SBR工藝中短程硝化反硝化的過程控制

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簡介： 實驗室中通過DO、pH值、進水CODcr /NH3-N（C/N）等參數(shù)的控制實現(xiàn)了SBR工藝中的短程硝化反硝化。在以人工玉米水為外加碳源、進水氨氮濃度100mg/L、CODcr=800mg/L的條件下，保持pH 8.0～8.2、DO 0.5 mg/L～1.0mg/L,通過對反應周期10小時內(nèi)氨氮（NH3-N），亞硝基氮（NO2－-N），硝基氮（NO3－-N）的跟蹤以及對反應周期內(nèi)每小時間隔們內(nèi)這些氮的不同形態(tài)的變化量的數(shù)據(jù)的分析，證實在整個系統(tǒng)內(nèi)短程硝化反硝化是占主導地位的脫氮途徑。
關鍵字：SBR 短程硝化反硝化 工藝參數(shù)

Process control of Shortcut nitrification—denitrifiction in SBR process

　　Pandeng, Liujun, Wangbin, Wangping (School of Chemical and Environmental Engineering, Beijing Technology and Business University，Beijing  100037)

　　Abstrate: Shortcut nitrification—denitrifiction was achieved in SBR through the control of  technologies’ operation parameters such as DO、pH、C/N and so on.The experiment result show that When burthen of ammonia nitrogen is 100mg/L, C/N=8, pH 8.0～8.2、DO 0.5 mg/L～1.0mg/L, we can conform that Shortcut nitrification—denitrifyction is  dominating approach of the removal of ammonia nitrogen by tracing ammonia nitrogen，nitrite and nitrate.

　　Key words: SBR, Shortcut nitrification—denitrifyction, technology parameters

　　與傳統(tǒng)的生物脫氮相比，亞硝酸型生物脫氮具有節(jié)約能耗，減少外加碳源，提高反應速率，節(jié)省基建投資，減少污泥量等特點^[1]。硝化過程是由兩類自養(yǎng)型硝化細菌完成的，將NH₃-N轉(zhuǎn)化為NO₂^－-N的一類菌被稱為Nitrosomonas，將NO₂^－-N轉(zhuǎn)化為NO₃^－-N的被稱為Nitrobacter^[2]，實際上這兩類菌的微生物學特征存在一定的差距，這為SBR中通過過程控制實現(xiàn)淘汰硝化菌，將硝化控制在NO₂^－-N的階段提供了可能性。

　　1.實驗裝置與方法

　　實驗室有大、小兩套SBR裝置。小反應器有效容積0.8L，用來對pH值、DO等控制參數(shù)進行對比實驗，摸索有利于實現(xiàn)短程硝化反硝化的條件。然后按照選出的最佳條件在有效容積12L的大反應器中對一個周期內(nèi)的NH₃-N、NO₂^－-N以及NO₃^－-N進行以小時為單位的跟蹤，以驗證實驗結(jié)果。首先在12L的大反應器中對污泥進行馴化，參照SHARON、ANAMMOX等一些工藝的運行條件^[3][4][5][6]，馴化期間進水NH₃-N100mg/L；COD400mg/L，pH始終維持在7.5～8.5，DO維持2mg/L左右；1個月后測定中間時刻5hr和出水水質(zhì)指標，發(fā)現(xiàn)了運行周期內(nèi)有明顯的NO₂^－-N積累，TN和COD去除率分別達到60%～70%和80%以上。以相近的污泥濃度（12L的大反應器中污泥濃度3.2g/L～3.5g/L）取適量污泥在小反應器內(nèi)進行實驗。每個周期內(nèi)小反應器排水0.4L進水0.4L，大反應器排水6L進水6L，所有實驗均在20～25℃內(nèi)進行。實驗室以有機氮水自配，[NH₃-N]=11000mg/L，作為外加碳源的玉米水COD=26000mg/L，BOD/COD=0.6,各項水質(zhì)分析指標均按照標準方法進行。

　　2.實驗結(jié)果

　　2.1 小反應器實驗結(jié)果

　　2.1.1 DO的影響

　　進水NH₃-N100mg/L；COD400mg/L;pH始終維持在7.5～8.5，出水數(shù)據(jù)見表1。可以看出：在較低DO條件下，有利于NO₂^--N的積累，DO過高容易將NO₂^--N氧化成NO₃^--N；而且過高的DO將會加速有機碳源的氧化速率，使后半程的反硝化反應得不到充足的碳源，阻礙反硝化反應的進行；但如果DO過低，硝化反應不完全，1＃出水η_TN過低，僅為53.5%。綜合DO對η_TN和NO₂^--N的積累考慮，選定DO維持在0.5mg/L～1.0mg/L。

　　表1  不同DO下出水水質(zhì)

編號DO（mg/L）NH₃-N(mg/L)NO₂^--N (mg/L)NO₃^--N (mg/L)η_TN(%)η_COD(%)NO₂^--N/NO₃^--N1＃0.2左右37.416.60.553.561.533.22＃0.5～1.00.734.00.964.376.537.83＃1.0～2.0023.65.271.286.24.5

　　2.1.2 pH的影響

　　進水條件依然保持NH₃-N100mg/L；COD400mg/L；DO維持0.5～1.0mg/L；pH分別維持在7.5～7.8，7.8～8.0，8.0～8.2，8.2～8.5，出水數(shù)據(jù)見表2。實驗過程中pH用固體Na₂CO₃和5%的硫酸調(diào)節(jié)。可以看出：pH維持在7.5～7.8時1＃出水η_TN過低，僅為45.6%，綜合pH對η_TN和NO₂^--N的積累考慮，選定pH維持在8.0～8.2。

　　表2 不同pH下出水水質(zhì)

編號pHNH₃-N(mg/L)NO₂^--N (mg/L)NO₃^--N (mg/L)η_TN(%)NO₂^--N/NO₃^--N1＃7.5～7.8024.030.445.60.82＃7.8～8.0021.95.172.74.33＃8.0～8.2022.63.673.26.34＃8.2～8.5018.215.766.11.2

　　2.1.3不同C/N的影響

　　進水條件依然保持NH₃-N100mg/L，DO維持0.5～1.0mg/L,pH維持8.0～8.2，按進水COD分別為200mg/L，400mg/L，800mg/L（C/N=2，4，8）運行，出水數(shù)據(jù)見表3。1＃出水NO₂^--N的積累較2＃和3＃差，說明C/N小于4不利于NO₂^--N的積累；對比2＃和3＃出水，從NO₂^--N的積累以及η_TN來看兩者相差不大，3＃略好于2＃，因此仍選用最佳C/N=8。需要說明的是，如果工程實踐中如果廢水的C/N低于4，應該向廢水補充碳源，但從經(jīng)濟的角度考慮，不宜過多地補充碳源以追求達到C/N=8，到底選用多大的C/N還要綜合技術和經(jīng)濟等因素考慮。

　　表3 不同C/N下出水水質(zhì)

編號C/NNH₃-NNO₂^--NNO₃^--Nη_TNNO₂^--N/NO₃^--N1＃209.419.770.90.52＃4022.63.673.26.33＃8019.62.977.56.7

　　2.2 運行周期內(nèi)氮元素的跟蹤試驗

　　根據(jù)0.8L小反應器確定的進水NH₃-N100mg/L，COD800mg/L，DO維持0.5～1.0mg/L，pH維持8.0～8.2運行12L大反應器，二周后出水水質(zhì)基本穩(wěn)定后對反應周期內(nèi)對各種形態(tài)氮進行跟蹤，結(jié)果見表4。根據(jù)表4作圖1，并計算出表5反應周期的每1hr時間間隔內(nèi)各種形態(tài)氮的變化量。

　　表4反應器水質(zhì)跟蹤數(shù)據(jù)

　　表5  反應周期的每1hr時間間隔內(nèi)各種形態(tài)氮的變化量（mg/L）

　　3.結(jié)論

　?。?）通過小反應器對比實驗，確定了SBR工藝實現(xiàn)短程硝化反硝化的優(yōu)化條件是pH 8.0～8.2、DO 0.5 mg/L～1.0mg/L，C/N≥4。需要說明的是，與小反應器采用曝氣頭與空壓機結(jié)合曝氣不同，大反應器采用的是曝氣板與大反應器結(jié)合曝氣，由于廢水壓頭有70cm水柱，曝氣量調(diào)節(jié)沒有小反應器方便，以至在反應進行到5hr～6hr后雖然曝氣量沒有改變，但反應器內(nèi)DO卻上升到2mg/L左右，因此由圖1可以看出，這一階段NO₃^--N的濃度有所上升，超過了NO₂^--N的水平，這也說明在整個運行周期中DO對NO₂^--N的積累起到了很大的作用。

　　（2）對表5進行分析可以得到以下結(jié)論：

　?、?hr～7hr,NO₃^--N的濃度達到了最大值，而6hr～8hr內(nèi)TN幾乎沒有變化。（第7hr的TN為24.5mg/L，而第6hr和第8hr的TN均為24.2mg/L；實際上在沒有外加N源的情況下，反應器內(nèi)TN的水平只有可能保持不變或減少，所以基本可以認為第7hr的TN測定值24.5mg/L屬于實驗誤差）根據(jù)微生物反應動力學規(guī)律，隨著底物濃度C越大，反應速度dC/dt也會增加，而在NO₃^--N的濃度達到最大之后的一段時間內(nèi)并TN沒有減少，可以判定整個反應過程中不可能由NO₃^--N直接反硝化脫氮。也就是說NO₃^--N必須先轉(zhuǎn)化為NO₂^--N，再由后者實現(xiàn)脫氮。

　　②在反應的7hr～10hr，NO₃^--N的濃度相對較大，而這段時間內(nèi)NO₃^--N轉(zhuǎn)化為NO₂^--N的量僅為24.4mg/L-18.9mg/L=4.5mg/L,說明說這一反應的速度是很慢的；而0hr～7hr內(nèi)NO₃^--N的濃度相對較小的情況下轉(zhuǎn)化為NO₂^--N的量就更少了，由此可以推斷在整個系統(tǒng)內(nèi)以短程硝化反硝化作用為主。也就是說通過pH、DO、C/N等反應條件的控制，在SBR中實現(xiàn)了短程硝化反硝化。

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