SMSBR反應(yīng)器去除焦化廢水中的氨氮
摘要：采用浸沒(méi)式膜生物反應(yīng)器(SMSBR)處理焦化廢水的試驗(yàn)結(jié)果表明：膜的截留作用可使硝化菌在反應(yīng)器內(nèi)富集而有利于提高系統(tǒng)的硝化能力，其去除氨氮的最高負(fù)荷為0.19kg/(m3·d)，出水氨氮<1mg/L(去除率為99%);泥齡長(zhǎng)可能使微生物的代謝產(chǎn)物或其他大分子物質(zhì)積累，從而抑制硝酸鹽細(xì)菌的活性，導(dǎo)致NO2-積累而有利于短程脫氮的進(jìn)行，但泥齡過(guò)長(zhǎng)也會(huì) 影響 亞硝酸鹽細(xì)菌的活性，從而影響對(duì)氨氮的處理效果。整個(gè)系統(tǒng)的硝化效果主要受溫度、pH值、DO、沖擊負(fù)荷等因素的影響。
關(guān)鍵詞：SMSBR 焦化廢水 硝化 NO2-積累 短程脫氮
Use of SMSBR for Removal of Ammonia Nitrogen from Coke Wastewater
Abstract：A submerged membrane sequencing batch bioreactor was used to treat coke wastewater.Long running performance showed that due to the membrane interception,the nitrobacter is enriched in reactor in the interest of improving the nitrification rate;the maximum ammonia nitrogen loading can be 0.19 kg/(m3·d) with effluent ammonia nitrogen<1 mg/L (removal rate 99%).Long sludge retention time may result in the accumulation of metabolic products and high molecular materials,and thus inhibiting activity of nitrate bacteria (nitrobacter) and causing a ccumulation of NO2-, which is beneficial to the running of short-cut denitrif ication. However ,too long retention time will affect the activity of nitrite bacteria (nitrosomonas),detrimental to the treatment effect of ammonia nitrogen. The nitrification effect in the whole system is mainly influenced by temperature,pH, DO,and shock loading.
Keywords:SMSBR; coke wastewater; nitrification; NO2-accumulation; short-cut denitrification
焦化廢水含氮量高且含有大量有毒和難降解物質(zhì)，若采用傳統(tǒng)生物處理工藝不但流程較長(zhǎng)，處理效果也較難達(dá)到要求，而膜生物反應(yīng)器通過(guò)膜分離強(qiáng)化了生物處理效果，克服了傳統(tǒng)工藝的弊端[1]。[HJ]由于膜的截留作用使微生物不會(huì)隨出水流失，同時(shí)大分子難降解物質(zhì)和微生物的代謝產(chǎn)物也被保留在反應(yīng)器內(nèi)，其中有些物質(zhì)可能對(duì)微生物的生理活動(dòng)產(chǎn)生一定影響，使得膜生物反應(yīng)器在去除氨氮的過(guò)程中具有不同于普通活性污泥法的特點(diǎn)。
1 試驗(yàn)材料和 方法
1.1 裝置及材料
膜生物反應(yīng)器裝置如圖1所示。反應(yīng)器容積為15L，膜組件采用PVDF中空纖維微濾膜，孔徑為0.15μm，膜面積為0.22m2。
1.2 運(yùn)行條件
生物反應(yīng)器的運(yùn)行分為兩階段：第一階段(1999年9月27日—2000年8月1日)按缺氧—好氧方式運(yùn)行，周期為24h，其中缺氧進(jìn)水為6h、曝氣反應(yīng)為15h、膜排水為2h(排水量為11L)、閑置為1h;第二階段(2000年8月2日—2000年9月23日)按缺氧—好氧方式運(yùn)行(9月2日—9月23日排水量減為8L)，周期仍為24h，即缺氧進(jìn)水為3.5h、曝氣為15h、缺氧攪拌為3.5h、曝氣排水為2h(或缺氧進(jìn)水為3h、曝氣為15h、缺氧攪拌為4.5h、曝氣排水為1.5h)。
出水由蠕動(dòng)泵經(jīng)膜排出，蠕動(dòng)泵每抽吸10min則間歇5min，通過(guò)膜組件下部曝氣產(chǎn)生的水流剪切作用同時(shí)輔以膜組件的垂直運(yùn)動(dòng)來(lái)控制由于膜污染引起的通量衰減。試驗(yàn)期間基本沒(méi)有排泥，污泥增長(zhǎng)緩慢，經(jīng)核算泥齡為600d。
1.3 原水水質(zhì)
原水為上海焦化廠初沉池出水，其氨氮含量為61.5～270mg/L。
1.4 分析 方法
COD：快速法;氨氮：滴定法;NO3-N：紫外分光光度法;NO2-N：α萘胺光度法。
2 結(jié)果與分析
2.1 污泥培養(yǎng)及反應(yīng)器啟動(dòng)
1999年8月19日取寶鋼焦化廠的回流污泥(MLSS=3338mg/L)作為接種污泥，在18L的容器中進(jìn)行馴化。馴化期內(nèi)按SBR工藝運(yùn)行(進(jìn)水為6h、曝氣為16h、沉淀排水為2h、排水量為8L)。將上海焦化廠調(diào)節(jié)池出水用自來(lái)水按1∶1稀釋(COD約為570mg/L)作為進(jìn)水，4d后稀釋比例變?yōu)?∶1(COD約為780mg/L)，再經(jīng)4d后變?yōu)?∶1，到8月30日直接用原水(COD約為1150mg/L)作為進(jìn)水。9月26日將污泥經(jīng)沉淀濃縮后移入15L的反應(yīng)器，同時(shí)開(kāi)始用膜排水(排水量變?yōu)?1L)。
2.2 系統(tǒng)的硝化效果
運(yùn)行初期在保證一定溫度、pH值、DO的條件下，進(jìn)水氨氮<240mg/L時(shí)的出水氨氮均為5mg/L以下，達(dá)到了很好的氨氮去除效果。春季硝化啟動(dòng)后系統(tǒng)進(jìn)、出水氨氮的變化見(jiàn)圖2，相應(yīng)的污泥負(fù)荷與污泥濃度的變化見(jiàn)圖3。
由于采用了膜生物反應(yīng)器，系統(tǒng)的硝化具有以下幾方面的特點(diǎn)：
① 強(qiáng)化了對(duì)氨氮的去除
運(yùn)行初期微生物代謝產(chǎn)物的積累比較少，微生物的活性尚未受到影響，此時(shí)系統(tǒng)具有較高的處理效率，以氨氮去除 計(jì)算 的容積負(fù)荷最高可達(dá)0.19kg/(m3·d)，而出水氨氮<1mg/L，對(duì)氨氮的去除率為99.9%;若采用A/A/O工藝處理水質(zhì)相似的廢水，當(dāng)進(jìn)水氨氮負(fù)荷<0.1kg/(m3·d)時(shí)才能保證出水氨氮<10mg/L，而氨氮負(fù)荷>0.18kg/(m3d)時(shí)，出水氨氮>40mg/L，去除率降至50%以下。
采用膜生物反應(yīng)器可以取得很好的氨氮去除效果的原因在于：在反應(yīng)器內(nèi)保持了較高的污泥濃度，降低了F/M值，減弱了異養(yǎng)菌對(duì)DO的競(jìng)爭(zhēng)，有利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行;反應(yīng)器內(nèi)微生物絮體較活性污泥法的細(xì)碎，污泥呈分散生長(zhǎng)，有利于氧的傳質(zhì);膜的截留作用使微生物不會(huì)隨出水流失，硝化菌得以在反應(yīng)器內(nèi)富集成為優(yōu)勢(shì)菌種，使氨氮的轉(zhuǎn)化更為徹底。
② 短程脫氮
反應(yīng)器運(yùn)行初期未受溫度影響時(shí)，進(jìn)水氨氮基本轉(zhuǎn)化為NO3-N而無(wú)NO2-N的積累。經(jīng)過(guò)冬季運(yùn)行后硝化作用完全受到抑制，次年5月溫度回升至23℃后硝化作用迅速啟動(dòng)，出水氨氮在5d內(nèi)降至1mg/L以下，其主要轉(zhuǎn)化產(chǎn)物為NO2-N，而NO3-N的濃度一直保持在較低水平(大部分時(shí)間在10mg/L以下)。各個(gè)時(shí)期硝化效果的比較見(jiàn)表1。
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項(xiàng) 目
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運(yùn)行初期
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硝化恢復(fù)后
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2000年5月15日—2000年8月1日
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2000年8月2日—2000年9月23日
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氨氮
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進(jìn)水
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247.2
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96.2(151)
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68.0(100)
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121.8(175.0)
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121.4*(164.6)
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出水
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＜1
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＜1
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＜1
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11.3
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＜1
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出水NO2-N
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1.9
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100.3
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86.4
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59.6
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14.1*
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出水NO3-N
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198.6
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8.5
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3.6
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6.8
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4.6*
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| 注：①括號(hào)內(nèi)為凱氏氮； ②“*”表示在反硝化階段投加碳源，進(jìn)水量由11 L減為8 L。 | ||||||
氨氮→NO2-→N2的反應(yīng)過(guò)程通常稱為短程脫氮，它避免了硝化時(shí)NO2-被轉(zhuǎn)化為NO3-，反硝化時(shí)又被還原為NO2-的無(wú)效循環(huán)， 理論 上可以節(jié)省40%的碳源和25%的供氣量[2]，而且根據(jù)W.Bae等的 研究 也表明由NO2-進(jìn)行的反硝化速率是由NO3-開(kāi)始的反硝化的4.3倍，硝化停留在NO2-N階段有利于反硝化的進(jìn)行。
但是，過(guò)長(zhǎng)的泥齡也會(huì)影響亞硝酸鹽細(xì)菌的活性，導(dǎo)致對(duì)氨氮的去除效果變差，影響系統(tǒng)整體的脫氮效果，這說(shuō)明硝酸鹽細(xì)菌的活性已經(jīng)受到了影響。是否可以通過(guò)控制排泥量使代謝產(chǎn)物的積累濃度保持在僅影響硝酸鹽細(xì)菌的范圍內(nèi)，使反應(yīng)停留在NO2-N階段而又不影響氨氮的轉(zhuǎn)化率則有待進(jìn)一步研究。
2.3 影響 硝化效果的因素
① 沖擊負(fù)荷
由圖2、3可知，當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度突然升高時(shí)，系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除效果明顯下降，污泥負(fù)荷甚至出現(xiàn)負(fù)值(這是因?yàn)楫愷B(yǎng)菌受沖擊負(fù)荷影響比硝化菌小，進(jìn)水中的有機(jī)氮繼續(xù)被異養(yǎng)菌轉(zhuǎn)化為氨氮，從而使出水氨氮高于進(jìn)水)，需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間(5d以上)才能恢復(fù)。
系統(tǒng)耐沖擊負(fù)荷的能力較差與泥齡過(guò)長(zhǎng)有關(guān)。膜生物反應(yīng)器內(nèi)微生物多數(shù)呈分散生長(zhǎng)，比傳統(tǒng)活性污泥法中污泥絮體內(nèi)集中生長(zhǎng)的微生物抗沖擊負(fù)荷的能力要差。
② pH值
系統(tǒng)對(duì)氨氮的處理效果與出水pH值密切相關(guān)。進(jìn)水氨氮為122mg/L左右時(shí)出水氨氮濃度與pH值的關(guān)系見(jiàn)圖4。
當(dāng)pH>8.1時(shí)出水氨氮才能降至10mg/L左右。同時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)水氨氮濃度越大，在保證處理效果的前提下出水pH值會(huì)越高(見(jiàn)表2)。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，pH值對(duì)硝化的影響是暫時(shí)的。
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進(jìn)水氨氮(mg/L)
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65.2
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72.8
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91.3
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117.3
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121.8
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出水氨氮(mg/L)
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0.7
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0.23
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0.8
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12
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11.3
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出水pH值
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6.62
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7.77
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7.54
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8.12
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8.15
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③ 溫度
運(yùn)行初期水溫>20℃時(shí)基本保持了良好的硝化效果。由于硝酸鹽細(xì)菌對(duì)溫度變化比亞硝酸鹽細(xì)菌敏感，溫度小幅降低將首先影響硝酸鹽細(xì)菌，使NO2-N積累，但氨氮去除率未受大的影響;當(dāng)溫度持續(xù)降低時(shí)(低于20℃)亞硝酸鹽細(xì)菌也受到影響，氨氮的去除率也逐漸減小直至硝化作用完全停止。當(dāng)溫度回升至23℃時(shí)硝化作用開(kāi)始恢復(fù)，并且出水氨氮迅速降至1mg/L以下，NO2-N持續(xù)積累。
④ DO
試驗(yàn)中保持DO>3mg/L，滿足通常的硝化反應(yīng)DO>2mg/L的要求[1]。6月23日由于曝氣設(shè)備故障而又未及時(shí)發(fā)現(xiàn)致使系統(tǒng)DO<1mg/L，出水硝化效果明顯變差，氨氮去除率從99%降至32%。到6月27日修復(fù)曝氣設(shè)備后由于硝化作用增強(qiáng)而加堿量不足，使出水pH值偏低，導(dǎo)致出水水質(zhì)仍不能很快恢復(fù)，直到8月2日才恢復(fù)到98%的氨氮去除率。
⑤ 微生物活性
由表1可以看出，系統(tǒng)運(yùn)行初期進(jìn)水氨氮為240mg/L左右，在未受到?jīng)_擊負(fù)荷、溫度和pH值的影響時(shí)氨氮去除率>99%，硝化效果良好;運(yùn)行300d(2000年7月)以后，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)水氨氮為120mg/L時(shí)出水氨氮為10mg/L左右，而且出水中多為NO2-N。這是因?yàn)檫\(yùn)行初期微生物活性較高，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加和污泥濃度的升高，死亡后的細(xì)胞殘留物和微生物代謝產(chǎn)物在反應(yīng)器內(nèi)的濃度逐漸積累升高，而這些物質(zhì)大部分為高分子物質(zhì)，在反應(yīng)器內(nèi)積累到一定程度就會(huì)對(duì)硝化產(chǎn)生抑制。由于硝酸鹽細(xì)菌對(duì)環(huán)境比亞硝酸鹽細(xì)菌敏感，因而硝酸鹽細(xì)菌的活性幾乎完全被抑制，出水中NO3-N含量很低，從氨氮的去除情況來(lái)看，亞硝酸鹽細(xì)菌也受到了影響。
3 結(jié)論
① 通過(guò)膜將硝化菌截留于系統(tǒng)內(nèi)有利于提高硝化效果，在不受系統(tǒng)代謝產(chǎn)物的影響和適宜的條件下，去除氨氮的容積負(fù)荷最高可達(dá)0.19kg/(m3·d)，而出水氨氮<1mg/L，氨氮去除率為99.9%。
② 系統(tǒng)硝化效果受溫度、pH值、DO2的影響。溫度小幅降低首先影響硝酸鹽細(xì)菌，使NO2-N積累，但氨氮去除率未受大的影響;當(dāng)溫度持續(xù)降低時(shí)(低于20℃)氨氮的去除受到影響;pH值對(duì)系統(tǒng)的影響是暫時(shí)的，最適pH值與進(jìn)水氨氮濃度有關(guān)且隨進(jìn)水氨氮濃度提高而增大。
③ 泥齡對(duì)系統(tǒng)硝化效果的影響很大。泥齡長(zhǎng)會(huì)引起NO2-N的積累而有利于短程脫氮的進(jìn)行且可以提高系統(tǒng)的脫氮效率，但過(guò)長(zhǎng)的泥齡也會(huì)影響硝酸鹽細(xì)菌的活性，進(jìn)而影響系統(tǒng)的硝化效果。能否通過(guò)控制泥齡使NO2-積累又不影響氨氮的轉(zhuǎn)化還有待進(jìn)一步 研究 。
參考 文獻(xiàn) ：
[1]鄭興燦，李亞新.污水除磷脫氮技術(shù)[M].北京： 中國(guó) 建筑 工業(yè) 出版社，1998.
[2]王建龍.生物脫氮新工藝及其技術(shù)原理[J].中國(guó)給水排水，2000，16(2)：25-28.
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