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          一個新型的去除廢水中的有機物和氨氮顆粒污泥序批式反應器

          日期:2005-10-31 訪問次數:8539

          摘要: 在序批式反應器(SBR)中微生物在不同N/COD比率的培養基中培養。結果,顯示異養型細菌、硝化細菌和反硝化細菌可以在微生物顆粒中和平共處,然而增加培養基N/COD比率導致顆粒中三種菌種的數量重大變化。在高N/COD比率的培養基馴化提高了顆粒中硝化和反硝化菌種的活性,然而增加培養基的N/COD比率顆粒中的異養菌的數量減少。發現溶解氧[DO]濃度對微生物顆粒反硝化效率有著顯著的影響。同時結果也顯示提供可靠的混合動力確保在反硝化時液體和顆粒大量的遷移。它可以證明在基于SBR單一顆??梢愿咝Х€定去除全部的有機物和氮。第一個研究顯示微生物顆粒有能力同時去除廢水中的有機碳和氮。 
          關鍵詞: 微生物顆粒 N/COD 有機物去除 硝化反應 反硝化反應


          1、介紹

            隨著更嚴格的環境規定的實施,在廢水中氮去除中高級的、經濟有效的技術變得越來越來重要了。從廢水去除氮的許多改進和方法被發展和實施?;旧?,去除氮的那些工藝可以分類為懸浮污泥和固定膜培養。那些懸浮污泥系統有。大容積的缺點,對負荷沖擊很敏感,然而固定膜系統有生物膜相關的堵塞和脫落等等問題。同時由于硝化菌對環境的敏感型以及低生長速率,它非常困難在常規懸浮和固定培養廢水處理系統中獲得和維持足夠的硝化生物量,然而硝化是反硝化的第一步,反硝化是轉化亞硝酸鹽和硝酸鹽為氮氣。

            在污水處理中好氧顆粒是一個最近描述的現象和在積極的調查中潛在的生物代名詞。對照常規污水處理系統,顆粒系統有幾個優點。例如更大密度和更結實的微生物結構、好的沉淀能力、和高的生物量停留時間,和有能力抵抗高有機負荷率。好氧顆粒技術似乎有潛在的挑戰廢水氨氮的去除。因此,非常希望混合好氧顆粒有能力同時去除有機碳和氮,因為廢水經常存在有機物和氮。完全氮去除包括硝化和反硝化。硝化成的亞硝酸鹽和硝酸鹽要求通過反硝化生成 氮氣。眾所周知反硝化是一個厭氧過程,它受到溶解氧[DO]影響。到目前為此,非常少的資料關于微生物顆粒同時去除有機物和氮。因此,本課題主要研究好氧顆粒在不同底物N/COD比率的發展,在單一的顆粒生物反應器同時去除有機物和氮的可行性,以及 [DO]和混合程度對微生物顆粒反硝化效率的影響。

          2 材料和方法

            2.1 反應器的建立和運行

            四個有效容積為2.4L的圓柱(8厘米高,6厘米直徑)用作序批式反應器(),和每一個有相同的幾何結構。反應器運行了一年多。340天前,反應器1-4(R1至R4)被供應空氣流量2.4L/min,相當于表面上升空氣速度2.4cm/min。在這個時間里,反應器中的DO濃度超過2.0mg/L。所有反應器運行一個周期為4h,以一個有順序的方式:4分鐘進水,230分鐘曝氣,2分鐘沉淀和4分鐘排水。排水端口在圓柱反應器的中部。340天以后,為了觀察在不同底物N/COD比率培養的微生物顆粒的反硝化性能,的循環時間增加到6h,即進水4分鐘,230分鐘曝氣,2h厭氧或缺氧階段,2分鐘沉淀,和4分鐘排水。做以下三 個試驗:⑴342天后,所有反應器的DO濃度降低到0.8mg/L,通過減少空氣流量至1.0L/min;⑵350天后,反應器DO進一步降低至0.5 mg/L,通過降低曝氣量至0.5L/min;⑶355天后,所有的反應器停止曝氣,創造一個無DO的環境。在厭氧或缺氧階段,在反硝化階段乙醇作為外加碳源加入反應器,其濃度為600mg/L。

            2.2 媒介物

            反應器1-4接種650ml新鮮活性污泥(相當于3000mg/L的懸浮固體),來自于當地市政污水處理廠的污泥。反應器初始生物量濃度為每升2000mg干重。人工底物主要是作為單一碳源的乙醇,氯化銨,重碳酸鈉,和其它必要元素。乙醇化學需氧氧量固定為500mg/L,而在R1至R4中氨氮濃度從25變化到150mg/L,各自底物N/COD比率分別為5/100-30/100。為了滿足硝化菌生長要求,所有反應器中的重碳酸鹽與氨氮的比值保持常數值8.0mg/mg。在人工廢水中微量元素在別處可以發現。反應器的pH降低到8.2-7.5的范圍。試驗溫度控制在25℃。

            2.3 分析方法

            2.3.1 溶液中氨氮和氮的濃度

            氨,亞硝酸鹽,和硝酸鹽濃度用一個流量注射分析器測量(),而COD濃度用標準方法測量。

            2.3.2 生物種的氧利用率

            異氧細菌的生物種氧利用率(SOUR)h和氨氮氧化菌及亞硝酸鹽氧化菌的氨氮與亞硝酸生物種氧利用率((SOUR)NH4和(SOUR)NO2),可以通過標準方法進行測量(APHA,1998.)。一定數量顆粒用自來水小心洗干凈,然后放進干凈的BOD瓶。接著,BOD瓶加滿預先曝氣的營養物和培養基溶液,帶有攪拌機置的氧傳感的探針立即插入BOD瓶中。間隔15S記錄DO的減少量。根據整個過程中DO濃度記錄可以計算出生物種的氧利用率。生物量、COD、NH4-N和NO2-N濃度分別保持為500、400、20和20mg/L常數,乙醇、NH4Cl和NaNO2各個培養基確定SOUR)h、((SOUR)NH4和(SOUR)NO2)。SOUR試驗在25℃進行。

            2.3.3 顆粒的物理性質

            用激光粒子尺寸分析系統(Malvern Mastersizer series 2600)或者圖象分析儀(Quantimner 500 image Analyzer,Lecia Cambridge Insttuments)。懸浮固體(SS)和揮發性懸浮固體(VSS)用標準方法測量(APHA,1998).

          3 結果

            3.1 不同培養基N/COD比率的好氧顆粒

            接種污泥平均絮狀尺寸為90υm。運行20天后,4個反應器的好氧顆粒形成了。好氧顆粒尺寸逐漸穩定下來。40天后,R1、R2、R3和R4的平均直徑分別為1.9mm、1.5mm、0.5mm、0.4mm。在穩定狀態下反應器里的生物量濃度增加超過了10gSS/L。當培養基N/COD比率從5/100增加到30/100,VSS/SS比率從0.94降到0.79。微生物觀察顯示4個反應器中好氧顆粒結構緊密,與接種污泥對比其外部形狀有明顯的球形。

            3.2 好氧條件下COD和硝化反應關系

            圖2顯示反應器R1至R4運行一個4h循環時間時COD和硝化反應關系。數據跳躍的點是:⑴幾乎所有流入COD在開始30分鐘去除;⑵培養基N/COD比率為5/100時反應器R1沒有亞硝酸鹽和硝酸鹽產生,可以觀察到在各個培養基N/COD比率10/100、20/100和30/100時COD和硝化反應關系;⑶COD去除后在反應器R2至R4中完全硝化反應發生;⑷在循環時間前30分鐘氨氮去除是微生物生長需求氮源替代了硝化反應,因為在這個階段既沒有亞硝酸鹽產生也沒有硝酸鹽產生;⑸就亞硝酸鹽形成來說不能看到緩慢硝酸鹽產物;實際上,硝化反應主要由兩類細菌來完成,氨氮氧化菌負責亞硝酸鹽形成,亞硝酸氧化菌轉化亞硝酸鹽為硝酸鹽。在正常培養條件下,至少有兩個因素影響硝化反應效率,在微生物種群中氨氮氧化菌與亞硝酸氧化菌的實際生長率,以及在該系統兩種菌種的比率關系。

            3.3 在沒有攪拌無DO條件下的反硝化

            圖3顯示在厭氧條件下反應器R2至R4中COD和反硝化關系??梢钥吹椒磻髦猩倭康姆聪趸磻l生。反應器R2至R4總的氮去除率分別為21、24和26%,但是COD去除率在這個運行條件下非常低。由于好氧顆粒對照水里有更高的實際重力,沒有充分的攪拌情況下他們將沉淀到反應器底部。這將導致顆粒與培養基溶液接觸不充分,結果,由于缺乏攪拌物質傳質受到限制,這就是觀察到反硝化效率低的原因(圖3)。   

            3.4 DO為0.5mg/L攪拌下反硝化反應

            在這個階段,反應器DO維持在0.5mg/L,通過控制曝氣率,但確保固-液混合。圖4顯示反應器R2至R4中COD和反硝化關系。它顯示在反應器R2至R4中完全反硝化發生。2h缺氧階段所有硝酸鹽轉化為氣態氮。在反應器R2至R4實際總氮去除率分別為0.42、0.85、0.91mgNg-1SSmin-1。那些值可以與常規生物處理所得數值進行比較。

            3.5 DO為0.8mg/L攪拌下反硝化反應

            為了研究DO對微生物顆粒反硝化的影響,通過增加曝氣速率將所有反應器中的DO濃度增加到0.8mg/L。圖5顯示反應器R2至R4中DO濃度0.8mg/L時COD與反硝化的關系。反應器R2至R4氮的去除效率大約為40%,但是所有的反應器排出的水硝酸鹽濃度依然很高,與DO濃度0.5mg/L呈現的結果(圖4)相比較只發生了部分反硝化。圖4和圖5顯示微生物顆粒中反硝化菌的活性受高濃度DO抑制。顯然DO不是它們合成物質抑制劑而是充當反硝化還原酶活性抑制劑,當溶解氧濃度大于1.0mg/L時反硝化可以被忽略。

            3.6 異養菌、硝化菌和反硝化菌的活性

            氨氮氧化劑和亞硝酸氧化劑各自活性被實際氨氮氧利用率(SOUR)NH4和實際氮氧利用率(SOUR)NO2描述,但是異養菌的活性可以根據它的實際異養菌氧利用率(SOUR)h來量化。不同培養基N/COD比率下好氧顆粒穩態培養的(SOUR)NH4、、(SOUR)NO2和(SOUR)NO2在圖6顯示。圖7顯示了(SOUR)NH4、和(SOUR)NO2氮減少速率(qobs)。高濃度DO導致低反硝化活性,從圖7中qobs可以知道,好氧顆粒反硝化菌似乎與培養基N/COD比率或者硝化菌量成正比。

          4 討論

            圖1顯示微生物顆粒在培養基N/COD比率5/100至30/100范圍內可以形成。超過95%進水COD在曝氣階段去除,同時氨完全轉化為硝酸鹽(圖2)。在反應器R1至R4中培養的好氧顆粒的沉淀速度大于60m/h,所有反應器中的生物停留量達到9gVSS/L。常規活性污泥沉淀速率小于10m/h。與常規生物絮狀比較,滿意的好氧顆粒沉降速率可以確保進水生物固體容易有效分離出來,高的生物濃度意味著一個緊密的、小型的好氧顆粒污泥反應器可以研發出來。好氧顆粒污泥反應器2-4星期可以訓化好,而厭氧顆粒系統(UASB等)至少需要4個月細心訓化才能成熟。在本研究中,好氧顆粒污泥反應器穩定運行一年多,此時試驗已經結束了。那些結果顯示好氧顆粒的利用可以提高現有的污水處理廠同時去除有機物和氮能力是可行的、有益的。

            從圖2-6可知異養菌、硝化菌和反硝化菌在不同培養基N/COD比率里培養可以共存。事實上,大多數反硝化菌是特殊細菌,廣泛分布于各種各樣的生理和分類群體中。在好氧條

            件下,它們利用氧作為最終電子受體。圖3-5揭示了DO和攪拌對微生物顆粒反硝化效率影響。由于微生物培養的顆粒非常重,如果沒有充分攪拌它們將會全部沉淀到反應器底部。結果,顆粒和溶解氮接觸非常差,圖3可知反硝化不能有效發生。因此在以顆粒為基本生物反應器里為了取得有效反硝化效率,一定量攪拌是必須的,確保顆粒和溶解氮好的接觸。在攪拌的條件下,從圖4和5可知DO小于0.5mg/L對反硝化非常有利,微生物顆粒反硝化DO濃度0.8mg/L受到抑制。事實上,反硝化酶一旦合成,好氧條件下細菌保持它,但是其功能受高濃度DO的抑制。另一方面廣泛地報道在某種程度上溶解氧抑制反硝化地每一步。

            圖6顯示氨氮和亞硝酸氧化菌的活性隨著培養基N/COD比率增加而大大提高了,然而在好氧顆粒中異養菌的活性迅速減少了。結果顯示當增加培養基N/COD比率少數硝化菌數量會逐漸超過異養菌數量,異養菌的主導地位越來越小了。相似的現象在生物膜反應器也有報道。

            圖7顯示DO和培養基N/COD比率對整個微生物顆粒反硝化菌數量活性影響。早期討論可知,反硝化細菌對生物反應器中DO濃度非常敏感。在0.5mg/L的DO下,反硝化細菌的活性比在0.8mg/L的DO活性大得多。在DO濃度0.5mg/L下,在反應器R2至R4培養的微生物顆粒的各自實際總氮去除率為0.42、0.85和0.91mgN/(gSS.min),這可以與常規反硝化處理所獲得活性數據相比較。我們知道隨著培養基N/COD比率增加qobs也增加,圖6可知增加培養基N/COD比率導致好氧顆粒中的反硝化菌數量增加,圖2顯示在反應器中硝酸鹽濃度

            也增加了。Batchlor(1982)提出了描述DO和硝酸鹽濃度對反硝化細菌的影響公式:

                                   (1)

            公式中:qNO3表示實際氮還原速率(mgNg-1SSmin-1);

            qNO3.MAX表示最大實際氮還原速率;

            SNO3表示NO3-N濃度,mg/L;

            Se表示有機培養基半反應速率常數,mg/L;

            KO表示氧半反應速率常數,mg/L;

            根據這個模型,增加硝酸鹽濃度將導致實際硝酸鹽減少速率變大,但是增加DO將會使實際硝酸鹽減少速率減少。這個試驗數據和這個模型預期效果相吻合。結果,從本課題可知異養菌、硝化菌和反硝化菌可以在微生物顆粒相共存,一個新型高效率基于顆粒生物反應器被希望用于同時去除有機物和氮。

          5 結論

            微生物顆粒在反應器S不同培養基N/COD比率培養有能力同時去除有機物和氮??芍愷B菌、硝化菌和反硝化菌在顆粒中能共存,在顆粒微生物數量變化與培養基N/COD比率有很大的關系。微生物顆粒在高培養基N/COD比率培養可以提高硝化和反硝化活性,同時顆粒中異養細菌的活性有降低的趨勢。這就是微生物顆粒比常規活性污泥更有優勢的原因,不同菌種可以在同一微生物模型共存,這提供細菌協作作用的平臺。在這種情況下,一個去除有機碳和氮的更緊湊的生物反應器阿可以實現。DO濃度和攪拌兩個因素影響微生物顆粒反硝化的效率。完全反硝化在DO濃度0.5mg/L可以取得,同時攪拌為了確保顆粒和溶解氮足夠接觸是有必要的,否則微生物顆粒反硝化非常緩慢,這篇打開了環境工程者進一步研發去除污水中的有機物和氮兩種物質的新穎的、緊湊的和高效率基于顆粒生物處理工藝。


          來源:網易給排水


           
           
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