低耗高效生物脱氮除碳系统构建与教学应用

钟 珊, 黄 睿, 李柏林, 李 晔, 杨丹丹

(1. 武汉理工大学 教务处, 湖北 武汉 430070；2. 武汉理工大学 资源与环境工程学院, 湖北 武汉 430070)

环境科学与工程是一门以工程科学知识为基础的跨学科和多学科交叉的应用型学科,加强学生实践能力的培养是环境类专业的立足之本。环境类专业相关主干课程不仅涵盖很多基础原理及理论内容,而且还涉及到大量的工艺、技术、设备等工程应用知识点,使学生有效掌握并融会贯通,是新形势下环境专业课程教学的必然要求。实验课程环节是环境类专业课程的重要教学内容,是理论知识与工程实践之间的桥梁,并培养学生的实践创新能力的关键环节。以往环境专业主干课程的实验环节主要是以演示实验为主,不能达到较好的教学效果。针对以上问题,本文构建了环境专业主干课程“水污染控制工程”中的污水生物处理工艺实验，使学生通过实验可深入理解基础理论并掌握工艺技术要点。

污水生物脱氮工艺是目前广泛应用的水污染控制方法[1]。传统的硝化-反硝化技术在实际应用中存在缺乏有机碳源、能耗大、成本高等问题[2]。众多学者通过研究陆续开发出了多种新型脱氮工艺,以达到低耗高效脱氮除碳的目的,开发的思路主要包括以下两点：一是通过缩减硝化和反硝化过程的路径从而减少反应时间,代表工艺为短程硝化反硝化工艺；二是利用新型的脱氮代谢途径来实现废水脱氮效果,典型工艺为厌氧氨氧化工艺。

基于以上研究基础,本文自主设计了一套新型的生物脱氮除碳装置,将以上两种工艺相结合,构建短程硝化反硝化-厌氧氨氧化耦合脱氮的实验装置,一方面可以削减生物脱氮过程中的能源消耗,另一方面,将本装置应用到实验教学中,可提高学生的学习积极性与研究兴趣,培养学生动手实践能力[3-4],强化学生对理论与实践相结合的理解,从而进一步提高学生的创新能力与自主探索能力。

1 装置设计

1.1 设计原理

如式(1)：

将以上两种工艺耦合,在2个反应器中分别进行短程硝化反硝化和厌氧氨氧化反应,短程硝化反硝化过程能够降低系统总氮(TN)负荷,同时降解部分有机物。其反应后的出水水质适宜作为Anammox反应器的进水,故将其作为前置工艺,通过Anammox作用进一步实现除氮的目的。两者的结合可以无需有机碳源、减少曝气量、投碱量、缩短反应时间[11-12]等。该新型的耦合系统脱氮途径见图1，AAOB为厌氧氨氧化细菌，DNF为反硝化细菌。

图1 新型的耦合系统脱氮途径示意图

1.2 系统装置的构建

图2 短程硝化反硝化-厌氧氨氧化两级耦合装置流程图

其中,进水系统是由浓缩液、微量元素和碱液3个水箱联合一套自动控制的配水水箱构成,通过计时器的程序设置来控制系统中继电器的启闭,从而实现进出水的自动控制。待进水完成后,开启搅拌和曝气系统,由气泵提供动力鼓入空气,通过连接的转子流量计来控制曝气量的大小,再由微孔曝气盘将气体均匀地分散在系统中。实验的厌氧段与好氧段则通过计时器来实现自动控制。

SBR1反应器是内径为17 cm的双筒圆柱体,整体采用有机玻璃制备,总体积为9 L,有效体积可达6 L。反应器双筒之间是3 cm厚的水浴夹层,维持反应器的温度恒定在30 ℃±1 ℃之间。在反应器的顶部安装电机,带动下部的搅拌桨来使污泥达到充分混合状态,转速设置在100 r/min左右。此外,在反应器壁上设有取样口,用于取样和排泥；在靠近顶部法兰盘的高度上设有溢流孔,防止自动进水系统出现紊乱时引起的污水溢出现象。

SBR2反应器是内径为17 cm的双筒圆柱体,整体采用有机玻璃制备而成,总体积为9 L,有效液体体积可达6 L。顶部安装电机,电机部分采用磁力联动结构带动搅拌桨,转速设为100 r/min。磁力联动结构可确保反应器处于密闭状态,为Anammox反应提供了厌氧环境。反应器双筒之间是3 cm厚的水浴夹层,通过循环泵入水浴桶内加热后的液体来维持反应器的温度恒定在33 ℃±1 ℃之间。靠近顶部法兰盘的高度上同样设有溢流孔。

2 装置实验效果

2.1 实验用水与接种污泥

微量元素各组分配比：MgCl2·2H2O 25.07 g/L，CaCl2·2H2O 7.34 g/L，CuCl2·2H2O 0.112 g/L，ZnSO4·7H2O 0.015 g/L，MnCl2·4H2O 1.03 g/L，NaMO4·2H2O 0.0025 g/L。

在SBR1、SBR2反应器中分别接种实验室培养的硝化污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥(见图3)。

图3 两种污泥外观形态

2.2 测定项目与方法

主要化学指标分析方法参照《水和废水监测分析方法(第四版)》[13]：氨氮浓度采用纳氏试剂分光光度法,亚硝态氮浓度采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法,硝态氮采用酚二磺酸分光光度法,总氮采用过硫酸钾氧化分光光度法测定,CODCr采用重铬酸钾快速测定法,溶解氧浓度、pH值采用便携测定仪(美国哈希)测定。

2.3 结果与讨论

2.3.1 装置的脱氮性能分析

短程硝化反硝化-厌氧氨氧化耦合装置稳定运行阶段系统的脱氮效果如图4所示。

图4 装置脱氮效果

2.3.2 装置的除碳效果分析

短程硝化反硝化-厌氧氨氧化耦合装置的除碳效果如图5所示。

图5 装置除碳效果

由图5可知,短程硝化反硝化反应器的进水COD浓度为500 mg/L左右,进水COD负荷约为0.5 mg COD/(mgMLSS·d)；经前置反应器处理后，出水中的COD为214.39～246.38 mg/L,COD的去除率约为53%左右；Anammox反应器的出水中COD质量浓度为73.48～143.64 mg/L, AAOB已经适应了有机环境。前置反应器出水中含DO,但由于反应器是在低DO条件下运行,因此Anammox反应器进水中所含的少量DO对AAOB活性的影响不大。此外,前置反应器的出水pH为7.4左右,而适合AAOB生长繁殖的pH环境偏碱性,为6.7～8.3,因此pH条件对AAOB活性没有太大的影响。

综合上述分析联合装置的TN和COD去除率分别达到88%和80%左右,能够实现稳定运行。

3 教学应用与拓展

3.1 实验设备的创新与应用

短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化生物脱氮除碳系统较传统生物脱氮系统相比,极大地减少了曝气量、投碱量,无需外加碳源,缩短反应时间等,将能源节约、资源节约贯彻到实践教学中,对强化学生的环保意识具有重要意义。本实验装置可多次甚至连续运行,具有较长的使用年限,可为每学年的实验课程提供设备支持,并为进一步深入研究新型生物脱氮技术提供了强有力的技术支撑。

3.2 课程考核模式的探索

传统的实验教学通常是教师在课堂上讲解理论,学生在实验时动手操作。采用新型的生物脱氮实验装置后,实验课的课程考核包括课前、课内、课后评分。课前要求学生充分理解本实验装置的设计理论,并进行实验过程的自主设计,这部分的成绩占总成绩的30%；课内要求学生动手操作,学习实验装置的运行模式及操作过程,同时进行取样及数据监测,着重考察学生的实践能力,这部分的成绩占总成绩的40%；完成实验部分后,学生在课后对实验的数据进行处理与分析,同时针对实验过程的各种问题提出优化解决措施,这部分占总成绩的30%。采用了新的教学考核模式后,不仅将新装置的运行与实验课程紧密结合,同时,实现了理论学习与实践操作在时间和空间上的有效结合,将枯燥的理论知识与有趣的实验过程结合在一起,大大提高了学生学习的积极性、主动性和创造性。

4 结语

(2) 基于课程的理论学习,学生对短程硝化反硝化与厌氧氨氧化已有了一定的初步认识,通过观察与学习自主研制的短程硝化反硝化-厌氧氨氧化耦合脱氮除碳系统的运行过程和操作模式,可以使学生更深入地掌握新型生物脱氮技术的基本操作和运行模式；通过对实验结果的数据处理和分析讨论等训练,可提高学生综合运用所学知识全方位多角度分析、解决问题的能力；通过对实验的优化和改进,可强化学生的创新意识、科学素养和实践精神。同时,这种将教学与实践教学相整合,构建课程理论知识与实践知识在组织方式、知识排序方式以及知识习得方式上有机融合的新教学模式,也为今后的教学工作提供了重要的参考价值。