短程硝化處理高濃度氨氮廢水技術(shù)

20世紀(jì)90年代，荷蘭研究者發(fā)現(xiàn)了一種全新的氮素轉(zhuǎn)化方式，即厭氧氨氧化，在厭氧氨氧化工藝中，短程硝化是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，因此如何實(shí)現(xiàn)短程硝化的快速啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行已成為污水脫氮的研究熱點(diǎn)。目前，通過控制溫度(25～35℃)、低溶解氧(0.20～0.75mg?L－1)和pH(7.0～8.5)條件實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化已經(jīng)得到了中外學(xué)者的一致認(rèn)可。短程硝化研究既有針對(duì)低濃度氨氮生活污水的處理，也有針對(duì)像垃圾滲濾液、污泥消化液、養(yǎng)豬廠廢水等高濃度氨氮工業(yè)廢水的處理，但針對(duì)紡織類廢水的研究很少。項(xiàng)目對(duì)廣西某紡織廠的UASB出水進(jìn)行短程硝化，取得了較好的效果，達(dá)到工程應(yīng)用的要求，為短程硝化在紡織類廢水中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1、試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

短程硝化采用SBＲ反應(yīng)器，如圖1所示，反應(yīng)器主體由PVC給水管切割粘接制成，尺寸為Φ160mm(內(nèi)徑152mm)，高800mm，總有效體積14.5L，實(shí)際運(yùn)行體積12L。反應(yīng)器內(nèi)設(shè)曝氣頭，通過間歇曝氣的方式控制溶解氧處于0.2～0.5mg?L－1;反應(yīng)器內(nèi)設(shè)加熱裝置，控制反應(yīng)器溫度處于28～31℃;另外，反應(yīng)器內(nèi)設(shè)攪拌裝置，有利于泥水充分混合和溶解氧的均勻分布，保證各區(qū)域的反應(yīng)條件盡可能一致。

1.2 試驗(yàn)水質(zhì)與接種污泥

試驗(yàn)進(jìn)水來自某紡織廠廢水處理的上流式厭氧污泥床(UASB)出水，水質(zhì)情況見表1，屬于低C/N比廢水。接種污泥取自同一個(gè)紡織廠廢水處理好氧池的硝化污泥，第一次接種后的污泥沉降比(SV30)為20%。

1.3 分析項(xiàng)目與測(cè)試方法

DO，雷磁JPB－607A便攜式溶氧儀;pH，雷磁PHBJ－260便攜式pH計(jì);COD，微波消解法;氨氮，納氏試劑分光光度法;亞硝酸鹽氮，分光光度法;硝酸鹽氮，紫外分光光度法。

2、結(jié)果與討論

2.1 短程硝化的啟動(dòng)

系統(tǒng)啟動(dòng)期，反應(yīng)器中加入試驗(yàn)廢水，并接種硝化污泥，運(yùn)行周期為12h(進(jìn)水0.1h，反應(yīng)10h，沉淀1.4h，排水0.5h)，排水比為1∶3(每次排水4L，進(jìn)2L廢水和2L自來水)，反應(yīng)階段持續(xù)攪拌并維持低氣量曝氣，控制溶解氧在0.2～0.5mg?L－1，啟動(dòng)加熱裝置，控制溫度在28～31℃。將ρ(NO2－－N)的快速增加作為判斷短程硝化是否啟動(dòng)的標(biāo)志，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

系統(tǒng)運(yùn)行至第5周期，ρ(NO2－－N)開始小幅上升，第7～10周期快速增至30mg?L－1，從第7周期起連續(xù)4個(gè)周期內(nèi)均監(jiān)測(cè)到了穩(wěn)定的亞硝態(tài)氮的累積，并且亞硝態(tài)氮生成速率達(dá)到了2.1mg?(L?h)－1，表明氨氧化菌(AOB)開始適應(yīng)新的環(huán)境且活性逐漸增強(qiáng)，短程硝化反應(yīng)快速啟動(dòng)成功。原因可能為:一方面，接種污泥取自同一個(gè)紡織廠廢水處理好氧池的硝化污泥，本身含有一定量的AOB，而實(shí)驗(yàn)廢水來自同一個(gè)紡織廠廢水處理的UASB出水，有利于AOB活性的恢復(fù)并且快速增殖;另一方面，DO低時(shí)，AOB和亞硝態(tài)氮氧化菌(NOB)的活性下降，所以初期氨氮的去除率很低;但AOB對(duì)DO的親和力大于NOB，在DO＜0.5mg?L－1下，更有利于AOB生長(zhǎng);Bernet等研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)DO＜1.0mg?L－1時(shí)，AOB與NOB的增殖速率都會(huì)隨著DO降低而減小，但NOB增殖速率相對(duì)AOB下降更顯著;有研究表明游離氨(FA)對(duì)NOB的抑制濃度為0.1～1.0mg?L－1，對(duì)AOB的抑制濃度為10～150mg?L－1，NOB更容易受到FA的抑制;以上因素有利于AOB活性快速恢復(fù)并逐漸增殖成為優(yōu)勢(shì)菌群，并且抑制NOB的生長(zhǎng)，短程硝化得以快速啟動(dòng)。

在這期間，污泥濃度(MLSS)幾乎沒有變化，分析認(rèn)為可能是系統(tǒng)淘汰NOB的速率與AOB增殖的速率達(dá)到了一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。

2.2 短程硝化穩(wěn)定運(yùn)行

進(jìn)水不再添加自來水，其它運(yùn)行條件不變。將亞硝態(tài)氮生成速率持續(xù)穩(wěn)定在18mg?(L?h)－1以上作為短程硝化是否達(dá)到工程應(yīng)用的指標(biāo)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖3。

進(jìn)水氨氮濃度在300～500mg?L－1間，試驗(yàn)第11～27周期氨氧化速率和亞硝態(tài)氮生成速率均在穩(wěn)步升高，第27周期后趨于穩(wěn)定，平均氨氧化速率達(dá)到20.46mg?(L?h)－1，平均亞硝態(tài)氮生成速率達(dá)到19.04mg?(L?h)－1，平均污泥負(fù)荷達(dá)到0.24kg(NO2―N)(kgMLSSd)－1，認(rèn)為達(dá)到了工程應(yīng)用的要求。從圖中可知氨氧化速率略大于亞硝酸態(tài)氮生成速率，這和系統(tǒng)中有少量的硝態(tài)氮生成相符，表明系統(tǒng)中存在少量的NOB，有少部分的亞硝態(tài)氮被氧化成硝態(tài)氮;同時(shí)發(fā)現(xiàn)氨氧化速率與亞硝酸鹽氮生成速率的差值隨著時(shí)間的推移有增加的趨勢(shì)，這和魏琛等研究發(fā)現(xiàn)短程硝化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間之后，NOB能夠逐漸適應(yīng)短程硝化條件，恢復(fù)活性的結(jié)論相符，所以在工程化應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)AOB和NOB不同的生命周期，確定合適的污泥齡，抑制NOB的生長(zhǎng)。此階段污泥SV30從20%上升到40%，污泥濃度達(dá)到2385mg?L－1，說明系統(tǒng)內(nèi)AOB經(jīng)過快速增殖后，逐漸穩(wěn)定成為優(yōu)勢(shì)菌群。

2.3 短程硝化終點(diǎn)分析

在基于短程硝化速率約20mg?(L?h)－1的條件下，研究第36～45周期中氨氮去除率、DO和pH的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在氨氮去除率達(dá)到90～95%時(shí)，繼續(xù)曝氣，DO呈現(xiàn)迅速上升的趨勢(shì)，突破0.5mg?L－1后，短短的7min即可達(dá)到1.0mg?L－1，12min可達(dá)到1.5mg?L－1，繼續(xù)過曝氣1h，將升高至6.0mg?L－1;而pH在整個(gè)反應(yīng)過程呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，且pH上升拐點(diǎn)與DO突然增加在時(shí)間上呈現(xiàn)重疊性，楊輝等研究認(rèn)為這是短程硝化反應(yīng)結(jié)束的標(biāo)志。

由圖4可以看出，在短程硝化反應(yīng)快結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)pH有一定程度的降低，繼續(xù)曝氣將會(huì)出現(xiàn)DO大幅度升高以及pH升高的現(xiàn)象;DO大幅度升高是因?yàn)槎坛滔趸竭_(dá)反應(yīng)終點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的氨氮在AOB的作用下近似認(rèn)為全部轉(zhuǎn)化為了亞硝態(tài)氮，而反應(yīng)器經(jīng)過長(zhǎng)期的生物選擇，NOB的量很少，此時(shí)系統(tǒng)需要的溶解氧量趨于0，繼續(xù)曝氣必然導(dǎo)致水中DO快速升高。在反應(yīng)沒有達(dá)到終點(diǎn)時(shí)，pH值呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)槎坛滔趸枰膲A度，一旦反應(yīng)到達(dá)終點(diǎn)，無需消耗堿度，而過曝氣會(huì)吹脫水中的CO2，pH值反而上升，王淑瑩等將過曝氣情況下pH值升高的現(xiàn)象稱之為“氨谷”。工程應(yīng)用中，可以通過亞硝態(tài)氮生成速率預(yù)判反應(yīng)終點(diǎn)，而通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)DO和pH的變化準(zhǔn)確判定反應(yīng)終點(diǎn)。

2.4 短程硝化重啟

第45周期后將系統(tǒng)閑置30天，此時(shí)是南方冬季，室溫在10～18℃之間;30天后重新啟動(dòng)系統(tǒng)，在未開啟加熱裝置時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行低氣量曝氣，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)DO迅速升高，難以控制在0.2～0.5mg?L－1;開啟加熱裝置控制溫度在25～28℃后，再進(jìn)行曝氣則DO較易控制在0.2～0.5mg?L－1，反應(yīng)器可以穩(wěn)定運(yùn)行，經(jīng)過8周期的運(yùn)行，亞硝態(tài)氮生成速率即達(dá)到19mg?(L?h)－1;表明系統(tǒng)內(nèi)菌群轉(zhuǎn)入內(nèi)源呼吸以后，大部分AOB還可以存活30天以上，且依然是優(yōu)勢(shì)菌群，環(huán)境適宜時(shí)，AOB的活性可以迅速恢復(fù)并增殖。

3、結(jié)論

1)控制SBＲ短程硝化反應(yīng)器DO為0.2～0.5mg?L－1、溫度為8～31℃、pH為7.0～8.5時(shí)，進(jìn)水氨氮濃度在300～550mg?L－1，經(jīng)過29周期的運(yùn)行，污泥濃度達(dá)到2385mg?L－1，氨氧化速率達(dá)到20.0mg?(L?h)－1，亞硝態(tài)氮生成速率達(dá)到19.0mg?(L?h)－1，系統(tǒng)成功啟動(dòng)并且穩(wěn)定運(yùn)行，可以達(dá)到工程化應(yīng)用的要求。

2)短程硝化到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，pH上升拐點(diǎn)與DO突然增加在時(shí)間上呈現(xiàn)重疊性，工程應(yīng)用中，可以通過亞硝態(tài)氮生成速率預(yù)判短程硝化終點(diǎn)，而通過DO的突增以及pH由下降轉(zhuǎn)為上升的拐點(diǎn)準(zhǔn)確判定短程硝化終點(diǎn)。

3)短程硝化污泥閑置30天，AOB不會(huì)大量死亡，環(huán)境適宜時(shí)，AOB可迅速恢復(fù)活性。（來源：廣西春暉環(huán)保工程有限責(zé)任公司，廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院）