高回流比对序批式生物膜反应器脱氮性能的影响.pdf
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1、第49卷 第 11 期2023 年 11 月Vol.49 No.11Nov.,2023水处理技术水处理技术TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT高回流比对序批式生物膜反应器脱氮性能的影响高回流比对序批式生物膜反应器脱氮性能的影响郑雨1,2,赵剑强1,2*,杨文娟1,2,侯毅3,陈莹1,2(1.长安大学水利与环境学院,710064;2.长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室,710064;3.中国石油天然气集团公司长庆油田分公司第五采气厂,710000:陕西 西安)摘摘 要要:硝化液回流是污水生物脱氮工艺实现前置反硝化脱氮的重要手段,通常回流比为200%400%。本文
2、研究了高回流比对序批式生物膜反应器(SBBR)脱氮性能的影响,结果表明,在回流比为300%、1 000%、3 000%三种条件下回流比为3 000%的总氮去除率最高,稳定运行期间TIN平均去除率为98.69%0.81%,同时也使NH4+-N得以完全氧化。推测在高回流比引起的强对流环境下,生物膜内传质效率得以加强,从而提高了同步硝化反硝化(SND)效果。本研究结果对集成分散式污水处理装置的研发及改善市政污水处理生物脱氮效率具有重要意义。关键词关键词:序批式生物膜反应器(SBBR);回流比;膜传质;同步硝化反硝化(SND)开放科学开放科学(资源服务资源服务)标识码标识码(OSID):中图分类号中图
3、分类号:X703.1 文献标识码文献标识码:A 文章编号文章编号:10003770(2023)11-0131-005序批式生物膜反应器(SBBR)是废水处理最具潜力的生物处理技术之一,其将SBR周期操作和生物膜技术相结合,拓展了普通SBR技术和传统生物膜工艺的处理能力1。由于生物膜内部厌氧层和外部好氧层这独特的膜环境,使得SBBR更容易发生同步硝化反硝化(SND)作用2,也使得 SBBR在脱氮方面效果显著。徐凤英等3探究了低温下改良SBBR脱氮效能,结果表明,在10 下,改良SBBR表现出良好的脱氮性能,TN 去除率达到 95.9%。WANG等1在研究不同填料对SBBR脱氮性能的影响时,发现在
4、不同填料下,出水氨氮、TN均能达到城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 189182002)一级A标准。强化生物膜内外传质作用对充分利用生物膜独特的膜环境条件尤为重要。在众多的传质理论中,早期研究者在底物通过液相及界面传递到生物膜内部的传质过程的研究中采用较多的是Whitman的双膜理论,Higbie的渗透模型以及Danckwets的表面更新模型等4。在生物膜污水处理工艺中,曝气及机械搅拌引起的水流紊动较容易实现在液相将污染物传递到生物膜表面。生物膜生化动力学研究表明,影响生物膜内部空间生化反应效率的主要因素是生物膜内部各组分的传质速率。因此,生物膜内外传质作用对反应器污染物处理效果的影响不可忽
5、略4,5。硝化液内回流的作用是向反硝化反应器内提供硝态氮,使其作为反硝化作用的电子受体,从而达到脱氮的目的。内回流是污水生物脱氮工艺实现前置反硝化脱氮的重要手段,通常回流比为 200%400%。ZHAO6研究了在低负荷运行回流比分别200%和400%时对A2O工艺脱氮的影响,结果表明回流比为200%时效果更佳;CHI7等研究了内回流对UniTank工艺系统性能的影响,研究表明,内回流比在从0增大到300%的过程中,TN去除率呈现先增加后减少的趋势。绝大部分的研究都是基于低回流比来进行的,鲜有对高回流比研究的报道。而高回流比使得混合液流速加快,增大水流的紊流程度,从而使生物膜内外物质交换得以加强
6、,提高污染物的去除效率8。本研究采用SBBR反应器,在曝气期间设置内回流,并在高回流比(3 000%)的条件下,强化膜内外传质,使得在生物膜外部好氧层内产生的硝态氮(NO3-N)、亚硝态氮(NO2-N)快速进入内部厌氧层,DOI:10.16796/ki.10003770.2023.11.024收稿日期:2023-02-27基金项目:陕西省自然科学基础研究计划项目(2023-JC-YB-480)作者简介:郑雨(1998),男,硕士研究生,研究方向为污废水处理与资源化;电子邮件:通讯作者:赵剑强,教授;电子邮件:131第 49 卷 第 11 期水处理技术水处理技术在反硝化细菌的作用下,进行反硝化。
7、从而强化ND过程,使出水总氮(TN)降低。1 材料与方法材料与方法1.1试验装置及运行方式试验装置及运行方式试验采用附带有硝化液回流的SBBR反应器,装置见图1。SBBR反应器为有机玻璃制成的分格式长方形容器,有效容积为 10.8 L。共分为 6个小格,每个小格的有效尺寸为13 cm6.5 cm21.5 cm,依次编号为1#6#号池。反应器采用半柔性聚合物纤维填料作为生物膜填料。反应器运行方式为A/O模式,每天3个周期,每个周期480 min。反应器前期运行为边进水边出水模式,包括进出水 15 min,厌氧 105 min,好氧曝气360 min。从运行第 58 天开始改为出水之后再进水模式,
8、包括进水 12 min,厌氧 98 min,好氧曝气360 min,出水 10 min。反应器进出水由蠕动泵控制,每周期进水 3.6 L、排水 3.6 L,排水比为 1/3(即SBBR反应器在单个运行周期内的排水量与反应器容积之比)。进水及自6号池回流至1号池的硝化液水流流向为从1号池到6号池依次流动。曝气采用砂头曝气,通过带调节阀的转子流量计控制曝气泵出气流量。采用时间继电器控制进出水及曝气设备运行时间。温度通过恒温水浴控制在(261)。1.2进水水质进水水质采用人工配制废水,进水碳氮比(C/N)=7。进水配方:C6H12O6(以COD计)560 mg/L,NH4Cl(以N计)80 mg/L
9、,KH2PO4(以P计)6 mg/L,NaHCO3 960 mg/L,MgSO4 7H2O 250 mg/L,CaCl2 16 mg/L,试剂均为分析纯。另外投加营养液体积分数0.167 mL/L9。1.3分析方法分析方法试验中 COD、PO43-P、NO3-N、NO2-N、NH4+-N均按照 水和废水监测分析方法(第4版)中的方法进行测定10。pH采用pHS10便携式智能酸度计测定,溶解氧(DO)浓度采用 HachHQ30d型溶解氧仪测定。其中,TIN 的质量浓度为 NH4+-N、NO2-N和NO3-N的质量浓度之和。1.4试验设计试验设计本试验分为3个阶段。I阶段为反应器的启动及稳定阶段,
10、回流比为 3 000%;II阶段探究不同回流比对脱氮性能的影响,回流比为 300%、3 000%、1 000%;III阶段回流比调回3 000%。试验以1、3、5号池为主要测试对象,通过每天测样数据观察在不同回流比下反应器的脱氮效果以及分析每个周期内各组分的浓度变化。试验各阶段运行时间分别为42、14、40 d。总运行时间为96 d。2 结果与讨论结果与讨论2.1SBBR高回流比下脱氮性能高回流比下脱氮性能由图2可知,在第I阶段,NH4+-N、TIN平均去除率分别为94.41%11.23%、81.06%13.74%。反应器启动114 d,采用高曝气强度,控制溶解氧在一个出水池进水池流通孔加热棒
11、加热控制器蠕动泵蠕动泵填料填料支撑架曝气砂头曝气泵转子流量计进水管出水管回流控制阀回流泵pH计DO监测装置213456 图1反应器装置Fig.1Reactor equipment132郑雨等,高回流比对序批式生物膜反应器脱氮性能的影响较高的范围,使得反应器出水中NO3-N浓度较高,NO2-N 浓度较低。在反应器启动的第 5 天出现NH4+-N 未氧化完的情况并在第 67 天出现积累。为防止NH4+-N过量积累,在启动第8天,将进水量降为1.8 L,并随着反应器的运行,逐渐增加进水量。但在反应器启动的第14天,此时的进水量为2.7 L,反应器由于长时间的低负荷运行,溶解氧升高,反应器滋生大量红线
12、虫。于是在反应器启动的第15天,反应器恢复到原进水量3.6 L,并在昼间周期内低曝气量运行,夜间周期停止曝气,以抑制红线虫11。在反应器启动的第19天,红线虫基本消失,反应器恢复正常运行。之后出水NO3-N呈现稳定并逐渐减少的趋势,在反应器启动的第29天,出水NO3-N已维持在5 mg/L以下。在回流比3 000%下,NO3-N被强传质作用快速传递至膜内部,为反硝化反应提供更多电子受体,在反硝化细菌的作用下得以充分脱除。反应器在启动第 36 天,进入稳定运行状态。出水 NO3-N 降至 1 mg/L 以下,TIN 去除率达到98.00%以上。在第II阶段,反应器稳定运行的第43天,将回流比改为
13、300%,此时NH4+-N的去除率在99.00%以上,回流比的改变对NH4+-N的去除基本没有影响,这与其他人研究结果相一致12-13。而此时出水NO3-N开始升高达到1.8 mg/L以上导致TIN去除率出现下降,但 TIN 去除率仍可以保持在 93.00%至97.00%之间。推测回流比的降低使得膜内外的水质组分交换速率减弱,能够被交换到膜内部的NO3-N减少,进而未能通过反硝化得以充分脱除。在反应器稳定运行的第 46 天,将回流比改回至 3 000%,此时出水水质立即得到改善,出水 NO3-N 再次降至 1 mg/L以下,TIN去除率恢复至98.00%以上。而在反应器稳定运行的第52天,将回
14、流比改为1 000%后,TIN去除率再次出现降低。进一步说明了回流比的改变会迅速、且明显影响系统脱氮效果。由于边进水边出水模式的进出水时间较长(15 min),出水后期少量进水中的污染物会随出水排出,为避免其对试验的影响,在第III阶段,反应器稳定运行的第58天,改为出水之后再进水模式。并将回流比调回至3 000%。NH4+-N、TIN去除效果高效稳定。NH4+-N、TIN平均去除率分别为99.52%2.26%、98.15%2.56%。第58天至68天,NH4+-N、TIN平均去除率可高达 100.00%、99.26%0.39%,此时出水TIN均小于1.2 mg/L,出水NO3-N均小于1 m
15、g/L,出水NO2-N均小于0.8 mg/L。在运行到第66天时,为探究进水NH4+-N浓度对除磷的影响,将反应器进水NH4+-N浓度降低一半,并在运行第67天的时候,将好氧周期最后 90 min改为后缺氧期。但在运行到第68天时发现并无明显效果,于是在运行第69天时将反应器恢复到之前工况。由于曝气原因,导致在运行第69天和第70天时,出现NH4+-N未氧化完的情况。这也直接导致了出水TIN的升高,使得NH4+-N、TIN的去除率略有下降。在运行第 71天时加大曝气,反应器出水恢复至之前状况。在稳定运行第71天至稳定运行第 96天,NH4+-N、TIN平均去除率可高达 100%、98.42%0
16、.70%。此时出水 TIN 均小于2.5 mg/L,出水NO3-N均小于2.5 mg/L,出水NO2-N均小于0.1 mg/L。可以看出,运行模式改变前后,回流比为3 000%反应器稳定运行时,TIN的去除率均在98%以上。因此,运行模式的改变对反应器的脱氮效果并无影响。在相关研究中,ZHENG13等人;LU14等人以及WANG12等人在均发现,过高的回流比会导致系统硝化反硝化不完全,出水 NO3-N升高,因而降低TN的去除率。而本工艺在回流比3 000%下,加强了生物膜的内外传质作用,使NO3-N通过反硝化作用得以充分的脱除,并使出水NO3-N浓度均保持在2.5 mg/L以内,并将NH4+-
17、N及TIN的平均去除率保持在98%以上,解决了高回流比下TN去除率降低的问题,为以后高回流比脱氮技术做了参考,提高TN去除效率提供了新的途径。在稳定运行第82天至稳定运行第96天,出现了出水NO3-N略有升高的现象,主要原因为曝气强度加大,DO浓度升高,直接影响生物膜内部好氧区与缺氧区比例的大小,进而影响硝化和反硝化的效果。相关研究表明,DO浓度升高,使氧传递能力增强,使生物膜内部原来的微环境由缺氧性转为好氧性,此时反应器中硝化菌活性增强,硝化反应较彻底,反硝化菌的活性逐渐减弱,但由于系统中微生物浓度图2NH4+-N和TIN去除效果Fig.2Removal effect of NH4+-N a
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