低DO硝化耦合內碳源反硝化脫氮處理生活污水

李方舟,張 瓊,彭永臻

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低DO硝化耦合內碳源反硝化脫氮處理生活污水

李方舟,張 瓊,彭永臻*

(北京工業大學,城鎮污水深度處理與資源化利用國家工程實驗室,北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室,北京 100124)

為了進一步合理利用碳源,降低曝氣能耗,有效解決低C/N生活污水的脫氮問題,采用2個串聯的SBR在無外加碳源的條件下處理低C/N實際生活污水,分別啟動內碳源反硝化反應器(ED-SBR)和低DO硝化反應器(LDON-SBR),并按照厭氧(ED-SBR)-好氧(LDON-SBR)-缺氧(ED-SBR)的方式運行,綜合考察各反應器處理性能,并探討低DO硝化耦合內碳源反硝化工藝脫氮的可行性.結果表明:LDON-SBR反應器在DO濃度為0.3~0.5mg/L的條件下能夠成功實現90%以上的硝化并穩定維持,同時反應器存在明顯的同步硝化反硝化(SND)現象,SND率可達29.6%;ED-SBR反應器在厭氧階段能夠將進水中的有機物轉化為內碳源并儲存,在缺氧階段能夠進行內源反硝化,使NO3--N平均濃度從27.3mg/L降低至3.9mg/L,NO3--N平均去除率為86.5%;系統整體COD去除率為80%左右.

活性污泥；低溶解氧；生活污水；硝化；內碳源反硝化

在傳統活性污泥法中,為了獲得高效穩定的硝化效率,大部分污水處理廠通常將DO濃度控制在2mg/L以上,因此產生的曝氣能耗約占整個污水處理廠電能耗的一半[1].因而,若能降低由曝氣產生的能耗,將對污水處理廠的節能降耗起到積極的作用.有研究顯示,在低DO條件下也可以實現完全的硝化作用,并維持一定的硝化效率[1-3].由此可見,如果能夠將低DO生物脫氮工藝應用于實際生活污水處理中,將有助于節約污水生物脫氮的運行成本[4-8].但目前相關研究主要集中在對低DO硝化性能的單獨研究上,將低DO硝化應用于實際生活污水的生物脫氮處理系統的案例較少.

傳統生物脫氮是通過污水處理系統內微生物的硝化作用和反硝化作用來實現污水的脫氮處理[9],而處理低C/N生活污水的最大障礙為反硝化碳源不足[10-11],因而如何充分利用原水中的有機物,最大限度地完成反硝化反應,降低出水NO3--N濃度成為人們不斷探討的問題之一.反硝化聚磷菌(DPAOs)和反硝化聚糖菌(DGAOs)是2種能夠在厭氧條件下吸收有機物,儲存為內碳源(PHAs),在缺氧條件下以NO--N為電子受體進行反硝化反應,去除NO--N 的微生物[9-12].因此,本試驗以實際生活污水為處理對象,從降低曝氣能耗和有效利用原水有機物的角度出發,研究以低DO硝化和內碳源反硝化為基礎的耦合工藝,考察低DO硝化能力及其活性、內碳源儲存、反硝化效果等方面,探討該工藝處理低C/N生活污水的處理效果及可行性.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與運行參數

本試驗使用2個圓筒形SBR反應器,均采用有機玻璃制成,有效容積為10L(圖1).其中,ED-SBR以厭氧/缺氧交替的方式運行,LDON-SBR進行好氧硝化反應.2個SBR通過管路和中間水箱相連接,首先,生活污水進入ED-SBR進行厭氧攪拌(150min),進行內碳源儲存;然后該厭氧出水作為進水進入LDON-SBR進行低DO硝化(150~240min),通過氣體流量計控制LDON-SBR內DO濃度為0.3~0.5mg/L;最后,該好氧出水再次進入ED-SBR進行缺氧攪拌(180min),進行內碳源反硝化,并以該缺氧出水作為最終排水排放.試驗過程中2個SBR每天分別運行2個周期,均采用機械攪拌的方式進行攪拌,排水比均為50%,溫度均控制為25℃.其中ED-SBR的HRT為11h,LDON-SBR的HRT平均為6h.

圖1 試驗裝置

1. ED-SBR;2. LDON-SBR;3. 原水水箱;4、5. 中間水箱;6. 進水泵;7、9. 排水閥;8、10. 進水口;11. 出水口;12、13. 攪拌器;14. 氣泵;15. 氣體流量計;16. 曝氣頭;17. pH/DO儀;18. pH和DO探頭

1.2 試驗用水和接種污泥

本試驗采用實際生活污水,取自北京工業大學某居民小區化糞池生活污水,具體水質為:COD濃度為125.07~280mg/L,NH4+-N濃度為52.66~ 79.74mg/L, C/N為1.83~4.47,NO2--N濃度為0~ 0.66mg/L, NO3--N濃度為0~6.07mg/L,PO43--P濃度為2.34~9.73mg/L,pH值為7.0~8.0.

試驗接種污泥取自北京市高碑店污水處理廠全程污泥,該污泥具有良好的脫氮效果和沉降性能,接種后SBR內的污泥濃度為2500~3500mg/L.

1.3 水質分析及方法

試驗過程中對反應器進出水水質進行分析,檢測項目主要為NH4+-N、NO2--N、NO3--N、COD和PO43--P,分別采用納氏試劑光度法、N-1-萘基-乙二胺比色法、麝香草酚法、聯華5B-3(B) COD 多元快速測定儀和鉬銻抗分光光度法進行測定;系統內水質溫度、pH值和DO濃度使用WTW Multi-340i及相應檢測探頭(WTW公司,德國)進行測定;混合液懸浮固體濃度(MLSS)和混合液揮發性懸浮固體濃度(MLVSS)均采用濾低稱重法和馬弗爐燃燒減重法進行測定;污泥沉降比(SV%)采用30min沉降法進行測定;PHAs及其組分采用Agilent 7890A型氣相色譜儀測定,糖原(Gly)采用蒽酮分光光度法進行測定[13].

1.4 厭氧段被吸收儲存為內碳源的COD量

CODabs=DCOD-(1.71DNO2--N+2.86DNO3--N)[14-15](1)

式中:CODabs為ED-SBR厭氧段被吸收儲存為內碳源的COD量,mg/L;DCOD、DNO2--N和DNO3--N分別為厭氧段COD、NO2--N和NO3--N濃度的變化量,mg/L;1.71和2.86為厭氧階段單位質量濃度的NO2--N和NO3--N發生異養反硝化反應時所需的COD濃度,mg/L.

0.5PPAO,An(%)=PRA/CODabs(2)

式中:PPAO,An為ED-SBR厭氧段PAO吸收的COD占COD吸收總量的比例;PRA為厭氧段的釋磷量,mg/L;0.5為厭氧段PAOs每吸收單位質量的有機碳源所釋放的磷量, molP/molC.

1.5 SND率計算公式

式中: TN0為TN的初始濃度;TN為反應時間后的TN濃度.其中,TN濃度為NH4+-N、NO2--N和NO3--N濃度之和.

2 結果與討論

2.1 ED-SBR反應器性能

由圖2可知,ED-SBR反應器厭氧進水COD濃度平均為193.8mg/L,厭氧出水濃度平均為70.9mg/L,缺氧進水平均濃度29.4mg/L,缺氧出水平均濃度為37.6mg/L,COD去除率為70.1%~89.3 %,平均為80%.與之前有關內碳源反硝化脫氮的試驗[14,16-18]對比發現,該ED-SBR反應器的出水COD濃度處于較低水平(37.6mg/L<43.3mg/L<59.2mg),且COD去除率處于較高水平(80%>78.8%>73.3%>72.24%).由此可見,經過一段時間的運行,該反應器可獲得穩定且高效的COD去除效果.其中,厭氧段去除的COD量約占系統COD去除總量的77%,這說明系統進水COD的去除主要發生在ED-SBR的厭氧段,并伴隨著磷的釋放[16,19].除此之外,在隨后的LDON-SBR中,也會有一小部分COD被去除.

圖2 ED-SBR運行過程中COD的濃度變化

圖3所示為ED-SBR反應器厭氧段和缺氧段進出水的NO3--N濃度及系統NO3--N去除率的變化.在ED-SBR中,因生活污水中NO2--N和NO3--N含量極少,故ED-SBR在厭氧階段NO2--N和NO3--N并沒有顯著變化,而NO3--N因在缺氧段發生內碳源反硝化而被去除,其在缺氧段進出水的平均濃度分別為27.3,3.9mg/L,NO3--N平均去除率為86.5%左右.由圖3可知,經過一段時間的運行,該反應器顯然已具備進行反硝化反應的能力,能夠將NO3--N還原,進而達到脫氮的目的.

圖3 ED-SBR運行過程中NO3--N的濃度變化

在第118d典型周期內(圖4),COD、PO43--P、NH4+-N、NO2--N和NO3--N混合后的初始濃度分別為118.38,9.4,49.7,0.12,0.32mg/L, PHAs和糖原的濃度分別為6.4,18.45mmolC/L.

在厭氧段,反應器中的COD在前90min內由118.38mg/L快速下降至70.81mg/L,并伴隨著磷的釋放,磷濃度由開始的9.4mg/L增加至25.48mg/L,同時PHAs的濃度緩慢增加至7.75mmolC/L,糖原濃度則緩慢降低至17.73mmolC/L,期間NO2--N和NO3--N的濃度基本不變,說明在厭氧段,該反應器能夠吸收原水中的有機物并轉化儲存為內碳源,為后續反硝化脫氮提供保障.其中,厭氧段COD吸收量為51.81mg/L,磷釋放量為16.08mg/L,則PAOs吸收的COD約占COD吸收總量的62.1%,可見在該ED-SBR反應器中,PAOs在厭氧段吸收COD儲存為內碳源的過程中具有非常重要的作用.

在缺氧段,COD濃度基本保持穩定,但PO43--P濃度和NO3--N濃度由22.4,13.64mg/L逐漸降低為0,同時伴隨著PHAs濃度的下降以及糖原濃度的逐漸上升,說明該反應器在缺氧段能夠利用厭氧段儲存的內碳源進行反硝化,以達到脫氮的目的.反應過程中顯著的厭氧釋磷及缺氧吸磷現象也間接證明了DPAOs在該反應器中存在的可能性,并對系統的脫氮起到了重要作用.

(a)厭氧段各物質濃度變化;(b)缺氧段各物質濃度變化

在該反應器中,利用DPAOs進行反硝化脫氮的同時,也伴隨著磷的釋放和吸收.試驗中,厭氧段進水平均PO43--P濃度為5.86mg/L,厭氧末出水平均PO43--P濃度為19.55mg/L,平均釋磷量為16.48mg/L;缺氧段進水平均PO43--P濃度為19.57mg/L,出水平均PO43--P濃度為3.19mg/L,缺氧段PO43--P平均去除率為86%,反應器PO43--P平均去除率為59%.從除磷效果可以看出,與其它有關研究相比,該反應器出水PO43--P濃度偏高(3.19mg/L>0.5mg/L> 0.4mg/L)[19-21], PO43--P的去除率較低(59%<85%< 88.99%<94%)[14,18,22],這是因為缺氧段進水中作為電子受體的NO3--N不足,在進行內碳源反硝化過程中未能將厭氧段儲存的有機物最大限度地消耗盡,致使吸磷不完全.試驗下一階段嘗試優化ED-SBR反應器排水比,使得更多的NH4+-N能夠在厭氧末被排出并進入LDON-SBR中進行硝化反應,提高NO3--N濃度,進而增加缺氧段吸磷量,進一步降低出水PO43--P濃度.

圖5所示為試驗期間ED-SBR污泥濃度的變化.在反應器運行期間,除了每次取樣以及測定污泥濃度時帶出的MLSS外,該反應器沒有排泥,故而其固體停留時間遠大于水力停留時間,使得反應器中的厭氧菌對污泥具有一定的消化減量作用.由圖5可見,在前82d內,其MLSS由于系統內微生物的不斷生長而逐漸增加,由開始的2811mg/L增加到4248mg/L,第82d后,污泥濃度有所降低,意味著在此期間被消化、減量的污泥濃度逐漸增加.然而其MLVSS/MLSS值基本不變,說明污泥中的MLVSS相對含量基本不變,保證了該反應器的正常運行.由此可見,該反應器在無外加碳源的條件下,利用厭氧階段儲存的內碳源進行脫氮的過程中,不僅可以充分利用進水中的有機物,還可實現剩余污泥的減量化,節約后期剩余污泥處理費用.

圖5 ED-SBR污泥濃度的變化

2.2 LDON-SBR反應器性能

在本試驗中,通過調控DO濃度,使LDON-SBR能夠穩定地進行低DO(0.3~0.5mg/L)的全程硝化反應,并為了對該反應器內的硝化效果有所了解,對其進出水的NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN以及SND率進行了檢測分析,進而分析LDON-SBR反應器硝化效果.

如圖6所示,LDON-SBR進出水NH4+-N濃度平均為43.8,3.9mg/L,平均NH4+-N去除率為90%左右,DO濃度平均為0.42mg/L.反應器運行過程期間,主要進行過3次曝氣時間的調整,由最初的240min逐步降低調整為180,150min,且出水相對穩定.而在SBR雙顆粒污泥系統[18]中,進出水NH4+-N濃度平均為26.4,2.88mg/L,平均NH4+-N去除率為89%, DO濃度為3.55~6.6mg/L,硝化時間為180min,說明本試驗中的LDON-SBR在低DO的條件下同樣可獲得良好的硝化效果.在后期108~136d內,由于曝氣頭堵塞,致使曝氣效果變差,反應器內DO濃度出現波動,使得硝化效果變差,出水NH4+-N濃度較高.通過更換曝氣頭,穩定曝氣量,可使硝化效果逐漸恢復.

圖6 LDON-SBR運行過程中NH4+-N的去除性能

圖7所示為LDON-SBR運行期間的污泥濃度及污泥沉降指數的變化, MLSS為2500~3500mg/L,平均濃度為2966mg/L,SVI值為61.48~91.21mL/g,平均為78.84mL/g,可見MLSS和SVI值都趨于穩定,說明該污泥硝化細菌性能良好且污泥具有很好的沉降性能,有利于維持穩定高效的硝化效果.有研究[24-25]指出,在較低DO條件下,絲狀菌由于具有較長的菌絲,有較大的比表面積和較低的氧飽和常數,比絮狀菌繁殖的速度快,從而導致污泥膨脹,影響硝化效果,使得出水水質惡化.而在本試驗LDON-SBR中,盡管DO始終處于低水平(0.3~0.5mg/L),活性污泥依然具有良好的沉降性能,未發生污泥膨脹現象,分析其原因,可能是由于(1)有機負荷低.在該脫氮系統中,原水中大部分的COD已在ED-SBR中被吸收利用,進入LDON-SBR的COD只有少部分,其有機負荷平均為0.2kgCOD/(kgMLSS×d),低于相關試驗[24]中DO為1mg/L時的安全有機負荷0.3kgCOD/ (kgMLSS×d); (2)pH值適宜.當進水pH值小于6.0時有利于絲狀菌的生長[23-24],而本試驗所使用的生活污水pH值為7.0~8.0,能夠滿足活性污泥正常生長發育及硝化反應所需堿度的需求,不利于絲狀菌的生長;(3)水中氮磷充足.當廢水中氮磷等營養物質缺乏時,絲狀菌因為自身比表面積大容易吸收廢水中的氮和磷而迅速增殖,進而發生污泥膨脹[24],但該LDON-SBR進水中NH4+-N和PO34--P濃度均處于較高水平,故不易發生污泥膨脹.

圖7 LDON-SBR污泥濃度的變化

鄒聯沛等[25]在研究MBR系統時發現,可在DO濃度為1mg/L的條件下實現SND;徐煒鋒等[26]發現,在DO濃度為1.0~3.0mg/ L時,保持SND的最佳DO濃度為2mg/L;王學江等[27]發現,在MBBR反應器中,當DO濃度為2mg/L時,可通過SND實現90%的脫氮效果;榮宏偉等[28]發現,在SBBR反應器中,當DO控制在2.8~4.0mg/L時,可獲得較好的SND效果.由此可見,不同的研究顯示實現SND的DO濃度各有不同,而在本試驗中,在低DO(0.3~0.5mg/L)的條件下能夠進行硝化反應,同時還發生了明顯的SND反應.由圖8可知,本試驗LDON-SBR進出水TN濃度平均為45.2,32.6mg/L,SND率平均為29.6%左右,這對系統TN的去除具有一定的積極作用[29-30],降低了后續反應進水的NO3--N濃度,減緩了內碳源反硝化的壓力.由第82d典型周期內各基本物質濃度的變化(圖9)可以看出,NH4+-N濃度降低及NO3--N濃度增加的同時也伴隨著相應COD濃度的降低,說明SND反應發生的過程中也消耗了一小部分COD,為系統整體COD的去除和充分利用做出了貢獻.其COD進出水濃度分別為47.1和19.7mg/L,繼續減少了27.4mg/L,TN損失為20.5mg/L,其DCOD/DTN值約為1.34,小于1.72和2.86[14-15],可見此SND的碳源除了厭氧段未被吸收的有機物外,還可能來源于微生物內源代謝過程中產生的COD.同時,自養型反硝化菌和好氧反硝化菌的可能存在也能夠實現SND,前者以還原性無機物為電子供體,而后者則可以直接把NH4+-N轉化為N2[9].

圖8 LDON-SBR運行過程中COD、TN濃度和SND率的變化

圖9 第82d LDON-SBR內基本物質濃度的變化

結合上文該反應器的硝化特性發現,以實際生活污水為處理對象,在低DO(0.3~0.5mg/L)條件下可以成功實現完全硝化,硝化菌能夠很好地適應低DO的環境,可使LDON-SBR中平均NH4+-N去除率達到90%,同時伴隨著同步硝化反硝化,其SND率平均為29.6%,為系統整體脫氮和COD去除作出貢獻.

2.3 系統總體運行效果

經過一段時間的運行,該系統具備了內碳源反硝化及低DO硝化的能力,分別在2個SBR反應器中成功實現了內碳源反硝化和低DO硝化,在它們的協同作用下實現對低C/N生活污水的脫氮,并對它們各自的反應性能進行了觀察分析.本試驗還對系統TN的去除效果進行了分析,如圖10所示.由圖10可知,系統進出水的TN濃度平均分別為66.3,25.6mg/L,TN去除率平均為60.7%左右,出水TN主要包括厭氧末反應器中剩余的部分NH4+-N和缺氧末殘留的少量NO3--N,與其他研究相比較發現[20-21,32],該系統的TN去除率較低(60.7%<70.8%<75.47%<82.3%),這是由于ED-SBR的排水比為60%,因而在ED-SBR缺氧末的排水中,依然會有一部分原水中的NH4+-N剩余,出水NH4+-N平均濃度為21.6mg/L,所占出水TN濃度的平均比例為85.5%左右,提高了出水TN濃度,不利于系統整體脫氮效率的提高,這也是該系統面臨優化解決的問題之一.針對這一問題,后期通過向ED-SBR中投加填料以增大排水比的方式來優化系統,可使其COD去除率達到88%,NH4+-N去除率達到90%,以及TN去除率達到79.5%,以降低出水中的TN濃度,使系統獲得更加高效的脫氮效率.

圖10 系統運行過程中TN濃度及TN去除率變化

3 結論

3.1 在無外加碳源的情況下,ED-SBR具有很好的COD去除效果,COD平均去除率為80%,且COD的去除主要通過在厭氧段發生的內碳源儲存現象進行,并用于后續缺氧反硝化.厭氧段被去除的COD量約占系統COD去除總量的77%.后續缺氧段NO3--N平均去除率為86.5%,出水NO3--N穩定.

3.2 以實際生活污水為處理對象,LDON-SBR在低DO(0.3~0.5mg/L)條件下也可成功實現完全硝化,同時存在明顯的SND現象.其中,LDON-SBR平均NH4+-N去除率可達到90%,SND率平均為29.6%.除此之外,也會有一小部分COD被去除,提高了系統整體COD的去除效率.

3.3 經過一段時間的運行,低DO硝化耦合內碳源反硝化脫氮系統成功啟動并穩定運行,證實在處理低C/N(平均為3.02)實際生活污水時,對原水中的氮和有機物具有一定的去除效果,TN平均去除率為60.7%左右.

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Treatment of domestic wastewater by low DO nitrification coupled with endogenous denitrification system.

LI Fang-zhou, ZHANG Qiong, PENG Yong-zhen*

(National Engineering Laboratory for Advanced Municipal Wastewater Treatment and Reuse Technology, Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)., 2019,39(4)：1525~1532

To further utilize carbon source and reduce aeration energy consumption, endogenous denitrification reactor (ED-SBR) coupled with the low DO nitrification reactor (LDON-SBR) were used to treat low C/N domestic wastewater without additional carbon sources. The operation mode was: anaerobic (ED-SBR)-aerobic (LDON-SBR)-anoxic (ED-SBR). The feasibility of endogenous denitrification coupled with the low DO nitrification was evaluated according to the performance of ED-SBR/ LDON-SBR system. The results showed that low DO concentration (0.3~0.5mg/L) maintained a stable nitrification performance in the LDON-SBR, and the nitrifying efficiency reached up to 90%. Meanwhile low DO concentration enhanced simultaneous nitrification and denitrification (SND), and the average SND rate was 29.6% in the LDON-SBR; In the ED-SBR, the organic matter of influent was stored as internal carbon source in the anaerobic period. The stored internal carbon source could be used for endogenous denitrification in the next anoxic period, which reduced NO3--N concentration from 27.3mg/L to 3.9mg/L in the ED-SBR with a NO3--N removal rate of 86.5%; In addition, the COD removal rate was about 80% in the low DO nitrification coupled with endogenous denitrification system.

activated sludge；low dissolved oxygen；domestic waste-water；nitrification；endogenous denitrification

X703

A

1000-6923(2019)04-1525-08

2018-08-27

北京市科技計劃(D171100001017001),北京市教委資助項目

*責任作者, 教授, pyz@bjut.edu.cn

李方舟(1993-),女,寧夏中衛人,北京工業大學碩士研究生,主要從事生活污水脫氮除磷研究.