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玉米淀粉废水短程硝化快速启动及其稳定性(1)

返回列表发布人:tianrenhn   发布时间:2018-10-30  09:12:20

玉米淀粉废水具有碳、氮、磷和固体悬浮物等污染物浓度高、无毒且生化性很好的特点, 目前共识的做法是采用以“厌氧+好氧”为主体的生物处理技术,河南制药废水处理, 并结合物理和化学处理的组合技术实现处理目标.在该处理技术中, “厌氧工艺段”的出水基本属于高氨氮、低C/N的水, 因此基于传统生物脱氮原理运行的“好氧工艺段”普遍存在氧化氨氮的能耗高、碱耗高(因缺少反硝化对碱度的补充作用, 高浓度氨氮的氧化过程需向水中补充大量的碱)的问题, 而且随着行业标准(GB 25461-2010)的实施, 出水TN严重超标的问题更显得尤为突出.

  厌氧氨氧化(ANAMMOX)是目前已知的最经济和简洁的生物脱氮途径,河南制药废水处理, 其对于处理高氨废水, 特别是低C/N废水, 具有重大的潜在实用价值.参与ANAMMOX的反应基质是NH4+-N、NO2--N, 两者质量比的理论值为1:1.32, 然而实际生活污水和工业废水中的氮素, 主要以氨氮的形式存在, 硝态氮的含量几乎为零.因此, 实现ANAMMOX的前提是能够为ANAMMOX过程提供足量的亚硝酸盐.另一方面与传统的生物脱氮工艺相比较, 将氨氧化至亚硝酸盐阶段直接进行反硝化的短程硝化反硝化工艺, 也能够获得很好的节能降耗效果, 它可减少25%的供氧量和40%的反硝化碳源, 还能够大幅度提高反硝化速率和减少污泥产量等.可见, 如何获得长期稳定的短程硝化是实现上述脱氮新技术在实际中应用的关键.

  近些年来, 许多学者对于如何通过系统运行条件的控制来实现短程硝化进行了大量的研究, 结果表明, 高pH值、高游离氨(FA)浓度、高温和低溶解氧(DO)等能抑制亚硝酸盐氧化菌(NOB)增殖或活性, 从而使氨氧化菌(AOB)在系统中占据优势而实现短程硝化.玉米淀粉废水同时具有高氨氮和高温的特点, 而氨氮与FA浓度具有正相关性, 因此对于玉米淀粉废水实现短程硝化非常有利.但实践表明, 若不加以驯化及控制其短程硝化也很难实现.本文采用SBR反应器, 以某大型玉米淀粉企业废水处理站厌氧段出水为研究对象, 利用高温、高pH和低DO等多重抑制因素, 快速启动短程硝化, 然后在此基础上, 河南制药废水处理,进一步研究在逐渐取消高pH、高温抑制因素后, 系统短程硝化的稳定性及其控制策略, 以期为玉米淀粉废水处理新工艺的研发提供技术支撑.

  1 材料与方法1.1 试验装置

  SBR反应器由有机玻璃制成, 上部为圆柱形, 高55 cm, 内径19 cm, 底部为圆台形, 总有效容积为12 L.反应器以小型黏砂头作为微孔曝气头, 采用小型充氧泵曝气充氧; 反应器侧壁上设有排水口, 底部设有排泥放空管; 反应器中设有搅拌装置, 根据需要在非曝气条件下, 启动搅拌装置进行缺氧反硝化反应; 在反应器中可以根据需要投放pH和DO传感器, 在线监测反应过程中pH和DO的变化; 在DO传感器上同时设有温度传感器, 可通过DO仪反应系统内的温度; 反应器中还同时设有温控装置, 可根据需要调节反应器温度.

  1.2 试验用水及接种污泥

  试验用水取自某大型玉米淀粉企业废水处理站厌氧段出水, 其水质为COD 250~550 mg·L-1, NH4+-N 270~360 mg·L-1, NOx--N < 0.5 mg·L-1, PO43--P 50~70 mg·L-1, pH 7.1~7.4.

  试验用污泥取自长春市某城市污水处理厂曝气池.

  1.3 运行方式及检测方法

  为了使反硝化过程产生的碱度能够有效地补充到硝化段和充分利用进水中的有机物为反硝化服务, SBR反应器按照一次进水曝气硝化→二次进水投加碳源搅拌反硝化→曝气硝化→投加碳源搅拌反硝化→短时曝气吹脱→沉淀/排水的方式周期式运行.采用瞬时进水, 根据进水的NH4+-N浓度, 在第一次进水后一次性投加适量NaHCO3溶液调整碱度, 保证硝化过程碱度充足; 一周期两次的进水量相同, 即进水氮负荷相同, 只因稀释作用, 第二次进水和第二次硝化结束时混合液的氮浓度相对第一次要低一些; 采用pH和DO参数的变化控制硝化与反硝化过程, 反硝化碳源充足, 因此在系统运行稳定阶段, 每次硝化和反硝化结束时,河南制药废水处理, 系统中相应的NH4+-N和NOx--N浓度都很低(< 2 mg·L-1); 系统的总充水比约为0.6, 每天运行1周期.在本实验中, 不论是在短程硝化快速启动阶段, 还是在后面的稳定性试验阶段, SBR反应器均按照上述方式周期式运行.

  检测方法:NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法; NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法; NO3--N采用麝香草酚分光光度法; COD采用快速消解法; 污泥浓度采用重量法.文中的各种水质参数, 均为经过滤或经高速离心去除固体成分后的检测结果.

  本试验结果表明, 一周期中两次硝化过程的亚硝酸盐氮积累率基本一致, 本文仅以第一次进水后曝气硝化过程的试验数据为例, 讨论短程硝化的快速启动及其稳定性问题.

  2 结果与讨论2.1 短程硝化快速启动

  将取来的污泥, 先加入自来水闷曝24 h, 然后按照上述运行方式, 控制反应器充满时系统内的污泥浓度为8 000~10 000 mg·L-1, 采用高温、高pH和低DO等多重抑制因素, 启动短程硝化驯化过程.具体运行条件为, 投加NaOH溶液控制pH为7.8~8.2, 控制反应温度为(30±1)℃、正常硝化段的DO为0.7~1.0 mg·L-1, 进水NH4+-N浓度根据需要调整, 在硝化后期以pH参数由下降转为上升, 同时结合DO参数的快速上升控制结束曝气进程. 图 1是驯化过程中连续17个周期的试验结果.

  图 1

图 1 NH4+-N、NO3--N、NO2--N及NO2--N积累率随驯化周期的变化过程

  在前两个周期, 将淀粉废水稀释使进混液的NH4+-N浓度为36 mg·L-1左右, 由图 1可见, 取来的接种污泥具有良好的硝化性, 但曝气结束时混合液的NO2--N浓度几乎为0 mg·L-1, 说明接种的污泥为全程硝化污泥.

  调整废水的稀释比, 将进混液的NH4+-N浓度增至54~67 mg·L-1(平均61 mg·L-1), 继续运行了10个周期(3~12周期, 图 1).在新的进水条件下, 硝化菌的活性受到了影响, 在前几个周期, 曝气结束时仍有剩余的NH4+-N未被氧化.随着硝化菌对环境的逐渐适应, 经过3、4个周期运行后, 曝气结束时混合液的NH4+-N浓度很快降低至2 mg·L-1以下并趋于稳定.从图 1可见, 进水NH4+-N浓度增加后, 曝气结束时NO2--N的积累率持续上升, 运行到驯化的第12周期时, 混合液NO2--N浓度达到36 mg·L-1, 积累率已接近62%.从第13周期开始, 进水改为不经稀释的原水(进混液NH4+-N浓度为78~100 mg·L-1, 平均为85 mg·L-1), 图 1中给出了5个周期(13~17周期)的试验数据.可见, 提高NH4+-N浓度后的头一个周期, 即驯化的第13周期, NO2--N的积累率略有降低(由62%降至60%), 这可能是AOB的活性受到了高NH4+-N的冲击影响, 河南制药废水处理,从第14周期开始NO2--N的积累率恢复呈快速上升状态, 直到驯化的第17周期, NO2--N的积累率上升至83.4%, 并且此时NO2--N的积累率仍处在快速上升阶段(图 1).

  结果表明, 控制SBR硝化过程具有较高的温度(30℃±1℃)、较高的pH(7.8~8.2)和较低的DO(正常硝化段为0.7~1.0 mg·L-1), 同时结合pH和DO参数对硝化过程的在线控制, 对于本试验中的淀粉废水, 可以经过17个周期的驯化培养, 快速启动短程硝化(NO2--N积累率超过80%).

  2.2 pH对短程硝化稳定性的影响

  将上述培养的短程硝化污泥一分为二, 分别投加在两个相同的1号和2号SBR反应器内.在运行过程中, 两反应器进水水质相同, 1号系统在曝气过程中, 仍投加NaOH溶液维持系统pH在7.8以上, 2号系统不控制pH.由于生物硝化的产酸特性, 2号系统在曝气过程中pH可降至7.0左右.两反应器的其他运行条件与驯化阶段相同, 只是由于稀释作用, 两反应器充满时系统的污泥浓度均降至4 000~5 000 mg·L-1.

  取自企业的生产废水水质具有波动性, 本试验阶段进混液NH4+-N的平均浓度为91 mg·L-1(略高于上一阶段), 13个周期的试验结果见图 2.从中可见, 降低污泥浓度后, 两个反应器同样都能够获得良好的硝化效果, 但pH的变化, 对NO2--N的积累率有一定影响.控制pH的1号系统, 曝气结束时继续延续了NO2--N积累率持续上升的趋势, 并在第7周期积累率达到95%以上, 之后积累率在缓慢上升过程中渐近稳定, 曝气结束时相应的NO3--N浓度也在缓慢下降过程中趋于2~3 mg·L-1.取消对pH限制的2号系统, 河南制药废水处理,第1周期NO2--N的积累率由83.4%降至74.6%, 曝气结束时NO3--N浓度超过17 mg·L-1, 在之后的6个周期中NO2--N积累率具有波动性, 从第7周期开始NO2--N的积累率恢复上升趋势, 最后运行到第13周期, 积累率上升至94%, 曝气结束时NO3--N浓度降至5.3 mg·L-1.可见, 在曝气过程中取消对系统pH的限制, 对于已经启动短程硝化的玉米淀粉废水SBR处理系统, 维持较高的温度和较低的DO, 并结合对硝化过程的在线控制, 同样可获得稳定的短程硝化效果.


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