两级CSTR亚硝化启动及稳定运行试验研究

李 冬,王 朗,陈冠宇,梁瑜海,张 杰,2(.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 0024；2.哈尔滨工业大学,城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 50090)



两级CSTR亚硝化启动及稳定运行试验研究

李 冬1*,王 朗1,陈冠宇1,梁瑜海1,张 杰1,2(1.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；2.哈尔滨工业大学,城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150090)

摘要：采用两级CSTR反应器对实际生活污水亚硝化的启动过程及稳定运行主要影响因素进行了研究.通过向生活污水里投加(NH4)2SO4来提高进水氨氮浓度,并逐渐调整两级反应器的曝气强度至DO浓度分别为(1.5±0.12),(0.35±0.1)mg/L,历经45d即实现了亚硝化的启动,亚硝化率保持在90.3％以上,氨氧化率保持在91.2％以上.低氨氮生活污水运行时,通过第一级反应器中三组DO/ALR的效果对比,表明DO/ALR在1.2～2.0mgO2/(gN·d)时亚硝化效果最好.降低氨氮浓度以及增大HRT两种情况下导致ALR改变时,维持上述DO/ALR范围依然可以保证亚硝化的稳定.

关键词：实际生活污水；亚硝化；DO/ALR；CSTR

* 责任作者, 教授, lidong2006@bjut.edu.cn

相比于传统脱氮工艺,厌氧氨氧化工艺(Anammox)节省曝气能耗、无需外加有机碳源,被认为是污水处理领域最经济、最可持续的处理工艺之一[1-3].亚硝化做为厌氧氨氧化的前置工艺,近年来国内外研究者在序批式反应器(SBR)[4-7]或连续流反应器中对污泥消化上清液、垃圾渗滤液等高氨氮废水中研究较广泛[8-12],而在连续流低氨氮废水中还鲜有研究.MA等[13]在前置反硝化反应器中将溶解氧浓度(DO)控制在0.3～0.7mg/L,以生活污水启动两个月以上才实现了NO2--N的积累[13];仲航等[14]在低DO条件下尝试以低氨氮配水及A/O除磷工艺的出水启动单级连续流全混合式反应(CSTR),在短期内未启动成功,低氨氮连续流转为高氨氮SBR启动成功后,再转入连续流低DO条件下运行,运行一段时间会出现亚硝化效果恶化的现象.上述研究由于氨氮浓度较低,游离氨浓度(FA)也较低,无法抑制NOB实现亚硝酸盐氮的快速积累,导致启动失败或时间较长.而稳定运行阶段长时间低DO条件可能会导致NOB产生适应,破坏亚硝化的稳定性.故本研究采用两级CSTR反应器并向生活污水中投加氨氮做为进水,尝试利用两级DO梯度及高氨氮进水下FA抑制来启动亚硝化,低氨氮运行时引入进水氨氮浓度(ALR),将DO/ALR做为控制因素,并对不同DO/ALR运行效果进行对比,寻求亚硝化稳定运行的最佳工况条件.

1 材料与方法

1.1 实验设备与操作条件

实验装置由两个恒流搅拌反应器(CSTR) 和二沉池组成,如图1,两个反应器有效容积都为15L,底部设置曝气环,通过可调式气泵为反应过程提供溶解氧,由转子流量计控制气量,反应器内通过便携式WTW测定仪分别测定反应器中的pH、DO及温度并设置搅拌器,提供泥水混合动力.

图1　反应器装置示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental equipment　1.进水泵;2.取水口;3.CSTR反应器;4.搅拌器;5.曝气孔;6.竖流二沉池;7.溢流口;8.回流泵;9.出水口;10.排泥口

采用两级CSTR反应器启动亚硝化,拟通过控制两级DO浓度的变化来将硝化反应控制在亚硝态氮阶段; HRT (水力停留时间)控制在6h左右,两级分别为3h;SRT(污泥停留时间)控制在15d左右;回流比R为60％～120％;试验阶段不定期投加一定碱度来确保亚硝化所需pH值和无机碳源的充足.

1.2 接种污泥和实验用水

接种污泥取自北京高碑店污水处理A2/O工艺回流污泥,接种后反应器污泥浓度为5000mg/L.试验用水为北京工业大学西校区小区化粪池的生活污水,NH4+–N:S1～S3 阶段向生活污水里投加(NH4)2SO4至NH4+–N浓度为233.1～ 275.29mg/L;S4～S6及S8阶段为实际生活污水, NH4+–N浓度为52.29～80.60mg/L;S7阶段将生活污水稀释一倍左右,NH4+–N浓度为31.27～ 42.25mg/L,COD:121.2～335.5mg/L,NO2－–N:0.05～ 0.51mg/L,NO3－–N:0.01～3.36mg/L,碱度:275～ 400mg/L,pH值:7.0～8.0,温度为室温,不控制.

1.3 分析方法

定期检测反应器内混合液的MLSS、SV30及进出水NH4+–N、NO2－–N、NO3－–N 的浓度等参数,通过WTW便携式测定仪监定DO、pH 和水温等.水样分析中NH4+–N测定采用纳氏试剂光度法,NO2－–N采用N-(1-萘基)乙二胺光度法,NO3－–N采用紫外分光光度法,COD采用快速测定仪,其余水质指标的分析方法均采用国标方法.

本实验中亚硝化率、氨氧化率按下式计算:

式中:ρ(NH4+–Nin)为进水氨氮浓度;ρ(NH4+–N)为进出水氨氮的浓度差;ρ(NO2-–N)为进出水亚硝酸盐氮的浓度差;ρ(NO3-–N)为进出水硝酸盐氮的浓度差;ρ(NH4+–Ninner)为反应器中氨氮浓度;T为水温.

2 结果与讨论

2.1 CSTR亚硝化的启动

启动期在实际生活污水投加(NH4)2SO4后进水氨氮浓度见图2,DO具体控制见表1,此条件下运行55d,分为3个阶段,每阶段分别为12, 17,26d.

试验S1阶段(1～12d),初始氨氧化率为37.2％,亚硝化率仅为10.8％,由于接种污泥为A2O回流污泥,反应器内含反硝化细菌、聚磷菌等杂菌较多;另外以实际生活污水为进水也会带入反应器一部分杂菌,以上两种情况对硝化细菌增殖都有一定限制,为了加快硝化细菌的增殖速度,逐渐增大两级的曝气量至一级DO浓度为1.5～2.5mg/L,二级DO浓度为1.6～2.25mg/L,如图2所示,随着DO浓度的提高,两级出水氨氮浓度都迅速降低,氨氧化率也随之提高,至第12d已经达到90.2％;如图3所示,两级出水NO2--N、NO3--N浓度都在升高,但明显NO3--N浓度增长速率比NO2--N浓度增长速率快, NO3--N最大积累量为132.3mg/L, NO2--N最大仅为50.81mg/L,前12d大多数时候出水NO2--N浓度比一级出水NO2--N浓度低,也就是说第二级反应器中不仅没有NO2--N积累,还将第一级中积累的NO2--N进一步氧化成NO3--N.同时亚硝化率增加缓慢,12d时仅为27.8％.分析原因可能是由于进水含有COD及高氨氮基质浓度,此时异养菌、AOB开始增殖,氨氧化率逐渐升高,而两级DO浓度都较高,无法抑制NOB的增殖,表现为生成的NO2--N大多被NOB氧化成NO3--N,亚硝化率增长缓慢.

表1　各阶段反应器两级DO变化情况Table 1 The variation of two reactors of DO in each stage

S2阶段(13～29d)逐渐降低两级曝气量至一级DO浓度1.5～1.8mg/L,二级DO浓度0.9～1.1mg/L,如图2所示,氨氧化率逐渐下降,至第15d时下降到66.6％,而后又开始缓慢升高,至29d时达到92.6％.分析原因可能是由于降低DO浓度使硝化细菌初期不适应而增殖受限,但后期微生物逐步适应低氧环境后,低DO能加快AOB的增殖速率,补偿低DO变化所造成的微生物代谢活性下降[15-16].如图3所示,出水NO2--N总体保持着缓慢波动上升的趋势,但本阶段后期(22～29d)也出现了出水NO2--N浓度比一级出水NO2--N浓度低的现象;而NO3--N出水初期下降明显,后期一级NO3--N出水稳定在21.2～53.8mg/L,平均为36.1mg/L,而出水NO3--N逐渐升高,最大为112.2mg/L;亚硝化率初期迅速升高后保持平稳波动,后期有下降趋势,平均为57.9％,较前一阶段有明显提高.分析原因可能是在第一级反应器中由于COD较高,异养菌基质充足,会优先利用溶解氧而快速增殖,AOB与NOB争夺剩余溶解氧来维持自养菌的增殖,DO不足的条件下由于“饱食饥饿”原理AOB更具有竞争优势,NOB受到一定抑制,此外,高氨氮进水使一级反应器中FA浓度平均为1.53mg/L,介于NOB与AOB的抑制浓度范围之间[17],对NOB也产生抑制;而水流入二级反应器时,易降解的COD被消耗殆尽,异养菌缺少基质受到抑制,此时DO充足而二级反应器中氨氮浓度进一步降低,因此FA较低,无法抑制NOB增殖.

图2　进、出氨氮浓度及氨氧化率变化规律Fig.2 Variation of ammonia concentration and ammonia oxidation rate in influent and effluent

图3　进、出水亚、硝态氮浓度及亚硝化率变化Fig.3 Variation of nitrite and nitrate concentration and nitrite accumulation rate in influent and effluent

因此在S3阶段(30～55d)一级反应器曝气量基本不变,DO为1.4～1.62mg/L,降低二级反应器曝气量至DO为0.25～0.45mg/L.如图2所示,出水氨氮在初期上升,而后逐渐下降,氨氧化率也随之缓慢上升,至44d时达到95.7％,而后一直维持在91％以上,平均为94.5％.如图3所示,二级反应器中NO2--N积累量开始升高,出水NO2--N也快速升高,出水NO3--N随之降低,亚硝化率缓缓升高至41d时达到90.2％.说明此时第二级反应器中由于DO下降使NOB产生抑制.从45d开始,亚硝化率,氨氧化率均保持在90％以上,亚硝化启动成功.

2.2 不同DO/ALR对亚硝化的影响

反应器在启动成功后,从56d开始转为不投加(NH4)2SO4的生活污水运行,在连续流系统中低氨氮条件下,仅利用一个影响因素DO来维持亚硝化的稳定比较困难,而进水氨氮负荷(ALR)是一个包含氨氮浓度和进水流量的参数,可以有效反映反应器的进水氨氮情况;另外根据Bernet 等[18]和Peng等[19]的研究,发现适宜的DO/ALR的比值对于能否控制亚硝化的稳定十分重要,相比于DO/NH4+–N能更为全面的调控整个亚硝化反应器的运行状况.由此本实验引入DO/ALR作为控制亚硝化的关键影响因素.

根据启动期的经验,由于进水氨氮浓度的降低,将第二级反应器中DO浓度始终控制在0.2mg/L以下,来试图通过调整第一级中DO/ ALR的比例变化来确定整个反应过程中亚硝化的实现与稳定最适合的DO/ALR.此过程分为三个阶段S4、S5、S6,分别为14d、11d、20d.三个阶段的进水水质情况如图4所示,此过程中SRT依然保持在15d左右,两级HRT保持不变,各为3h,进水流量也不变,而ALR在此条件下仅与进水氨氮浓度有关,0.52±0.11gN/(L·d),此时一级反应器中的DO/ALR随DO的变化而变化,三个阶段具体DO变化见表1.

试验S4阶段(56～69d), DO范围0.34～ 0.45mg/L,DO/ALR大致为0.5～0.9mgO2/gN·d,如图4、图5所示,此阶段平均出水氨氮浓度10.61mg/L,氨氧化率有下降趋势,69d降至最低67.1％,平均出水亚、硝态氮浓度分别为38.79、9.76mg/L,亚硝化率保持在73.8％以上.说明此DO/ALR范围下由于DO不足导致硝化细菌活性下降,从而出水氨氮升高,氨氧化率下降.S5阶段(70～80d)提高曝气至1.32～1.65mg/L,对应DO/ALR范围2.5～3.7mgO2/ gN·d,此时平均出水氨氮浓度降低2.99mg/L,氨氧化率明显升高,最高接近100％,本阶段开始一周内出水NO2--N浓度和亚硝化率也逐渐升高,但77d开始出水亚硝态氮呈减低趋势,从52.3mg/L降低至35.1mg/L,亚硝化率也由91.5％降至69.7％,分析原因可能为硝化细菌在前一阶段因低氧环境所造成的微生物代谢活性下降,增殖速度降低在本阶段得到改善,充足的DO解除了硝化细菌的生长限制,而NOB在此环境下慢慢恢复了一定活性,表现为出水硝态氮最高为15.9mg/L.S6阶段降低曝气至0.68～ 0.8mg/L,DO/ALR范围1.2～ 2.0mgO2/gN·d,此阶段平均出水氨氮、亚硝态氮、硝态氮浓度为4.16、45.51、6.86mg/L,较开始阶段效果有一定提高.经历20d的运行,氨氧化率(除前两天低于90％外)维持在90％以上,平均为93.52％,亚硝化率也基本维持在85％以上,平均为89.3％.

图4　进、出水氮素变化情况Fig.4 Variation of nitrogen concentration in influent and effluent

图5可以看出本过程三个阶段下反应器的运行情况,在S6阶段DO/ALR 1.2～2.0mgO2/gN·d范围内,亚硝化率与氨氧化率都维持在较高水平,反应器运行效果良好,说明在低氨氮下适宜的DO浓度应该与给定的ALR相匹配,二者的比值DO/ALR想较与单一控制DO浓度,更有利于控制反应器的运行.

图5　不同DO/ALR对亚硝化的影响Fig.5 Effect of variation of DO/ALR on partial nitrification

2.3 变化ALR下保持恒定DO/ALR的效果

然而上述三个阶段由于进水氨氮浓度变化不大,故ALR值基本稳定在(0.52±0.11)gN/(L·d),严格来说DO/ALR值主要是依赖于DO的变化而变化.但在实际运行过程中进水氨氮浓度、HRT改变等因素都可能导致ALR变化,不能总是保持在一定的范围,上述给出的DO/ALR范围能否在ALR变化的进水水质下依然有效将在S7、S8阶段进行研究.

S7阶段(101～115d)保持HRT为6h不变,将进水稀释后作为反应器进水,进水氨氮浓度如图6,此时进水ALR范围变为(0.29±0.05)gN/(L·d), DO控制见表1,根据每天不同的ALR适时调节对应的DO浓度,使其DO/ALR范围保持在1.2～ 2mgO2/(gN·d)运行15d,如图6所示,平均进水氨氮为36.95mg/L,平均出水氨氮浓度为2.24mg/L,氨氧化率保持在89.7％以上,平均为93.99％,亚硝化率保持在88.3％以上,平均为93.5％.反应器运行效果良好,由此可知在进水氨氮浓度大幅度降低进而导致ALR变化的情况下,保持DO/ALR 在1.2～2mgO2/(gN·d)内仍可以保持反应器的稳定运行.

图6　恒定DO/ALR下亚硝化变化规律Fig.6 the variation of the nitrite under constant DO/ALR

上述S1～S7阶段反应器均在HRT稳定在6h情况下运行,故S8阶段(116～130d)调整反应器HRT为7h,两级分别为3.5h,进水水质与S4～S6阶段保持一致,此时ALR范围变为(0.49±0.06)gN/ (L⋅d),DO控制如表1所示,同样根据每天不同的ALR适时调节曝气量使DO/ALR在1.2～2mgO2/ (gN·d),也运行15d.如图5,平均进、出水氨氮浓度分别为71.89,1.73mg/L,氨氧化率保持在93.6％以上,平均为97.55％,亚硝化率保持在89.6％以上,平均为92.54％,因此在改变反应器水力停留时间而导致ALR变化的情况下,保持DO/ALR在相应的范围同样可以保持反应器的稳定运行.另外在整个低氨氮运行过程中,CDD去除情况和启动阶段相似,在第一级反应器中COD平均去除率80％左右,易降解的COD基本去除完全.

2.4 整个运行过程中COD的变化情况

反应器运行130d内,S1～S8阶段的进水COD、一级出水COD及出水COD情况如图7所示,除启动阶段的前12d外,剩余118d的COD去除情况良好,出水COD基本在50mg/L左右波动,易降解COD被去除完全;另外由图可知在一级出水阶段就已经去除绝大部分COD,异养菌在高DO情况下迅速氧化易降解COD,而后由AOB氧化氨氮,这与Peng的研究结果相符[19].由此可知,在两级CSTR亚硝化反应器中,COD可以有效去除,出水COD稳定在50mg/L左右.

图7　进、出水COD变化情况Fig.7 Variation of COD concentration in influent and effluent

3 结论

3.1 在两级CSTR反应器中,逐渐调整两级反应器DO浓度至(1.5±0.12),(0.35±0.1)mg/L时,通过两级DO浓度梯度及高氨氮进水时第一级反应器中的游离氨抑制,45d即可实现亚硝化的启动.

3.2 低氨氮生活污水运行阶段,一级反应器中DO/ALR值可做为控制参数,当其控制在1.2～ 2.0mgO2/(gN·d),二级DO保持在0.2mg/L以下时可获得良好的亚硝化效果.

3.3 降低进水氨氮浓度及增大HRT两种情况下导致ALR变化时,实时调整曝气强度来保持相应的DO/ALR在1.2～2.0mgO2/(gN·d),依然可以维持亚硝化的稳定.

3.4 在实际生活污水运行中两级,CSTR反应器可以稳定去除进水中易降解COD,出水COD可以降低至50mg/L左右.

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Start-up and stable operation of partial nitrification in a configuration of two CSTR.

LI Dong1*, WANG Lang1, CHEN Guan-yu1, LIANG Yu-hai1, ZHANG Jie1,2(1.Key Laboratory of Beijing Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University ofTechnology, Beijing 100124, China；2.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China). China Environmental Science, 2016,36(2)：437～442

Abstract：The start-up and main factor of stable operation of partial nitrification in a configuration of two CSTR using domestic wastewater were studied. By adding (NH4)2SO4to the domestic wastewater to improve the ammonia nitrogen concentration, and gradually controlling the two reactor DO to 1.5±0.12, 0.35±0.1mg/L, more than 90.3％ nitrite accumulation rate and 91.2％ removal ammonia rate could be achieved after 45d. Under low ammonia domestic wastewater, through the comparison of the three groups of DO/ALR in the first reator, it showed that the effect of DO/ALR in 1.2～2.0mg O2/g N·d was the best. To decrease the concentration of ammonia nitrogen and increase the ratio of HRT to ALR, the maintenance of the DO/ALR ratio can also ensure the stability of the partial nitrification.

Key words：domestic wastewater；partial nitrification；DO/ALR；CSTR

作者简介：李 冬(1976-),女,辽宁丹东人,教授,博士,主要从事污水处理与回用新技术研究.发表论文100余篇.

基金项目：国家重大科技专项-水专项(2012ZX07202-005)

收稿日期：2015-07-01

中图分类号：X703.5

文献标识码：A

文章编号：1000-6923(2016)02-0437-06