水處理技術(shù):引言
根據(jù)傳統(tǒng)的脫氮理論，不可能同時(shí)進(jìn)行硝化反硝化。然而，最近幾年國外有文獻(xiàn)報(bào)道了同步硝化反硝化現(xiàn)象，尤其是有氧條件下的反硝化現(xiàn)象確實(shí)存在于各種不同的生物處理系統(tǒng)中，如生物轉(zhuǎn)盤[1]，SBR[2]，氧化溝，CAST工藝等。本文針對SBR復(fù)合系統(tǒng)中的同步硝化反硝化現(xiàn)象及其脫氮效果進(jìn)行了研究。
1 試驗(yàn)材料與方法
1.1 試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)所用反應(yīng)器為20cm×30cm×40cm的有機(jī)玻璃槽，有效容積為18L。反應(yīng)器內(nèi)放置YDT彈性立體填料，上下固定，使生物膜附著于填料表面。
該復(fù)合系統(tǒng)兼有接觸氧化和 SBR藝的特點(diǎn)。由時(shí)間程序控制器控制進(jìn)水、厭氧、曝氣、沉淀和排水全過程，并根據(jù)需要，選定各段的啟動、關(guān)閉時(shí)間。混合液的SⅤ、SⅥ、MLSS和MLVSS等運(yùn)行參數(shù)采取定期取樣測定，保持 MLS在4－6mg／L，SV在20％左右，并根據(jù)參數(shù)分析判斷反應(yīng)器的運(yùn)行狀況，及時(shí)加以調(diào)整。DO和PH由在線測定儀測定。
1.2 試驗(yàn)用水
本試驗(yàn)采用模擬配水作為進(jìn)水：CODCr400－500mg／L，NH3－N25－35mg／L，TN在40mg／L左右。添加營養(yǎng)成分如下：葡萄糖169mg／L，蛋白胨169mg／L，氯化鈉63mg／L，無水氯化鈣23mg／L，磷酸二氫鉀23mg/L，硫酸鎂94mg/L，碳酸氫鈉65mg／L，氯化銨75mg／L，微量元素（硫酸鐵、硫酸錳、硫酸銅、氯化鉆）0.2mg／L。采用模擬配水，水質(zhì)穩(wěn)定且易于控制，適合反應(yīng)器工藝運(yùn)行特性和污泥形態(tài)結(jié)構(gòu)及微生物學(xué)特性等的研究。在試驗(yàn)運(yùn)行過程中，可根據(jù)不同的試驗(yàn)要求，適時(shí)調(diào)整配水成分，改變部分進(jìn)水組分的濃度和配比，但TN和NH3－N的含量保持基本不變。
1.3 污泥馴化、掛膜及運(yùn)行參數(shù)
取琥珀山莊（市政污水）污水處理廠內(nèi)氧化溝的回流污泥，沉降后棄去上清液，以沉降污泥作為菌種進(jìn)行培養(yǎng)。期間所采取的運(yùn)行方式為：進(jìn)水0.5h，曝氣6h，污泥沉降和排水1.5h。此階段主要是為了培養(yǎng)活性污泥。大約兩周后，填料上有稀薄的菌膠團(tuán)和大量的游離細(xì)菌，但結(jié)合較為疏松，之后正常進(jìn)水，并調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)。在CODCr去除率達(dá)90％，NH3－N去除率達(dá)80％時(shí)馴化結(jié)束，投入正常運(yùn)行。運(yùn)行參數(shù)水力停留時(shí)間為8h，SV在20％左右，MLSS約為4900mg／L，污泥停留時(shí)間為15d，碳氮比為13.2。
2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
在正常運(yùn)行條件下達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果見表1。
表1 穩(wěn)態(tài)條件下運(yùn)行結(jié)果
分析項(xiàng)目
CODCr/(mg.L-1)
BOD5/(mg.L-1)
NH3-N/(mg.L-1)
TKN/(mg.L-1)
TN/(mg.L-1)
進(jìn)水
494
310
32.3
41.6
42.8
出水
25
22
0.92
4.6
8.1
去除率/%#p#分頁標(biāo)題#e#
95
93
97.2
89
81
2.1 溶解氧的影響
溶解氧濃度是最重要的參數(shù)之一，它直接影響到系統(tǒng)的硝化反硝化程度。首先，溶解氧的濃度應(yīng)滿足合碳有機(jī)物的氧化以及硝化反應(yīng)的需要；其次，溶解氧的濃度又不宜過高，以保證缺氧厭氧微環(huán)境的形成，同時(shí)使系統(tǒng)中有機(jī)物不致于過度消耗而影響反硝化碳源。將溶解氧控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，使硝化速率和反硝化速率越接近，總氮去除效果越好。由于進(jìn)水水質(zhì)和活性污泥狀況的不同，溶解氧的控制范圍也有所不同。此外，對于不同的處理構(gòu)筑物，其發(fā)生同步硝化反硝化的范圍也有所不同，需要在實(shí)踐中確定。在本試驗(yàn)中，由于生物膜的傳質(zhì)阻力較大，所以溶解氧控制在 3－5mg／L時(shí)，脫氮效果最佳，如圖1所示，其同步硝化反硝化現(xiàn)象亦最明顯，而當(dāng)DO大于5mm／L或小于3mm／L時(shí)，脫氮效果及反硝化速率明顯降低。
2.2 堿度的影響
按理論計(jì)算，硝化反應(yīng)時(shí)每氧化互g氨氮要消耗堿度7.14g（以CaCO3計(jì)）。而反硝化反應(yīng)時(shí)，還原1gNO3--N將回收3.57g堿度。同時(shí)發(fā)生硝化反硝化時(shí)，反硝化反應(yīng)產(chǎn)生的堿度將隨時(shí)部分補(bǔ)充硝化反應(yīng)消耗的堿度。一般污水對硝化反應(yīng)來說，堿度往往是不充足的，如不補(bǔ)充堿度，就會使pH急劇降低，影響氨氮的硝化程度。采用同步硝化反硝化脫氮是較為理想的選擇。如圖2所示，實(shí)測值與模擬堿度之間存在差值，說明了存在有同步硝化反硝化現(xiàn)象。
2.3 碳氮比的影響
污水的碳氮比可以影響系統(tǒng)的脫氮效果。本試驗(yàn)選用三種不同的碳氮比。分別為13.2，8.4，4.6，并考察了三種條件下CODCr，NH3－N，和TN的去除過程及脫氮效果。從曝氣初始起計(jì)時(shí)，每隔1h取樣一次。
CODCr的去除不受碳氮比的影響，如圖3。由于生物膜有很強(qiáng)的生物吸附功能，所以反應(yīng)初期能快速吸附大部分的有機(jī)物而轉(zhuǎn)換成內(nèi)碳源。
以碳氮比為13.2為例，（由于反應(yīng)過程中測得的NO2--N濃度很低，故忽略不計(jì)。）由圖4可以看出，在該工作周期中，硝化反應(yīng)的進(jìn)行使氨氮比較徹底地轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，氨氮濃度逐漸降低，同時(shí)總氮濃度也逐漸降低。由此可見：該反應(yīng)過程中既發(fā)生了硝化反應(yīng)又發(fā)生了反硝化反應(yīng)，即同步硝化反硝化。
由圖5可知，進(jìn)水碳氮比越高，出水總氮越低，其去除率相應(yīng)也越高。因此同步硝化反硝化現(xiàn)象隨進(jìn)水碳氮比的提高而越加明顯。
3 機(jī)理探討
對于同步硝化反硝化現(xiàn)象，可以從微環(huán)境理論和生物學(xué)兩方面加以解釋。微環(huán)境理論認(rèn)為：由于微生物種群結(jié)構(gòu)、物質(zhì)分布和生化反應(yīng)的不均勻性，在活性污泥菌膠團(tuán)內(nèi)部和生物膜內(nèi)部存在多種微環(huán)境類型。由于氧擴(kuò)散的限制，在微生物絮體或生物膜內(nèi)產(chǎn)生溶解氧梯度，其外表面溶解氧較高，以好氧菌、硝化菌為主；深人絮體或生物膜內(nèi)部，氧傳遞受阻及外部氧的大量消耗，產(chǎn)生缺氧區(qū)，甚至厭氧區(qū)，反硝化菌占優(yōu)勢。控制反應(yīng)器內(nèi)溶解氧的水平，調(diào)整缺氧厭氧微環(huán)境及好氧環(huán)境所占的比例，從而促進(jìn)反硝化作用，達(dá)到脫氮的目的。由于微生物的代謝活動以及氧氣泡的攪動，使得微環(huán)境是可變的，甚至是多變的[3]。
生物學(xué)的解釋有別于傳統(tǒng)的脫氮理論。傳統(tǒng)的脫氮理論認(rèn)為，硝化反應(yīng)是由自養(yǎng)型好氧微生物完成，稱為硝化菌，而反硝化反應(yīng)是在缺氧或厭氧條件下完成的。但最近幾年，已有報(bào)道發(fā)現(xiàn)了許多異養(yǎng)微生物能夠?qū)τ袡C(jī)及無機(jī)含氮化合物進(jìn)行硝化作用[4]。與自養(yǎng)硝化菌相比，異養(yǎng)硝化菌生長快，產(chǎn)量高，能忍受較低的溶解氧濃度和更酸的環(huán)境。另有研究表明，大多數(shù)異養(yǎng)硝化菌同時(shí)也是好氧反硝化菌[5]，這樣就解釋了同步硝化反硝化現(xiàn)象。
4 結(jié)論
①在該工藝中，將溶解氧控制在3-5mg/L，在保證CODCr高效去除的前提下，同時(shí)取得了較高的脫氮效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，CODCr的去除可達(dá)95％左右，總氮去除可達(dá)80％左右。
②對于僅有一個(gè)反應(yīng)池組成的序批式反應(yīng)器來講，同步硝化反硝化能夠降低實(shí)現(xiàn)硝化反硝化所需的時(shí)間和成本。
③在溶解氧濃度較高時(shí)，經(jīng)5h曝氣，總氮的去除率因進(jìn)水的碳氮比不同而異。總氮去除率隨進(jìn)水CODCr的提高而提高，表明碳源充足不會成為反硝化的限制因子，所以對于碳源不足的污水，不宜采用同步硝化反硝化工藝。
5 存在的問題
在該試驗(yàn)中，載體的選擇是試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵，載體選擇得當(dāng)，就可以使反應(yīng)器高效運(yùn)行，否則可能導(dǎo)致整個(gè)過程的失敗或需付出沉重的運(yùn)行、管理代價(jià)。由于時(shí)間條件的限制，沒有對各種填料載體的性能進(jìn)行對比，這有待于今后進(jìn)一步的研究。
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