论文部分内容阅读
摘要：为给厌氧氨氧化工艺提供合适进水水质，采用生活污水A/O除磷后进行亚硝化研究，探讨了将试验进程控制在全部亚硝化还是部分亚硝化进程的问题，结果表明： DO、pH值、ORP变化无明显特征点，不适合作为全部亚硝化过程的控制参数；而且在碱度偏低的实验水质条件下，采取全部亚硝化工艺，会导致系统向硝酸化转化，所以采用部分亚硝化工艺是适宜的。
关键词：全部亚硝化、部分亚硝化、pH值、ORP、碱度
中图分类号：U664.9+2 文献标识码：A 文章编号：
厌氧氨氧化技术是目前已知的最经济的生物脱氮技术，是指在厌氧或缺氧条件下，ANAMMOX菌将氨氮和亚氮按照1：1的比例转变成氮气的生物过程[1][2]。目前对此问题的研究多是集中在亚硝化反应过程的参数变化规律上，而对亚硝化进程的控制仍未见报道。本实验采用SBR烧杯对比试验，对亚硝化进程参数变化规律进行了深入研究，探索将试验进程控制在全部亚硝化还是部分亚硝化范围内的问题，以期为厌氧氨氧化技术应用于城市生活污水提供技术支持。
1. 实验材料和方法
1.1试验方法
在2L烧杯中接入来自含亚硝化细菌污泥400ml，再加入同试验用水1400ml，两个微气泡粘砂曝气头均匀布置在烧杯底部，提供恒定曝气量维持溶解氧有稳定阶段小于0.2mg/l，并设置pH、ORP、DO在线仪器进行连续监测，每隔10min记录各参数值，并在明显参数变化点处取样，沉淀5min后过滤留样待测。
1.2 试验用水
试验用水采用某小区实际生活污水经A/O工艺处理后的二级出水，水质指标如表 1所示。
表 1实验用水水质
1.3 分析检测方法
水样分析项目中NH4+-N采用纳氏试剂光度法；NO2--N采用N - (1 - 奈基) - 乙二胺光度法；NO3--N采用麝香草酚分光光度法；MLSS、MLVSS、SV 和SVI 均按國家环保局发布的标准方法测定[3]；采用先进的在线监测设备采集实时参数（DO和温度采用EUTECH DO2000PPG多功能溶解氧在线测定仪；pH采用WTW pH296型在线测测定仪；OPR采用WTW ORP296型在线测定仪）。
2 结果与讨论
2.1 实验1：生活污水经A/O工艺处理后的二级出水SBR试验
图1为一稳定周期内NH4+-N、NO2--N、NO3--N浓度变化情况。在SBR试验前60min内，氨氮被快速转化，消耗速率为1.03kg/m3·d，亚硝酸盐也急剧增长，其生成速率为0.98kg/（m3·d），两者随反应时间呈明显线性关系，此期间硝酸盐共增加5.4mg；此后剩余11 mg·L–1氨氮耗费110min才得以全部转换，亚硝酸盐达到最大积累量后有少许降低，硝酸盐持续增长至18mg，此阶段氨氮转化速率和亚硝酸盐的生成速率均大大降低，分别为0.26 kg/（m3·d）和0.11 kg/（m3·d），DO、ORP、pH参数变化规律分别如图2、图3、图4所示。
图1运行周期内氮素浓度变化 图2 运行周期内DO变化规律
从图2可见，在反应初期，耗氧速率稳定，系统的氧气供需达到平衡，前30min内DO稳定在0.1~0.2 mg·L–1之间，从第40min开始，随着氨氮的消耗，平衡被打破，DO开始上升，此时氨氮转化约50%，至150min时DO不再变化，趋于稳定，至此氨氮全部被转化，继续曝气DO会少许降低，一部分NO2--N氧化为NO3--N。从整个变化趋势上看，以DO为参数对亚硝化工艺的控制标志是曲线达到峰值并平稳，但是从DO上升至氨氮消耗完毕需时太长，会破坏低氧对NOB细菌产生的抑制作用，从而破坏亚硝化系统。
从图3可见，ORP曲线一直呈减缓的上升趋势，没有明显突变点，因此不适于作为亚硝化过程的指示参数。
从图4可见，亚硝化过程中pH值随碱度的消耗不断降低，直至反应结束趋于平稳，没有指示全部亚硝化结束的显著标志，也没有出现 “pH凹谷”[4][5]，分析可能是在曝气吹脱和碱度消耗两者共同制约pH变化的系统中，前期碱度充足，氨氮转化率较快，以产酸占主导地位，当碱度不足导致pH值降低至7.0，影响AOB细菌的活性，H+离子生成速度变缓，产酸与CO2吹脱作用逐渐达到平衡，pH值下降缓慢至反应结束前不再变化。
图3运行周期内ORP变化规律图4周期内pH值变化规律
2.2 实验2：高碱度条件下SBR亚硝化对比试验
图5高碱度运行周期内氮素浓度变化图6不同碱度pH变化规律对比
为寻求全部亚硝化进程的精准控制方式，向原水中投加适量NaHCO3配制成碱度为1220 mg·L–1（是实际水样的2.3倍），典型周期内三氮浓度变化如图5，比较图1发现：高碱度下的SBR运行周期缩短80min，50min就完成了等量氨氮的转化，以此时间为界，前后期氨氮转化速度分别为1.21kg/（m3·d）、1.09kg/（m3·d），同原水反应速度相比，后期反应速度降低很少，约为原来后期反应速度的四倍；与原水pH变化对比发现（如图6），高碱度硝化过程出现“pH凹谷”现象，谷底pH值为7.9适于AOB细菌生长，所以前后期氨氮转化速度变化不大，这说明在碱度充足条件下，pH降低较少，AOB细菌不会受到影响，在短时间内完成氨氮转化后，H+ 浓度不再变化，CO2吹脱作用占据主导地位，pH值表现上扬。
可见，碱度对亚硝化速度影响很大，其主要作用是中和氨氮氧化过程中释放的氢离子。SBR实验结束时pH值为6.58、碱度仍有90 mg·L–1的剩余，而在试验1条件下、出水碱度几乎没有剩余。
综上，在生活污水经A/O除磷后进行SBR亚硝化反应，在氨氮大量转化后，AOB细菌基质浓度降低，同时因碱度不足pH值降低不足以维持AOB适宜的生长环境；另外在DO转折点处氨氮仍有大量剩余，不是反应终点，pH、ORP也均无明显转折点来控制实现全部亚硝化，同时系统有向全程硝化转化的风险，也不适宜采用全部亚硝化进程，以采用部分亚硝化进程为宜。而用采用高碱度水做烧杯对比试验发现，DO、pH值均有明显的转折点，反应结束时仍有大量碱度剩余，pH值保持在适合亚硝化细菌生活，高碱度条件下，可以将试验进程控制在全部亚硝化阶段，但是生活污水经A/O除磷后的碱度偏低，而市政污水量比较大，另外投加碱剂经济上不合理，所以此种水质条件下，亚硝化反应进程保持在部分亚硝化阶段为宜。
参考文献：
[1] Jetten MSM, Horn SJ and Loosdrecht MCM. Towards a more sustainable wastewater treatment system. Water Science and Technology, 1997, 35(9):171~180
[2] 王英阁, 胡宗泰. 生物脱氮新工艺研究进展[J]. 上海化工, 2008, 33(11):1~5.
[3] 国家环保局. 水和废水监测分析方法. 北京:中国环境科学出版社,1989.
[4]徐步元, 王得楷, 方世跃,等. SHARON法处理垃圾焚烧厂渗滤液[J]. 兰州大学学报, 2008,44(1):17-19.
[5] 史一欣, 倪晋仁. 晚期垃圾渗滤液短程硝化影响因素研究[J]. 环境工程学报, 2007,1(7):111-114.
关键词：全部亚硝化、部分亚硝化、pH值、ORP、碱度
中图分类号：U664.9+2 文献标识码：A 文章编号：
厌氧氨氧化技术是目前已知的最经济的生物脱氮技术，是指在厌氧或缺氧条件下，ANAMMOX菌将氨氮和亚氮按照1：1的比例转变成氮气的生物过程[1][2]。目前对此问题的研究多是集中在亚硝化反应过程的参数变化规律上，而对亚硝化进程的控制仍未见报道。本实验采用SBR烧杯对比试验，对亚硝化进程参数变化规律进行了深入研究，探索将试验进程控制在全部亚硝化还是部分亚硝化范围内的问题，以期为厌氧氨氧化技术应用于城市生活污水提供技术支持。
1. 实验材料和方法
1.1试验方法
在2L烧杯中接入来自含亚硝化细菌污泥400ml，再加入同试验用水1400ml，两个微气泡粘砂曝气头均匀布置在烧杯底部，提供恒定曝气量维持溶解氧有稳定阶段小于0.2mg/l，并设置pH、ORP、DO在线仪器进行连续监测，每隔10min记录各参数值，并在明显参数变化点处取样，沉淀5min后过滤留样待测。
1.2 试验用水
试验用水采用某小区实际生活污水经A/O工艺处理后的二级出水，水质指标如表 1所示。
表 1实验用水水质
1.3 分析检测方法
水样分析项目中NH4+-N采用纳氏试剂光度法；NO2--N采用N - (1 - 奈基) - 乙二胺光度法；NO3--N采用麝香草酚分光光度法；MLSS、MLVSS、SV 和SVI 均按國家环保局发布的标准方法测定[3]；采用先进的在线监测设备采集实时参数（DO和温度采用EUTECH DO2000PPG多功能溶解氧在线测定仪；pH采用WTW pH296型在线测测定仪；OPR采用WTW ORP296型在线测定仪）。
2 结果与讨论
2.1 实验1：生活污水经A/O工艺处理后的二级出水SBR试验
图1为一稳定周期内NH4+-N、NO2--N、NO3--N浓度变化情况。在SBR试验前60min内，氨氮被快速转化，消耗速率为1.03kg/m3·d，亚硝酸盐也急剧增长，其生成速率为0.98kg/（m3·d），两者随反应时间呈明显线性关系，此期间硝酸盐共增加5.4mg；此后剩余11 mg·L–1氨氮耗费110min才得以全部转换，亚硝酸盐达到最大积累量后有少许降低，硝酸盐持续增长至18mg，此阶段氨氮转化速率和亚硝酸盐的生成速率均大大降低，分别为0.26 kg/（m3·d）和0.11 kg/（m3·d），DO、ORP、pH参数变化规律分别如图2、图3、图4所示。
图1运行周期内氮素浓度变化 图2 运行周期内DO变化规律
从图2可见，在反应初期，耗氧速率稳定，系统的氧气供需达到平衡，前30min内DO稳定在0.1~0.2 mg·L–1之间，从第40min开始，随着氨氮的消耗，平衡被打破，DO开始上升，此时氨氮转化约50%，至150min时DO不再变化，趋于稳定，至此氨氮全部被转化，继续曝气DO会少许降低，一部分NO2--N氧化为NO3--N。从整个变化趋势上看，以DO为参数对亚硝化工艺的控制标志是曲线达到峰值并平稳，但是从DO上升至氨氮消耗完毕需时太长，会破坏低氧对NOB细菌产生的抑制作用，从而破坏亚硝化系统。
从图3可见，ORP曲线一直呈减缓的上升趋势，没有明显突变点，因此不适于作为亚硝化过程的指示参数。
从图4可见，亚硝化过程中pH值随碱度的消耗不断降低，直至反应结束趋于平稳，没有指示全部亚硝化结束的显著标志，也没有出现 “pH凹谷”[4][5]，分析可能是在曝气吹脱和碱度消耗两者共同制约pH变化的系统中，前期碱度充足，氨氮转化率较快，以产酸占主导地位，当碱度不足导致pH值降低至7.0，影响AOB细菌的活性，H+离子生成速度变缓，产酸与CO2吹脱作用逐渐达到平衡，pH值下降缓慢至反应结束前不再变化。
图3运行周期内ORP变化规律图4周期内pH值变化规律
2.2 实验2：高碱度条件下SBR亚硝化对比试验
图5高碱度运行周期内氮素浓度变化图6不同碱度pH变化规律对比
为寻求全部亚硝化进程的精准控制方式，向原水中投加适量NaHCO3配制成碱度为1220 mg·L–1（是实际水样的2.3倍），典型周期内三氮浓度变化如图5，比较图1发现：高碱度下的SBR运行周期缩短80min，50min就完成了等量氨氮的转化，以此时间为界，前后期氨氮转化速度分别为1.21kg/（m3·d）、1.09kg/（m3·d），同原水反应速度相比，后期反应速度降低很少，约为原来后期反应速度的四倍；与原水pH变化对比发现（如图6），高碱度硝化过程出现“pH凹谷”现象，谷底pH值为7.9适于AOB细菌生长，所以前后期氨氮转化速度变化不大，这说明在碱度充足条件下，pH降低较少，AOB细菌不会受到影响，在短时间内完成氨氮转化后，H+ 浓度不再变化，CO2吹脱作用占据主导地位，pH值表现上扬。
可见，碱度对亚硝化速度影响很大，其主要作用是中和氨氮氧化过程中释放的氢离子。SBR实验结束时pH值为6.58、碱度仍有90 mg·L–1的剩余，而在试验1条件下、出水碱度几乎没有剩余。
综上，在生活污水经A/O除磷后进行SBR亚硝化反应，在氨氮大量转化后，AOB细菌基质浓度降低，同时因碱度不足pH值降低不足以维持AOB适宜的生长环境；另外在DO转折点处氨氮仍有大量剩余，不是反应终点，pH、ORP也均无明显转折点来控制实现全部亚硝化，同时系统有向全程硝化转化的风险，也不适宜采用全部亚硝化进程，以采用部分亚硝化进程为宜。而用采用高碱度水做烧杯对比试验发现，DO、pH值均有明显的转折点，反应结束时仍有大量碱度剩余，pH值保持在适合亚硝化细菌生活，高碱度条件下，可以将试验进程控制在全部亚硝化阶段，但是生活污水经A/O除磷后的碱度偏低，而市政污水量比较大，另外投加碱剂经济上不合理，所以此种水质条件下，亚硝化反应进程保持在部分亚硝化阶段为宜。
参考文献：
[1] Jetten MSM, Horn SJ and Loosdrecht MCM. Towards a more sustainable wastewater treatment system. Water Science and Technology, 1997, 35(9):171~180
[2] 王英阁, 胡宗泰. 生物脱氮新工艺研究进展[J]. 上海化工, 2008, 33(11):1~5.
[3] 国家环保局. 水和废水监测分析方法. 北京:中国环境科学出版社,1989.
[4]徐步元, 王得楷, 方世跃,等. SHARON法处理垃圾焚烧厂渗滤液[J]. 兰州大学学报, 2008,44(1):17-19.
[5] 史一欣, 倪晋仁. 晚期垃圾渗滤液短程硝化影响因素研究[J]. 环境工程学报, 2007,1(7):111-114.