MBR中DO對同步硝化反硝化的影響
論文類型 | 技術(shù)與工程 | 發(fā)表日期 | 2001-06-01 |
來源 | 《中國給水排水》2001年第6期 | ||
作者 | 鄒聯(lián)沛,張立秋,王寶貞,王琳 | ||
關(guān)鍵詞 | 膜生物反應(yīng)器 同步硝化反硝化 短程硝化—反硝化生物脫氮 | ||
摘要 | 鄒聯(lián)沛,張立秋,王寶貞,王琳 (哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150090) 摘 要:膜生物反應(yīng)器(MBR)中,在DO為1 mg/L左右,MLSS為8 000~9 000 mg/L,溫度為24 ℃,進水pH值為7.2,COD、NH3-N分別為523~700 mg/L和17.24~24 mg/L的相對穩(wěn)定條件下,對COD、NH3-N ... |
鄒聯(lián)沛,張立秋,王寶貞,王琳
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150090)
摘 要:膜生物反應(yīng)器(MBR)中,在DO為1 mg/L左右,MLSS為8 000~9 000 mg/L,溫度為24 ℃,進水pH值為7.2,COD、NH3-N分別為523~700 mg/L和17.24~24 mg/L的相對穩(wěn)定條件下,對COD、NH3-N、TN的去除率分別為96%、95%、92%。詳細分析了在控制DO的條件下,MBR發(fā)生同步硝化、反硝化的原因,并提出了在單級好氧反應(yīng)器中控制DO可發(fā)生短程硝化—反硝化生物脫氮的機制。
關(guān)鍵詞:膜生物反應(yīng)器;同步硝化反硝化;短程硝化—反硝化生物脫氮
中圖分類號:X703
文獻標(biāo)識碼:A
文章編號:1000-4602(2001)06-0010-05
Effect of DO on Simultaneous Nitrification and Denitrification in MBR
ZOU Lian-pei,ZHANG Li-qiu,WANG Bao-zhen,WANG Lin
(School of Municipal & Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China)
Abstract:In the membrane bioreactor,under the relative stable conditions of DO 1 mg/L,MLSS 8 000 ~ 9 000 mg/L,temperature 24 ℃,influent pH 7.2,COD 523 ~700 mg/L and NH4+17.24~24 mg/L,96%,95%,and 92% are achieved respectively for the removal of COD,NH4+,and TN.The reason of simultaneous nitrification and denitrification occurring in MBR under controlled DO is described in details.The mechanism that shortcut nitrification and denitrification may occur under controlled DO in a single-stage aerobic reactor is also presented.
Keywords:membrane bioreactor;simultaneous nitrification and denitrification;shortcut nitrification/denitrification
膜生物反應(yīng)器是由膜組件和生物反應(yīng)器兩部分組成,由于膜具有分離截留作用,所以可使污泥被完全地截留在反應(yīng)器中而維持很高的污泥濃度,DO是影響同步硝化、反硝化的一個限制條件,硝化是在好氧下發(fā)生的,而反硝化是在缺氧或厭氧條件下發(fā)生的,但在對DO實行控制的條件下,可同時在污泥顆粒的不同部位形成好氧區(qū)和缺氧區(qū),這樣便具有了同步硝化反硝化的條件。
1 試驗裝置及方法
試驗裝置見圖1。
圖1中,8為中空纖維膜組件,膜材質(zhì)為聚丙烯酰胺,膜孔徑為0.05 μm,膜組件長度為0.35 m,膜的表面積為1.5m2,反應(yīng)器的溫度用加熱器調(diào)至24 ℃,采用微孔曝氣器進行曝氣,反應(yīng)器的有效體積為5.4 L。
試驗用水為人工配水,由淀粉、蔗糖、氯化銨、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、食用堿等配制而成,COD為523~700 mg/L,NH3-N為17.24~24mg/L,TP為2.47~5.1 mg/L左右。
2 DO對MBR處理效果的影響
2.1 DO為6 mg/L左右時的處理效果
在DO較高的情況下,MBR的處理效果如表1所示(MLSS通過排泥穩(wěn)定在8 000 mg/L~9 000 mg/L,以下試驗同)。
2.2 DO為3 mg/L左右時的處理效果
DO在3 mg/L左右時的MBR處理效果見表2。
MBR在DO為3 mg/L左右時,對COD和NH3-N的去除率都很高,對TN的去除率也較高,但存在很大的波動性。這是因為在F/M、C/N、pH、溫度等恒定的情況下,DO為反硝化除氮的限制因素。當(dāng)DO約為3 mg/L時,在污泥絮體內(nèi)部能形成缺氧區(qū),NO-2和NO-3的生成量與DO為6 mg/L時相比略有下降,說明前者比后者具有更好的反硝化效果,但由于DO還是較高,且存在波動性,導(dǎo)致污泥絮體內(nèi)部形成的缺氧區(qū)大小和多少不恒定,所以脫氮率不能很好地保持穩(wěn)定。
2.3 DO為1 mg/L左右時的處理效果
DO受控在1 mg/L左右時的MBR處理效果如表3所示。
從表3可以看出,DO約為1 mg/L時,對COD去除的影響不是很大,反應(yīng)器污泥對COD的去除率可維持在91%,經(jīng)過膜過濾后,對COD的總?cè)コ嗜钥删S持在97%左右。此時,上清液的COD值略有上升,這可為反硝化細菌提供較充足的有機物。DO約為1 mg/L時,對NH3-N的去除率在95%左右,所以對NH3-N的去除也無太大的影響,但對TN的去除率很高,去除率可達92%左右。此時,基本無NO-2和NO-3的生成,說明反硝化效果良好。TN的去除率很高且相對較穩(wěn)定,這是因為在F/M、C/N、pH、MLSS、溫度恒定的情況下,DO為反硝化除氮的限制因素。當(dāng)DO約為1 mg/L時,在污泥絮體內(nèi)部能形成很好的缺氧區(qū),所以反硝化能力加強,且除氮率能很好地保持穩(wěn)定。
2.4 DO為0.5 mg/L左右時的處理效果
DO受控在0.5 mg/L左右情況下的MBR處理效果如表4所示。
從表4可以看出,當(dāng)DO控制在0.5 mg/L左右時,MBR對COD、NH3-N、TN的去除率都迅速下降,并且很不穩(wěn)定,這說明此時供氧已嚴(yán)重不足,造成出水效果很不好;而當(dāng)DO在0.5 mg/L以上時,出水COD存在波動,有時處理效果還很好。當(dāng)出水COD很高時,而總氮只比出水氨氮大一點,這種情況是配水時沒有使用含氮有機物的緣故。
3 同步硝化反硝化的機理探討
污泥絮體同時硝化反硝化模型見圖2。
如圖2所示,在菌膠團的好氧區(qū)生活著很多異養(yǎng)好氧菌群,它們能將有機物氧化分解,同時消耗大量的DO,這又為缺氧區(qū)的反硝化細菌創(chuàng)造了反硝化的條件。此外,含氮有機物在徹底分解之前通過氨化作用產(chǎn)生的氨又為亞硝酸細菌提供了底物,一般通過兩條途徑傳至亞硝酸細菌:一是直接擴散至相鄰的亞硝酸細菌,二是先擴散至主體區(qū),然后再擴散至亞硝酸細菌。當(dāng)然第一種情況的機率要大些,因為這符合就近擴散利用的原則。進水中的氨通過主體區(qū)擴散至亞硝酸細菌,通過亞硝化作用產(chǎn)生NO-2,同時又為硝酸細菌提供了底物,當(dāng)然NO-2可直接傳遞到硝酸細菌,也可先傳至主體區(qū)然后再傳至硝酸細菌。另外,NO-2還可直接傳至缺氧區(qū)的反硝化細菌而被反硝化掉,且這種機率還是很高的。在DO較高的情況下,大量的氨被氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽,硝酸鹽的含量應(yīng)比亞硝酸鹽的含量要高[1],這是因為在氨的生物氧化過程中,NH3-N氧化為NO-2可釋放242.8~351.7kJ/mol的能量,亞硝酸菌從中獲取5%~14%的能量;而NO-2氧化為NO-3釋放的能量為64.5~87.5 kJ/mol,硝酸菌可利用其中的5%~10%的能量,是亞硝酸菌有效利用能量的1/4~1/5,所以為獲取相同的能量(硝酸菌氧化NO-2的能量是亞硝酸菌氧化NH3-N量的4~5倍),不會有太多NO-2積累,這與本試驗DO在3 mg/L以上時的結(jié)果相符。試驗在DO為6 mg/L左右時,總氮的去除率可達65%左右,這是因為膜生物反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度很高,雖然反應(yīng)器內(nèi)DO很高,但根據(jù)微環(huán)境理論,在如此高的污泥濃度情況下仍可在部分污泥內(nèi)部形成缺氧區(qū),從而具有一定的反硝化能力。
微環(huán)境理論認為:由于微生物個體形態(tài)非常微小(一般都屬于微米級),從而影響微生物的生存環(huán)境也是微小的。而宏觀環(huán)境的變化往往導(dǎo)致微環(huán)境的變化或不均勻分布,從而影響微生物群體的活動狀態(tài)并在某種程度上出現(xiàn)所謂的表里不一現(xiàn)象。事實上,由于微生物種群結(jié)構(gòu)、物質(zhì)分布和化學(xué)反應(yīng)的不均勻性,在活性菌膠團內(nèi)部和生物膜內(nèi)部存在多種多樣的微環(huán)境類型,而每一種微環(huán)境往往適合于某一類微生物的活動。由于各種物質(zhì)傳遞的變化、各類微生物的代謝活動及其相互作用,微環(huán)境所處的物理、化學(xué)和生物狀態(tài)是可變的,甚至是多變的[2]。
在活性污泥中,決定各類微環(huán)境分布狀態(tài)的因素包括:有機物和電子受體(溶解氧、硝態(tài)氮)的物質(zhì)傳遞特性、菌膠團的結(jié)構(gòu)特征、各類微生物的分布和活動狀態(tài)等[2]。在本試驗中,當(dāng)DO為6 mg/L時,由于DO相對較高,氧的穿透能力較強,所以在菌膠團內(nèi)部形成的缺氧區(qū)較小或只能在較少數(shù)的菌膠團內(nèi)部形成較小的缺氧區(qū),反硝化能力不是太強;另外由于DO太高,好氧區(qū)的異養(yǎng)好氧菌活性很強,能將有機物進行快速徹底的降解,所以即使在部分污泥絮體的內(nèi)部能形成缺氧區(qū),也會由于有機物的供應(yīng)不足而降低反硝化能力。但當(dāng)DO為3 mg/L時,氧的穿透能力就會降低,因此能形成缺氧區(qū)的污泥絮體增多或污泥絮體的缺氧區(qū)增大,使反硝化能力增強,總氮的去除率提高,可達75%左右。而當(dāng)DO為1 mg/L左右時,氧的穿透能力已很弱,大多數(shù)污泥絮體的內(nèi)部都能形成缺氧區(qū),所以反硝化能力很強。但DO太低又會產(chǎn)生其他問題,即有機物的去除能否保證?硝化反應(yīng)能否順利進行?根據(jù)試驗可看出,DO在1 mg/L左右時,對COD的去除影響不是很大,上清液中COD略有上升,但也基本維持在60 mg/L左右,由于有膜的分離截留作用,出水COD基本維持在30 mg/L左右。當(dāng)DO為1 mg/L時,反應(yīng)器對氨的去除效果也很好,上清液NH3-N可維持在1.6 mg/L左右, 出水NH3-N在1 mg/L左右,出水總氮在2 mg/L左右,對總氮的去除率可達92%左右。
在硝化反應(yīng)時,DO對NO-2和NO-3的生成量有很大的影響[1]。Hanaki研究表明,低DO下亞硝酸菌增殖速率加快,補償了由于低氧所造成的代謝活動下降,使得整個硝化階段中氨氧化未受到明顯影響,同時積累了亞硝酸。Laanbroek[3]的研究進一步表明,低DO下亞硝酸的大量積累是由于亞硝酸菌對氧的親和力較硝酸菌強。亞硝酸菌氧飽和常數(shù)一般為0.2~0.4 mg/L,硝酸菌的為1.2~1.5 mg/L。根據(jù)這一理論,本試驗的DO控制在1 mg/L左右時,氨應(yīng)該經(jīng)亞硝化產(chǎn)生大量的NO-2,而實際上NO-2在反應(yīng)器中積累很少,這是因為在如此低的DO條件下,污泥絮體內(nèi)部很容易形成缺氧區(qū),形成的NO-2可直接擴散至缺氧區(qū)被反硝化掉,這就是所謂的短程硝化—反硝化生物脫氮。而對于短程硝化—反硝化生物脫氮可有如下優(yōu)點:①對于活性污泥法,可節(jié)省氧供應(yīng)量的25%,降低能耗;②節(jié)省反硝化所需碳源的40%,在C/N比一定的情況下提高TN的去除率;③減少污泥生成量可達50%;④減少投堿量;⑤縮短反應(yīng)時間,相應(yīng)反應(yīng)器容積減少。對于以上的優(yōu)點,膜生物反應(yīng)器在DO受控的情況下是可以加以利用的。
4 結(jié)論
?、倌ど锓磻?yīng)器中,在DO為6 mg/L左右,MLSS為8 000 mg/L~9 000 mg/L,溫度為24 ℃,進水COD、NH3-N分別為523~700 mg/L和17.24~24 mg/L的相對穩(wěn)定的條件下,對COD、NH3-N、TN的去除率分別為98%、99%、65%,說明此時對COD、NH3-N的去除率都非常高,但對TN的去除率不是很高。
?、贒O為3 mg/L左右時,對COD、NH3-N、TN的去除率分別為96.5%、98%、75%,此時對COD、NH3-N的去除率仍很高。由于DO的下降,TN的去除率略有上升。
③DO為1 mg/L左右時,對COD、NH3-N、TN的去除率分別為96%、95%、92%,說明此時對COD、NH3-N、TN的去除率都很高,同步硝化反硝化在反應(yīng)器中起到了很好的作用,這一條件為本試驗的最佳條件。
?、蹹O為0.5 mg/L左右時,對COD、NH3-N、TN的去除率分別為90%、70%、60%,并且對COD、NH3-N、TN的去除率很不穩(wěn)定。
⑤詳細分析了在控制DO的條件下MBR發(fā)生同步硝化反硝化的原因,在此基礎(chǔ)上首次提出了在單級好氧反應(yīng)器中控制DO可發(fā)生短程硝化—反硝化生物脫氮的機制。
參考文獻:
?。?]袁林江,彭黨聰,王志盈.短程硝化—反硝化生物脫氮[J].中國給水排水,2000,16(2):29-31.
?。?]鄭興燦,李亞新.污水脫磷除氮技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998.
[3]Laanbroek H J,Gerards S.Competition for limiting amounts of oxygen between Nitrosomanas europaea and Nitrobacteria winogradskyi grown in mixed continuous cultures[J].Arch Microbiology,1993,159:453-459.
作者簡介:
鄒聯(lián)沛(1969-),男,土家族,湖北宣恩人,哈爾濱工業(yè)大學(xué)在讀博士生,研究方向為水污染控制。
電 話:(0451)6282108(O)(0451)2320027(H)
E-mail:fanyz@263.net
收稿日期:2000-07-26
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