脉冲式SBR处理垃圾渗滤液短程深度脱氮工艺特性

孙洪伟,尤永军,彭永臻,王淑莹 (.兰州交通大学环境与市政工程学院,甘肃 兰州 730070；.北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京 004)

脉冲式SBR是在传统SBR基础上对其运行方式改进后的一种新型污水处理工艺,该工艺通过分多段进水的运行方式,充分利用原水中有机物作为反硝化碳源,节省曝气量和外碳源投加量.目前,国内外对交替好氧/缺氧 SBR工艺的研究进水阶段仅有 1个,未能充分利用原水中有机物实现脱氮[1-3].杨庆[4]和杨岸明等[5]利用过程控制值参数(pH值,DO,ORP)建立了脉冲式SBR处理城市污水的过程控制策略,提高了系统的稳定性.此外,Yang等[6]和 Guo等[7]采用脉冲式SBR处理城市生活污水,获得稳定的脱氮性能.

脉冲式SBR的工作原理:原水进入SBR反应器,好氧曝气去除有机物和硝化反应.硝化完全后,投加适量原水,利用原水中有机物作为反硝化碳源,进行缺氧反应.反硝化完成后进行再曝气,使投加原水而带入的氨氮转化为亚硝态氮,重复投适量原水进行反硝化和后曝气的过程,在最后一个反硝化阶段投加外碳源,实现深度脱氮.

城市垃圾渗滤液是典型的高氨氮废水,尤其晚期渗滤液,低碳氮比(C/N)是实现深度脱氮的主要难题之一[8].短程生物脱氮由于在节约能源和碳源方面具有明显优势[9-11],近年来被广泛研究.基于上述分析,如将短程生物脱氮技术和脉冲式SBR工艺进行结合,可最大限度的利用原水中有机物实现生物脱氮,从而获得最少的外碳源投量.本研究基于脉冲式 SBR工艺生物脱氮的理论分析,考察了冲式 SBR处理垃圾渗滤液的脱氮效果和工艺稳定性,以实现深度脱氮和节能双重目标.

1 材料与方法

1.1 试验装置

SBR反应器由有机玻璃制成,高度 500mm,直径 160mm,总有效容积为 9L.在反应器壁上的垂直方向设置一排间距100mm的取样口,用以取样和排水;底部设有排泥管;以黏砂块作为微孔曝气器,采用鼓风曝气,转子流量计调节曝气量.机械搅拌由转速可调的机械搅拌器完成.

1.2 试验水质及分析方法

试验用水为经上流式厌氧污泥床(UASB)预处理的城市垃圾渗滤液.UASB实现了有机物的去除,SBR通过硝化-反硝化作用实现氮的去除[9].SBR进水水质:TN 90～180mg/L,-N 85～170mg/L,COD 58～1035mg/L,-N<1.0mg/L,C/N为 3～8.在试验开始前,SBR系统已适应 2.5个月,获得了良好短程生物脱氮后开始进行跟踪测定[12-13].

1.3 试验方法

SBR采用3种模式运行,如图1所示.在模式Ι,II和III中,污水分别按1次、2次和3次等量投配至反应器.脉冲SBR好氧和缺氧时间由实时控制策略控制.进水方式为瞬间进水,沉淀和排水时间分别为30,5min.

图1 SBR工艺的运行模式Fig.1 Operational modes of the SBR process

2 结果与讨论

2.1 脉冲式SBR工艺短程生物脱氮的理论分析

(1) 当x＞k时,η与n的关系为:

当n→∞时,有η→1

当n→∞时,

分多次进水的脉冲式操作模式是有效的脱氮模式,影响反硝化脱氮效率主要因素是投加原水次数、进水量和进水的COD/TN值.随着投加原水次数的增加,总氮去除效率不断提高.同时,外加碳源量随之减少.

2.2 进水次数对脉冲SBR工艺短程脱氮的影响

图2 3种进水条件下, SBR反应过程COD和氮的转化Fig.2 Variations of COD and nitrogen under three feeding modes

3种模式下的进水量分别为 4,2,1.3L.由图 2可看出,每个硝化阶段的硝化很完全,硝化结束时,低于4.0mg/L,平均去除率达到95.8%以上.硝化过程中,几乎全部转化成,成为硝化过程的主要产物,而浓度始终低于 1.5mg/L,表明系统处于稳定的短程硝化过程.反硝化进行也很彻底,出水浓度始终在0.5mg/L以下.最后一个反硝化阶段分别投加 3.2,0.89,0.64mL的甲醇,可使最后出水 TN低于 15.0mg/L,实现深度脱氮.需要说明的,在运行模式III中,缺氧1段和2段条件下,浓度分别降低了3.4,3.8mg/L,由于系统中存在,可能是由于厌氧氨氧化途径引起的.

由图2b可以看出,2次进水条件下,好氧2段比好氧1段的时间短,原因在于:(1)第2次进水中可生物降解的 COD被第 1次硝化反应产生的作为电子供体全部利用,避免高浓度有机物对硝化反应的抑制,同时减少了好氧 2段有机物的降解时间;(2)相对于第1次进水,第2次进水后,由于反应器混合液体积的增大,导致稀释比从3增加至 4,因此初始降低.同样在图 2c中,3个好氧段的时间也逐渐减少.对于2次和3次进水条件下反硝化过程,利用原水中的有机物作为碳源进行反硝化.图2b中缺氧1段用了2.5h,系统中的从43.0mg/L降低至0.8mg/L.图2c中缺氧 1段和 2段分别经过 0.75,0.6h,系统中的降至0.4mg/L以下.由此可见,试验中原水C/N可以满足反硝化反应对碳源的要求.

2.3 进水次数和进水量对脉冲SBR工艺运行效率的影响

表1 3种运行模式条件下,脉冲式SBR工艺的运行效率Table 1 Performance of pulsed-SBR under three operational modes

2.4 过程控制在脉冲式SBR工艺短程生物脱氮 中的应用

图3 3次进水条件下,SBR工艺内氮、有机物和过程控制参数变化规律Fig.3 Variations of COD, nitrogen, DO, pH and ORP under three feeding modes

图3为3次进水条件下,SBR工艺内氮,有机物和过程控制参数的变化规律.在生物脱氮过程中,DO,ORP和pH值曲线上共出现5个特征点,分别是亚硝化结束时DO曲线上的突跃点(a点),ORP曲线上的突跃点(b点),pH值曲线上的“谷”(c点),反硝化结束时ORP曲线上的“膝”(d点),pH值曲线上的“-N肘”的膝”(d点),pH值曲线上的“-N (e点),这些特征点与反应过程中“三氮”的转化有非常好的相关性.在硝化过程中,pH 值出现“谷”后氨氮浓度接近为零.反硝化过程中,pH值曲线“肘”和 ORP曲线“膝”出现后,反应器内的亚硝态氮接近零,最后投加外碳源进行反硝化.因此,DO,ORP和pH值曲线特征点可准确判断硝化、反硝化终点.DO, pH值和ORP作为脉冲式 SBR处理渗滤液短程生物脱氮过程的控制参数,准确把握曝气和搅拌时间,节省曝气和运行费用.此外, 还可有效解决脉冲式 SBR由于进水水次数增多导致的运行复杂等问题.

2.5 DO, ORP和pH值的导数图形分析

图4 DO, ORP和pH值的导数与时间曲线图Fig.4 The relationships of first derivative of DO, ORP and pH with time

图4为对应图3给出上述典型过程中DO,ORP和pH值的导数图形.dDO/dt图形中对应着硝化反应的结束可见明显的突跃点(A1,A2,A3),指示硝化反应结束.此外,对应硝化反应结束,dORP/dt曲线上出现突跃点(B1,B2,B3).在反硝化过程中,反硝化结束的时间可由ORP导数绝对值的突然增加(D1,D2,D3) 来判断.对于dpH/dt的变化规律,开始硝化对应着的 pH导数由负变正(C1,C2,C3).当反硝化的结束时,分别对应着pH导数由正变负(E1,E2,E3).通过对这3个参数导数的分析,可知由ORP, DO, pH值的特征点可实现脉冲式SBR短程生物脱氮的过程控制.需要说明的是,DO和OPR导数图形中的跳跃点是停止曝气、开始搅拌,反应器中 DO浓度迅速减少所致.pH导数图形中突跃点是由于硝化结束时,停止曝气,加入原水或碳源导致的.高景峰等[18]采用SBR处理生活污水过程中,在一次进水条件下,也获得了相类似的试验结果.

2.6 脉冲式SBR工艺短程脱氮的稳定性

图5为脉冲式SBR系统稳定236个周期的结果.每个运行周期采用过程控制进行硝化、反硝化终点控制.根据进水基质浓度调节好氧和缺氧段的反应时间,准确把握反应进程,确保出水水质.试验过程中,即使进水TN浓度出现一定程度的波动,介于87.4～171.2mg/L范围内,但出水维持在6.0～22.0mg/L之间,平均去除率为90.9%,表明脉冲SBR工艺不仅能够深度脱氮,而且具有较强的稳定性和抗冲击能力.

图5 脉冲式SBR短程生物脱氮的长期稳定性Fig.5 The stabilization of nitrogen removal via nitrite in three feed-step SBR process

3 结论

3.1 采用脉冲式 SBR工艺处理垃圾渗滤液,采取交替好氧/缺氧分段进水运行方式,基于稳定短程生物脱氮途径,最终出水TN和-N分别低于15.0和5.0mg/L,实现了深度脱氮.

3.2 进水次数是影响外碳源投加量的重要因素,进水次数增加,外碳源投量明显减少.但进水次数的增加意味着系统运行更加复杂.对于脉冲式SBR工艺,建议采用2～3次等量进水,可节省碳源投加量,降低运行费用.

3.3 基于过程控制,可准确把握脉冲式 SBR工艺的曝气和搅拌时间,避免过曝气,并解决该工艺由于进水次数增多导致的运行复杂等问题.

[1]Lemaire R, Marcelino M, Yuan Z G. Achieving the nitrite pathway using aeration phase length control and step-feed in an SBR removing nutrients from abattoir wastewater [J].Biotechnology and Bioengineering, 2008,100(6):1228-1236.

[2]Gu S B, Wang S Y, Yang Q, et al. Start up partial nitrification at low temperature with a real-time control strategy based on blower frequency and pH [J]. Bioresource Technology, 2012,112(5):34-41.

[3]Guo J H, Wang S Y, Huang H J, et al. Efficient and integrated start-up strategy for partial nitrification to nitrite treating low C/N domestic wastewater [J]. Water Science and Technology, 2009,60(12):3243-3251.

[4]杨 庆,王淑莹,杨岸明,等.城市污水SBR法短程生物脱氮的中试研究 [J]. 中国环境科学, 2007,27(2):150-154.

[5]杨岸明,王淑莹,杨 庆,等.以pH和ORP作为脉冲SBR工艺的实时控制参数 [J]. 环境污染治理技术与设备, 2006,7(12):32-35.

[6]Yang Q, Peng Y Z, Liu X H, et al. Nitrogen removal via nitrite from municipal wastewater at low temperatures using real-time control to optimize nitrifying communities [J]. Environmental Science and Technology, 2007,41(23):8159-8164.

[7]Guo J H, Yang Q, Peng Y Z, et al. Biological nitrogen removal with real-time control using step-feed SBR technology [J].Enzyme and Microbial Technology, 2007,40(6):1564-1569.

[8]李 娜,李小明,杨 麒,等.微波/活性炭强化过硫酸盐氧化处理垃圾渗滤液研究 [J]. 中国环境科学, 2014,34(1):91-96.

[9]孙洪伟,郭 英,彭永臻,等.实际垃圾渗滤液短程生物脱氮的常温实现及低温维持 [J]. 中国环境科学, 2013,33(11):1972-1977.

[10]Kim D J, Kim S H. Effect of nitrite concentration on the distribution and competition of nitrite oxidizing bacteria in nitritation reactor systems and their kinetic characteristics [J].Water Research, 2006,40(5):887-894.

[11]孙洪伟,彭永臻,时晓宁,等.高氮渗滤液缺氧/厌氧 UASB-SBR工艺温深度脱氮 [J]. 中国环境科学, 2009,29(2):207-212.

[12]Sun H W, Yang Q, Dong G R, et al. Achieving the nitrite pathway using FA inhibition and process control in UASB-SBR system removing nitrogen from landfill leachate [J]. Science China:Chemistry, 2010,53(5):1210-1216.

[13]孙洪伟,王淑莹,张树军,等.高氮渗滤液短程深度脱氮及反硝化动力学 [J]. 环境科学, 2010,31(1):129-133.

[14]国家环境保护总局.水和废水监测分析方法 [M]. 北京:中国环境科学出版社, 2002.

[15]Henze M, Harremoës P, Jansen J L C, et al. Wastewater Treatment Biological and Chemical Processes [M]. Springer, Berlin,Heidelberg, New York, 1997.

[16]Tchobanoglous G, Burton F B, Stensel H D. Wastewater Engineering Treatment and Reuse [M]. fourth Ed. Metcalf and Eddy, Inc., USA, 2003.

[17]郭建华,彭永臻,杨 庆,等.脉冲 SBR处理城市污水深度脱氮的工艺特性 [J]. 中国环境科学, 2007,27(1):62-66.

[18]高景峰,彭永臻,王淑莹,等.以 DO、ORP、pH 控制 SBR 法的脱氮过程 [J]. 中国给水排水, 2001,17(4):6-11.