张功良,李 冬*,张肖静,曾辉平,苏东霞,周元正,张 杰,

(1.北京工业大学,水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室,北京100124；2.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨150090)

延时曝气对常温低氨氮SBR亚硝化影响及恢复

张功良1,李 冬1*,张肖静2,曾辉平1,苏东霞1,周元正1,张 杰1,2

(1.北京工业大学,水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室,北京100124；2.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨150090)

常温条件[(22±1)℃]下,采用SBR反应器,探讨延时曝气对常温低氨氮生活污水亚硝化的影响及寻找一种因延时曝气失稳的亚硝化高效恢复策略.结果表明,延时曝气可为NOB创造一个迅速增殖的有利环境,经23d的延时曝气(延迟时间1h)最终使亚硝化系统失稳;且失稳后仅通过限氧无法实现其恢复,而通过增设1h前置厌氧搅拌并缩短曝气时间控制氨氧化率在50%左右,经过60个周期(20d)实现了亚硝化的恢复.

恢复；前置厌氧；延时曝气；亚硝化；SBR

短程硝化-厌氧氨氧化等新型脱氮工艺具有节省基建费用和运行费用等优点[1-2],实现亚硝化的关键在于抑制亚硝酸盐氧化菌(NOB),富集氨氧化[3-4]菌(AOB),使硝化过程停留在亚硝态氮生成阶段.彭永臻等[5]研究表明,延时曝气易使亚硝化逐渐向全程硝化转变;张昭等[6]认为,延时曝气会导致亚硝化的不稳定甚至逐步恶化直至崩溃.而目前国内90%的SBR反应器[5]均采用固定曝气时间的方式运行,由于进水水质的波动性,固定的曝气时间易造成延时曝气,导致亚硝化失稳.因此如何使遭到破坏的SBR亚硝化系统得到快速恢复具有重要的研究价值.本试验采用SBR运行方式,以常温低氨氮城市生活污水为研究对象,通过探究延时曝气对亚硝化的影响,寻找一种因延时曝气失稳的亚硝化高效恢复策略.

1 材料与方法

1.1 试验装置

采用SBR工艺,反应器为圆柱形,高25cm,直径33cm,总体积16L,有效容积为15L,有机玻璃制成.壁上垂直方向设置一排间距5cm的取样口.采用机械搅拌混匀,底部安装微孔曝气管,微孔曝气圆环直径15cm,采用鼓风曝气,曝气量由转子流量计控制.反应器采用定时器控制,能完成自动进水、搅拌、曝气、排水.装置图如图1所示.

1.2 接种污泥与实验水质

图1 反应器装置示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental equipment

试验接种15L本实验室培养的污泥浓度为4050mg/L的亚硝化污泥,其SV30为15%,该污泥亚硝化性能良好,亚硝化率99%以上.进水水质为人工含氮废水,pH值为7.5～8.2,通过加热装置控制反应温度为(22±1)℃,投加(NH4)2SO4提供所需NH4+-N浓度,投加NaHCO3提供碱度,碱度与氨氮浓度质量比10:1.进水NH4+-N浓度为(40±5)mg/L, NO2--N、NO3--N、COD浓度均小于1mg/L.每1L 模拟生活污水中含有0.136g KH2PO4,0.426gNa2SO4,0.136g CaCl2,0.3g MgSO4⋅7H2O以及1mL微量元素营养液,其1L中包括15gNa2EDTA,5g FeSO4⋅7H2O,0.43g ZnSO4⋅7H2O,0.24g CoCl2⋅6H2O,0.99g MnCl2⋅4H2O,0.25g CuSO4⋅5H2O,0.22g NaMoO4⋅H2O,0.19g NiCl2⋅6H2O,0.21g Na2SeO30.014g H3BO3.[7-9]

1.3 试验方案

SBR反应器通过时间控制器实现反应过程的自动控制,试验每天运行3个周期.每周期进水15min,好氧曝气1.5～3h,沉淀30min,排水5min,其余时间闲置.反应器容积交换率为73.3%,整个试验过程不排泥.试验分为4个阶段运行,分别为低氨氮稳定运行阶段、延时曝气破坏阶段、限氧恢复阶段、联合恢复阶段.

1.4 分析方法

每个周期测定反应器内混合液的 SV30、MLSS、SVI、NH4+-N、NO2--N、NO3--N等参数,DO、T、pH值均采用WTW在线测定仪测定; MLSS采用MODEL711手提式测定仪测定.水样分析中 NH4+-N 测定采用纳氏试剂光度法, NO2--N采用 N-(1-萘基)乙二胺光度法,NO3--N

采用紫外分光光度法,其余水质指标的分析方法均采用国标方法[10-11].

本试验中亚硝化率、氨氧化率按下式计算:

2 结果与讨论

2.1 延时曝气对亚硝化的影响

试验接种高氨氮培养的成熟亚硝化污泥,亚硝化率99%以上,直接转入低氨氮运行,平均进水氨氮浓度为(40±5)mg/L,曝气时间2h.由图2可知,在此阶段的60个周期(1～20d)内,亚硝化率与氨氧化率均在90%以上,平均氨氮容积去除负荷为0.45kgN/(m3⋅d),说明经高氨氮培养的亚硝化污泥直接转入常温低氨氮运行时能够保持较高的氧化性能及稳定的亚硝化效果,将初始DO质量浓度控制为0.5mg/L左右可实现常温低氨氮的稳定运行.

自第61个周期起,将曝气时间调整为3h,其他条件不变.120min时氨氮氧化完全,此后的60min处于延时曝气状态.由图3可知,试验在第61～第130个周期内(23d)亚硝化率从最初的99.00%下降至62.24%,硝氮生成量从0.59mg/L增加至13.91mg/L,亚硝化系统逐渐失去稳定.自第131个周期起不再延时曝气,将曝气时间降低至2h,,亚硝化率提升至80.95%,但在以后的45个周期内亚硝化率又持续下降至67.57%,亚硝化率呈现先升高又降低的趋势主要原因是缩短曝气时间后,NOB对亚硝态氮的氧化时间减少,使每个周期内生成的硝氮量相比延时曝气时减少,但是延时曝气已经使NOB得到了增殖,有了一定的基数.

图2 启动阶段的氨氧化率及亚硝化率的变化趋势Fig.2 Variations of ammonia oxidation rate and nitrite accumulation rate during the startup phase

图3 延时曝气阶段亚硝化亚硝化率、氨氧化率、硝氮生成量变化Fig.3 Profiles of FA,FNA,pH and DO in a typical operational cycle during the stage of low ammonia

由图4可知,延时曝气初期,过程内硝氮生成速率低于0.0016mg/(gMLSS·min),说明系统内NOB含量很少或活性已被抑制.经过22d的延时曝气(每周期延迟时间1h),亚氮生成速率最高达到了0.0588mg/(gMLSS⋅min),系统内 NOB活性提高并迅速增殖导致亚硝化破坏.分析认为延时曝气造成亚硝化失稳的原因包括:首先是充足的NOB反应底物.反应末期,AOB的反应基质氨氮全部氧化为 NOB的反应底物亚氮,使得延时曝气时段 NOB得到快速增殖;其次是充足的溶解氧.随着反应进行,DO质量浓度逐渐升高,特别是延时曝气时段内,溶解氧几近饱和,反应后期充足的溶解氧解除了DO浓度对NOB抑制作用为其增殖提供了有利条件;最后是 FNA浓度的骤降,由图5可知,当氨氮消耗殆尽时,pH值会逐渐升高,从而导致系统内 FNA浓度急剧下降,延时曝气0.5h后,FNA浓度低于0.02mg/L,此浓度低于NOB的抑制浓度0.020mg/L[12-14],FA与FNA均不能抑制延时曝气时段的 NOB增殖.综上,延时曝气主要是解除了稳定运行阶段低 DO浓度和FNA的联合抑制作用,使NOB短期内得到大量增殖,一旦得到增殖,很难通过避免延时曝气的方式实现亚硝化的恢复.

图4 第61、97、130周期内硝氮生成速率变化Fig4 Profiles of NO3-in the61th,97th,130th typical operational cycles

2.2 失稳后的恢复策略研究

2.2.1 限氧恢复 高 DO造成的亚硝化失稳可利用AOB与NOB氧饱和常数不同的原理通过限氧策略使其逐渐得到恢复.为了验证限氧策略是否同样适用于因延时曝气而失稳的亚硝化恢复,试验在178～241个周期(21d)内降低曝气量,将初始溶解氧浓度控制在0.3mg/L左右.如图6所示,采用限氧策略后,曝气时间不变,导致系统的氧化能力降低,此阶段平均氨氧化率降至75.64%,亚硝化率较延时曝气阶段有所升高,最初可达79.61%,但在以后的63个周期内,亚硝化率呈下降趋势,最终降至55.65%,亚硝化率仍呈现先略有升高又降低的趋势,主要是降低溶解氧后,使总反应时间加长,反应末期溶解氧有所降低对 NOB有一定的抑制作用,但通过之后的亚硝化率下降现象可以说明已经无法对NOB起到完全的抑制作用,原因主要是系统内 NOB已经得到充分增殖且其对之前的低 DO(0.5mg/L)环境产生了一定的适应性,研究表明,游离亚硝酸(FNA)完全抑制NOB和AOB生长的浓度分别为0.020mg/L和0.40mg/L[12-14].而整个过程中FA低于1.0mg/L,FNA低于0.05mg/L,较解除延时曝气阶段FNA更低,以上因素不足以起到关键抑制作用.因此本试验中因延时曝气导致的亚硝化失稳不能仅通过限氧来实现其恢复,在不改变进水水质的前提下必须引入新的抑制因素才可以将NOB完全抑制住.

图5 低氨氮稳定阶段典型周期内FA、FNA、pH值以及DO过程变化Fig.5 Profiles of FA,FNA,pH and DO in a typical operational cycle during the stage of low ammonia

2.2.2 前置厌氧与降低氨氧化率联合 研究表明[5,15],在厌氧条件下,AOB仍然具有一定的活性,且由厌氧向好氧转变的过程中,亚硝酸盐氧化酶存在一定的滞后时间,因此AOB相比于NOB更易从厌氧状态中恢复其活性,其适应环境的能力更强.故考虑增加前置厌氧段以进一步抑制 NOB的活性,且有利于好氧段AOB的生长.此外可考虑通过缩短曝气时间的方式,降低氨氧化率来提高出水FA以抑制NOB;另外,由于曝气时间进一步缩短使氨氧化率维持在50%左右,反应过程中NOB的基质NO2-一直小于AOB的基质NH4+,也有利于减缓NOB的增殖速度.因此,本试验自第242个周期起采取一种联合恢复的策略,即增设1h前置搅拌厌氧阶段,并缩短曝气时间至1.5h.由图6可知,改变曝气时间后,平均氨氧化率为50.23%,观察亚硝化率并没有像单纯限氧阶段出现继续下降趋势,而是稳中有升,经过60个周期(20d)后亚硝化率达到了91.81%,增设前置厌氧、缩短曝气时间以降低氨氧化率使亚硝化率重新至90%以上,且没有下降趋势实现了亚硝化的初步恢复.

图6 恢复时期氨氧化率及亚硝化率变化Fig.6 Variations of ammonia oxidation rate and nitrite accumulation rate during the recovery phase

图7是增设前置厌氧、降低氨氧化率阶段典型周期DO、FA、FNA变化,采取此策略后,曝气阶段的整个过程中DO浓度在0.29 ～0.36mg/L之间,NOB始终处于低DO浓度下生长;出水FA浓度在0.30mg/L以上也对NOB有一定的抑制作用.前置厌氧搅拌阶段的增设,使前1h内AOB与NOB均处在厌氧的环境中,此过程氨氮基本不被消耗,当开始曝气后,AOB能够快速适应突变的环境,而NOB则存在滞后性.图8是此恢复阶段硝氮生成速率图,曝气0.5h后,硝氮生成速率低于0.004mg/(gMLSS⋅min),之后速率增加很快,说明前置厌氧确实能够起到抑制 NOB的作用,但前置厌氧的最优时间还有待进一步证明.

当亚硝化率达到90%以上后,反应器又运行了21个周期(7d),亚硝化率无下降趋势,于是逐渐提高曝气时间以提高氨氧化率.首先保持曝气时间2h运行了21个周期(7d),平均氨氧化率65.80%,接着提高曝气时间至2.5h运行了52个周期(14d),平均氨氧化率达到89.92%,过程中亚硝化率一直维持在90%以上,由此实现了常温低氨氮生活污水因延时曝气导致亚硝化失稳后的完全恢复.

图8 联合恢复阶段典型周期硝氮生成速率Fig.8 Profiles of the production rate of NO-N during the recovery phase

3 结论

3.1 经高氨氮培养的亚硝化污泥转入常温低氨氮运行时,控制初始DO质量浓度为0.5mg/L左右可保持较高的氧化性能及良好的亚硝化效果,实现常温低氨氮生活污水亚硝化的稳定运行,平均氨氮容积去除负荷为0.45kgN/(m3⋅d).

3.2 延时曝气解除了DO和FNA的联合抑制作用,为 NOB创造了一个可以迅速增殖的有利环境,最终使亚硝化系统失稳,且系统内NOB一旦得到增殖,只取消延时曝气很难实现亚硝化的恢复.

3.3 通过增设1h前置厌氧搅拌并缩短曝气时间控制氨氧化率在50%左右,控制初始DO浓度在0.30mg/L左右经过60个周期(20d)可实现因延时曝气失稳后的亚硝化恢复.

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Research on the recovery strategy for nitrosation at room temperature.

ZHANG Gong-liang1, LI Dong1*, ZHANG Xiao-jing2, ZENG Hui-ping1, SU Dong-xia1, ZHOU Yuan-zheng1, ZHANG Jie1,2
(1.Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing100124, China；2.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin150090, China). China Environmental Science,2014,34(8)：1998～2002

At room temperature conditions [(22±1℃)], by using SBR reactor, it is explored that how delay aeration impact nitrosation stability for low ammonia nitrogen sewage and efficient recovery strategy for nitrosation instability because of delay aeration is looked for. Results show that the delay aeration creates a favorable environment to NOBs so that NOBs can reproduce rapidly, delay aeration of1h for the23d eventually makes the nitrosation system instability; nitrosation instability needs to adopt a joint recovery strategy that the additional1h front stir anaerobic phase and control of ammonia oxidation rate at about50% by shortening the aeration time is carried out. Then nitrosation can be realized through60cycle (20d).

t：recovery；lead anaerobic；delay aeration；nitrosation；SBR

X703.1

：A

：1000-6923(2014)08-1998-05

张功良(1988-),男,河北沧州人,硕士研究生,研究方向为水质科学与水环境恢复技术.

2013-11-06

新世纪优秀人才支持计划(NCET-10-0008);国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07202-005)

* 责任作者, 教授, lidong2006@bjut.edu.cn