SBR 工艺是近年来应用较为广泛的污水处理工艺,与传统脱氮工艺相比处理流程简单,节省基建投资和能耗,具有较高的自控水平,同时具有同步硝化反硝化能力,因此倍受高氨氮废水处理行业的青睐。目前,同步硝化反硝化(SND)理论有两种解释〔1〕,微环境理论和微生物学理论。 基于微环境理论,本实验通过向传统SBR 反应器中投加一定比例的填料,使其作为微生物的凝聚核心,生成宽厚的生物膜,扩大SND 所需的微环境,延长硝化菌的停留时间。通过考察DO、碳氮比、设置厌氧段、pH 等因素,分析SBBR 脱氮机理。 1 实验部分 1.2 实验装置
图 1 SBBR 反应器装置 1.3 分析方法 2 结果与分析 2.1 SND 过程的实现与稳定 经过50 个周期的挂膜,填料表面固着一层生物膜,增加了反应器内的生物量,更重要的是在SBBR 反应器中创造了好氧/厌氧环境,使SND 的实现成为可能。好氧阶段TN 去除情况如图 2 所示。 由图 2 可见,在好氧阶段TN 出现明显下降,从而证实SND 的存在,稳定运行50 个周期后TN 去除率可维持在70.00%以上。运行后期COD、氨氮去除率分别稳定在90.49%和94.36%以上,达到良好的处理效果。
图 2 好氧阶段TN 去除情况 2.2 DO 与SND 的影响关系 表 1 不同DO 下COD、氨氮、TN 的去除率
由表 1 可见,DO 变化对COD 的去除影响较小,随着DO 的增加COD 去除率升高,当DO>4.0 mg/L 后,去除率呈平缓趋势。DO 的变化对氮素的转化影响较大。当DO<2.0 mg/L 时,在低DO 工况下异养菌最大限度的利用溶解氧氧化有机物,导致液相中的 DO 处于很低水平,只能满足极少部分亚硝酸菌和硝酸菌的需求,故亚硝态氮和硝态氮很低,导致反硝化过程所需的电子受体(NO2-、NO3-)严重不足,即使反应器中存在缺氧及厌氧环境,出水TN 也很高。随着DO 的升高,氨氮的去除率有明显的升高。当DO> 3.0 mg/L 时,出水氨氮均低于10 mg/L,去除率维持在 95%以上,原因是液相中有足够的DO 满足亚硝酸菌和硝酸菌需求,同时生物膜为反硝化提供了厌氧微环境,故使出水TN 出现明显下降。但DO>4.0 mg/L 时生物膜内部DO 升高,破坏了厌氧微环境,故出水TN 反而回升。所以对于DO 的控制以满足好氧菌需求又不破坏生物膜厌氧微环境为宜。 2.3 碳氮比对脱氮的影响 表 2 不同碳氮比下COD、氨氮、TN 的去除率
由表 2 可见,碳氮比对COD 的降解影响较小,均维持在89%以上。氨氮的去除随着碳氮比的增加并没有出现上升,说明挂摸良好的SBBR 反应器对高氨氮有较高的抗冲击能力。TN 去除率随着碳氮比的增加出现明显的升高。 当碳氮比从3 提高到7,TN 去除率从64.90% 提高到70.30%,当碳氮比继续提高到10,TN 去除率只提高了0.2%,此时出水的亚硝态氮成倍增加。原因是碳氮比影响了微生物对营养物质的利用模式和反硝化的程度。废水中的硝化菌群大多为兼性化能异养型,在适合的DO 条件下,当碳氮比较低时,废水中有机营养物有限,硝化细菌以化能自养型生存,完成硝化过程,为反硝化提供了电子受体;但此时废水中可作为电子供体的有机物含量已很低,故 TN 去除率不高。随着碳氮比的增加,既可以保证硝化细菌的化能自养型又可以提供电子供体,使TN 去除率提高到70.30%。若继续提高碳氮比,将导致废水中有机营养相对富余,部分硝化细菌为获得较多的能量而采取化能异养型,阻碍了硝化过程的进行,进而对反硝化产生抑制作用。 2.4 厌氧阶段对脱氮的影响
图 3 设置厌氧段对COD、氨氮、TN 去除效果的影响 2.5 典型周期内各污染物去除情况
图 4 SBBR 内COD、各氮素浓度变化情况 由图 4 可见,COD、氨氮、TN 具有一致的下降趋势,反映出COD 降解与SND 过程有着紧密的联系。 COD 的去除有两个途径:(1)作为营养物质参与好氧异养菌的新陈代谢。(2)作为SND 反硝化过程的碳源。反应开始的1 h 内COD、氨氮、TN 的大幅去除主要归功于生物膜的吸附截留作用〔6〕。 图 4 中,亚硝态氮始终在很低水平,反映出本实验主要为全程SND 过程,非亚硝酸型SND 过程。在 4、5 h 处,亚硝态氮少量积累,达到6.5 mg/L,之后又大幅减少。原因是AOB 的氧饱和常数较NOB 更低,更易利用DO,随着DO 的增加,NOB 活性得到增强,故会出现亚硝态氮的暂时富集现象。 SBBR 内DO、pH 变化情况如图 5 所示。
图 5 SBBR 内DO、pH 变化情况 由图 5 可见,前3 h 内DO 主要被好氧异养菌用于COD 的降解,之后DO 主要用于硝化过程。由于AOB 和NOB 的氧饱和常数较低,氧气消耗量小于供给量,所以从4 h 开始DO 成上升趋势,直到硝化过程结束,DO 最后达到3.30 mg/L。 前3 h 硝态氮浓度几乎为零,TN 去除率仅为 35.80%,说明反硝化程度低,原因是硝化过程受阻,反硝化的电子受体NO3-严重匮乏,反映出在SND 过程的前期,硝化程度是反硝化的控制因素;7 h 后TN 曲线趋于平缓,原因是反硝化的碳源不足,虽然此时 COD 在100 mg/L 左右,但大多是难降解的有机质,此时碳源成为SND 末期的制约因素。 系统COD 降解过程中,好氧菌的好氧呼吸氧化磷酸化过程不断吸收H+〔7〕,呼吸作用产生的CO2 被曝气作用不断吹脱,使pH 上升;随着反应的进行 SND 过程的出现使系统产酸。硝化反应:
反硝化反应:
本实验为全程SND 过程,以式(1)、(2)、(4)为主,COD 降解过程与SND 过程综合作用使pH 在动态中和变化中趋于碱性。。 3 结论 (2)成功挂摸后会实现全程SND 过程,较传统 SBR 工艺增强了反硝化作用,获得较高的生物脱氮效果,稳定运行后TN 去除率70.0%左右,最高可达 75.82%。 (3)DO 是实现SND 的关键因素,对于DO 的控制以满足好氧菌(好氧异养菌和硝化菌)需求又不破坏生物膜厌氧微环境为宜,本实验取3.3 mg/L。(4)SND 的反硝化过程是脱氮的关键,其制约因素有3 个:厌氧环境,由具有一定厚度的生物膜提供;电子受体NO3-,由硝化过程提供;碳源,由反应初期的有机质提供。 (5)设置了前置厌氧段,丰富了反硝化碳源的种类和数量,有助于提高系统的生物脱氮效果。 |