SBR工藝同步硝化反硝化脫氮

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簡介： 文中采用內(nèi)徑為300mm，高為650mm 的圓柱形SBR 反應(yīng)器進(jìn)行試驗，探討SBR 工藝同步硝化反硝化現(xiàn)象及其脫氮效果。SBR 系統(tǒng)采用鼓風(fēng)曝氣，用溫控儀控制水溫在所要求的范圍內(nèi)，由時間程序控制器控制進(jìn)水、閑置、曝氣、沉淀和排水全過程，用DO 儀和pH計分別在線判斷SBR 反應(yīng)器的運(yùn)行狀況， 進(jìn)行研究SBR 系統(tǒng)對有機(jī)物和氮的去除過程及其脫氮效果。結(jié)果表明：溶解氧濃度控制在 3－5mg／L 時，其同步硝化反硝化現(xiàn)象明顯，脫氮效果最佳，總氮去除率可達(dá)80％，CODCr 的去除率達(dá) 90％。采用同步硝化反硝化脫氮還可以克服污水中堿度不足的現(xiàn)象，由于反硝化不斷產(chǎn)生堿度，補(bǔ)充了微生物對有機(jī)物和含氮化合物的降解引起水中pH 值下降的過程。當(dāng)溫度在18～25℃的變化區(qū)間內(nèi)，SBR 系統(tǒng)氨氮的去除比較穩(wěn)定，說明SBR 工藝可實現(xiàn)常溫同步硝化反硝化。
關(guān)鍵字：SBR系統(tǒng) 硝化 反硝化 脫氮在反應(yīng)初期

　1. 引 言

　　脫氮是當(dāng)今水污染控制領(lǐng)域研究的熱點和難點之一，為了高效而經(jīng)濟(jì)地去除氮，研究人員開發(fā)了許多工藝和方法。根據(jù)傳統(tǒng)的脫氮理論，同一工藝中不可能同時進(jìn)行硝化反硝化，然而，最近幾年國外有文獻(xiàn)報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)象確實存在于各種不同的生物處理系統(tǒng)中[1]，本文針對序批式活性污泥（SBR）工藝中的同步硝化反硝化現(xiàn)象及其脫氮效果進(jìn)行了研究。

　　2. 試驗材料與方　法

　　2.1 試驗裝置

　　試驗所用SBR 反應(yīng)器為圓柱形，內(nèi)徑為300mm，高為650mm，有效容積為32L。采用鼓風(fēng)曝氣，以轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)曝氣量，用溫控儀將反應(yīng)器內(nèi)的水溫控制在所要求的范圍內(nèi)，由時間程序控制器控制進(jìn)水、閑置、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)閉時間。用DO 儀和pH 計分別在線測定各反應(yīng)階段的DO 和pH 值，并根據(jù)反應(yīng)階段DO 和pH 值的變化判斷SBR 反應(yīng)器的運(yùn)行狀況，及時加以調(diào)整。

　　1.溫度控制儀 2.溫度傳感器 3.DO 測定儀 4.DO 傳感器 5. pH 測定儀 6. pH 傳感器7.攪拌器 8.取樣口 9.壓縮空氣 10.轉(zhuǎn)子流量計 11. 曝氣器 12. 排泥管

　　圖1 SBR 反應(yīng)器實驗裝置

　　2.2 試驗用水

　　本試驗采用模擬配水作為進(jìn)水：CODCr=400－500mg／L，NH3－N=35－45mg／L，TN=50mg／L 左右。模擬配水的水質(zhì)穩(wěn)定且易于控制，適合SBR 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。在試驗運(yùn)行過程中，可根據(jù)不同的試驗要求，適時調(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。

　　3. 試驗結(jié)果與分析

　　3.1 溶解氧的影響

　　溶解氧濃度直接影響到SBR 工藝的硝化反硝化程度，首先，溶解氧濃度應(yīng)滿足碳有機(jī)物的氧化以及硝化反應(yīng)的需要；其次，溶解氧濃度又不宜過高，以保證SBR 工藝中的缺氧厭氧微環(huán)境的形成，同時使系統(tǒng)中碳有機(jī)物不致于降解過快而影響反硝化碳源。不同的處理工藝發(fā)生同步硝化反硝化的范圍有所不同，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。在試驗中溶解氧濃度控制在 3－5mg／L 時，其同步硝化反硝化現(xiàn)象明顯，脫氮效果最佳，說明在同步硝化反硝化生物脫氮過程中，曝氣量不能太低，否則影響硝化速率并使硝化時間延長，如圖2 所示。當(dāng)溶解氧濃度大于5mg／L 或小于3mg／L 時，脫氮效果及反硝化速率明顯降低，說明曝氣量也不是越大越好，而應(yīng)根據(jù)所要處理的水質(zhì)和水量特征選擇最佳曝氣量。

　　圖2 DO 與TN 去除率之間的關(guān)系曲線

　　3.2 溫度的影響

　　水溫也影響SBR 工藝的硝化反硝化程度，試驗中控制水溫在10～40℃之間變化，當(dāng)溫度在18～25℃的變化區(qū)間內(nèi)SBR 系統(tǒng)的氨氮的積累比較穩(wěn)定，說明SBR 工藝可實現(xiàn)常溫硝化反硝化。

　　Hellinga 等認(rèn)為硝化菌屬在10～20℃時很活躍，無論游離氨濃度多大，氨氮的積累率都很低，此條件下溫度對硝化菌活性的影響比游離氨濃度對其抑制作用大。當(dāng)溫度為20～25℃時硝化反應(yīng)速率降低而亞硝化反應(yīng)速率增大。當(dāng)溫度＞25℃時游離氨濃度對硝化菌的抑制作用大于溫度的作用，可能因游離氨濃度的抑制造成氨氮的積累［2］，亞硝化菌在數(shù)量上可能形成優(yōu)勢的溫度范圍為30～34℃。而試驗結(jié)果表明，SBR 系統(tǒng)在18～25℃實現(xiàn)了同步硝化反硝化并不符合上述文獻(xiàn)中的觀點，即使溫度在18～25℃變化時，SBR 系統(tǒng)仍能實現(xiàn)同步硝化反硝化過程。

　　3.3 堿度的影響

　　通過理論計算硝化反應(yīng)時每氧化1g 氨氮要消耗堿度7.14g（以CaCO3 計）。而反硝化反應(yīng)時每還原1g 氨氮將釋放出3.57g 堿度。同時發(fā)生硝化反硝化時，反硝化反應(yīng)產(chǎn)生的堿度可以隨時補(bǔ)充一部分硝化反應(yīng)消耗的堿度。對硝化反應(yīng)來說，一般污水中的堿度往往是不足的，需要補(bǔ)充堿度，避免水中的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可以克服這一不足。在反應(yīng)初期，微生物對有機(jī)物和含氮化合物的降解，引起水中的pH 值有下降的過程，隨著氨氮經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮進(jìn)入反硝化階段，由于反硝化不斷產(chǎn)生堿度，pH 值下降過程很快結(jié)束，然后快速上升。如圖3 所示，實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。

　　圖3 實測堿度曲線與理論消化反應(yīng)曲線的關(guān)系

　　3.4 碳氮比的影響

　　污水的碳氮比影響SBR 系統(tǒng)的脫氮效果，本試驗選用三種不同的碳氮比。分別為14，8.5，4.2，考察三種碳氮比條件下CODCr，NH3－N，和TN 的去除過程及脫氮效果。CODCr的去除不受碳氮比的影響，如圖4。由于SBR 工藝中的活性污泥有很強(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)換成碳源。

　　圖4 不同碳氮比條件下COD 去除率曲線

　　以碳氮比為14 為例，（由于反應(yīng)過程中測得的硝酸鹽氮濃度很低，故忽略不計。）由圖5 可以看出，在試驗中，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)，即發(fā)生同步硝化反硝化。

　　圖5 碳氮比為14 時氮的去除曲線

　　由圖6 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

　　圖6 不同碳氮比條件下總氮去除曲線

　　4. 分析

　　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，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SBR 系統(tǒng)中活性污泥菌膠團(tuán)內(nèi)部存在多種微環(huán)境類型。由于氧擴(kuò)散機(jī)理的限制，在微生物絮體內(nèi)產(chǎn)生溶解氧梯度變化，微生物絮體外表面溶解氧較高，以好氧菌、硝化菌為主；微生物絮體內(nèi)部氧傳遞受阻及外部氧的大量消耗，產(chǎn)生缺氧區(qū)或者厭氧區(qū)，反硝化菌占優(yōu)勢。控制SBR 系統(tǒng)內(nèi)溶解氧的變化，調(diào)整缺氧厭氧微環(huán)境及好氧微環(huán)境所占的比例，從而促進(jìn)反硝化作用，達(dá)到同步硝化反硝化脫氮的目的。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]。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，而反硝化反應(yīng)是在缺氧厭氧條件下完成的。但最近幾年，已有報道發(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較低的pH 值環(huán)境，大多數(shù)異養(yǎng)硝化菌同時也是好氧反硝化菌[5]，這樣就解釋了同步硝化反硝化現(xiàn)象。

　　5. 結(jié)論

　　1、在SBR 系統(tǒng)中，將溶解氧控制在3～5mg/L，在保證系統(tǒng)內(nèi)CODCr 高效去除的前提下，同時取得了較高的脫氮效果。試驗結(jié)果表明，CODCr 的去除可達(dá)90％左右，總氮去除可達(dá)80％左右。

　　2、SBR 工藝可實現(xiàn)常溫硝化反硝化，當(dāng)溫度在18～25℃的變化區(qū)間內(nèi)SBR 系統(tǒng)仍能實現(xiàn)同步硝化反硝化過程。

　　3、對于SBR 工藝來講，同步硝化反硝化能夠降低實現(xiàn)硝化反硝化所需的時間和成本。

　　4、在溶解氧濃度較高時，經(jīng)5 小時曝氣，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，表明碳有機(jī)物充足時不會成為反硝化的限制因子，對于碳有機(jī)物不足的污水，不宜采用同步硝化反硝化工藝。