常温城市污水同步亚硝化_厌氧氨氧化研究

环　　境　　科　　学ENVIRONMENTALSCIENCEVol.30,No.7Jul.,2009

常温城市污水同步亚硝化2厌氧氨氧化研究

王俊安,李冬,田智勇,张杰,朱兆亮,付昆明

(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)

摘要:在常温1417～2417℃条件下,以城市生活污水为研究对象,采用SBR反应器,通过调整曝气量控制DO浓度为0105～0130

mgΠL,进行了同步亚硝化2厌氧氨氧化试验.结果表明,SBR活性污泥反应器可以在常温条件下实现城市污水氨氮的同步亚硝

+化2厌氧氨氧化反应;DO可以作为其反应终点的指示参数,本试验确定为1mgΠL;在SBR探索试验中,NH42N消耗速率为011-(m3・(m3・(m3・～01218kgΠd),NO32N产生速率为01026～01036kgΠd),TN脱除速率为01124～01194kgΠd),去除效率为65%～

75%;在SBR改进试验中,分别通过提高温度、增设非曝气运行时段和增加厌氧氨氧化菌生物量3个途径,避免了亚盐的

积累,TN去除效率提高至77%～88%.考虑到脱氮速率和实际的工程应用条件,认为增加厌氧氨氧化菌的生物量是提高SBR反应器脱氮效能的优选途径.

关键词:亚硝化;厌氧氨氧化;常温;城市污水

中图分类号:X703.1　文献标识码:A　文章编号:025023301(2009)0722001206ResearchonCANONProcessforMunicipalSewageinRoomTemperature

WANGJun2an,LIDong,TIANZhi2yong,ZHANGJie,ZHUZhao2liang,FUKun2ming

(KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

Abstract:Intheroomtemperature141722417℃,simultaneousnitrification2ANAMMOX(CANON)processformunicipalsewagewastestedbySBRwhiletheDOwascontrolledbetween0105and0130mgΠL.Asaresult,theresearchshowsthatCANONprocesscanbeappliedtothenitrogentreatmentofmunicipalwastewaterinroomtemperaturebySBR.DOcanberegardedastheindicationparameterofreactionterminal,

+

and1mgΠLhasbeenconfirmedintheexperiment.IntheexploringSBRexperiments,theconsumptionvelocityofNH42Nwas011201218

-(m3・(m3・kgΠd),theproductionvelocityofNO32Nwas01026201036kgΠd),theremovalvelocityandefficiencyofTNwere011242011943(m・kgΠd)and65%275%respectively.Additionally,intheimprovingSBRexperiments,therewerethreemethodsforavoidingnitriteaccumulationandincreasingthenitrogenremovalefficiency.Theywereimprovingtemperature,addingnon2aerationperiodoftimeandincreasingthequantityofANAMMOXbacteria.Therefore,theremovalefficiencyofTNwasincreasedto77%288%throughthethreewaysabove.However,inviewofthenitrogenremovalvelocityandthefactofengineeringapplicationcondition,thethirdapproachwasthebesttoadvancethegeneralabilityofANAMMOX.

Keywords:nitrification;ANAMMOX;roomtemperature;municipalsewage

　　厌氧氨氧化(anaerobicammoniumoxidation,ANAMMOX),是新发现的最为简捷的废水脱氮途径.它是指在厌氧条件下,ANAMMOX菌以氨氮为电子供体,以亚盐氮为电子受体,将氨氮和亚盐氮同时转化成氮气

[1]

,以实现废水中氮素的脱除.

大降低污水处理的能耗和成本.影响ANAMMOX反应的主要因素包括废水水质、pH值、温度、DO和生物量等.然而,从节能降耗的原则出发,结合城市污水自身的特点,通过控制DO来实现城市污水的亚硝化,并进行厌氧氨氧化生物脱氮,是最为理想的选择.本课题组采用SBR活性污泥法工艺,在常温限氧(DO=013mgΠL)条件下进行了城市污水稳定亚硝

[6]

化的研究.在此基础上,向反应器中接入ANAMMOX菌,通过控制反应器的曝气条件和ANAMMOX菌的生物量,对SBR活性污泥反应器常

收稿日期:2008208210;修订日期:2008210227

基金项目:城市水资源与水环境国家重点实验室开放课题项目

(08UWQA08);河南省重大公益性科研项目;国家自然科学基金项目(50878003);北京市自然科学基金项目

(8092006)

作者简介:王俊安(1981～),男,博士研究生,主要研究方向为社会用

水健康循环原理与工程技术,E2mail:wangjunan@emails.bjut.edu.cn

ANAMMOX途径是在短程硝化(nitrosification,亚硝

化)基础上进行的生物自养脱氮,它与传统的硝化Π反硝化脱氮工艺相比,具有耗氧量少、无需外加碳源、污泥产量低和无二次污染等众多优点,因此被视为最具可持续发展意义的生物脱氮工艺.

目前,有关ANAMMOX工艺的研究,主要是针对污泥消化回流液和垃圾渗滤液废水方面

[5]

[2]

[3,4]

等高温高氨氮

,而对于常温低氨氮城市污水方面的研

究尚鲜见报道.对于日益增长的大量城市污水而言,如果能通过ANAMMOX途径来进行脱氮处理,将大

2002环　　境　　科　　学30卷

温同步亚硝化2厌氧氨氧化反应过程的参数变化规

律和工艺改进途径进行深入研究,以期为厌氧氨氧化工艺在城市污水处理与资源化中的应用提供技术支撑.

1　材料与方法1.1　试验装置

1.3　接种污泥

向以含亚细菌(AOB)为优势菌群的SBR活

性污泥反应器中,接入常温城市污水培养条件下的ANAMMOX菌颗粒污泥50g(湿重).ANAMMOX菌颗粒污泥为红褐色,平均粒径2～5mm,其实物照片如图2所示.

试验采用SBR反应器,材质为有机玻璃,总体积616L,有效容积5L1反应器内壁一旁设有曝气筒,其内径为42mm,上部设有三角堰,堰上水深10mm,底部与SBR反应器连通,容积占总有效容积的5%.曝气筒内置黏砂块曝气头,由转子流量计控制

曝气量,曝气上升动力在曝气筒液流与主反应器局部液流之间形成内循环,并通过传质交换为反应器内处理水提供溶解氧.反应器中安装搅拌器(搅拌叶2片面积A=12mm,转速200rΠmin)来进行混合,以加强传质效果.通过调节曝气量、堰上水深和搅拌器转速,对反应器内DO浓度进行控制.SBR试验装置如图1所示.

图2　ANAMMOX菌颗粒污泥数码照片

Fig.2　DigitalphotoofANAMMOXbacteriagranules

1.4　测定项目与方法

定时检测SBR反应器处理液中NH42N、NO22N、NO32N等的浓度,在线监测DO、ORP、pH和水温等

-

+-

参数.其中,NH42N采用纳氏试剂光度法;NO22N采用N2(12萘基)2乙二胺光度法;NO32N采用麝香草酚分光光度法;DO和温度采用WTWinoLabStirrOxG多功能溶解氧在线测定仪;pH采用OAKLONWaterproofpHTestr10BNC型pH测定仪;ORP采用OAKLONWaterproofORPTestr10型ORP测定仪;其它

-

+-

指标均按国家环保局和美国环境总署发布的标准方法测定.

定期从反应器中取水样约30mL,静沉5min后,取上清液约15mL,用中速滤纸过滤,待测.静沉

11pH测定仪;21pH电极;31ORP测定仪;41ORP传感器;51DO测定仪;61DO传感器;71搅拌器;81粘砂曝气头;91取样口;101转子流量计;111压缩空气;121曝气筒

残液与污泥倒回反应器,并通过重物淹没排水法保持反应器内液位和曝气筒堰上水深不变.图3为运行设备静置时的数码照片.2　结果与分析

2.1　SBR亚硝化2厌氧氨氧化探索试验

图1　试验装置示意

Fig.1　Experimentalapparatus

1.2　试验用水

试验用水为经过厌氧Π好氧(AΠO)生物除磷的二级处理出水,原水取自北京工业大学教工家属西区生活污水.试验用水水质为:COD50～60mgΠL;NH42N50～90mgΠL;NO22N<1mgΠL;NO32N<1mgΠL;TP≤015mgΠL;pH为7150～8100.

+

--

反应器中接入ANAMMOX颗粒污泥后,曝气量

3

控制在01008mΠh(DO为0108～0115mgΠL),平均温度为1710～1914℃,反应器稳定运行30d,并进行了多组试验.图4为一典型周期内TN、NH42N、NO22N和NO32N浓度的变化情况.

-+

-

7期王俊安等:常温城市污水同步亚硝化2厌氧氨氧化研究2003

参数变化规律分别如图5所示.

图3　设备静置时数码照片

Fig.3　Digitalphotoofexperimentapparatusintheunworkingstatus　

图5　SBR反应器典型运行周期内的DO、ORP和pH值变化

Fig.5　ProfilesofDO,ORPandpHintheSBRreactor

oftherepresentativeoperationcircle

图4　SBR反应器典型运行周期内氮素浓度变化

Fig.4　ProfilesofnitrogenintheSBRreactorof

representativeoperationcircle

(1)氨氮在AOB作用下向亚盐转化的过程

需要消耗O2基质,由于反应过程不受抑制,系统中耗氧速率与充氧速率均较稳定,且迅速达到平衡,从

而使得反应器内的DO也能够长期稳定在0107～0110mgΠL的范围.随着氨氮基质的不断消耗,从第10h开始,由于氨氮基质受限,O2供需平衡被打破,造成系统内DO曲线的突跃上升.通过对图5(a)进行分析,本试验将DO=1mgΠL确定为SBR同步亚硝化2厌氧氨氧化的反应终点.

(2)ORP由于受到系统对化合态氧的固定以及DO的双重影响,出现先下降后上升的变化趋势,在

--缓慢增长阶段由于SBR系统产生NO2和NO3固定化合态氧的速率较低,因此曲线增长速率也较缓慢.从第10h开始,由于DO的迅速增加,使ORP曲线在此呈现出快速增长趋势.

(3)氨氮被AOB逐渐转化为亚盐的过程中,需要消耗碱度,从而造成pH值的降低;而所生成的亚盐和反应器中所剩余的氨氮在

在SBR试验周期中,氨氮被快速消耗,氨氮消

(m3・耗速率为011～01218kgΠd),并相应产生一定

量的盐,盐产生速率(以N计)为01026～

(m3・01036kgΠd),二者均随反应时间呈明显的线性

关系.TN浓度在不断减少,经计算其脱氮速率为

(m3・01124～01194kgΠd),去除效率为65%～75%,

[7]

低于相关CANON工艺(completelyautotrophicnitrogenremovalovernitrite,单段自养氨氧化工艺)的理论值88%.由于在较低温度条件下运行,ANAMMOX菌的活性受到一定程度的抑制,这就使得其与AOB的活性没有达到平衡,从而产生了明显的亚盐积累现象,该典型运行周期中亚盐氮浓度在反应始末之间增加了10101mgΠL,这可能是上述脱氮效率低于相关理论值的主要原因.

上述典型运行周期中的DO、ORP以及pH值等

2004环　　境　　科　　学30卷

ANAMMOX菌的作用下转化为N2的过程会消耗水

中的H,使系统pH升高.然而,这2个耦合在一起

的微生物协同代谢过程总体上仍然是个耗碱度过程,随着系统反应过程的不断进行,系统的pH值会不断降低.在周期末,从第10h开始,由于溶解氧的提高,曝气吹脱作用对水中碳酸解离平衡产生影响,SBR反应器系统中的CO2气体会被吹脱逸出,从而

+

了反应系统的脱氮效能.

(2)在较低温度1417～1810℃条件下,当曝气进行510h后,停止曝气,SBR系统进入非曝气运行阶段.由于搅拌器的溶氧作用,SBR系统存在大气缓慢复氧现象,该段DO并不为0,而是保持在0105～0106mgΠL范围之间.图7为低温增加非曝气段后氮

素变化情况.

造成pH的突然上升,形成如图5(c)所示的“pH凹谷”.

2.2　SBR亚硝化2厌氧氨氧化工艺改进试验

避免SBR系统中亚盐的积累,是提高反应器总体脱氮效率的关键.SBR系统产生亚盐积累主要是由于系统中ANAMMOX菌的活性偏低,不能及时将系统中生成的亚盐基质消耗掉.因此拟通过提高运行温度(最高温度不超过2417℃,仍处于常温范围内)、增加不曝气运行时段以及提高ANAMMOX细菌数量等途径来消除反应系统中的亚盐积累现象,从而提高总体脱氮效率.在工艺改进试验中,均将曝气量控制在01008mΠh,并采用上述试验结果所确定的DO=1mgΠL作为SBR反应器同步亚硝化2厌氧氨氧化的反应终点.

(1)通过人工水浴加热,适当提高SBR的运行

3

图7　低温增加厌氧段后SBR反应器运行周期内

氮素浓度变化

Fig.7　ProfilesofnitrogenintheSBRreactorwithout

airfeedinginlowertemperature

温度,反应器内DO稳定在0113～0130mgΠL的范围之间.图6为2214～2417℃反应条件下的氮素变化

情况.

低温增加非曝气反应段条件下,TN去除率达到了较高值88112%,且出水TN为10159mgΠL.然而,亚盐在停止曝气前5h积累浓度达到18131mgΠL,此时反应器内剩余氨氮浓度为47113mgΠL,它们的比值为0139,仅为厌氧氨氧化反应亚盐氮

[8]

和氨氮浓度理论比值1132的30%.分析没有达到理论比值的原因,可能是由于反应器停止曝气过早,氨氮的剩余浓度还较高,尚未达到ANAMMOX反应理论基质浓度的比例.第5h之后,由于搅拌器搅拌和大气复氧作用,在较低DO浓度条件下,反应器内剩余的氨氮仍有部分被AOB转化为亚盐,并最终通过ANAMMOX作用转化成氮气.由于大气复氧作用对SBR反应器系统供氧速率较慢,较低DO条件下,ANAMMOX菌的活性得到提高,实现了与AOB协同代谢的平衡状态.但是,由于受曝气停止过早和非曝气时段低供氧速率的共同影响,氨氮向亚盐的平均转化速率较慢,致使整个反应系统周期较长,氮素平均去除速率明显降低.

(3)再次向SBR反应器中接入20g(湿重)ANAMMOX颗粒污泥,通过增加ANAMMOX菌的生

图6　提高温度后SBR反应器运行周期内氮素浓度变化

Fig.6　ProfilesofnitrogenintheSBRreactorafterimprovingtemperature

适当提高反应器运行温度后,TN去除速率(以

(m3・N计)达到01193kgΠd),去除效率为82%,出水TN=11161mgΠL,优于升温前的试验结果.由于温度

上升降低了液流的粘滞系数,提高了反应器液流的紊动程度,从而强化了O2的传质效果,且升温有利于ANAMMOX菌活性的提高,使其与AOB达到良好的协同代谢作用,避免了亚盐的积累,从而提高

物量来提高较低温度条件下同步亚硝化2厌氧氨氧化SBR系统对氮素的去除速率.图8为在温度为1611～1615℃、DO为0111～0116mgΠL反应条件下,

7期王俊安等:常温城市污水同步亚硝化2厌氧氨氧化研究2005

[10]

增加ANAMMOX生物量后SBR系统氮素的变化趋势.

效等优点,吸引了越来越多研究者的兴趣

.本实

验首次以常温低氨氮城市污水为研究对象,以深度净化达到再生水水质为目的,在较低的温度和DO条件下,采用SBR反应器进行了大量相关试验.结果表明,在上述低氨氮城市污水和较低的温度和DO等不利条件下,ANAMMOX菌仍具有一定的活性,通过AOB和ANAMMOX菌的协同代谢作用,可以实现常温城市生活污水同步亚硝化2厌氧氨氧化的脱氮反应.而且,根据典型反应周期DO、ORP和pH的变化规律,可以将DO=1mgΠL作为上述试验反应终点的重要指示参数.

图8　低温增加ANAMMOX生物量后SBR反应器运行

周期内氮素浓度变化

Fig.8　ProfilesofnitrogenintheSBRreactorafteradding

ANAMMOXbacteriainlowertemperature

向SBR反应器2次接种ANAMMOX生物量后,ANAMMOX总体活性明显增强,反应过程中亚

如何控制SBR系统运行参数来使AOB和

ANAMMOX菌的活性达到平衡,避免亚盐的积累并提高总氮去除率和去除速率,是厌氧氨氧化工艺能在城市污水处理中得以应用的关键所在.在工艺改进试验中,试验(1)中的升温措施,可以提高SBR反应器同步亚硝化2厌氧氨氧化对氮素去除效

盐积累现象大大降低,反应周期末仅有2110mgΠL的亚盐氮在反应器中积累,亚盐氮的积累速

(m3・率仅为01005kgΠd).反应器出水TN为12183mgΠL,TN去除率达到77%,在同等反应条件下,较未2次接种ANAMMOX反应器的TN去除率增加了20%,且TN去除速率也增加了41%.在较低温度条

果,这与郑平等的研究结果相一致,当温度从

15℃升到30℃时,ANAMMOX反应速率随之增大.但实际城市污水处理工艺中,无法实现对温度的控制,且这样做也是不经济的;试验(2)中增加厌氧时段后,TN的去除率得到了明显提高,但在较低温度条件下,难以提高氮素的去除速率,这主要是由于ANAMMOX菌在较低温度条件下的活性较低造成的.上述研究结果表明,在较低温度条件下,ANAMMOX的反应活性是SBR同步亚硝化2厌氧氨

[11]

件下,通过增加SBR反应器系统内的ANAMMOX菌的生物量,可以提高整个反应器ANAMMOX菌的总体活性,使其与AOB进行良好的协同脱氮,并同时提高了总氮的去除效能.并且,2次接种ANAMMOX菌后的反应器在常温条件下连续运行3个月后,未发现ANAMMOX菌流失的现象,仍保持了较好的脱氮效果,这证实了本工艺的长期有效性.3　讨论

氧化反应速率的主要因素.

[12]

根据Kuypers等指出的,ANAMMOX菌的氮负荷率与反应器内生物量密切相关,生物量越高能去除的氮就越多,试验(3)中再次向SBR反应器中接入了部分ANAMMOX颗粒污泥,通过增加ANAMMOX菌的生物量来达到提高较低温度条件下同步亚硝化2厌氧氨氧化SBR系统对氮素的去除速率的目的.试验结果表明,在较低温度条件下,增加ANAMMOX菌生物量,可以提高ANAMMOX菌的总体反应速率,并同时提高SBR同步亚硝化2厌氧氨氧化的脱氮效率和速率,而且,试验出水水质达到了我国城镇污水处理厂污染物一级A排放标准(GB11822002)中TN≤15mgΠL的要求,满足再生水用户对水质中氮素浓度的要求.因此,结合城市污水ANAMMOX工艺实际应用条件,当较低运行温度导

目前,ANAMMOX途径脱氮的工艺主要包括SHARON2ANAMMOX

[9]

(singlereactorforhigh

ammoniumremovalovernitriteΠanaerobicammoniumoxidation,短程硝化Π厌氧氨氧化)和上述提到的CANON等工艺.CANON工艺是指在同一反应器内,

在限氧条件下,利用AOB和ANAMMOX菌的协同代谢作用,达到废水中氮素脱除的目的.在CANON反应器内,AOB将部分氨氮氧化为亚盐,同时消耗反应器中的DO,在DO受限的条件下,ANAMMOX菌将亚盐氮和剩余的氨氮一并转化为氮气.CANON工艺以反应器体积节省、操作简单、经济高

致了ANAMMOX菌活性下降和亚盐积累现象

时,可以通过增加反应器内ANAMMOX菌的生物量,来保证系统对城市污水中TN的去除效果.

2006环　　境　　科　　学30卷

4　结论

(1)常温城市污水条件下,通过向SBR亚硝化

[3]　许玫英,方卫,张丽娟,等.生物脱氮新技术在垃圾渗滤液工

程化处理中的应用[J].环境科学,2007,28(3):6072612.

[4]　遇光禄,陈胜,孙德智.动床生物膜反应器SHARON工艺半

活性污泥反应器接种ANAMMOX菌,控制DO≤0130

mgΠL的反应条件,可以稳定实现SBR同步亚硝化2厌氧氨氧化深度处理城市污水.

(2)根据DO、ORP和pH在反应周期中的变化规律,在控制DO≤0130mgΠL的系统运行条件时,可将DO=1mgΠL作为SBR同步亚硝化2厌氧氨氧化处理常温城市污水反应终点的标志.

(3)在较低温度条件下,ANAMMOX菌活性难以提高,考虑到城市污水处理工程的实际情况,相对于升高温度和增加非曝气反应时段2种途径来说,适当提高ANAMMOX菌生物量,是提高ANAMMOX工艺脱氮效果的优选途径.

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