悬浮载体生物膜反应器的亚硝酸型硝化研究

1、第24卷第9期2008年5月中国给水排水CHINA WATER&WASTEWATERV01.24No.9Mav2008悬浮载体生物膜反应器的亚硝酸型硝化研究祁佩时1,王文斌1,高大文1,李正1,董有2,綦峥1.(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨150090;2.武汉安全环保研究院,湖北武汉430081摘要:采用多孔聚合物载体生物膜反应器对亚硝酸型硝化进行了研究,考察了连续流情况下pH、DO和水力停留时间(HRT对氨氮降解和亚硝化反应的影响。在进水氨氮浓度为420 ms/L、温度为25的情况下,当HRT为24h、DO为2ms/L、pH值为8时,对氨氮的去除率> 75

2、%,亚硝酸盐氮的积累率达到了70%以上,实现了对氨氮的高效去除和稳定的亚硝酸盐氮积累。间歇试验结果表明,亚硝酸盐氮的生成速率为5.8684ms/(Lh,而硝酸盐氮的生成速率仅为0.993l mg/(Lh,即生物膜上氨氧化菌的数量和活性明显高于亚硝酸盐氧化菌的。关键词:亚硝化;悬浮载体生物膜反应器;水力停留时间;溶解氧;pH中图分类号:X703.1文献标识码:A文章编号:10004602(200809000805Study on Nitrosation in Suspended Carrier Biofilm Reactor QI Pei.shil,WANG Wen.binl,GAO Da.we

3、nl,LI Zhen91,DONG You2,Oi Zhen91(1.School of Municipal and Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin150090,China;2.Wuhan Safety and Environmental Protection Research Institute,Wuhan430081,ChinaAbstract:A study on nitrosation was performed in a porous polymer cartier biofilm rea

4、ctor.The effect of pH,dissolved oxygen(DOand hydraulic retention time(HRTon the ammonia nitrogen removal and nitrosation reaction was investigated.Under the conditions of the influent ammonia nitrogen of 420ms/L,temperature of25oC,HRT of24h,DO of2mg/L and pH of8,the removal rate of ammonia nitrogen

5、and the accumulation rate of nitrite nitrogen can reach more than75%and70%respectively. The hiIghefficiency removal of ammonia nitrogen and the stable accumulation of nitrite nitrogen Call be achieved.The batch test results show that the formation rate of nitrite nitrogen is5.8684mg/(Lh while the fo

6、rmation rate of nitrate nitrogen is only0.9931ms/(Lh,which means that the number and activity of ammonia oxidizers are significantly higher than those of nitrite oxidizers.一Key words:nitrosation;suspended carrier biofilm reactor;HRT;DO;pH悬浮载体生物膜反应器又称移动床生物膜反应器(MBBR,由于填料在反应器内呈流化状态,因而解决了固定床反应器需要定期进行反冲洗

7、、流化床动力消耗较大、淹没式生物滤池需定期清洗滤料和更换曝气器等问题。同时,微生物在载体上附着生长也有利于世代时间较长的微生物富集。基金项目:全国优秀博士论文作者专项基金资助项目(20050448揪.watergasheat.corn祁俄露,等:悬浮裁俸生耪貘反应器鳃藏磷酸型磁化研究第24豢第9期在生物脱氮过程中,如果将硝化反应控制在亚磷纯阶段焉巍接进行反硝化,则霹以节约曝气量、减少后续反硝化反应器的容积和节省反硝化所需的碳源旧J。高效稳定的NO;一N积累是实现豫硝酸型硝化反硝纯的基础。强蓊亚硝酸型脱氮在实际工程中的应用并不多觅,主要原因在于NO;一N积累的影响因素较多H J,而且NO;一N转

8、化为NO;一N的反应速度较抉。MBBR鲍氧簧覆系数高于滋性污泥反应器的,并且在相同供气量下其NO;一N积累量更高M J,这为实现亚硝酸型硝化反硝化提供了有利条件。笔者借助多魏聚合物悬滓载体生物貘反应器,研究了连续流情况下pH、DO和HRT对No;一N积累的影响,探讨了NO;一N的积累特征和实现机瑾。1材料与方法.1。1试验装置试验所用MBBR装置觅图l。|。承麓2.DO秘滠度褒线穗定饺3.pH後在线溺定饺4.恩浮载俸5.曝气装置和转子漉簸计6.出水管图1试验装置Fig.1Schematic违捌笋啦of MBBRMBBR的有效容积为10L,活性污泥取自哈尔滨文昌污水处理厂的二沉池。多孔圆柱型载体

9、由添期了无视活性离子的聚嚣烯削成,尺寸隽53mm×53mm,密度为0.99g/cm3,内部为圆柱条,表面经过特殊的处理以便于挂膜。载体的填充比为60%,在曝气的作餍下与污水一趋流动。试验用水采蔫人工配制1COD为200mg/L,NH?一N为420mg/L,KH2P04为60mg/L,NaHC03力3。6g/L,CaCl22H:O为30mg/L,微量元素液的投量为l mL/L。微摄元素液的成分:FeCl36H20为0.2g/L,Na2EDTA为4.8g/L,CuS04为0。006g/L,MgS047H20为18,5g/L,ZnS047H20为0.02g/L,CoCl26H20为0.0l

10、 g/L。91.2检测项目与方法Nn;一N:纳氏试剂分光光度法婚4;N02一N:N 一(1一萘基一乙二胺光度法;NO;一N:酚二磺酸分光光度法;DO:YSl5100溶解氧测定仪;pHt在线pH测定仪。2结果与讨论2.1反应器的启动挂膜瘟动分为两个阶段:首先是在低氨氮浓度下(1540mg/L进行间歇培养(运行周期为8h>, 28d后载体上形成了一层薄的生物膜;然后调整进承氨氮浓度在150400mg/L之闻,HRT隽24h,且将温度控制在25,pH值控制在8,采用连续流的运行方式进行堵养。对氨氮的去除率从第37天开始逐渐升高,随着氨氧化滚的富集,NO;一N浓度也稳步提高,55d时对氨氮的去除

11、率和NO;一N的积累率(或亚硝化率都达到了70%以上,亚硝羧型硝化生物膜反应器启动成功。启动焉控制温度为25,对HRT、DO和pH等因素进行考察。当考察其中的纂个参数隧,固定其饿影响因素熬值不变;每改变一次运行条件,待反应器稳定运行2d后荐开始取样测定。2。2浓度对翌硝酸型磷像的影响.氨氧化菌(AOB和硝酸菌(NOB都属于好氧菌,DO浓度对AOB和NOB的生长速率有很大的影响。毒动力学方程可知,AOB的氧饱释常数一般隽0.2一O.4mg/L,NOB的氧饱和常数为1.21.5 mg/L¨J,这表明在较低的DO浓度下,AOB比NOB 更其肴竞争傀势。医鳇,亚磷酸型磷仡通常采用控制较低的D

12、O浓度来实现。,控制进水氨氮浓度为420mg/L、pH值为8.0,改变反应器痣的DO浓度,考察DO浓度为3、2和1 mg/L时对氨氮的去除效果和NO;一N积累情况,结果如网2、3所示。当DO为3mg/L时对氨氮的去除率>80%, NO;一N积累率为44.3%;当DO为2mg/L时对氨氮的去除率>75%,NO;一N积累率>70%,获得了较好的亚硝化效果。这主要是因为液相中DO浓度的降低会导致生物膜内扩散阻力相对加大,由于NOB的氧饱穰常数较大,供氧量不戆将会对NOB 的代谢活性产生较大的影响,所以NO;一N积累率增加。Hanaki71的研究表明,低溶解氧时AOB的增第24卷第9

13、期中国给水排水www.watergasheat.corn殖速度提高了近一倍,这李|、偿了低溶解氧鳜造成的代谢活性下降,使得氨氧化过程受到的影响较小或者不受影响,而NOB的增殖速度没有任何提高,因此低的DO浓度很容易导致生物膜上NOB的数量减少。由于生物膜好氧层内AOB数量的增加和NOB数量的减少,使生物膜内AOB所占比例增大,发生了NO;N积累。当DO舞1mg/L时对氨氮的去除效果变差,平均去除率只有49.8%,这是因为AOB和NOB都为好氧菌,过低的DO浓度不仅会影响NOB的活性,网时也会影噙AOB的役谢活性,不利于氨氮的降解。所以在进水氨氮浓度为420mg/L的情况下,控制反应器内DO为2

14、mg/L能获褥较高的氮氮降籍率秘NO;一粼积累率。4504似350300警250藤200聪150l,50.,叶。w吖J、士_h.DO=3m圳j DO=2mg/L;DO=I mg/L 。氏/V”+出水V爻竺兰y。02468101214161820dd 10090 80萎70鬟60鬈5040露2D0浓度对氨氮去除效栗的影响Fig.2Influence of DO帕ammonia nitrogen removal3弱S300警250簪200鬟150喜100勰匏墅o=3mg鱼l DO=2触一lDO=I mL一i二02468101214161820dd l80啦褥60瓣器4(彳o 20z O露3DO滚痊

15、瓣N02-一鞑积繁豹影响Fig.3Influence of DO On N02-N accumulation2.3pH值对亚硝酸型硝化的影晌磷纯蘸对pH特别敏感,pH瓣硝诧反应懿影响主要表现在两个方面:一是硝化菌的生长需要适宜的环境,pH假的变化会影响系统内AOB和NOB的毙铡和活性姆3;二是pH值鹩改变会对水中游离氨(FA的浓度产生影响,不同的FA浓度对AOB和NOB活性的抑制程度不同。通常情况下,FA对AOB的霉制浓度为10150mg/L,对NOB的抑制浓度为0.1l。0mg/Li9j,郧NOB比AOB更容易受到FA的抑制。同时,氨氮豹降解需要一定的碱度,碱度不足会引起对氨氮的去除率下降。

16、因此,根据AOB和NOB生理特性的不同,选择适窟的pH对实现NO;一N积累非常重要。控制遂水氨氮浓度为420mg/L左右、DO为2mg/L,改变反应器内的pH 值,考察pH值对氨氮去除效果和NOrN积累的影响,结果觅图4稀图5。400j300县蒸20(强l.一-、r_砖、_一.、.,。1h一pH=7卜pH=8。pH=9一l涎i、,一一一/、一.蓬褥畿悄蜮撅图4pH值对氨氨去除效果的影响Fig.4Influence0f pHonammonia nitrogen lmoval 300Z.i200oZZI8100ZO。pH=7.一一pH=8一一pH=9.W一:p“惩_馘牡一1圈5pH馕对NO;一N积

17、累率的影响Fig.5Influence of pH on N02-一N accumulation由图4可知,警pH值为7对对氨氮的平均去除率较低,这主要是由于碱度不足所致,怠AOB生长最适宜的pH值为7.58.08J,低pH值也会对其活性产生一定的影嫡。因此,当pH值为7时对氨氮的平均去除率仪为59.8%,NO;一N积累率双有68%。当pH值升高到8时对氨氮的平均去除率提高到76。l%,出水NO;一N浓度增加,NO;一N积累率明照提高(平均值>80%。当pH值为9时对氨氮的平均去除率下降为67.1%,反应器出水中的氨氮浓度舞高,NO;一N积累率也有掰下降(平均为76.3%,这是由于FA浓

18、度较高所致。经计算,当pH值为9时FA浓度在40mg/L左右,对AOB和NOB的活性都产生了牵制臻用,因此对氨氮的去除10www.watergasheat.corn祁佩时,等:悬浮载体生物膜反应器的亚硝酸型硝化研究第24卷第9期率下降,同时NO;一N积累率也有所降低。当pH值为8时,反应器内的FA浓度大约为5.5mL,对NOB的活性产生了抑制作用,而对AOB的活性影响较小,这和Chung等的报道相一致。Chung的研究表明,在短程硝化中FA为510mg/L时效果最佳,此时不仅可以抑制硝酸菌的活性,而且可以实现氨氮的最大转化。本试验表明,当pH值为8时既能维持较好的氨氮降解效果,又有利于N02-

19、一N的积累。2.4HRT对亚硝酸型硝化的影响在进水氨氮浓度为420mg/L、pH值为8、DO浓度为2mg/L的条件下,考察了HRT对去除氨氮和NO;一N积累的影响,结果如图6、7所示。400j300蠢2(o撩100Or','1|_l4_r一1HRT=20h一呻A。斗,t。/HRT:24h一HRT=30h+进水,+出水/、Q去除率、.一一.、,一图6水力停留时间对氨氮去除效果的影响Fig.6Influence of HRTonNH4*一Nr咖oval术瓣篮稍沈.;胺.臣叼卫_口一亡州嘶NO:一-NN.图7水力停留时间对NO;一N积累的影响魄.7Influence of HRTon

20、NO;一N ae.emmdation由图6可以看出,对氨氮的去除率随着HRT的延长而提高。当HRT为20h时对氨氮的去除率仅为60%左右;当HRT为24h时对氨氮的去除率提高到75%以上;继续提高水力停留时间为30h时,对氨氮的去除率达到了约80%。图7表明,NO;一N 积累率随着HRT的延长而减小。当HRT为20h时N02-一N积累率为80%左右,也就是说氨氮的降解产物以亚硝酸盐氮为主;当HRT为24h时NO;一N积累率在77%左右,和HRT为20h时相比。NO;一N 积累率略有减小,但仍维持在较高的水平;当HRT 为30h时出水中的NO;一N浓度有了大幅度提高,NO;一N积累率<50

21、%,反应器内的硝化类型转化为以全程硝化为主。AOB和NOB都是好氧菌,如果HRT过短,硝化反应会因时间不足而未能进行完全,导致出水氨氮浓度较高,对氨氮的去除率较低。反之,如果HRT 过长,当大部分氨氮被氧化后FA的浓度会降低,这时FA对NOB活性的抑制作用减弱,由于系统中有充足的底物(NO;一N和溶解氧,为NOB将NO;一N氧化成NO;一N和其自身增殖创造了条件,使得NOB大量增殖,所以出水NO;一N浓度较高,硝化类型变为以全程硝化为主。这与高大文等¨训得到的过度曝气会影响短程硝化的稳定性的结论是一致的。从本试验的结果来看,在进水氨氮浓度为420mg/L、pH值为8、DO浓度为2mg

22、/L的条件下,当HRT为24h时既能获得较好的氨氮降解效果,又有利于亚硝酸盐氮的积累。2。5氨氮的降解和转化速率,由上述试验可知,由于AOB和NOB的生理机制和特性不同,其适宜的生长环境也存在差异,通过控制pH、DO和HRT等因素可以调节AOB和NOB 的代谢活动。为了比较生物膜上AOB和NOB的比例和活性,采用间歇式运行考察了对氨氮的降解速率和NO;一N、NO;一N的生成速率。控制氨氮初始浓度为200mg/L、反应的pH值为8、DO约为2mg/L,反应开始后间隔2h取样1次,结果表明:氨氮的氧化速率为6.8778ms/(Lh,NO;一N的生成速率为5.8684mg/(Lh,NO;一N的生成速

23、率为0.9931mg/(Lh。由此可见,亚硝酸盐氮的生成速率远远大于硝酸盐氮的生成速率,表明生物膜上AOB的数量和活性明显高于NOB的,氨氮的降解主要为亚硝酸型硝化。3结论采用悬浮载体生物膜反应器,考察了pH、DO和HRT对中高浓度氨氮的降解和亚硝化反应过程的影响。结果表明,当DO为l一3mg/L时,提高DO 浓度有利于氨氮的降解,但NO;一N积累率会降低;pH值为8时有利于NO;一N的积累;增加HRT 能够提高对氨氮的去除率,但NO;一N积累率会降如如o22l l第24卷第9期中国给水排水Wrtqlq。watergasheat.corn 低。在进水氮氮浓度为420mr/L、湿度为25的条件下

24、,控制HRT为24h、DO为2mg/己、pH值为8时,获得了较高的氨氮去除率并实现了稳定的亚硝酸盐氮积累。亚硝酸盐氮的生成速率远远大予磷酸盐氮的生成速率,表明生物膜上AOB的数豢和活性明显高于NOB的,氨氮的降解主要为亚硝酸型硝纯。参考文献:|】剜覆,赵淡嶷,郑兴麴,生耪貘浚污承处理投零瑟】。北京:中国建筑工业出版社,2000.2Wang S Y,Gao D W,Peng Y Z,et a1.Nitricationdenitrification via nitrite for nitrogen removal from high nitro-gen soybean wastewater wit

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28、第7两 3结论该耨型生物流化填料其骞院表露积大、结构简单、不需反冲洗等优点,且壤料上的生物量较大、对微生物的附着效果好。授糯了新型生物流纯壤料的SBR反应器对冲击负荷具有很强的适应能力,对BOD,、COD、NH4+一N、TN的去除率分别为97%、92.6%、97.7%、礤%,出永浓度分别为8、29、2。l和37ms/L,除总氮外其余三者均达到了城镇污水处理厂污染物排放标准的一级A标准。参考文献:1王亚宜,攀探微,韦更生。序批式生物貘技术(SBBR的应用及其发展1】.浙汪工馥大学学报,2006,34(2:213219.2刘勇,王平,胡日利,等.蛭石在SBR系统中的应用研【3】45究J.环境科学与

29、技术,2005,28(2:90-91.棼渗,Min Kyunsok。褒轮耱媒分一定/O工艺酶脱氮性能研究J.中国给水排水,2007,23(5:3538.邱光磊,陈建光,向连城,镣.生物接触氧化工艺用予分激登污拳处疆懿孛试1】。孛藿绘承臻本,2007,23(5:7881.Barker P S,Dold P L.COD and nitrogen mass balancesin activated sludge systems【l】。骶瓣Res,1995,29(2:633643.12终毒麓会:逯凝字(1980一,雾,凌嚣孝义人,硕士研究生,研究方向为溜水生物处理技术。毫落:138*Email:luxinyulxy126.corn收稿曰期:2008一Ol08悬浮载体生物膜反应器的亚硝酸型硝化研究 作者: 作者单位: 祁佩时, 王文斌, 高大文, 李正, 董有, 綦峥, QI Pei-shi, WANG Wen-bin, GAO Da-wen, LI Zheng, DONG You, QI Zheng 祁佩时,王文斌,高大文,李正,綦峥,QI Pei-shi,WANG Wen-bin,GAO Da-wen,LI Zheng,QI Zheng(哈尔滨工业大学,市政环境工程学院,黑龙江,