双循环两相组合生物处理工艺强化脱氮机制研究.pdf

经 验 交 流 双循环两相组合生物处理工艺强化脱氮机制研究 ＊ 潘 杨 黄 勇 李 勇 苏州科技学院环境科学与工程系, 江苏 215011 摘要 新型生物脱氮除磷工艺 双循环两相 BICT 生物处理工艺, 采用人工配水在设定工况下对 BICT 工艺试验装 置的脱氮过程和脱氮机理进行了研究。 试验表明, BICT 工艺脱氮机理为序列式硝化反硝化。 独立生物膜法硝化区的 设置, 强化了系统的硝化能力, 从而提高了系统的脱氮效率的稳定性和可靠性。 在适宜条件下脱氮效率可达 80以 上, 出水 TN15 mg L。 关键词 活性污泥 硝化 反硝化 脱氮 ＊江苏省社会发展计划项目 BS2002332 ; 江苏省高新技术产业发展 项目 JH02 -119 1 引言 研究利用多种群污泥实现综合目标的高效生物 处理工艺是废水生物脱氮除磷发展方向之一。在反 复试验研究的基础上 , 以 SBR 间歇式活性污泥法为 基础提出了双循环两相生物处理工艺 Bi-Cyclic Two- phase biological process, 简称 BICT 工艺 [ 1,2] 。通过设 前置生物膜硝化区 ,同时缩短反应器的污泥龄 ,强化 系统的脱氮效率 。本研究着重对 BICT 试验装置的脱 氮过程及机制进行探讨。 2 实验装置与方法 2. 1 实验装置与原理 实验装置如图 1 所示 。原水与主反应器 SBR 的回流污泥一起进入生物选择器 2 中。由于其浓度 梯度高可选择出絮凝性好的微生物 ,同时生物选择器 保持厌氧条件, 聚磷菌利用 SCFAs 合成 PHA 并释放 出体内的聚磷。释磷后的混合液进入 SBR 主反应 器。在主反应器 3 中进行曝气完成有机物的吸附 、 降 解及磷的过剩吸收。曝气阶段结束后, 沉淀区 5出水 口的上清液回流泵开启, 使沉淀分离后的上清液进入 膜法硝化区中, 硝化区中始终曝气以保持良好的好氧 条件。由于上清液中的有机物基本上在 SBR 反应 器3 中被吸附与降解 ,因此回流液中的 CODCr含量很 低,而NH3- N 含量相对较高 。当它与预先培养的富 含硝化菌的生物膜接触后 , 在好氧条件下被快速硝 化,使硝化区 1 出水回流至 SBR 反应器 3 中, 此时 SBR 反应器中曝气停止进入缺氧搅拌, 污泥进行反硝 化脱氮。接下来 SBR 反应器进入沉淀撇水 、 闲置期, 然后进入下一周期。硝化区为防止污泥结团 ,采用半 软性弹性立体填料并在底部设有曝气装置 。厌氧生 物选择器中设有搅拌装置 ,SBR反应器中设有搅拌及 曝气装置。进水、上清液回流 、 污泥回流通过 3 台蠕 动泵控制。 图 1 BICT 试验反应器示意图 1硝化区; 2生物选择器; 3SBR 反应区; 4缓冲区; 5沉淀区。 2. 2 实验方法 为屏蔽水质的波动对试验数据的影响,采用人工 配水 ,试验水质见表 1。 表 1 试验原水水质＊mg L 项目 CODCr TNTP 人工配制污水400～ 500～ 50～ 15 ＊主要水质分析项目 测定方法 为 pH 电极法 ; NH3-N 纳氏试剂分 光光度法 ; NO2-N N - 1-奈基 -乙二胺分光光度法 ; NO3-N 酚二磺酸 分光光度法 。 试验中加入 NH4Cl 及 KH2PO4提高城市污水中 的氮 、 磷,以达到研究该工艺的脱氮除磷效果 ,满足试 验的负荷要求。运行周期为 4 h, 试验工况见表 2。 69 环 境 工 程 2005年 4 月第23 卷第2 期 表 2 试验工况 进水 曝气 min 缺氧 搅拌 min 静止 沉淀 min 排水 闲置 min 污泥 回流比 上清液 回流比 泥龄 d 生物选择器 HRT min 6060606020150530 3 试验结果与讨论 在BICT 工艺中, 由于泥龄缩短导致污泥的同化 作用有所增强, 故列入研究内容之一。传统异化脱氮 过程需经历硝化和反硝化两个阶段 。 3. 1 硝化阶段 系统的硝态氮来源有两个 SBR反应器的硝化作 用和膜法硝化区的硝化作用。曝气阶段末期 SBR反 应器的硝态氮含量表示了 SBR 反应器的硝化能力, 上清液回流开始时的膜法硝化区中硝态氮的含量表 示了膜法硝化区的硝化能力。 3. 1. 1 硝化区的硝化作用 图2 表示了硝化液回流结束后硝化区内的氮的 变化规律 。 图 2 硝化区内氮的周期变化曲线 进水氨氮在回流结束后的被硝化区附着生长的 硝化细菌逐步转化为硝态氮和亚硝态氮 。硝态氮浓 度逐渐上升,直至下一周期回流进水前到最高值。亚 硝态氮在 1 h 中很快上升到峰值 ,随后亚硝酸盐开始 向硝酸盐转化, 故亚硝酸盐逐渐下降, 而且在进水完 成初期 30 min ,亚硝态氮的转化速率高于硝态氮的转 化速率 。去除的氨氮中近 94以上转化为硝态氮, 说明硝化区对氨的氧化比较彻底。在回流结束后亚 硝酸盐在硝化区上升速率比硝酸盐快, 原因是回流液 中含的有机物以及溶解氧变化的共同作用 。另一原 因是回流液中含亚硝酸盐 ,但该因素只对回流初期的 亚硝酸盐积累有所影响。在随后曝气阶段,亚硝酸盐 逐渐被氧化为硝酸盐 ,使得亚硝酸盐浓度逐步降低。 通过对硝化区回流结束到下一周期进水期间的氨氮 去除曲线进行了一级方程拟合。硝化反应速率常数 测得为KNH3 0. 012 min 0. 72 h。 3. 1. 2 SBR反应器的硝化作用 图3 表明了 SBR反应器中氮的转化过程。 图 3 SBR 反应器内氮的周期变化曲线 SBR反应器中的氨氮在进水过程中由于间歇反 应器固有的特性 ,首先被稀释 ,所以在进水结束 即进 水1 h 后 ,SBR 反应器内的氨氮浓度达到最大 ,然后 随SBR反应器的上清液不断回流而降低 。SBR 反应 器中的硝态氮逐渐增加, 到曝气结束后 15 min 达到 最高值,随后又逐渐降低 。亚硝态氮的变化规律同硝 态氮, 不同的是亚硝态氮的浓度更低, 在 SBR 反应器 中达到最低 。在进水初期亚硝态氮的浓度增长快于 硝态氮增长速率 ,而在曝气结束后, 亚硝态氮浓度增 长低于硝态氮增加速率。 图3 还显示出曝气结束 SBR反应器的硝态氮含 量中 , 亚硝酸盐高于硝酸盐的浓度 。造成 SBR 反应 器内亚硝酸盐积累的原因是亚硝化细菌比硝化细菌 有更强的适应能力 ; 低溶解氧对氨的氧化影响不大, 但对亚硝酸氧化有明显阻碍 , 易产生 HNO2的积累; 有机物的抑制作用 。在低氧和有机物对硝化作用共 同作用下 , 当水中无有机 物时, 低溶解氧 DO 0. 1 mg L , 即 可认为反硝化速率与硝态氮浓度成零级动力学反应。 在 缺 氧 搅 拌 前 40 min , TN 反 硝 化 速 率 为 13. 32 mg Lh, 在 40 min 后 , TN 反 硝 化 速 率 为 1. 63 mg Lh。 SBR反应器中第一阶段反硝化的速率 接近于 Barnard 的第一阶段速率 ,可归因于短程硝化 反硝化的贡献。因为 SBR反应器中一直存在一定浓 度的亚硝酸盐, 而在出水中的亚硝酸盐浓度很小。表 明水中的亚硝酸盐得以通过某种渠道得以去除,因此 在SBR反应器中的短程反硝化肯定存在 , 只是由于 系统的运行属于非稳态, 所以本试验未能确定这一部 分的对氮去除率的贡献。 碳源的充足 ,与微生物在生物选择器中过量贮存 碳源有关。研究表明 [ 4] , 在 SBR 反应器进水阶段的 厌氧过程 ,微生物细胞具有很好的贮存诱导作用。在 BICT 工艺中 , 厌氧选择器为絮凝性细菌在高浓度下 迅速吸收水中的溶解性有机物创造了条件 。泥龄缩 短造成了系统中的活性污泥代谢旺盛, 在进水同时伴 随的污泥回流阶段, 这些活性污泥具有很强的吸附降 解有机物的能力 ,部分微生物将水中的含碳有机物转 化为糖原或糖原的前体而被贮存在细胞内部 ,并在随 后进入曝气系统 ,它们中的部分碳源将被用于异养细 菌的反硝化过程 。 3. 3 同化作用对脱氮的影响 在本系统中假定细菌的增殖过程均发生在好氧 过程中 , 微生物增殖采用 Lawrence- Mc . Carty 模式表 示 [ 5] 。由此可以估算出在本系统中的同化作用所去 除的氮总量。本系统中的同化作用去除的氮占总氮 去除率的 1 4 左右。之所以在本系统中氮的同化去 除率较高 ,是因为本系统的泥龄较短、 污泥的活性高, 加上进水中的 C N 比在8 左右,进水中的大部分有机 物均可生物降解 。 3. 4 系统脱氮分析 在适宜的工况下, BICT 试验装置的总氮去除率 保持在 80以上 ,系统出水 TN 含量可 15 mg L 见 图5 。BICT 工艺中的序列硝化反硝化脱氮机制与 SBR、 CASS 工艺的同步硝化反硝化机制具有更高的氮 去除率 ,因为自养硝化与厌氧反硝化比异养硝化、好 氧反硝化具有更快的速率 [ 6] 。新型的 BICT 工艺水力 停留时间与 UCT 、 UNITANK 、 CAST 等工艺相当 , 运行 费用将低于 UCT 、 A A O 等连续流系统。新工艺与现 行工艺相比的主要优势是可能较大程度地增强脱氮 稳定性,使得运行控制更为简便可靠 。 图5 BICT 反应器TN 容积负荷与去除率 试验装置出水中始终含有 3～ 4 mg L 的氨氮, 而 硝态氮极低 见图 6 。反映出反硝化能力充分而硝 化能力略显不足 ,表现出系统的异化脱氮能力实际上 取决于系统的硝化能力 。在一定范围内可以通过提 高上清液回流比来达到提高脱氮效率。 图 6 出水氮含量随时间变化曲线 试验还对 BICT 工艺的运行模式和硝化液回流比 对脱氮的影响进行了研究 ,结果表明 ① 独立膜法硝化 区的设置使系统运行模式未对系统脱氮性能产生明 显的影响, 而上清液回流比对系统的脱氮效率影响显 著,回流比在 150以上, 对总氮去除率保持在 80 以上 [ 2] ; ②系统对有机物的去除一直保持较高的去除 率,出水CODCr值 60 mg L [ 2] ; ③5 d 泥龄下运行对磷 的去除率可保持在 90 以上,而系统在 5 d 泥龄下运 行比 20 d 泥龄运行的脱磷率提高近 1 3 左右 [ 7] 。 下转第 55 页 71 环 境 工 程 2005年 4 月第23 卷第2 期 5. 3 第三段消声器 片式 阻损计算 第三段消声通道截面面积 S40. 2482. 022 2010 m 2 , D30. 44, 平均风速 U4Q S4 4 157 10 60 6. 9 m s, 将数据代入 10 式得 ΔHλ 3λl D3 ρ u 2 4 2 0. 05 1. 5 0. 44 1. 29 6. 9 2 2 5. 2 Pa 气流进入第三段消声器 ,以 S4 S2 10 12. 5 0. 8 比例 缩小 ,查局部阻力系数表得 ξ1 0. 15 [ 5] ,气流以 30 角 扩张流出第三段消声器, 扩张比 S2 S4 12. 5 10 ≈ 1. 2,查局 部阻力系数表得 ξ20. 06 [ 5] ,将数据代入 11 式得 ΔHξ 3 ξ 1ξ2ρ u 2 4 2 0. 15 0. 061. 29 6. 9 2 2 6. 4 Pa ΔH3ΔHλ 3ΔHξ 35. 2 6. 4 11. 6 Pa ΔH ΔH1ΔH2ΔH3 96. 6 32. 9 11. 6 141. 1 Pa 因阻损减小的风量为 ΔQ ΔH H Q 141. 1 3 102 4 157 189. 1 m 3 s 6 结论 通过对通风阻力进行计算可以看出 ,风量的减少 量小于设计目标提出的风量减少不得超过250 m 3 min 的要求,不影响正常通风需要 ,设计合理 。 矿井主扇风机噪声是煤矿普遍存在的主要噪源 之一, 它在运行过程中产生强烈噪声, 影响工人工作 和身心健康 ,污染周围环境。多年来, 许多单位和工 程技术人员一直在努力寻求主扇风机噪声治理的可 靠性理论计算方法, 该文将多年来对风井噪声的研究 及治理经验进行总结 ,以期为煤炭工业离心式通风机 风井噪声治理工作提供可以借鉴的模式 。 参考文献 1 顾强, 王昌田, 张弛等. 噪声控制工程. 北京 煤炭工业出版社, 2002. 2 洪宗辉. 环境噪声控制工程. 北京 高等教育出版社, 2000. 3 周新祥. 噪声控制及应用实例. 北京 海洋出版社, 1999. 4 方丹群, 王文奇, 孙家麒. 噪声控制. 北京 北京出版社, 1986. 5 马大猷, 孙家麒,程明昆, 章奎生等. 噪声与振动控制工程手册. 北 京 机械工业出版社, 2002. 作者通讯处 张弛 221008 徐州建筑学院 148 信箱 电话 0516 3889545 传真 0516 3889082 E -mail czhang xzcat. edu. cn 2004- 08-24 收稿 上接第 71页 4 结论 BICT 反应器进水曝气阶段SBR反应器的硝化能 力被削弱, 但硝化区的硝化功能得到加强。SBR 反应 器中以传统的异养反硝化为主,存在短程反硝化,系统 的同化脱氮约占总氮去除率的 1 4,试验装置在实验条 件下总氮平均去除率在 80 以上,出水 TN 15 mg L 。 试验表明, BICT 工艺脱氮主要依靠异养菌脱氮, 其主 要反应机理为序列硝化反硝化 ; 独立生物膜法硝化区 的设置,使自养的硝化细菌与反硝化细菌、 聚磷菌等异 养菌实现分相培养,降低了生物脱氮除磷工艺中不同 功能间的关联性,提高了系统脱氮的稳定性 ;SBR反应 器泥龄的缩短,提高了生物除磷的效率 。 参考文献 1 黄勇, 李勇, 潘杨. 双循环两相 BICT 生物处理工艺脱氮除磷研究. 中国给水排水,2003. 19 10 44～ 46. 2 Huang Yong, Li Yong, Pan Yang . BICT biological and Technology , 2004. 50 6 179～ 188. 3 赵旭淘, 顾国维. 硝化作用特性分析及讨论. 环境科学研究, 1995. 1 45～ 47. 4 Hano T ,Matsumoto M, Kuribayashi K et al. Biological Nitrogen Removal in A Bubble Column with A Draught Tube. Chemical Eng Sci, 1992. 47 3737～ 3744. 5 顾夏声. 废水生物处理模式. 北京 清华大学出版社, 1993. 87～ 88. 6 HONG W. ZHAO, DONALD S. MAVICIC et al.Controlling Factor for Simultaneous Nitrification and Denitrification in a Two-stage Intermittent Aertion Process Treating Domestic Sewage . Wat . Res. , 1999. 33 4 961～ 970. 7 李勇. 间歇活性污泥法脱氮除磷工艺的改进及试验研究. 哈尔滨工 业大学硕士论文,2001. 5 70～ 73. 作者通讯处 潘杨 215011 江苏省苏州市新区滨河路 298 号 苏州 科技学院环境科学与工程系 电话 0512 66116261 68247000 E -mail panyang mail. usts. edu. cn 2004- 06-08 收稿 55 环 境 工 程 2005年 4 月第23 卷第2 期 and abroad. The fly ash of CFB is not utilized effectuarlly at the present time. This paper introduces the s of exciting the activity of CFB fly ash and experimental study on producing masonry cement by CFB fly ash. Keywords CFB flyash, alkali excitation, activity and masonry cement UATION ON POTENTIAL ECOLOGICAL RISK OF HEAVY METAL POLLUTION OF SEDIMENTS IN HAIHE RIVERWang Shengqiang et al 62 Abstract Through analyzing the contents of typical heavy metal pollutants Cu, Pb, Zn, Cd and Cr in sediments of Haihe River, adopting the index number techniques of single factor andHakanson ecological risk, the quality statusof these sedimentswere uated; the pollution of the sediments by heavy metals and the potential ecological risk of Haihe River were determined quantitatively . Keywords Haihe River, sediment, heavy metals and ecological risk RESEARCH ON MODEL OF RELATION BETWEEN THE UTILIZATION OF COAL RESOURCES AND SO2POLLUTION OF ATMOSPHERE IN THE URBAN AREA OF JIAOZUO CITY Wang Hailin et al 64 Abstract Firstly the relation between the utilization of coal resources and SO2pollution of the urban area atmosphere of Jiaozuo City was researched. The diffusing model of SO2pollution applying to the urban area atmosphere of Jiaozuo City was set up. In the model the contribution from area pollution sources was calculated by transing it to the background concentration, so the model was greatly simplified. By which SO2 concentrations from 1996 to 2000were also calculated and compared with the monitoring data, it is found that the model is suitable for the actual conditions of the test zone.Based on which, SO2concentrations in this area were forecasted. Keywords pollution sources of coal utilization, SO2pollution, diffusing model of atmosphere pollution and prediction of atmosphere pollution MODEL DEVELOPMENT AND IDENTIFICATION OF RAPID FILTRATION PROCESSES Tong Qingyuan et al 67 Abstract This paper is part of a national framework for systematically assessing water safety risks, yet with focus only on the simulation of the rapid filtration process. The filtration process is described by a dynamic and conceptual model, represented by partial differential equations, and the simulated components include CODMn, NH3-N,turbidity and microorganisms.The simulated sub -processes included diffusion, biodegradation, sediment, adsorption, desorption and backwash. The model is calibrated by a set of field data from a large waterworks in the south of China,where contamination of drinking water resources is notable. The results reveal that the model fits the observed data quite well and is satisfactory for its future application. Keywords simulation, rapid filtration process, CODMn, turbidity and NH3-N A NEW BIOLOGICAL PROCESSSTUDY ON NITROGEN REMOVAL MECHANISM OF BI- CYCLIC TWO-PHASE BICT PROCESSPan Yang et al 69 Abstract Under the operational condition, synthetic wastewater was used in the experiments to investigate the perance of nitrogen removal by the BICT of the reactor. The results of the experimental study can be concluded as follows. The nitrogen removal mechanism of BICTP is sequential nitrification and denitrification. A separte attached-growth reactor was adopted to enhance the function of nitrification and increase the efficiency and the stability of nitrogen removal process. Under suitable conditions, the removal rate of TN total nitrogencan reachover 80, and the effluent concentration of TN can be controlled below 15 mg L. Keywords activated sludge, nitrification, denitrification and nitrogen removal NUMERICAL SIMULATIONANDCOAGULATIONEFFICIENCYOFFLOWFIELDFOR RECIPROCATING BAFFLED FLOCCULATION TANKZhuJiaolin et al 72 Abstract In this paper, the numerical simulation is applied to the flow field for a reciprocating baffled flocculation tank. Based on the characteristic of flocculation tank an analysis of the influence of the flow field on flocculation is carried out. The conclusion indicates the optimum value of A1 A2is from 1. 2 to 1. 5,where A1is the area of the wetted cross-section in the corner and A2is the area of the wetted cross -section in the gallery. The coagulation efficiency in the tank is relatively perfect if designed it according to the optimum value of A1 A2. Keywords reciprocating baffled flocculation, flow field, A1 A2andANSYS SYNTHESIS OF CIRCULATING COOLING WATER TREATMENT AGENT FIT FOR FRIENDLY ENVIRONMENTZhang Yanhe et al 75 Abstract A newly biodegradable copolymer was synthesized by aconitic acid and a small quantity of acrylic acid, and citric acid was 5 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 23, No. 2,Apr. ,2005