活性污泥法反硝化脱氮的行为.doc

活性污泥法反硝化脱氮的行为金雪标 俞勇梅 （上海师范大学环境工程研究所，上海 200234） 摘要 悬浮活性污泥法反硝化去除有机物具有极大的经济价值，其容积去除负荷(CODCr)可达2.055.7kg/（m3d）。试验表明，反硝化所需的有机物量与有机物种类、进水碳氮比（C/N）、容积负荷等有关。碳源充足时，反硝化呈现0级反应动力学；而出水硝酸盐浓度及容积去除负荷，会影响活性污泥的沉降状况。 关键词： 污水处理 脱氮 活性污泥法 反硝化 硝酸盐 1 前言氨排放到水体后，先后被自养微生物转化成亚硝酸盐和硝酸盐。氧化1mg的 NH3-N约需4.6mg O2。在典型城市生活污水中，CODCr 约为250mg/L，TKN为35mg/L。无论在缺氧环境还是好氧环境下，有机氮首先氨化转化成氨氮，35mg 的NH3-N转化成硝酸盐，需氧量为160mg，与目前2级污水处理中的去碳需氧量相当。由于含氮化合物氧化时需氧量如此之大，许多处理厂在排放前必须对其硝化，近一半能耗用于硝化上。对富营养而言，硝酸盐与氨氮产生的危害是相同的，硝酸盐在缺氧条件下可作为电子受体进行无氧呼吸，转化成氮气，同时降解有机物，回收能量。理论上反硝化脱氮是一种低能耗、无害化的处理过程，从而受到重视1,2。但与去碳研究相比，对氮的去除研究落后许多，如反硝化速率、与碳源的关系、负荷、环境条件及经济适用性等。2 实验部分2.1实验过程及方法反应器采用有效容积1000mL的玻璃窄口容器，瓶口塞棉花，磁力搅拌器搅拌，以使活性污泥刚处于悬浮状态，并用恒温水浴控制温度。实验采用SBR方式，每种实验状态（一定的水力停留时间、进水浓度、负荷、污泥量）维持35d，待系统基本稳定后，取样分析。实验用水为人工配置，即将自来水中加入碳源（甲醇或葡萄糖）、硝酸盐（硝酸钠或硝酸钾）及磷营养元素。 接种污泥取自城市污水处理厂二沉池，经35周的培养增殖后，硝酸盐（进水NO3-N 4080mg/L）去除率在90以上。 在每种实验状态稳定后测定活性污泥浓度（MLSS），为便于数据的可比性，将MLSS控制在4500mg/L左右，如果反硝化较完全，SV30为3040mL。2.2分析方法NO3N：酚二磺酸光度法；NO2N：N1萘基乙二胺光度法；CODCr：重铬酸钾法，当CODCr50mg/L时，采用0.025mol/L重铬酸钾，检测限为5mg/L；MLSS：105烘干2h后称重；溶解氧（DO）：碘量法。3 结果与讨论3.1碳源与C/N影响在异养型反硝化过程中，作为电子供体的有机物应当可生物降解，有机物（碳源）的种类2,3与含量影响反硝化效率，在颗粒滤床反硝化中，进水碳氮比决定反硝化的程度4。表1与表2中C/N指进水中投加的甲醇或葡萄糖CODCr与 NO3-N的比值。C/N中N为NO3-N浓度，C为有机物浓度，可用有机物或CODCr、BOD5、TOC、TOD等表示，本文统一以CODCr表示。表1 甲醇为碳源时C/N对反硝化影响C/N=3.1 T=2h t=(222)NO3-N NO2-N CODCrC/N=6.3 T=2h t=(222)NO3-N NO2-N CODCr进水(mg/L)76.4023674.40469出水(mg/L)18.90.00716.71.060.234188表2 葡萄糖为碳源时C/N对反硝化影响C/N=3.4 T=2h t=(222)NO3-N NO2-N CODCrC/N=5.3 T=2h t=(222)NO3-N NO2-N CODCr进水(mg/L)75.2025376.10403出水(mg/L)16.720.00416.71.500.23382.2从表1与表2可以看出，当碳源充足时，反硝化率98以上，比较完全；当碳源不足时，有机物几乎完全被利用（自来水中本底CODCr约10mg/L，为不可降解）。作为碳源，甲醇与葡萄糖反映出相同的现象，但1mg 的NO3-N脱氮，所需碳源有一定的差别，甲醇大约需3.73.9mg（CODCr计），葡萄糖大约需4.04.5mg（CODCr计）。生化过程由多步酶促反应构成，与甲醇比较，葡萄糖为基质的降解途径需进入三羧酸循环，多消耗的碳源可能是反应过程中微生物自身活动能量所需。另外，投加的碳氮比（C/N）也影响实际消耗的碳氮比（C/N），碳源不足时（投加的C/N低），实际消耗的碳氮比（C/N）相应也会有所降低；负荷也影响碳氮比的消耗（见图1），碳源为葡萄糖，投加的碳氮比为5.3，碳源比较充足，随着负荷降低（反应时间增加），C/N增加，但增加的量并不大。图1 负荷对C/N 值影响 C/N=5.3,t=(222)3.2有机物去除负荷有机物容积去除负荷是废水处理工程中的一项重要技术经济指标。反硝化过程中，去除负荷受碳源、出水硝酸盐浓度、C/N、水力停留时间等影响（见图2）。以葡萄糖为碳源，碳源较充分，其他条件相同，分别以不同反应时间进行4次实验。结果显示，反应2h内，容积去除负荷很高，出水硝酸盐具有一定浓度（1mg/L）；反应3h与4h，出水中硝酸盐浓度很低（0.2mg/L），宏观地反映为去除负荷降低。图2中，反应1h与4h的容积去除负荷kg/(m3.d)分别为5.7、2.05 3,说明利用反硝化去除有机物具有极大的经济价值。反硝化过程主要的能耗是混合搅拌，使活性污泥处于悬浮状态，用立式机械搅拌器搅拌，其能耗为5W/m3，若使用水下推进器则低于2.5W/m3。图2 出水硝酸盐浓度对容积去除负荷影响C/N=5.3,t=（222)3.3 污泥沉降状况容积去除负荷是衡量工艺效率的一项重要指标，当出水硝酸盐具有较高浓度时（如NO3-N 35mg/L以上），容积去除负荷较高。但高负荷易引起反硝化过程不稳定，因反硝化不彻底，污泥体积指数上升（见图3），污泥沉降分离变差。当反应为1h, 反硝化不完全，污泥在30min内出现严重的上浮现象,甚至反应器底部变为清液,此时,反应器内表层液面已聚集大量气泡,并且仍有许多气泡不断冒出液面。当反应时间在34h时，不产生这种现象。图3 容积去除负荷对污泥沉降体积的影响如果混合液中有机物浓度很低,同时容积去除负荷也较低，即使硝酸盐还处于较高浓度，污泥也不会呈现上浮现象，这一点对工程的设计与运行管理很有用。实际应用中，一般（如A/O法）总脱氮率受硝化液回流比的限制，二沉池出水具有一定浓度的硝酸盐，如果硝化池处于延时曝气且出水BOD5很低（5mg/L）时，二沉池的运行不会受到污泥脱氮上浮的困扰。3.4 反硝化速率以葡萄糖为碳源，投加的CODCr: NO3-N=6.3，碳源充足，CODCr与 NO3-N随反应时间基本上以线性下降，呈0级反应动力学（见图4）。设：dC/dt=kt式中，k为0级反应动力学表征常数，其综合了温度、污泥浓度及实验条件等因素；C0为反应起始（t=0）NO3-N的浓度,Ct为反应时间t的NO3-N浓度，t为反应时间（h）。由此计算k=37.25mg/（L.h）。图4 NO3-N、NO2-N、CODCr随反应时间的变化 t=（222）3.5 DO影响工程上有意识控制溶解氧，其投资费用势必提高许多，所以尽可能建在敞开构筑物内，这能满足一般的溶解氧要求。本实验以控制搅拌器转速来控制溶解氧，分慢速搅拌与快速搅拌。慢速搅拌40r/min,使活性污泥刚处于悬浮状态，其空气氧溶入很少，实验室测得的DO一般小于0.1mg/L；快速搅拌200r/min，DO在0.30.5mg/L左右(见表3)。 表3 DO对反硝化影响 T=2hr ，t=（222)低速搅拌NO3N NO2N CODCr快速搅拌NO3N NO2N CODCr进水(mg/L)74.4046974.60471出水(mg/L)1.060.2341885.350.18089.2随着DO上升，反硝化率由98.57%降至92.83%，相应的CODCr去除率则从59.91%上升到81.1%。可见提高DO浓度，一方面降低了系统的脱氮效率,另一方面提高了CODCr 的去除率。这说明DO提高，污泥中好氧微生物含量比例增加，从而也增加了脱氮所需的碳氮比及脱氮所需的反应时间，这一过程应结合实际处理工程，以去碳还是以脱氮为目的而定。一般而言，对敞开的生化反应池，以搅拌或不供氧形式使活性污泥混合及处于悬浮状态，DO不会超过0.5mg/L，因此实际应用中溶解氧因素一般不必专门控制。4 结论4.1活性污泥法中，反硝化所需的有机物量，与有机物种类有关， 1mg NO3-N反硝化，所需甲醇大约3.73.9mg，需葡萄糖大约4.04.5mg（以CODCr计），并与投加的碳氮比（C/N）及容积负荷，也有一定的关系。4.2 利用反硝化去除有机物具有极大的实用价值，本实验容积去除负荷可达2.055.7kg/(m3d)。4.3 出水硝酸盐浓度及容积去除负荷，会影响活性污泥的沉降状况，在高负荷及反硝化不彻底状态下易引起污泥体积指数上升，污泥沉降分离变差。4.4 碳源充足时，反硝化呈现0级反应动力学，本实验以葡萄糖为基质，其表征速率常数k=37.25mg/（Lh）。4.5 溶解氧影响反硝化效率及碳氮比的需求量，其利弊应据实际情况而定。5 参考文献1 Hien T. Effect of influent chemical oxygen demand to nitrogen ratio on a partial nitrification/complete denitrification process. Wat.Res.1998, 32(1):165173.2 徐亚同. 不同碳源对生物反硝化的影响.环境科学,1994,15(2):2932.3 Akunnk J C. Nitrate and nitrite reductions with anaerobic sludge using various carbon sources:glucose,gl