即使处于氧抑制条件下,R＞1时,工艺表现为全程硝化.说明实际实现短程硝化R值要远低于理论值.

2.2 解耦低DO和氧抑制

文献表明,生物膜法实现短程硝化的关键常常在于低溶解氧条件[21].本实验中在高DO环境中,短程硝化仍然可行.但如果NH4+-N浓度太低,即使在低DO水平下,氧限制条件也可被破坏,短程硝化无法稳定运行.A阶段,DO低至 1.8mg/L,但从图2可以看出,亚硝酸盐浓度逐渐降低,短程硝化破坏.而DO和NH4+-N浓度在G段分别增至 3.5, 14mg/L,亚氮积累率达到 90%以上.说明,短程硝化所需氧抑制条件,不仅仅与DO相关,还与出水NH4+-N浓度相关.

尽管短程硝化的关注热点在低溶解氧,未对出水 NH4+-N浓度过多研究.但 Zheng等[4]在高DO(3.5～7mg/L)的生物膜反应器中实现稳定短程硝化,其中出水NH4+-N浓度总是高于7mg/L.Albertet等[22]把低溶解氧从颗粒污泥连续流反应器中氧限制条件中解离出来.Bernet等[23]利用逆湍流床反应器处理高氨氮合成矿物废水,证实了DO和氨氮浓度存在比例关系,同时增减时能达到相同的短程硝化效果.这与本实验的结果一致,生物膜反应器氧抑制的获得,与DO浓度相关,但不由其决定.

2.3 温度对比值控制实现短程硝化的影响

如表1所示,阶段 A～B,反应器温度设为 25℃,C、D段和E、F段分别为20, 15℃.随着温度降低,调低 R值,观察各阶段出水中 NO2--N、NO3--N浓度和NAR变化.

2.3.1 不同温度下比值控制实现MBBR工艺短程硝化的可行性 采用比值控制抵消温度波动带来的不利影响,使MBBR工艺获得稳定的亚硝酸盐积累,其可行性主要体现在 2方面.一是MBBR独特的工艺结构,生物膜上微生物生长环境优良、受水力波动冲击较小,且生物膜固定在载体填料上,污泥停留时间长、生物种类繁多,形成较长生物链.附着生长使生物膜含水率较少,单位反应器容积的生物量可高达活性污泥法的5～20倍,因此MBBR工艺对水温变化有较强适应能力;二是在生物膜反应器实现短程硝化的方式中,溶解氧控制能力要优于温度控制.Julio等[5]证实,当 AOB、NOB氧亲和性存在差异时,短程硝化才能实现;当两者亲和性一致时,FA、T等条件的改变,并不能有效实现短程硝化.说明 AOB对氧气的亲和性高是其竞争性强的最大原因,也说明氧抑制才是短程硝化实现的最有力手段.从图2来看,B、D、E阶段温度从25℃降为20, 15℃,但通过有效的比值控制,工艺仍可以维持稳定的短程硝化.不同温度下,通过比值控制实现MBBR工艺短程硝化是可行的.

2.3.2 不同温度下对实现短程硝化的R值需求由图3可以看出,当B周期温度为25℃时,控制R为0.25,短程硝化实现;当C阶段温度下降5℃,R值维持 0.25,短程硝化破坏;D周期 R值调节至0.17时,短程硝化性能恢复.同样地,15℃下,维持R为0.17(E段)和0.08(F段),亚硝酸盐生产量先降低后升高.由此得出当温度不低于20℃,R≤0.25,短程硝化保持稳定.但是,当温度为 15℃(E～F周期),仅在F周期R=0.17时,实现短程硝化,说明无论温度高低,为实现短程硝化氧抑制都是必须的,且温度越低,所需的氧抑制越强.

AOB、NOB不同温度下的最大比增长速率遵循公式(3)[24]

2.4 有机碳源对比值控制实现短程硝化的影响

为探究有机碳源含量对比值控制实现工艺短程硝化的影响,考虑到城市生活污水特点,进水COD/NH4+-N取0, 0.5, 1.5.如表1所示,阶段G～K温度均设定25℃,其中G段COD/NH4+-N=0,阶段H～I和J～K配水COD值分别为30, 90mg/L.阶段G至J有机碳源投加递增,逐渐增大R值,观察各阶段出水中-N浓度和NAR变化.2.4.1 有机碳源下对实现短程硝化的R值需求从表1和图2来看,G阶段 C/N=0,R≤0.25时,MBBR工艺实现短程硝化;H～J阶段C/N≥0.5时,获得短程硝化的 DO/NH4+-N范围扩大到 0.38.由此可见,同等温度下,有机碳源投加量增加,COD/NH4+-N增大,实现短程硝化可调控R值范围变大,分析其原因是因为C/N增大,含碳有机物增多,促进异养菌繁殖,异养微生物消耗基质增多,传递到硝化层的氧气减少,AOB比NOB活性高,更易满足短程硝化氧抑制的要求.但 K段 COD浓度为 90mg/L,DO=5.7mg/L,出水氨氮浓度为9.5mg N/L,短程硝化崩溃.分析其原因是氧气足够甚至过量,传递至硝化层的溶解氧富裕,AOB、NOB均增值较快,AOB不再是优势种群,出水硝酸盐氮含量上升,短程硝化破坏.

C/N为0, 1/2, 3/2,亚氮积累率和TN(总氮)损失率92.62%, 93.71%, 99.43%和3%, 8%, 20%左右.NAR和TN损失量都随C/N增大而增大,这是因为碳源是反硝化原料之一,反硝化菌生长在生物膜内层,有机物经好氧区传递到缺氧区,部分会被异养菌截留,碳源不足时,反硝化受阻,从而 TN损失较少.当C/N为0时,也有少量总氮损失,这可能是发生了内源反硝化的原因,或者是生成了N2O等不能在水中检测到的物质.而当 C/N=1.5时,碳源相对充足,部分亚硝态氮和硝态氮被降解,导致出水硝态氮降低,甚至J段出水NO3--N浓度为0,此时NAR和总氮损失最高.

2.4.2 有机碳源对生物量影响 采用生物膜法进行污水处理时,载体上异养菌和硝化菌不仅竞争氧气和氨氮,也竞争生存空间.异养菌和硝化菌的生存竞争促使生物膜出现结构分层[25].增殖速率高的异养菌生长在生物膜最外层,直接与氧气和有机碳源接触.异养菌内层是硝化菌,异养菌层内源呼吸作用会促使硝化层形成氧抑制,同时,增加氨氮传质阻力.为探究不同有机碳源投加量条件下,有机碳源含量对生物膜性能影响,溶解氧维持 3.5mg/L,生物膜上生物量以鲍尔环单位质量上MLVSS含量表示.

表2 不同C/N下COD消耗和生物量差异Table 2 Difference of COD consumption and biomass under different C/N

0.5 3.5±0.3 26 87 1.5 3.5±0.3 81 112由表2可以看出,随着 C/N增加,载体上生物量由60mg VSS/g增至112mg VSS/g,说明碳源投加越多,异养菌增值加快,生物膜厚度越大,从而导致氧传质阻力的增加,到达硝化层的氧含量降低.而在 3个工况下,DO溶度均维持在3.5mg/L左右,而异养层氧化有机物所需氧量由>9mg/L逐渐增加至 81mg/L,异养菌耗氧量增加,硝化层所得氧量减少,氧抑制强度增加,短程硝化更易实现.

3 结论

3.1 MBBR工艺中,低溶解氧(1.8mg/L)、低氨氮(3mg/L)条件下,短程硝化破坏,DO=3.5mg/L、NH4+-N=14mg/L环境下短程硝化实现,即实现短程硝化氧抑制的形成,不仅仅与DO相关,还与出水NH4+-N浓度相关.

3.2 在25, 20, 15℃时,分别在R=0.08, 0.17, 0.25时实现短程硝化,并随着温度降低,R值变小.因此在不同温度下实现生物膜反应器短程硝化是可行的;氧抑制可弥补温度下降的不利影响,温度越低,对 DO/NH4+-N 值要求越严苛,实现短程硝化所需氧抑制越强.

3.3 25℃时,相比COD/NH4+-N=0, COD/NH4+-N=1.5实现短程硝化的R值升高了0.13.有机碳源增多,异养菌繁殖加快,耗氧量增多,生物膜变厚,氧传质阻力增加,达到实现短程硝化所需氧抑制条件变得容易,更易实现短程硝化.但溶解氧含量过多(K段C/N=1.5,R=0.6),NOB繁殖加快,短程硝化易崩溃.

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