包埋固定硝化菌的亚硝化特性研究及系统调控

2020-12-05 来源：乌哈旅游

第22卷第5期2006年9月水资源保护

WATERRESOURCESPROTECTIONVol.22No.5Sep.2006

包埋固定硝化菌的亚硝化特性研究和系统调控

陈娅洁,张振家,李志荣,陈庆选

(上海交通大学环境科学与工程学院,上海　200240)

摘要:在使用包埋固定化硝化菌的流化床反应器中改变系统的运行参数,用模拟高浓度NH32N废水实现从常规硝化为主到亚硝酸型硝化为主的转变。驯化完成、恢复溶解氧到3～4mg/L后,仍然能达到高度的亚硝酸型硝化。通过间歇式实验得出亚硝酸盐的积累率随反应时间的变化规律,以此为参考调控连续进出水情况下的水力停留时间(HRT),从而达到和保持最好的亚硝酸型硝化效果。关键词:包埋固定化硝化菌;亚硝酸型硝化;亚硝酸菌;水力停留时间中图分类号:X703　　　文献标识码:A　　　文章编号:1004Ο6933(2006)05Ο0056Ο04

Studyonnitrificationcharacteristicsandsystematicregulationofembeddedimmobilizednitrobacteria

CHENYa2jie,ZHANGZhen2jia,LIZhi2rong,CHENQing2xuan

(SchoolofEnvironmentalEngineering&Science,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

Abstract:Inthefluidizedbedreactorwithembeddedimmobilizednitrobacteria,thenormalnitrificationstateinartificialhighammoniawastewatercanbetransformedintonitrousnitrificationthroughadjustingoperationalparameters.Aftertheacclimationprocess,thehighdegreeofnitrousnitrificationcanstillbeachievedwhentheDOisrecoveredto324mg/L.Sequencingbatchexperimentisconductedtostudytherelationsbetweenaccumulationofnitriteandreactiontime,which

(HRT)incontinuous2flowexperimentsoastoachievecanbetakenforreferenceforadjustinghydraulicretentiontime

andmaintainthebestnitrousnitrificationefficiency.

Keywords:embeddedimmobilizednitrobacteria;nitrousnitrification;ammoniaoxidizingbacteria;HRT

　　常用的除氮工艺是缺氧-好氧工艺。其中硝化过程需经两步完成,即氨氮(NH32N)先被亚硝酸菌(也称氨氧化细菌)氧化成亚硝酸盐NO2-2N,NO2-2N

再被硝酸菌转化为NO3-2N。随着人们对硝化过程认识的深入,发现NH32N可以在被氧化成NO2-2N后,不经转化为NO3-2N的过程就直接被反硝化菌还原为N2,即亚硝酸型硝化[1]。而这种过程的实现,能够比传统的缺氧-好氧过程少消耗约25%左右的氧,40%的碳源,并且由于反应时间的缩短从而减小反应器的体积,这对于高浓度NH32N废水的处理具有更实际的意义。

有研究表明,游离氨浓度,pH值,温度,溶解氧(DO)是影响亚硝酸型硝化过程的主要因素。本实验采用日立公司开发的高效包埋固定化硝化菌颗

粒,以高NH32N废水为处理对象,研究在流化床反应器内通过控制这些因素,驯化使之成为亚硝酸菌为主占菌属的系统这一过程。并进行间歇式实验和连续实验,讨论如何进行调控和维护,以保持最优的NH32N去除率和亚硝酸型硝化效果。

1　材料和方法

1.1　实验装置和材料

由NH4Cl,Na2HPO4,NaHCO3及适量的KCl,CaCl2,MgSO4等微量元素配制成模拟的含NH32N废水。

流化床反应器结构如图1所示。内部颗粒是由日立公司开发的高效包埋固定化硝化菌,以聚乙二醇为固定化载体,颗粒为3mm×3mm×3mm立方形,具有基质通透性好、载体物理强度和化学稳定性

),女,湖北武汉人,硕士研究生,研究方向为废水处理。E2mail:chen_ya_jie@sina.com　　作者简介:陈娅洁(1981—

・65・

好的优点。

-95%之间,出水NO3-2N所占NOx2N的比例在80%

～85%。驯化过程如图2所示。

1—进水槽;2—水泵;3—反应器主体及包埋硝化菌颗粒;

4—曝气泵;5—加热器及温控;6—出水

图2　驯化期间含氮化合物进出水质量浓度和NO2-2N积累率的变化情况图1　使用包埋硝化菌的流化床反应器示意图1.2　实验方法1.2.1　驯化由图2可见,由于DO浓度的降低,NH32N的去除率大大降低,而NO2-2N的积累率(即NO2-2N在

-NOx2N中所占的比例)在逐步提高,驯化稳定后积

在稳定运行的常规硝化为主的反应系统中,降低DO至110～115mg/L,控制pH值在718～812,温度在28℃左右。以NH32N质量浓度为300mg/L左右的模拟废水驯化一个月。驯化完成后逐步提高DO至3～4mg/L,直到系统稳定。1.2.2　间歇式实验

累率达到90%以上。此后,出水中NO2-2N的浓度始终远大于NO3-2N的浓度,驯化完成。2.2　间歇式实验

驯化后,恢复DO质量浓度至3～4mg/L,用二种不同浓度的NH32N模拟废水进行间歇式实验,浓度随时间变化的趋势(NH32N浓度变化趋势已拟合成直线)见图3。

由图3可见,NH32N的降解基本遵循零级反应规律,反应器中有明显的NO2-2N积累现象。在反应开始很长一段时间内,NO3-2N的浓度都很低,NO2-2N积累率达到80%～95%。在NH32N被降解完全,即某个时间拐点之后,NO2-2N才开始迅速向NO3-2N转化。

由此可推测,在该包埋颗粒中,亚硝酸菌成为优势菌属。硝化反应的两个步骤分别由亚硝酸菌和硝酸菌来完成。亚硝酸菌和硝酸菌的表观产率系数分

别为0104～0113,0102～0107[2Ο,即亚硝酸菌的世

分别以NH32N起始质量浓度为250mg/L,350mg/L的模拟废水进行间歇式实验,测定反应器

内从起始到结束的NH32N,NO2-2N和NO3-2N质量浓度随时间的变化情况。反应温度和pH值保持不变,溶解氧为3～4mg/L。1.2.3　连续式实验

保持系统连续进出水一段时间。稳定后分别以NH32N进水浓度为250mg/L,350mg/L的模拟废水进

行实验,测定不同HRT下的NH32N,NO2-2N,NO3-2N出水浓度。其他反应条件和间歇式实验相同。

2　结果和讨论

2.1　驯化过程

代周期比硝酸菌短。另外,在驯化阶段,NH32N进水浓度和pH值一直保持较高水平,即高的游离氨浓

驯化之前,系统的NH32N去除率稳定在85%～

--图3　NH32N,NO22N,NO32N随时间的浓度变化情况

・75・

图4　含氮化合物出水浓度和NO2-2N积累率随反应停留时间的变化规律度,DO保持在较低水平,这对硝化细菌的生长产生了抑制,但是,亚硝酸菌适应这种不良环境的能力比硝酸菌强,因此在选择过程中还能生长繁殖,硝酸菌5]

则生长困难或部分死亡[4Ο。同时,这种包埋颗粒提

和350mg/L时,在不同的HRT下的硝化情况,每个

HRT下稳定运行的时间为7d。

由图4可见,NH32N去除率和NO2-2N积累率与HRT有紧密联系。HRT越短,NO2-2N积累率越大,

供了一个良好的载体环境来进行这一选择过程。用扫描电镜对染色后的包埋颗粒内部细菌的微观结构进行观察后发现,颗粒内部呈多孔及网状结构,大量亚硝化单胞菌分布在靠近载体表面的区域,硝化杆菌则分布在表层和靠近载体内部的结构中,但数量比亚硝酸菌少得多。DO的有限扩散深度促使亚硝酸菌的降解成为主要作用,硝酸菌数量少且由于亚硝酸菌对氧的竞争,利用氧能力有限,因此在这种条件下,亚硝酸菌逐渐成为系统中的优势菌属,造成大量的NO2-2N积累。当亚硝酸菌所需基质,即NH32N消耗完之后,就不再和硝酸菌争夺氧,因此硝酸菌开始迅速把NO2-2N转化为NO3-2N。

在王志盈[2]、王建龙[6]等的试验中,认为ρ(DO)控制在015～110mg/L的时候,NH32N的去除率可以达到90%以上

,NO2-

当然,由于HRT的减小,系统的容积负荷增大,出水

的NH32N浓度也会增加。

因此,在驯化后DO浓度恢复的情况下,控制好HRT的值可以使系统达到比较理想的NH32N去除率和短程硝化效果。而这个HRT的控制,可以参考间歇式实验中所得的反应速度变化曲线中的时间拐点来进行调试。

例如,进水ρ(NH32N)为250mg/L左右时,相应的间歇式实验中反应时间在710h时,NO2-2N积累率最大,并且NH32N出水浓度已经很低。由连续式实验中不同HRT下的反应结果可以看出,HRT为715h时,在NH32N去除率接近90%的情况下,NO2-2N的积累率也达到了80%左右,如果再把HRT缩短,则无法保证NH32N的去除效果,如果HRT继续延长,则NO2-2N的积累率快速下降。因此可以认为,在此情

2N的积累率可以达到80%以

ρ(DO)超过3mg/L时,反应产物中的NO3-2N比上。

例就逐渐增大,甚至超过NO2-2N。但是,在本实验中长期维持这种低DO浓度,NH32N出水浓度始终都很高,并且导致颗粒的流化程度不够,使其无法被充分利用,也是不可取的。因此在驯化稳定后,逐步增大曝气,最终使ρ(DO)保持在3～4mg/L。通过连续进出水的实验来观察系统是否能维持稳定的亚硝酸型硝化效果。2.3　连续式实验结果

从后来几个月连续进水的情况看来,DO浓度恢复正常水平后,系统仍然可以达到很高的NO2-2N积累率,并不像很多人所认为的提高DO浓度后系统又会恢复到原来的全程硝化。这可能和包埋硝化菌的特殊载体环境有关,具体原理还有待进一步研究。

以下是NH32N进水质量浓度分别为250mg/L・85・

况下,把HRT控制在715h左右能达到最佳的短程

硝化效果。同样,在ρ(NH32N)为350mg/L时,实验证明HRT控制在1015h左右时能够达到最佳的亚硝酸型硝化效果。为了得到不同条件下最有利于亚硝酸型硝化的条件,需要通过多次间歇式实验来进行反应速率测定,以此来推测最佳的HRT。

和悬浮微生物生长系统相比不同的是,例如活性污泥法,由于硝化细菌的世代周期远大于异养菌,为达到亚硝酸型硝化结果,一般采用控制污泥龄来将硝酸菌淘洗出去,在系统内保持大量的亚硝酸菌,例如SHARON工艺。在这种固定化微生物反应系统中,没有污泥回流,本文则是着眼于通过控制HRT来达到最好的亚硝酸型硝化效果。

3　结　论

a.亚硝酸菌的存活和适应不良环境的能力比

硝酸菌强,这种高效包埋硝化菌颗粒提供了有利的载体环境来进行生物选择过程,经过低DO和高游离氨浓度驯化一个月后可形成亚硝酸菌为优势菌属的系统。

b.在亚硝酸菌为优势菌属的这种流化床中,靠近基质的亚硝酸菌首先利用DO进行氨氧化反应,在某一时间拐点之前,NO2-2N保持一段时间的高积累率过程,在这一时间之后,NO2-2N将迅速全部转2N。

c.在采用凝胶载体包埋硝化菌的生物流化床系统中,亚硝酸菌和硝酸菌的选择过程完成以后,逐渐恢复DO质量浓度到正常水平(3～4mg/L)的情况化为

NO3-

中相应浓度废水达到最高NO2-2N积累率的时间拐点来进行调节。参考文献:

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(收稿日期:2005Ο02Ο28　编辑:徐娟)

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