吴 军,张 悦,徐 婷,严 刚 (扬州大学环境科学与工程学院,江苏 扬州 225000)

AOB溶解氧亲和力低于NOB条件下序批反应器中NOB淘汰的实现机制

吴 军*,张 悦,徐 婷,严 刚 (扬州大学环境科学与工程学院,江苏 扬州 225000)

经精确测定AOB和NOB的溶解氧半速度常数及其他动力学参数,研究在AOB溶解氧亲和力低于NOB条件下,在序批反应器中短程硝化实现机制.测得AOB和NOB的溶解氧半速度常数分别为0.46 和0.14mg O2/L.在这种条件下,AOB的最大比生长速率高于NOB是实现短程硝化的重要特点,测得的AOB和NOB最大比生长速率分别为0.65和0.45d-1.两级硝化数学模拟的结果表明,在AOB的溶解氧亲和力低于 NOB条件下,低溶解氧和高泥龄都不利于短程硝化实现,而较高溶解氧和低泥龄的组合条件有利于短程硝化实现.在序批反应中的实验结果验证了数学模拟结论的正确性.

短程硝化；数学模拟；溶解氧亲和力；污泥龄；溶解氧浓度

氨氮的硝化反应过程是一个两级反应,如下面反应方程式所示,首先在 AOB (氨氧化菌) 的作用下,NH4+被氧化成NO2-,再在NOB(亚硝酸盐氧化菌)作用下,被氧化成 NO3-.通过控制反应条件,淘汰 NOB,可以实现短程硝化.具有节省曝气量和反硝化碳源的优点[1],并且和厌氧氨氧化工艺结合,可以实现全自养菌脱氮,大大减少污泥产量[2].

淘汰NOB一般是通过设定低溶解氧浓度来实现.这种做法的理论依据在于 AOB的溶解氧亲和力高于 NOB(也即溶解氧半速度常数KO,NOB＞ KO,AOB);在低溶解氧条件下,NOB的生长更容易被抑制[3].然而目前并没有统一的证据表明 NOB的溶解氧半速度常数大于 AOB.存在AOB溶解氧亲和力低于NOB的情况[4-8],并且也可以实现短程硝化[6,8].因此,仅用溶解氧亲和力的理论来解释短程硝化机理并不完整.因此,本文将针对NOB溶解氧亲和力高于AOB的条件下,短程硝化的实现展开研究.通过精确测定KO,AOB、KO,NOB以及其他反应动力学参数,应用两级硝化过程的数学模型,研究序批反应器中短程硝化的实现机理,并对数学模拟的结果进行实验验证.

1 材料与方法

1.1 实验反应器

应用两个体积均为 8L的序批反应器(SBR)于:1)培养硝化动力学测定所需的硝化菌; 2) 测定硝化动力学参数;3)对数学模拟所得短程硝化条件进行实验验证.

在前期100d的硝化菌培养过程中,两个序批反应器按照进水30min、反应120min、沉淀60min和30min出水时间安排运行,充水比为50%.采用当地CASS工艺污水厂曝气池的污泥为接种污泥.进水中包含40mg N/L的氨氮、以NaHCO3形式提供的碱度,另外微量元素的添加参考[9].在曝气阶段,反应器内溶解氧维持在3.0mg O2/L 以上;通过自动滴定0.1M的HCl和NaOH,维持pH值在7.8±0.1.硝化菌培养阶段,反应器泥龄控制在 20d,以保证AOB和NOB的生长.

反应器的其它两项功能见后续方法介绍部分.

1.2 两级硝化数学模型

通过建立表 1所示的两级硝化过程数学模型,可以对氨氮的去除和亚硝酸盐氮的累积过程进行定量界定,主要包括AOB和NOB的生长以及内源呼吸过程.本文主要研究低氨氮浓度下的短程硝化,没有考虑游离氨和游离亚硝酸(FA和HNO2)对AOB和NOB的生长抑制.模型的固体组分X包括AOB、NOB和惰性物质,溶解性组分S包括溶解氧、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和氨氮浓度.

模型的计量学参数主要包括AOB和NOB的产率系数(YAOB和YNOB),微生物的氨氮含量iXB,动力学参数包括AOB和NOB的最大比生长速率(µAOB和µNOB,d-1)、溶解氧半速度常数(KO,AOB和 KO,NOB,mg O2/L)、内源呼吸速率(bAOB和bNOB,d-1)、AOB的氨氮半速度常数KNH(mg N/L)和NOB的亚硝酸盐氮半速度常数KNO2(mg N/L).模型参数的定义见表5.

表1 硝化过程数学模型矩阵Table 1 Model matrix for the nitrification process

表 1所示的两级硝化数学模型将应用于SBR反应器的数学模拟.在SBR反应器中,每个周期包含进水、反应、沉淀和出水4个阶段.进水、反应、沉淀和出水的总时间分别为 0.5,2,1, 0.5h,每天运行循环次数N为6次.SBR反应器充水比为50%.进水氨氮浓度恒定为40mg N/L.为取得稳定条件下的模拟结果,模型的运行时间为泥龄的50倍.在曝气阶段,SBR反应器内的溶解性组分S和固体组分X的物料平衡公式可以表示为:

rs和rx为根据表2确定的反应速率.反应器中溶解氧设定为定值,在 SBR反应器充水比为50%条件下,、、和固体组分X在每次循环反应阶段的起始浓度如下:

1.3 模型参数的测定

本文主要介绍AOB和NOB的溶解氧半速度常数的测定(KO,AOB和 KO,NOB).其他模型参数的测定参考文献[8].

采用两个完全一致的序批反应器A和B,将同一批的含AOB和NOB的8L污泥完全混合,均分为 4L的两份,分别放入两反应器内,再分别加入同样的4L NH4+溶液, NH4+的浓度的浓度足够高,不限制 AOB的生长.在两反应器内通过维持不同的N2和空气比例,获得不同的溶解氧浓度SO1和 SO2.另外维持 N2和空气总流量相同,以保持相同的混合强度.通过这些操作,可以在两反应器保证除溶解氧以外的所有条件都相同,提高了测试的精确性.

每隔10min,测定反应器中NH4+的浓度,来测定其去除速率 (dNH4+/dt).根据莫诺特公式, 反应器A中的氨氮去除速率dNH4+/dt可以表示为

由于反应器A和反应器B中的微生物浓度和特征相同,因此可以采用与反应器 A相同的来计算反应器B中的氨氮去除速率:

将公式(7)和(8)结合,可得公式(9)

式(9)中两反应器的氨氮去除速率为实际测定,溶解氧浓度为设定的已知值,通过求解式(9)方程,就可以得到AOB的溶解氧半速度常数KO,AOB.

用同样的方法,在两反应器中加入 NO2-,通过求解式(10)方程,就可以得到NOB的溶解氧半速度常数KO,NOB

理论上来说,只需要在反应器A和B中设计一组溶解氧组合(SO1和SO2)实验,就可以测定 KO,AOB(KO,NOB).为提高测定准确性,反应器A的溶解氧设定为2.5,3,4,5mg/L的4种浓度,反应器B的溶解氧设定为0.6、0.8和1.5mg/L的3种浓度.这样就可以产生12种溶解氧组合,分别用于KO,AOB和KO,NOB的测定,每种组合的测定重复3次.

1.4 模拟结果的实验验证

表2 验证数学模拟结论的两种实验工况A和BTable 2 Experimental conditions A and B used for model verification

据数学模拟的结果,得出在溶解氧亲和力AOB低于NOB时,短程硝化的优化操作条件,如DO浓度、SRT、HRT和氨氮负荷等,对数学模拟结果进行验证设计如表2所示,A、B两种工况,取用于前述动力学参数测定的硝化菌作为接种污泥,分别在两种序批反应器内对数学模拟的结论进行实验验证.测定两种工况条件下的NO2-累积情况.除表2所列条件外,两序批反应器序批反应器内的其它条件与数学模拟的应用条件相同.NO2

-、NO3-、NH4+的测定采用标准方法[10].溶解氧的测定采用哈希LDO溶解氧探头测定.

2 结果与讨论

2.1 模型参数的测定结果

图1 (a)为0.8和4mg O2/L 组合条件下计算KO,AOB的一个示例;图1 (b)为0.6 和5mg O2/L组合条件下计算KO,NOB的一个示例.在4mg O2/L溶解氧浓度条件下,NH4+的去除曲线要比 0.8mg O2/L溶解氧的去除曲线陡很多,而在0.6和5mg O2/L溶解氧条件下,NO2-的去除曲线却比较相似.说明在本次实验中,NH4+的去除要比 NO2-的去除更容易受到溶解氧浓度的影响.即 AOB的溶解氧半速度常数要比 NOB大.利用式(9)和(10),可以分别算出KO,AOB和KO,NOB.

图1和在不同溶解氧浓度下的去除Fig.1 The removal ofandunder different DO concentration

表3 利用不同溶解氧组合测定的KOAOB(A和B分别为两反应器中的溶解氧浓度mg O2/L)Table 3 KO,AOBmeasured under different combination of DO concentration

表 3和表 4为不同溶解氧浓度组合条件下测定的KO,AOB,KO,NOB值及其标准偏差.可以看到KO,AOB要低于KO,NOB,这与文献[5-8]的测定结果相符.测定结果表明 NOB对溶解氧的亲和力要比 AOB大.在这种条件下,降低溶解氧对AOB的抑制要大于NOB,对实现短程硝化不利.

表4 利用不同溶解氧组合测定的KO,NOB(A和B分别为两反应器中的溶解氧浓度mg O2/L)Table 4 KO,NOBmeasured under different combination of DO concentration

另外,与文献[6,8]测定结果相比,本文中测定KO,AOB和 KO,NOB值都较低.这是因为生物固体的底物半速度常数不但会受到微生物的本质特征的影响,也会受物理扩散阻力的影响.不同微生物絮体尺寸具有不同的扩散阻力,因此一般测定半速度常数都是其“表观”值.在本文中,用于测定半速度常数的两反应器总微生物起始状态完全相同,具有相同的扩散阻力,因此扩散阻力对测定效果的影响可以排除.测定结果也更能够反应微生物本身的溶解氧半速度常数.

表5 硝化模型的动力学和计量学参数值Table 5 The parameter values used for the nitrification model

其他模型参数的测定结果见表 5,注意到µAOB要比µNOB高,这可能是SBR反应器中硝化污泥的一个重要特征,在 SBR反应器中,特别是在反应的起始阶段,AOB处于较高的NH4+底物浓度环境,有利于快速生长的AOB,如Nitrosomonas等(一般称为r-策略AOB菌)的生长[12-13].在AOB溶解氧亲和力低于NOB的条件下,AOB的最大比生长速率高于NOB是实现短程硝化的重要条件.通过对各参数的精确界定,可以对两级硝化过程进行定量分析.

2.2 两级硝化模拟结果

应用两级硝化数学模型和表 5所列的模型参数,可以对序批反应器中的硝化过程进行数学模拟.图 2为不同溶解氧(DO)条件下,泥龄(SRT)对AOB和NOB浓度、氨氮去除率和短程硝化率的影响的数学模拟结果.短程硝化率定义为产生的NO2

-占 NO2

-与 NO3

-和的百分比.在较低溶解氧(0.6mg O2/L)条件下(图 2(a,b)),当泥龄低于5.d时,AOB和NOB的浓度较低,氨氮去除率也很低,此时短程硝化较高,但是由于氨氮去除率极低,不能满足应用要求.在泥龄高于 6d时,AOB和NOB浓度同步增加,此时氨氮去除率提高,而短程硝化率却下降较多.整个泥龄范围内,不存在同时具备较高氨氮去除率和短程硝化率的泥龄.此数学模拟的结果表明,在 AOB溶解氧亲和力低于 NOB的条件下,低溶解氧的方式并不是短程硝化的合适条件.

当溶解氧为1.5,5mg O2/L时(图2(c, d, e, f)),提高泥龄后, AOB浓度有较大提高,但是NOB浓度增加却在泥龄为3～5d的范围(图2(c, e))表现滞后.当泥龄为 5,4.5d左右时,分别可以在溶解氧为1.5和5mg O2/L时,同时取得较高的氨氮去除率和短程硝化率(图2(d, f)).此数学模拟的结果表明,在AOB溶解氧亲和力低于NOB条件下,可以通过应用较高的溶解氧浓度,并且在较低的泥龄条件下,在序批反应器中实现短程硝化.此结论与 Regmi等[6]在连续流反应器中的研究相符,当测定 AOB和NOB溶解氧半速度常数分别为1.16和0.16mg O2/L时,该作者在溶解氧为1.5mg O2/L和污泥龄为4～8d条件下,在连续流反应器中实现短程硝化.

图2 不同溶解氧(DO)条件下,泥龄(SRT)对AOB和NOB浓度(a, c, e)、氨氮去除率和短程硝化率(b, d, f)影响的数学模拟Fig.2 The impact of SRT on AOB and NOB concentration (a, c, e)、ammonium removal rate and partial nitrification rate

图3 不同泥龄(SRT)条件下,溶解氧(DO)对AOB和NOB浓度(a, c)、氨氮去除率和短程硝化率(b, d)影响的数学模拟Fig.3 The impact of DO on AOB and NOB concentration (a, c)、ammonium removal rate and partial nitrification rate (b, d) under different SRT from simulation results

本文数学模拟得出的低泥龄和较高溶解氧的短程硝化实现条件,和 SHARON反应器类似

[12,14],在SHARON反应器中,在SRT=1d的低泥龄条件下运行,并且 AOB的最大生长速率要高于 NOB,属于生长较快的 r-策略 AOB (Nitrosomonas)[15-16].在本文中,测得的AOB的最大生长速率同样高于NOB,是在短泥龄条件下实现短程硝化的重要条件

图 3为不同泥龄(SRT)条件下,溶解氧(DO)对AOB和NOB浓度、氨氮去除率和短程硝化率的影响的数学模拟结果.在低泥龄(SRT=5d)时,在溶解氧浓度1.2～1.5mg O2/L的范围内,可以同时取得较高的氨氮去除率和短程硝化率.而在较高泥龄(SRT=10d)时,在整个溶解氧范围内,AOB和 NOB的浓度和溶解氧浓度无关,并且都能完全去除氨氮,短程硝化率接近为 0.此数学模拟的结果表明,在AOB溶解氧亲和力低于NOB时,采用高泥龄对实现短程硝化不利[17].

2.3 对数学模拟的实验验证

图2和图3的数学模拟结果表明,在AOB溶解氧亲和力低于 NOB时,低溶解氧和高泥龄都不利于实现短程硝化,而低泥龄和高溶解氧的组合对实现短程硝化有利.为验证此数学模拟的结论,采用表2所示的两种工况进行实验验证.由图4(a)可见,在低泥龄(SRT=5d)和较高溶解氧(DO = 1.5mg O2/L)条件下,出水氨氮浓度逐渐下降,经过将近40d(8倍泥龄)的运行,实现了将近85%的亚硝酸盐氮累积率,另外后续稳定运行时间约为 8倍泥龄.在高泥龄(SRT=15d)和较低溶解氧(DO = 0.6mg O2/L)条件下,出水氨氮浓度迅速下降,除在反应起始20d内有少量NO2-累积之外,氨氮被完全转化为NO3-.图4的实验结果,验证了数学模拟的结论.表明数学模型是研究短程硝化的重要工具,并且提供优化的运行条件[18-20].

图4 (a) SRT=5d,DO=1.5mgO2/L条件下的实验出水、和浓度;(b) SRT=15d, DO=0.6mgO2/L条件下的实验出水、和浓度Fig.4 (a) The effluent concentration of,andunder SRT =5d,DO=1.5mgO2/L. (b) The effluent concentration of,andunder SRT =15d, DO=0.6mgO2/L

3 结论

3.1 本实验测得 AOB的溶解氧亲和力要比NOB 低,在这种条件下,AOB的最大比生长速率高于NOB是实现短程硝化的重要条件.

3.2 两级硝化数学模拟的结果表明,在AOB的溶解氧亲和力低于 NOB条件下,低溶解氧和高泥龄都不利于短程硝化实现,而较高溶解氧和低泥龄组合有利于短程硝化实现.

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Mechanisms of partial nitrification in sequencing batch reactor under the condition of AOB oxygen affinity lower than NOB.

WU Jun*, ZHANG Yue, XU Ting, YAN Gang (School of Environmental Engineering and science, Yangzhou University, Jiangsu, Yangzhou, 225000). China Environmental Science, 2016,36(12)：3583～3590

The mechanisms of partial nitrification in sequencing batch reactor was studied under the condition of AOB oxygen affinity lower than NOB by calibrating the kinetic parameters of nitrification accurately. The measured DO half saturation constants for AOB and NOB were 0.46 and 0.14mg O2/L respectively. Under the condition, the higher AOB specific growth rate than NOB was an important feature for achieving partial nitrification. The AOB and NOB specific growth rates were measured at 0.65 and 0.45 d-1respectively. The two-step nitrification model simulation indicated that the low DO and high SRT (sludge retention time) conditions were detrimental for achieving partial nitrification, which could be more readily achieved under the combined condition of relative high DO and low SRT. The experimental result verified the simulation results.

partial nitrification；mathematical simulation；oxygen affinity；sludge retention time；dissolved oxygen concentration

X703.1

A

1000-6923(2016)12-3583-08

吴 军(1979-),男,江苏靖江人,副教授,博士,主要从事污水生物处理与资源化研究.发表论文20篇.

2016-05-03

国家自然科学基金资助项目(51478410);扬州大学高端人才项目

* 责任作者, 副教授, j.wu@yzu.edu.cn