短程硝化處理高濃度氨氮廢水技術(shù)

20世紀90年代，荷蘭研究者發(fā)現(xiàn)了一種全新的氮素轉(zhuǎn)化方式，即厭氧氨氧化，在厭氧氨氧化工藝中，短程硝化是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，因此如何實現(xiàn)短程硝化的快速啟動和穩(wěn)定運行已成為污水脫氮的研究熱點。目前，通過控制溫度(25～35℃)、低溶解氧(0.20～0.75mg?L－1)和pH(7.0～8.5)條件實現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化已經(jīng)得到了中外學(xué)者的一致認可。短程硝化研究既有針對低濃度氨氮生活污水的處理，也有針對像垃圾滲濾液、污泥消化液、養(yǎng)豬廠廢水等高濃度氨氮工業(yè)廢水的處理，但針對紡織類廢水的研究很少。項目對廣西某紡織廠的UASB出水進行短程硝化，取得了較好的效果，達到工程應(yīng)用的要求，為短程硝化在紡織類廢水中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1、試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

短程硝化采用SBＲ反應(yīng)器，如圖1所示，反應(yīng)器主體由PVC給水管切割粘接制成，尺寸為Φ160mm(內(nèi)徑152mm)，高800mm，總有效體積14.5L，實際運行體積12L。反應(yīng)器內(nèi)設(shè)曝氣頭，通過間歇曝氣的方式控制溶解氧處于0.2～0.5mg?L－1;反應(yīng)器內(nèi)設(shè)加熱裝置，控制反應(yīng)器溫度處于28～31℃;另外，反應(yīng)器內(nèi)設(shè)攪拌裝置，有利于泥水充分混合和溶解氧的均勻分布，保證各區(qū)域的反應(yīng)條件盡可能一致。

1.2 試驗水質(zhì)與接種污泥

試驗進水來自某紡織廠廢水處理的上流式厭氧污泥床(UASB)出水，水質(zhì)情況見表1，屬于低C/N比廢水。接種污泥取自同一個紡織廠廢水處理好氧池的硝化污泥，第一次接種后的污泥沉降比(SV30)為20%。

1.3 分析項目與測試方法

DO，雷磁JPB－607A便攜式溶氧儀;pH，雷磁PHBJ－260便攜式pH計;COD，微波消解法;氨氮，納氏試劑分光光度法;亞硝酸鹽氮，分光光度法;硝酸鹽氮，紫外分光光度法。

2、結(jié)果與討論

2.1 短程硝化的啟動

系統(tǒng)啟動期，反應(yīng)器中加入試驗廢水，并接種硝化污泥，運行周期為12h(進水0.1h，反應(yīng)10h，沉淀1.4h，排水0.5h)，排水比為1∶3(每次排水4L，進2L廢水和2L自來水)，反應(yīng)階段持續(xù)攪拌并維持低氣量曝氣，控制溶解氧在0.2～0.5mg?L－1，啟動加熱裝置，控制溫度在28～31℃。將ρ(NO2－－N)的快速增加作為判斷短程硝化是否啟動的標志，試驗結(jié)果見圖2。

系統(tǒng)運行至第5周期，ρ(NO2－－N)開始小幅上升，第7～10周期快速增至30mg?L－1，從第7周期起連續(xù)4個周期內(nèi)均監(jiān)測到了穩(wěn)定的亞硝態(tài)氮的累積，并且亞硝態(tài)氮生成速率達到了2.1mg?(L?h)－1，表明氨氧化菌(AOB)開始適應(yīng)新的環(huán)境且活性逐漸增強，短程硝化反應(yīng)快速啟動成功。原因可能為:一方面，接種污泥取自同一個紡織廠廢水處理好氧池的硝化污泥，本身含有一定量的AOB，而實驗廢水來自同一個紡織廠廢水處理的UASB出水，有利于AOB活性的恢復(fù)并且快速增殖;另一方面，DO低時，AOB和亞硝態(tài)氮氧化菌(NOB)的活性下降，所以初期氨氮的去除率很低;但AOB對DO的親和力大于NOB，在DO＜0.5mg?L－1下，更有利于AOB生長;Bernet等研究發(fā)現(xiàn)當DO＜1.0mg?L－1時，AOB與NOB的增殖速率都會隨著DO降低而減小，但NOB增殖速率相對AOB下降更顯著;有研究表明游離氨(FA)對NOB的抑制濃度為0.1～1.0mg?L－1，對AOB的抑制濃度為10～150mg?L－1，NOB更容易受到FA的抑制;以上因素有利于AOB活性快速恢復(fù)并逐漸增殖成為優(yōu)勢菌群，并且抑制NOB的生長，短程硝化得以快速啟動。

在這期間，污泥濃度(MLSS)幾乎沒有變化，分析認為可能是系統(tǒng)淘汰NOB的速率與AOB增殖的速率達到了一個動態(tài)平衡。

2.2 短程硝化穩(wěn)定運行

進水不再添加自來水，其它運行條件不變。將亞硝態(tài)氮生成速率持續(xù)穩(wěn)定在18mg?(L?h)－1以上作為短程硝化是否達到工程應(yīng)用的指標，試驗數(shù)據(jù)見圖3。

進水氨氮濃度在300～500mg?L－1間，試驗第11～27周期氨氧化速率和亞硝態(tài)氮生成速率均在穩(wěn)步升高，第27周期后趨于穩(wěn)定，平均氨氧化速率達到20.46mg?(L?h)－1，平均亞硝態(tài)氮生成速率達到19.04mg?(L?h)－1，平均污泥負荷達到0.24kg(NO2―N)(kgMLSSd)－1，認為達到了工程應(yīng)用的要求。從圖中可知氨氧化速率略大于亞硝酸態(tài)氮生成速率，這和系統(tǒng)中有少量的硝態(tài)氮生成相符，表明系統(tǒng)中存在少量的NOB，有少部分的亞硝態(tài)氮被氧化成硝態(tài)氮;同時發(fā)現(xiàn)氨氧化速率與亞硝酸鹽氮生成速率的差值隨著時間的推移有增加的趨勢，這和魏琛等研究發(fā)現(xiàn)短程硝化系統(tǒng)穩(wěn)定運行一段時間之后，NOB能夠逐漸適應(yīng)短程硝化條件，恢復(fù)活性的結(jié)論相符，所以在工程化應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)AOB和NOB不同的生命周期，確定合適的污泥齡，抑制NOB的生長。此階段污泥SV30從20%上升到40%，污泥濃度達到2385mg?L－1，說明系統(tǒng)內(nèi)AOB經(jīng)過快速增殖后，逐漸穩(wěn)定成為優(yōu)勢菌群。

2.3 短程硝化終點分析

在基于短程硝化速率約20mg?(L?h)－1的條件下，研究第36～45周期中氨氮去除率、DO和pH的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在氨氮去除率達到90～95%時，繼續(xù)曝氣，DO呈現(xiàn)迅速上升的趨勢，突破0.5mg?L－1后，短短的7min即可達到1.0mg?L－1，12min可達到1.5mg?L－1，繼續(xù)過曝氣1h，將升高至6.0mg?L－1;而pH在整個反應(yīng)過程呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，且pH上升拐點與DO突然增加在時間上呈現(xiàn)重疊性，楊輝等研究認為這是短程硝化反應(yīng)結(jié)束的標志。

由圖4可以看出，在短程硝化反應(yīng)快結(jié)束時，系統(tǒng)pH有一定程度的降低，繼續(xù)曝氣將會出現(xiàn)DO大幅度升高以及pH升高的現(xiàn)象;DO大幅度升高是因為短程硝化到達反應(yīng)終點時，系統(tǒng)內(nèi)的氨氮在AOB的作用下近似認為全部轉(zhuǎn)化為了亞硝態(tài)氮，而反應(yīng)器經(jīng)過長期的生物選擇，NOB的量很少，此時系統(tǒng)需要的溶解氧量趨于0，繼續(xù)曝氣必然導(dǎo)致水中DO快速升高。在反應(yīng)沒有達到終點時，pH值呈下降趨勢，這是因為短程硝化需要消耗堿度，一旦反應(yīng)到達終點，無需消耗堿度，而過曝氣會吹脫水中的CO2，pH值反而上升，王淑瑩等將過曝氣情況下pH值升高的現(xiàn)象稱之為“氨谷”。工程應(yīng)用中，可以通過亞硝態(tài)氮生成速率預(yù)判反應(yīng)終點，而通過實時監(jiān)測DO和pH的變化準確判定反應(yīng)終點。

2.4 短程硝化重啟

第45周期后將系統(tǒng)閑置30天，此時是南方冬季，室溫在10～18℃之間;30天后重新啟動系統(tǒng)，在未開啟加熱裝置時，對系統(tǒng)進行低氣量曝氣，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)DO迅速升高，難以控制在0.2～0.5mg?L－1;開啟加熱裝置控制溫度在25～28℃后，再進行曝氣則DO較易控制在0.2～0.5mg?L－1，反應(yīng)器可以穩(wěn)定運行，經(jīng)過8周期的運行，亞硝態(tài)氮生成速率即達到19mg?(L?h)－1;表明系統(tǒng)內(nèi)菌群轉(zhuǎn)入內(nèi)源呼吸以后，大部分AOB還可以存活30天以上，且依然是優(yōu)勢菌群，環(huán)境適宜時，AOB的活性可以迅速恢復(fù)并增殖。

3、結(jié)論

1)控制SBＲ短程硝化反應(yīng)器DO為0.2～0.5mg?L－1、溫度為8～31℃、pH為7.0～8.5時，進水氨氮濃度在300～550mg?L－1，經(jīng)過29周期的運行，污泥濃度達到2385mg?L－1，氨氧化速率達到20.0mg?(L?h)－1，亞硝態(tài)氮生成速率達到19.0mg?(L?h)－1，系統(tǒng)成功啟動并且穩(wěn)定運行，可以達到工程化應(yīng)用的要求。

2)短程硝化到達終點時，pH上升拐點與DO突然增加在時間上呈現(xiàn)重疊性，工程應(yīng)用中，可以通過亞硝態(tài)氮生成速率預(yù)判短程硝化終點，而通過DO的突增以及pH由下降轉(zhuǎn)為上升的拐點準確判定短程硝化終點。

3)短程硝化污泥閑置30天，AOB不會大量死亡，環(huán)境適宜時，AOB可迅速恢復(fù)活性。（來源：廣西春暉環(huán)保工程有限責任公司，廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院）