【word】 单一反应体系曝气量与污泥质量浓度对同步硝化反硝化的影响

【word】 单一反应体系曝气量与污泥质量浓度对同步硝化反硝化的影响 单一反应体系曝气量与污泥质量浓度对同 步硝化反硝化的影响 第33卷第3期南京工业大学(自然科学版) 2011年5月JOURNALOFNANJINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY(NaturalScie nceEdition) V01.33No.3 Mav2011 doi:10.3969/j.issn.1671—7627.2011.03.008 单一反应体系曝气量与污泥质量浓度对 同步硝化反硝化的影响 陈英文,魏基业,赵冰怡,沈树宝 (南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京210009) 摘要:利用自培养硝化污泥与实验室筛选的1株反硝化细菌共培养形成共生污泥,构建膜生物反应器(MBR)单 一 反应体系同步硝化反硝化系统,得到系统良好同步硝化反硝化曝气量和污泥浓度的最优条件.由试验结果可 知:在混合污泥质量浓度(MLSS)6.0,10.0g/L时,调节曝气量,可以使单污泥同步硝化反硝化总氮(TN)去除率达 到85%以上.不同MLSS下,达到最高TN去除率的最佳曝气量随着 MLSS增高而向高曝气量偏移.随着MLSS增 高,响应因子F变小,由曝气量的变化而引起的TN去除率变化明显 变缓,示MLSS对O,传递的缓冲能力越强. 在MLSS为8L条件下,低负荷比较容易达到较高的TN去除率,而高 负荷下需要更高的曝气量以获得高的TN去 除率,系统适合的NH4+一N负荷范围0, 0.30kg/(m?d).MLSS?3.0g/L,出水化学需氧量(COD)低于50mg/L, COD大部分贡献于反硝化所需c源.单一反应体系同步硝化反硝化 系统能对负荷的改变作出及时的回应,整体上 运行比较稳定. 关键词:单污泥系统;曝气量;混合污泥质量浓度;同步硝化反硝化 中图分类号:X703.1文献标志码:A文章编 号:1671—7627(2011)03—0038—05 EffectsofaerationrateandMLSSonsimultaneousnitrificationand denitrificationinsinglereactionsystem CHENYingwen,WEIJiye,ZHAOBingyi,SHENShubao (CollegeofBiotechnologyandPharmaceuticalEngineering,NanjingUnive rsityofTechnology,Nanjing210009,China) Abstract:Asinglereactionmembranebio—reactor(MBR)systemwithsimultaneousnitrificationanddeni— trification(SND)wasconstructedcouplingwiththehybridculturedsludgeby nitrificationsludgeand denitrificationbacteria.Theeffectofaerationrateandmixedliquorsuspendedsolids(MLSS)ontheSND wasstudied.WhentherangeofMLSSwas6.0—10.0g/Linthesinglesludgesy stem.thetotalnitrogen (TN)removalefficiencybySNDreachedabove85%onthesuitableaerationrate,andthebestaeration rateforthemaximumTNremovalefficiencyondifferentMLSSbecamebiggerwiththeincreasingof MLSS.AsmallerresponsefactorF,thelesschangeofTNremovalefficiencywascausedbyaerationrate andthestrongerbufferingeffectontheoxygentransferwiththeincreasingofMLSS.Operatedinthe MLSSof8.0g/L,higherTNremovalefficiencywaseasytobeobtainedinthelowammonialoading,but 收稿日期:2010—09—19 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50872052);国家高技术研究 发展(863计划)资助项目(2009AA05Z313);国家水体污染控制与 治 理科技重大专项资助项目(2008ZX07101—003—02—05);江苏省环 保科研课题资助项目(2009002);江苏省自然科学基金资助项目 (BK2007188) 作者简介:陈英文(1978一),男,山东莱阳人,讲师,主要研究方向为废 水生物处理技术及装备,E-mail:ywchen@njut.edu.cn. 第3期陈英文等:单一反应体系曝气量与污泥质量浓度对同步硝化 反硝化的影响39 thehigheraerationratewasneededforabetterTNremovalefficiencyinthehighammonialoading.The rangeofammonialoadingforasuitableoperationwas0-0.30kg/(m.?d).WhenMLSS/>3.0g/L,the chemicaloxygendemand(COD)ineffluentwasbelow50mg/L,andthegreaterpartofCODwasCOn- tributedtodenitrification.Thesystemcouldtimelyrespondtothechangeofloadingsandoperatestably. Keywords:singlereactionsystem;aerationrate;MLSS;simuhaneousnitrificationanddenitrification 同步硝化反硝化(SND)脱氮技术是在单一反 应体系中实现同步脱氮,SND由于其工艺简 单,占地面积小,运行成本低等特点受到国内外学 者的广泛关注l】-31.在硝化反硝化颗粒污泥培 养J,包埋固定化,新型高效脱氮生化反应器 (如膜生物反应器(MBR),生物膜法)等方面 各国学者进行了较为全面的研究,并通过微环境 理论和生物学及生物化学理论对此脱氮技术进行 机制分析?.但由于实际运行过程污泥结构,尺 寸及浓度,溶解氧浓度(DO),C源浓度及碱度的 变化等影响到复合菌群功能稳定性,硝化细菌作 为好氧自养菌极易受溶解氧,温度,碱度的影响, 而反硝化细菌由于受到0竞争性电子受体影响, 使得反硝化能力降低,导致系统整体运行脱氮效 率不稳定,严重制约了SND脱氮技术在污水处理 及资源化工程上的应用.本研究利用膜生物反应 器进行硝化污泥与反硝化菌株共培养,构建单一 反应同步硝化反硝化系统,就此过程中影响脱氮 效率的DO,污泥浓度进行深入研究.由于同步硝 化反硝化体系DO分布不均,本研究以实验体系的 曝气量间接代替DO的变化,得到单一反应系统曝 气量和污泥浓度对同步硝化反硝化的影响,为实 际工程应用提供理论依据. 1实验材料与 1.1MBR同步硝化反硝化系统构建 硝化污泥由城市污水处理厂活性污泥驯化得 来,其中添加0.5%粉末活性炭(PAC),反应温度 17,25?,氨氮硝化速率为0.30kg/(m?d),污泥 沉降性能良好.实验用反硝化细菌为本实验室保 存,将该菌株发酵接种到上述硝化污泥共培养.接 种反硝化细菌可以在好氧条件下与硝化污泥共培养 从而形成同时富含硝化细菌和反硝化细菌的共生污 泥.污泥生物显微显示污泥絮体大小比较一致,结 构紧凑,丝状菌较少.反应装置如图1所示. MBR反应器由有机玻璃加工而得,尺寸 650mm×350mmx750mm,有效反应体积150L, 1一配水池;2一进水泵;3,液体流量计;4一搅拌电机;5,中空 纤维膜;6一膜生物反应池;7一出水泵;8一空气压缩机; 9一排泥口;10一空气流量计;11一浮球液位控制器 图1反应装置 Fig.1SchematicdiagramofMBR 内置中空纤维膜,膜材质为聚偏氟乙烯,膜孔径 0.2Ixm,装填膜面积2m.反应器内采用曝气和 电机搅拌混合动力使污泥循环.由蠕动泵连续进 水,蠕动泵通过膜组件连续出水,通过浮球液位控 制进水蠕动泵,保持进,出水流量一致.空气压缩 机提供空气,曝气分布采用市售养鱼曝气砂头,曝 气量大小由阀门控制,空气流量计指示.搅拌机 转速80r/min,水力停留时间(HRT)为6h.根据 不同实验污泥浓度选择不同排泥频率而保持稳定 的污泥浓度.由于MBR同步硝化反硝化系统共 存好氧和兼性环境,研究采用曝气量大小表征DO 因素对硝化反硝化系统的影响. 1.2模拟生活污水组成 由乙酸钠,硫酸铵,磷酸二氢钾提供C,N,P源, 再添加其他的can,Mg等组成模拟生活污水,污 水化学需氧量(COD)为300mg/L,Nn4一N质量浓 度为50mL,pH7.0,7.3. 1.3分析方法及仪器 反应NH4一N的测定采用纳氏试剂光度法; NO/,N测定采用紫外分光光度法;NO—N测定 采用?一(1一萘基)一乙二胺光度法;COD测定采用 重铬酸钾氧化法;pH测定采用上海雷磁pH计;生 物显微镜采用LeicaDM1000;紫外分光光度计为 PEA25.反应过程在线气水流量,pH,温度 变化 南京工业大学(自然科学版)第33卷 2结果与讨论 2.1混合污泥质量浓度(MLSS)与曝气量对单一 反应系统总氮(TN)去除率的影响 分别取MLSS为1,2,3,4,6,8,10g/L进行试 验,进水COD300mg/L,NH4+一N50mg/L,HRT为 10H0 80 斟6O 4O Z 20 O246810 MSLL/(g?I一1 (a)MSLL 6h,根据即时测定MLSS而排放污泥以保持稳定的 MISS.在不同的MLSS试验下进行曝气量调节,变 化范围0.25,0.60m/h.检测不同MLSS下出水 NH4+一N,NO3一N,NO:一N质量浓度随曝气量的变 化,计算出TN去除率,从而得到每个污泥质量浓度 在不同曝气量下的脱氮效率范围,结果如图2所示. 曝气量/(mh一) fb)曝气量 图2MLSS与曝气量对单污泥系统TN去除率的影响 Fig.2EffectsofMLSSandaerationrateontheremovalefficiencyofTN 由图2可见:随着MLSS的增高,系统TN去除 率逐渐升高,在MLSS?4g/L时,平均TN去除率已 达60%以上.在MLSS及进水负荷保持不变时,曝 气量大小的调节引起TN去除率的波动,说明曝气 量可以看做是脱氮效率高低的调节杠杆.MISS? 8g/L~t,J,硝化反硝化系统在曝气量变化过程中能保 持最低脱氮效率高于60%,最高达90%以上,通过 试验可以得到在MLSS范围是6,10g/L时,调节曝 气量,可以使单一反应系统同步硝化反硝化TN去 除率达到85%以上.从图2(b)看出:不同MLSS 下,达到最高TN去除率的最佳曝气量随着MLSS增 高而向高曝气量偏移,即MISS越高,达到良好脱氮 效率所需曝气量越大.从图2还可见:随着MLSS 增高,由曝气量的变化而引起的TN去除率变化明 显变缓.这可能是在高MISS情况下系统中0,传质 阻力变大,系统表现出更强的缓冲能力,为了保证 COD,NH;一N的去除,必须增大曝气量,同时较强 缓冲使得兼性与好氧共存的区域比率大大增加,为 反硝化的发生提供有利条件.MLSS对0,传递的 缓冲大小用响应因子F表示,对响应因子作图, 结果如图3所示. F=AR/R 式中:?R为不同MISS下随曝气量变化而导致TN 去除率变化值;R为不同MLSS下随曝气量变化TN 去除率平均值. 1.0 0 0.6 0_4 0-2 0246810 MLSS/(g.L..) 图3不同MLSS对响应因子的影响 Fig.3EffectsofdifferentMLSSonresponsefactor 由图3可见:MLSS越高,F越小,即TN去除率变 化越小,说明高MISS对曝气量的变化有较强的缓冲 能力,0,传质阻力增大,从而能保证良好的反硝化反 应的发生,使得系统能保持较高的TN去除率. 2.2不同Nn;一N负荷下TN去除率与曝气量关系 选择MISS为8g/L,以模拟生活污水组成配比为 基准,进水NH4一N负荷分别为0.2,0.3, 0.dOkg/(113?d),相应进水COD负荷分别为1.2,1.8, 2.4kg/(m?d).调节曝气量在0.25,0.65m/h,检测 出水NH;一N,NO;一N,NO2-一N质量浓度随曝气量的 变化,计算出TN去除率,得到不同Nn;一N负荷下rrN 去除率与曝气量关系,结果如图4所示. 第3期陈英文等:单一反应体系曝气量与污泥质量浓度对同步硝化反硝化的影响4l 斛 Z [-- 索 曝气量/(m?h) 图4不同Nn;一N负荷下TN去除率与曝气量关系 Fig.4RelationshipsbetweenremovalefficiencyofTNandaer- ationrateindifferentloadings 由图4可见:不同的进水NH4一N负荷,所表现 出的TN去除率与曝气量的关系是不同的,低负荷 比较容易达到较高的TN去除率,而高负荷下需要 更高的曝气量以获得高的TN去除率.在进水 NHf,N负荷为0.2kg/(m?d),曝气量为0.45m/h 时,TN去除率高于90%,随着NH4+一N负荷增大, TN去除率下降,并且达到最高TN去除率的曝气量 也相应增大,进水NH4+一N负荷为0.4kg/(m?d), 曝气量为0.6m/h时,TN去除率最高约70%.进水 负荷越高需要的电子受体(0)越多,所以必须增大 曝气量来保证硝化反应的进行,同时由于MLSS的 缓冲作用使得反硝化反应良好,从而保证较高TN 去除率.但由于系统污泥本身脱氮能力限制,本系 统适合的NH;一N负荷范围为0—0.3kg/(m?d). 2.3单一反应系统同步硝化反硝化过程出水COD 变化 与2.1实验条件相同,分析不同MLSS下出水 COD的变化规律,得出单一反应系统同步硝化反硝 化同时去除COD的规律,结果如图5所示. O1234567891011 MLSS/(g?L一’1 图5单一反应系统硝化反硝化过程出水COD变化 Fig.5CODofeffluentinthesinglereactionsystem 由图5可见:MLSS<3L时,出水COD高于 50mg/L,同时参考图2,MLSS?3.0g/L时,TN去除 率较低,所以在MLSS?3.0g/LH,~,COD的去除主要 以异养菌好氧降解为主.随着MLSS升高,出水 COD低于50m#L,并且相对应的TN去除率升高, 说明此条件下COD大部分贡献用于反硝化所需C 源,小部分由异养菌好氧降解.细菌反硝化消耗c 源和异养菌好氧降解COD是2种不同生化代谢途 径,在单一反应系统中存在底物竞争关系,需要通过 反应参数的调整来达到系统硝化反硝化过程同时去 除COD. 2.4系统运行的稳定性 选择MLSS为8L,曝气量为0.45113/h,HRT 为6h,进水COD300,450mg/L,Nn;一N质量浓度 5O,75mL,定时排泥以保持稳定的MLSS,分析出 水NH;一N,NO/一N,NO2-,N质量浓度,COD,计算 出TN去除率,结果如图6所示. 褂 Z 由图6可见:在进水NH4一N,COD负荷波动情 况下,单一反应系统同步硝化反硝化的出水COD和 TN去除率有一定波动,能对负荷的改变作出及时的 回应,整体上运行比较稳定. 3结论 本文利用自培养硝化污泥与实验室筛选的1株 反硝化细菌共培养形成共生污泥,构建了膜生物反 应器同步硝化反硝化系统,对此过程中影响脱氮效 率的曝气量,污泥质量浓度进行深入研究,得到了单 一 反应系统曝气量和污泥质量浓度对同步硝化反硝 化的影响. 1)随着MLSS的增高,系统TN去除率逐渐提 高,曝气量大小的调节引起TN去除率的波动,说明 曝气量可以看做是脱氮效率高低的调节杠杆. ?舳???如加m 加?舳??加 一.H),一乏一,(j0u玎 42南京工业大学(自然科学版)第33卷 2)不同MLSS下,达到最高TN去除率的最佳曝 气量随着MLSS增高而向高曝气量偏移.并且随着 MLSS增高,由曝气量的变化而引起的TN去除率变 化明显变缓. 3)在MLSS为8g/L条件下,不同的进水NH4+一N 负荷,所表现出的TN去除率与曝气量的关系是不同 的,低负荷比较容易达到较高的TN去除率,而高负 荷下需要更高的曝气量以获得高的TN去除率.本 系统适合的NH4一N负荷范围0,0.3kgN/(in?d). 5)在进水NH4一N,COD负荷波动情况下,单一 反应系统同步硝化反硝化的出水COD和TN去除 率有一定波动,能对负荷的改变作出及时的回应,整 体上运行比较稳定. 参考文献: [1]ChiuYC,LeLiling,ChangChengnan,eta1.Controlofcarbon andammoniumratioforsimuhaneousnitrificationanddenitrifica— tioninasequencingbatchbioreactor[J].InternationalBiodeteri— oration&Biodegradation,2007,59(1):1—7. 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