高浓度氨氮废水的短程硝化研究

蒙爱红，左剑恶，杨洋
(清华大学环境科学与工程系，北京　100084)

　　摘　要：采用6 L的完全混合式反应器(CSTR)进行了高浓度氨氮废水的短程硝化研究。在温度为35℃、反应器内平均DO浓度为0.5～2.5mg/L、pH值为7～7.8的条件下连续运行141d的试验结果表明：在第26天时实现了短程硝化，从第73天开始出水中检测不出NO₃-；在增加了连续污泥回流的情况下，反应器出水中也一直检测不到NO₃-；在进水氨氮容积负荷达到1.2kgNH₃-N/(m³·d)时，氨氮去除率仍保持在95%以上。扫描电镜的观察结果表明污泥中的细菌以短杆菌和球菌为主。
　　关键词：短程硝化；完全混合式反应器；氨氧化细菌
　　中图分类号：X703.1
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2002)11-0043-03

1 试验装置、材料与方法

　　试验装置及工艺流程如图1所示。

　　废水经由进水泵从水箱中提升进入反应器底部，经反应后从出水口进到沉淀池中，沉淀后的上清液排走，污泥则经污泥泵回流进入反应器底部。空气通过气泵，经气体流量计控制气量后进入反应器。反应器置于恒温水浴[(35±1) ℃]中。试验中采用了pH在线控制，通过自动投加Na₂CO₃溶液将pH值控制在7.0～7.8。?
　　CSTR反应器由有机玻璃加工而成，呈圆柱状，高45cm，内径为14cm，有效容积为6L。进水口位于反应器底部，曝气管从中部取样口(距底部19cm)进入反应器，出水口距反应器底部39cm。
　　原水的配制：在自来水中加入一定量的氯化铵作为基质，同时加入一定量的磷酸二氢钾和微量元素。
　　接种颗粒污泥取自北京红牛维他命饮料有限公司的曝气池(污泥的SS为14.2g/L，VSS为11.4g/L，VSS/SS＝0.8)。在反应器中接种约2.5L污泥后的SS和VSS分别为6.3和4.7g/L。
　　分析时，COD测定：COD速测仪；pH值：pH计；SS和VSS：标准称重法；氨氮：纳氏试剂分光光度法；NO₂^--N和NO₃^--N：离子色谱法和N-(1-萘基)-乙二胺光度法；溶解氧：溶解氧仪。

2　试验结果

2.1　运行结果
　　根据反应器的运行情况，可将试验过程分为两个阶段：启动期(第1～23天)和提高负荷期(第24～141天)。在提高负荷期又可分为无回流阶段(第24～40天)、间歇回流阶段(第41～93天)和连续回流阶段(第94～141天)。
　　整个运行过程中进、出水氨氮浓度及出水NO₂^--N和NO₃^--N浓度的变化如图2所示。
　　从图2可以看出，在整个运行过程中多数情况下出水的氨氮浓度＜800mg/L，而在第125～139天时则基本保持在50mg/L以下。此外，出水NO₂^--N浓度在第84天以前一直保持上升趋势，后期则由于受进水氨氮浓度下降的影响，也相应地有所下降，而出水中的NO₃^--N先是逐渐升高，然后再下降，到第26天时出水中的NO₃^--N浓度已经低于NO₂^--N浓度，NO₂^--N浓度与NO₂^--N、NO₃^--N浓度之和的比值达到了0.57，说明此时该反应器已成功实现了短程硝化。此后，NO₃^--N浓度一直在持续下降，到第73天时已经检测不到NO₃^--N，在试验后期即使增加了污泥回流，出水中也没有检测到NO₃^--N，这表明反应器中几乎完全淘汰了硝化细菌。

　　氨氮去除率和容积负荷的变化如图3所示。?
　　由图3可以看出，随着反应器运行时间的延长，容积负荷也逐渐提高，启动初期容积负荷仅为0.02kgNH₃-N/(m³·d)，到启动期结束时(第23天)达到了0.1kgNH₃-N/(m³·d)左右；在第72～123天基本保持在0.6～0.8kgNH₃-N/(m³·d)；此后进一步提升负荷，最高时达到了1.4kgNH₃-N/(m³·d)。从图3可以看出，氨氮去除率出现了4次较大的下降，分别出现在第37天、第68天、第86天以及第111～117天之间，其原因主要是反应器内污泥浓度的降低导致了生物活性下降。
　　反应器内MLSS的变化如图4所示。

　　从图4可以看出，反应器内的MLSS波动较大。在反应器运行过程中污泥的增长量始终跟不上污泥的流失量，所以在没有污泥回流(第41天以前)的情况下，反应器中污泥浓度呈下降趋势，MLSS从接种时的6300mg/L一直降到了300mg/L。为保证反应器内具有足够的污泥量，在第41～93天改按人工间歇回流污泥的方式运行。反应器外排的污泥都被收集起来并加以培养，当反应器内的MLSS＜1000mg/L时再把这些污泥补充到反应器中以保证反应器内的污泥浓度。从第94天开始增加了沉淀池和污泥回流系统(如图1中虚线部分所示)，反应器的运行改为连续污泥回流，所以从第41～141天反应器内平均MLSS基本维持在2000mg/L。
　　反应器内平均DO浓度变化见图5。

　　从图5可以看出，反应器中DO浓度主要控制在两个水平，即在第121天以前反应器内DO为1mg/L左右，从第122～141天则主要控制在2mg/L左右。
　　进、出水总氮的变化见图6。

　　由图6可以看出，在反应器运行的141d中进、出水总氮浓度始终存在一定的差异，这说明并非所有被氧化的氨氮都转化成了NO₂^--N。其相差部分可能是被用于合成新的细胞物质，但计算表明用于合成的氨氮非常少，仍有部分氨氮以其他方式消失了，由于反应器内DO浓度较低，消失的这部分氨氮有可能与其他氮素转化途径有关，比如好氧反硝化、由自养硝化细菌引起的反硝化或同时硝化反硝化(SND)等，这些仍有待进一步证实。
2.2　污泥状况
　　反应器运行到第87天时从排泥中取样进行扫描电镜观察，发现泥中细菌数量较多(以短杆菌和球菌为主)，但其表面似乎包裹着一层粘性物质。从细菌形态看，球菌可能是亚硝化球菌属(Nitrosococcus?)的细菌，而杆菌则可能是亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)的细菌。

3　讨论

　　有、无污泥回流的运行试验结果均表明，泥龄的长短并不影响短程硝化的实现，即使在比1. 5d更长的泥龄条件下硝化细菌仍逐渐被淘汰出反应器，从而实现了NO₂^--N的稳定积累。在连续进行污泥回流的情况下仍能够稳定地实现短程硝化，表明该工艺有望进一步直接应用于处理低浓度氨氮废水中。

4　结论

　　①以自行配制的高氨氮废水为进水，以普通活性污泥为种泥，在温度为35℃、CST R反应器平均DO浓度为0.5～2.5mg/L、pH值为7～7.8的条件下连续运行，在无污泥回流的状况下从第26天开始出水中的NO₂^--N浓度超过了NO₃^--N浓度，成功地实现了短程硝化；
　　②反应器在增加间歇污泥回流的条件下运行，出水中NO₃^--N浓度仍一直呈下降趋势，约30d后出水中检测不出NO₃^--N；当反应器采用连续污泥回流的方式运行时，反应器出水中也一直检测不到NO₃^--N，表明在泥龄较长的运行条件下也能够成功地实现短程硝化；
　　③反应器在进水氨氮容积负荷达到1.2kg/(m³·d)时，氨氮去除率仍保持在95%以上；
　　④扫描电镜的观察结果表明污泥中的细菌以短杆菌和球菌为主。

参考文献：

　　[1]Mulder A.Anaerobic ammonium oxidation discovered in adenitrifying fluidized bed reactor[J].FEMS Microbiology Ecology，1995，16:177-184.
　　[2]Hellinga C.The sharon process:an innovative method for nitrogen remov al from ammonium-rich waste water[J].Wat Sci Tech,1998,37(9):135-142.
　　[3]Verstraete W,Philips S.Nitrification-denitrification processes and technologies in new contexts[J].Environmental Pollution，1998，102(S1):717-726.
　　[4]国家环境保护局.水与废水检测分析方法(第3版)[M].北京：中国环境科学出版社，1997.
　　[5]Helmer C.Nitrogen loss in a nitrifying biofilm system[J].Wat Sci Tech,1999,39(7):13-21.?
　　[6]Bock E I,Stueven R，Zart D.Nitrogen loss caused by denitrifying nitrosomonas cells using ammonium or hydrogen as electron donors and nitrite as electron acceptor[J].Arch Microbiol,1995,163:16-20.
　　[7]Helmer C.Simultaneous nitrification/denitrification in an aerobic biofilm system[J].Wat Sci Tech,1998,37(4-5)：183-187.

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　　收稿日期：2002-05-15