曝气参数对短程硝化的影响及氮素等高线分析

袁忠玲,秦彦荣,张民安,张 明,毛佩玥,安芳娇,陈永志 (兰州交通大学环境与市政工程学院,甘肃省污水处理行业技术中心,甘肃省黄河水环境重点实验室,甘肃 兰州 730070)

采用常规脱氮工艺处理低氨氮低碳源生活污水已难以满足氮排放标准[1-3],短程硝化-厌氧氨氧化组合工艺作为生物脱氮新型工艺,有效弥补了传统生物脱氮工艺的一些缺陷[4],具有减少50%曝气、节省100%碳源消耗和减少污泥产量[5]等优点.短程硝化作为厌氧氨氧化的前置工艺是高效稳定脱氮的基础,稳定短程硝化即将硝化过程严格控制在-N 阶段,在增加氨氧化菌(AOB)生物量及活性的同时抑制亚硝酸盐氧化菌(NOB)的生物量和活性.根据Bernet 的竞争机理[6],溶解氧(DO)是影响AOB和NOB 活性的关键因素之一,且AOB 和NOB 对DO 的亲和力不同[7].

目前,短程硝化工艺多采用间歇曝气策略,使AOB 成为优势菌种[8-10],曝气过程中的紊动可能会造成水动力条件变化,导致DO 浓度差异,因而有必要深入探究实现间歇曝气的关键参数[11-12].于阳阳等[13]认为曝气强度是控制DO 浓度的关键参数之一,曝气造成的水力剪切作用直接影响生物特性,进而影响系统处理能力,该研究发现在曝气强度为100L/h 时,COD 及氨氮的平均去除率高达95.6%和95.86%;为探究改善系统曝气工况的方法,李冬等[14]提出“曝气密度”这一参数,即在反应器运行的一个周期内的曝气频率,该研究表明曝气密度为12 时有利于全程自养脱氮工艺(CANON)的启动,提高系统对DO 的利用率及总氮去除率,并且NOB 的抑制更为彻底.

上述研究主要是在人工配水条件下,控制曝气强度或曝气密度单一因素,探究系统对污染物的去除能力,而采用SBR 处理常温低C/N 实际生活污水时,同时控制两曝气参数,以实现稳定短程硝化的研究还鲜见报道.一方面考察不同曝气强度条件下,对系统实现稳定亚硝积累的影响,以期通过合理安排曝气强度,来提高处理效果,达到降低系统能耗的目的;另一方面考察在不同曝气密度下,对反应系统内曝气时间的合理分配,确定准佳间歇曝气工况,实现稳定的短程硝化.因此,本试验设计在室温(26±0.5)℃条件下,采用等高线及剖面图优化分析曝气强度和曝气密度的联合作用,创造有利于AOB 的生存环境,以实现稳定短程硝化,为实际生活污水处理提供一定理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验装置

SBR 反应器由圆柱形有机玻璃制成,装置示意如图1 所示,直径14cm,高46cm,有效容积5L,反应器底部设曝气装置以提供反应所需DO,侧壁垂直方向安装取样口.

图1 SBR 试验装置示意Fig.1 Schematic diagram of SBR reactor

1.2 接种污泥

试验接种污泥取自完全短程硝化污泥,污泥脱氮性能良好,MLSS 为3250mg/L,f 值(MLVSS/MLSS)为0.65,SV30为30%～45%.

1.3 试验用水水质及检测方法

SBR 反应器进水采用实际生活污水,取自兰州交通大学某生活区,投加NaHCO3补充反应所需碱,水质指标见表1.

表1 SBR 进水水质Table 1 Quality of influent of SBR

COD,快速消解分光光度法;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;-N,麝香草酚法;pH 值、温度和DO 采用WTW 便携式多参数测定仪测定,MLSS、MLVSS 根据国家标准方法检测[15].

1.4 计算方法

NH4+-N 去除率(ARE)、NO2--N 积累率(NiAR)、-N 积累率(NaAR)、比氨氮氧化速率(SAOR)、比亚硝酸盐氮氧化速率(SNiPR)和比硝态氮氧化速率(SNaPR)等参考尤永军[16]的计算公式.

1.5 TN 和COD 平衡分析

为了考察不同曝气密度下SBR 工艺短程硝化氮损失ΔTN,根据物料衡算对 TN和COD进行平衡分析[17],采用ΔTN 和ΔCOD 计算SBR 同步硝化反硝化碳氮比例(ΔCOD/ΔTN):

1.6 试验设计方案

首先分别探究曝气强度和曝气密度两种曝气参数对SBR 工艺稳定短程硝化的影响,然后设计批次实验探究两者综合影响.

为探究不同曝气强度对实现稳定短程硝化的影响,设计采用三种工况(表2)分别在曝气强度为1、1.5 和2L/(L⋅h)条件下各运行40、45、40 个周期,每周期780min,根据不同曝气时长调整运行周期内的搅拌和闲置时长,沉淀时间为30min,排水比75%.

为探究不同曝气密度对实现稳定短程硝化的影响,根据曝气密度定义,即在曝停比α和总曝气强度一定的条件下,一个运行周期曝气的频率,设计采用三种工况(表2),每周期480min,分别在曝气密度为6 (480min:80min)、8(480min:60min)和12(480min:40min)条件下各运行50、45、45 个周期,沉淀时间为30min,排水比75%.

表2 运行工况Table 2 Operation conditions

1.7 批次试验

表3 批次试验设计Table 3 Design of batch test

通过间歇曝气策略实现稳定短程硝化,改变不同的曝气强度、曝气密度、曝气时长等条件均会对NH4+-N 去除率、NO2--N 积累率产生一定的影响,为综合探究曝气强度和曝气密度对实现稳定短程硝化的相关性,设计批次试验见表3.控制试验温度为26℃,反应周期720min,沉淀时间为30min,排水比75%.

2 结果与讨论

2.1 三种曝气强度下短程硝化性能的变化特征

图2 为三种曝气强度下氨氮去除率和比氨氧化速率(SAOR)的变化情况.进水NH4+-N 的浓度为87.21～103.58mg/L,在曝气强度分别为1,1.5,2L/(L⋅h)时,出水NH4+-N 分别在32、38、30 周期为35.60,35.92,38.07mg/L;ARE 在整个运行周期内逐步增加,分别在10、15、12 周期时达到52.68%、47.89%、55.29%,周期末各为57.13%、62.45%和67.10%.整个运行周期内,SAOR 逐渐增大至趋于平稳,分别稳定在0.50,0.48,0.54g/(g·d) .分析原因,三种曝气强度分别形成低(DO 为0.3～0.5mg/L)、中(DO 为1.0～1.2mg/L)、高(DO 为1.8～2.0mg/L)DO 环境,随DO 浓度升高,AOB 和NOB 的增长速率和代谢活性逐渐增大[7],ARE 增加,SAOR 升高.

图3 为三种曝气强度下NO2--N 的变化特性.进水N 平均浓度均为0.23mg/L,工况Ⅰ和Ⅲ出水-N 浓度都随运行周期的增加而升高,分别在32、30 周期达到30 和35mg/L,NiAR 为90%和95%,SNiPR 为0.15 和0.28.对比工况Ⅰ和Ⅲ,工况Ⅱ运行前期,平均出水NO2--N 浓度、NiAR 和SNiPR随反应运行波动升高,至第18 周期达到最大值,分别为24.67mg/L、94.04%、0.17,亚硝化性能良好.随后,亚硝积累逐渐恶化,NiAR 从94.04%逐步降低至65.34%,出水NO2--N 浓度和SNiPR 逐渐下降至14.58mg/L 和0.09.

试验表明,工况Ⅰ的低DO 浓度(0.3～0.5mg/L)和工况Ⅲ的高DO 浓度(1.8～2.0mg/L)都能实现较好的亚酸盐积累,工况Ⅲ的NiAR 更高.分析原因,在低曝气强度和间歇曝气条件下,NOB 生长受到抑制[18],AOB 逐渐成为优势菌种,但是由于低DO 环境,AOB和NOB 的增值速率和代谢活性下降[19],Wang 等[20]研究表明当 DO 为 0.5mg/L 时,AOB 和NOB 增长速率分别为正常值的 60%和30%,一定程度上削弱了对NH4+-N 的高效转化;高曝气强度下DO 充足,AOB、NOB 的生长活性均增强,Regmi 等[21]的试验证明高 DO(大于1.5mg/L)条件下,AOB 对DO 的竞争力大于NOB,同时,交替缺氧-好氧条件下,AOB适应性更强,因而NiAR 达95%.工况Ⅱ的NiAR 变化情况说明在中曝气强度(DO 为0.7～0.9mg/L)反应前期,AOB、NOB 的生长活性均有所增强,但DO 对NOB 仍有抑制.中后期,NOB 逐渐适应DO 环境,DO对NOB 的抑制减小,NOB 增长速率加快,AOB 不再是优势菌种,故亚硝化系统遭到破坏.张杰等[22]控制曝气强度为 1.58L/(L·h),亚硝化性能逐渐恶化,周期末NiAR 为 48%,控制曝气强度为 1.93L/(L·h),实现NiAR 为91.6%,与本研究结果基本一致.

图4 为三种曝气强度下NO3--N 及同步硝化反硝化率(SND)的变化特性.进水NO3--N 平均浓度为0.73mg/L,工况Ⅰ和Ⅲ,整个运行过程中出水NO3--N的浓度都低于 3.0mg/L,说明在低和高曝气强度下,NOB 抑制效果良好;比硝酸盐氮氧化速率(SNaPR)平均各为0.066,0.11g/(g⋅d),说明高曝气强度下的高DO 环境中,NOB 活性增加.工况Ⅱ,随反应器运行出水NO3--N 浓度和SNaPR 显著增加,后期分别稳定至14.03mg/L 和0.096g/(g⋅d).分析原因,反应前期,NOB 处于适应中曝气强度下的 DO(0.7～0.9mg/L)环境条件,在中后期,DO 对NOB 的抑制减弱,NOB 活性恢复.

图2 三种曝气强度下NH4+-N 去除和SAOR 变化特性Fig.2 NH4+-N removal and SAOR characteristics under three kinds of aeration strength

图3 三种曝气强度下NO2--N 变化特性Fig.3 Variation characteristics of NO2--N under three kinds of aeration strength

图4 三种曝气强度下NO3--N 及同步硝化反硝化率(SND)的变化特性Fig.4 Characteristics of NO3--N and simultaneous nitrification and denitrification rate (SND) under three kinds of aeration strength

整个运行过程中,进水ΔTN 为87.43～105.65mg/L,出水Δ TN 分 别 为:58.94～80.19mg/L、58.98～81.10mg/L、63.33～76.66mg/L,均发生了不同程度的氮损失,造成氮损失的原因[19]包括:游离氨的吹脱、厌氧氨氧化、N2O 的释放、同步硝化反硝化以及微生物的同化作用等.由图4 可看出,在工况Ⅰ和Ⅲ中,SND都呈下降趋势,周期末分别稳定在45.65%和36.41%,工况Ⅱ,SND 在运行前期逐渐降低,中后期上升后稳定在65.28%,微环境理论认为[23],由于氧传递受限,在活性污泥絮体内产生DO 浓度梯度,内部会形成微缺(厌)氧环境,为反硝化和厌氧氨氧化提供反应条件.工况Ⅰ低DO 条件下,微缺(厌)氧环境所占比例可能提高,反硝化作用增强,SND 占比高.工况Ⅲ高DO 条件下,NH4+-N 主要通过短程硝化作用转化,氮损失量减少,SND 占比降低.工况Ⅱ前期,AOB 逐渐占优势将NH4+-N 氧化为NO2--N,运行中后期,短程硝化系统破坏,NOB 生长速率加快,SND 逐渐稳定.

2.2 三种曝气密度下短程硝化性能的变化特征

图5 三种曝气密度下NH4+-N 去除和SAOR 变化特性Fig.5 NH4+-N removal and SAOR characteristics under three kinds of aeration densities

图5 为三种曝气密度下ARE 和SAOR 的变化情况.曝气密度分别为6、8 和12,进水NH4+-N 浓度均为62.21～100.58mg/L,出水NH4+-N 浓度随运行周期的增加而降低,运行至40、37、22 周期时,出水NH4+-N 趋于稳定,分别为16.52、30.48 和36.59mg/L;NH4+-N 去除率在整个运行周期内逐步增加,分别在40、37、22 周期时达到了71.40%、52.36%和59.60%.运行后期SAOR 逐渐增大并稳定在0.33、0.36 和0.42gN/(gVSS⋅d),可以看出工况Ⅵ下SAOR增长幅度较大.分析原因,AOB 在交替缺氧/好氧环境下提高自身产率系数来加快生长繁殖[24],生物量增加,SAOR 增大.间歇曝气可以使得AOB 和NOB经历周期性的缺氧/好氧交替,AOB 具备的“饱食饥饿”特性[25]使其成为优势菌种,NOB 不具备此特性因而被抑制,且曝气密度越大即间歇缺氧/好氧的时间间隔越短,越有利于AOB 生长,使其在与NOB 的竞争中处于优势地位[26-27].

图6 表示三种曝气密度下NO2--N 积累及SNaPR、SNiPR 变化特性.进水NO2--N 和NO3--N平均浓度为0.23 和0.73mg/L,出水NO2--N 浓度都随运行周期增加而升高,分别运行至第40、37 和22 周期时,出水 NO2--N 稳定至 26.07、19.82 和23.45mg/L,NiAR 均在95%以上.SNiPR 也呈先增加后逐渐稳定的趋势,周期末SNiPR分别为0.16、0.20、0.27gN/(gVSS⋅d).短程硝化性能均较好.

三种工况下,运行初期出水NO3--N 浓度均低于3.0mg/L,SNaPR 均呈现逐渐下降的趋势,周期末SNaPR 分别稳定在 0.008、0.003 和 0.001gN/(gVSS⋅d),出水NO3--N 浓度分别降至1.00、0.19和 0.30mg/L,这可能是因为三种曝气密度:6(40min:40min) 、 8(30min:30min) 和 12(20min:20min)的间歇曝气时长不同,曝气时长缩短,对NOB 的抑制作用增强,其活性降低,逐渐被淘洗[28].

图6 三种曝气密度下NO2--N 积累及SNaPR、SNiPR 变化特性Fig.6 Accumulation of NO2--N and variation characteristics of SNaPR and SNiPR under three aeration densities

李冬等[14]设计曝气密度3、6 和12,分别经过 32、29、23d 实现了CANON 工艺成功的启动,曝气密度为12时,因其较大的曝气密度和合适的时间间隔,更有利于抑制NOB 活性,使得系统对DO 的利用率更高,提高了系统的脱氮性能,与本研究结果一致.

图7 为三种曝气密度下ΔTN 及ΔCOD 变化特性.三种工况下,ΔTN 的变化范围分别为:2.67～18.46mg/L、3.68～30.21mg/L 和9.32～21.60mg/L,都发生了氮损失.本试验忽略微生物同化作用等,ΔTN表示为同步硝化反硝化作用去除的总氮.由式(1)、(2)计算ΔTN、ΔCOD 及ΔCOD/ΔTN.三种工况的ΔTN 在周期末稳定至18.46、15.90 和13.29mg/L,ΔCOD 分别为155.43、121.53 和90.35mg/L, ΔCOD/ΔTN 最后各稳定在8.42、7.64 和6.79.分析认为,工况Ⅳ和Ⅵ的ΔCOD 差异明显,这是因为总曝气强度一定条件下,曝气密度越小,好氧段时间越长,好氧消耗的COD 越多,供给缺氧段异养反硝化的COD 越少,即好氧段的长短决定有机碳源的消耗量,这与刘安迪等[29]研究相似.工况Ⅳ的ΔTN 最大,这可能是由于工况Ⅳ的好氧段时间最长,好氧段污泥内部的微观厌氧环境发生“好氧反硝化”[23]消耗ΔTN 较多.

图7 三种曝气密度下ΔTN 及ΔCOD 变化特性Fig.7 ΔTN and ΔCOD characteristics under three kinds of aeration densities

2.3 曝气密度、曝气强度对ARE 及NiAR 的影响

分别以ARE 和NiAR 为探究对象,以曝气强度和曝气密度为2 个试验因素,进行批次实验,实验结果见表4,对ARE、NiAR 进行等高线分析,分析结果见图8 和图9.

采用批次试验分析曝气强度和曝气密度对交替间歇曝气SBR 短程硝化系统中ARE 和NiAR 的影响.图8(a)为ARE 等高线图,随着曝气强度增加,ARE 逐步升高且受曝气密度的影响减小,图8(b)分别截取曝气强度为1、1.5、2 和2.5L/(L⋅h)四条剖线,ARE 与曝气密度呈正相关,当曝气强度为2L/(L⋅h)时,剖线整体较平缓即受曝气密度影响较小;图8(c)中分别截取曝气密度为4、8、14 三条剖线,随曝气强度增加ARE 升高,且曝气密度越大ARE 越好.

表4 氨氮去除率(ARE)和亚硝酸盐积累率(NiAR)Table 4 Ammonia nitrogen removal rate (ARE)and nitrite accumulation rate (NiAR)

图8 (a)ARE 的等高线 (b)曝气强度剖面 (c)曝气密度剖面Fig.8 (a)Contour of ARE (b)Section of aeration strength (c)Section of aeration densities

图9 (a)NiAR 的等高线(b)曝气强度剖面(c)曝气密度剖面Fig.9 (a)Contour of NiAR(b)Section of aeration strength(c)Section of aeration densities

图9(a)为NiAR等高线图,曝气强度为1.5L/(L⋅h)时NiAR 最低,随曝气强度增加或降低NiAR 均逐渐升高,且受曝气密度影响降低.图9(b)分别截取曝气强度为1、1.5、2 和2.5L/(L⋅h)四条剖线,曝气强度为1 和2L/(L⋅h)时,随曝气密度增加NiAR 逐渐升高接近100%;曝气强度为1.5 和2.5L/(L⋅h)时,随曝气密度增加NiAR 逐渐降低,曝气密度增至15 时,NiAR 分别降至55%和63%.图9(c)分别截取曝气密度为4、8、14 三条剖线,曝气强度为1～1.5,2～2.5L/(L⋅h)时,三种曝气密度下的NiAR 与曝气强度都呈负相关,即随曝气强度增加, NiAR 效果变差,在曝气强度为2L/(L⋅h)时,NiAR 都达到最大值,且曝气密度为14 时NiAR 效果最好.

分析原因:低曝气强度下,AOB 活性高于NOB,AOB成为优势菌种,因而SBR亚硝化性能较好,且随间歇曝气时间间隔减少即曝气密度增大,NOB 不能及时利用基质[30]导致NOB 活性进一步降低,因而NiAR 升高,但同时低DO 环境导致AOB 增值速率和代谢活性下降[21],增大曝气密度无法阻止AOB 活性的下降[31],氨氮去除效果下降.高曝气强度下,DO充足,AOB 和NOB 的增值速率和代谢活性均增加,因而ARE 有所升高,同时增大曝气密度,即减小曝气时间间隔,NOB 受到抑制,AOB 仍为优势菌种,NiAR增大.但继续增大曝气强度,DO 过量,亚硝积累效果反而下降,NOB 不能被有效抑制[32-33],短程硝化的稳定性遭到破坏.

根据以上试验结果,曝气强度和曝气密度均会对ARE 和NiAR 产生影响,但曝气强度占主导地位,在高曝气强度为2L/(L⋅h)、曝气密度为15 时,可实现77%ARE 和99%NiAR.

3 结论

3.1 间歇曝气SBR 短程硝化系统中,设计曝气密度为12,控制低[1L/(L⋅h)]、中[1.5L/(L⋅h)]和高[2L/(L⋅h)]三种曝气强度,在低和高曝气强度下,ARE 和NiAR分别为57.13%、67.10%和90%、95%,高曝气强度下氨氮去除效果更佳,中曝气强度下运行后期短程硝化系统破坏,NiAR 最终降至65.34%.

3.2 设计曝气强度为2L/(L⋅h),控制三种曝气密度分别为6、8 和12,ARE 分别在40、37、22 周期时达到了 71.40%、52.36%和 59.60%,NiAR 增至98.94%、96.72%和98.20%,曝气密度为12 时达到稳定短程硝化所需时间最短.

3.3 对批次试验结果进行等高线和剖面图分析,曝气强度和曝气密度均会对ARE 和NiAR 产生影响,但曝气强度占主导地位;准佳曝气强度为2L/(L⋅h),协同增大曝气密度,可同时达到较为理想的氨氮去除效果和亚硝积累效果.