碳源对生物膜同步硝化反硝化脱氮影响_魏海娟

第36卷第4期
2010年4月北京工业大学学报JOURNAL OF BE I J I N G UN I V ERSI TY OF TECHNOLOGY
Vol .36No .4Ap r .2010碳源对生物膜同步硝化反硝化脱氮影响
魏海娟1,2,张永祥1,蒋　源1,张　璨1
(11北京工业大学建筑工程学院,北京　100124;21上海城投污水处理有限公司,上海　201203)
摘　要:利用序批式移动床生物膜反应器研究了有机碳源对低碳氮比ρC /ρN (指ρC OD /ρT N ,以下同)生活污水同
步硝化反硝化脱氮的影响,结果表明,在无外加碳源时,同步硝化反硝化条件下T N 去除率为5918%,COD 平均
去除率为83112%,NH +42N 去除率为9419%(最高达到9918%);分别以淀粉、葡萄糖和甲醇为外加碳源,ρC /ρN
=7时,发现投加外碳源有利于有机物、NH +42N 和T N 的降解和转化,NH +
42N 转化受碳源种类影响不大,投加淀粉时有机物降解不完全导致系统有恶化趋势,投加甲醇碳源时系统脱氮效率最高,T N 去除率达8415%,投加葡萄糖时,T N 去除率为80155%,从安全和经济方面考虑,确定投加葡萄糖较为合适.
关键词:同步硝化反硝化;实际生活污水;有机碳源;移动床生物膜反应器
中图分类号:X 703文献标识码:A 文章编号:0254-0037(2010)04-0506-05
收稿日期:2008209223.
基金项目:国家自然科学基金资助项目(40372113).
作者简介:魏海娟(1979-),女,陕西宝鸡人,博士生.
碳源(carbon s ource )是在微生物生长过程中为微生物提供碳素来源的物质,是影响反硝化细菌活性的重要因素之一.反硝化菌以亚硝酸盐或硝酸盐作为电子受体,将污水中有机物作为碳源充当电子供体,通过同化和异化作用将含氮污染物转化为有机氮化合物和气态氮.以往研究发现,废水生化处理中只有
当ρC /ρN ≥7时才能取得较好的总氮去除率
[1].从废水生化脱氮的角度来看,能为反硝化细菌所利用的碳源主要分为3类:废水中的有机碳源、外加碳源和内碳源[2].内碳源的反硝化速率极低,利用内碳源进行反硝化脱氮,要求反应器泥龄长、污泥负荷低,这样导致反应器的容积相应增大,负荷率低.因此,当污水本身所含有机碳源极低时,要想获得较好脱氮效率就需要外加碳源.
同步硝化反硝化(si m ultaneous nitrificati on and deitrificati on,简称S ND )工艺是在一定的操作条件下,在同一个反应器内同时完成硝化和反硝化作用而达到生物脱氮目的.近年来研究表明,国内外对于活性污
泥法S ND 工艺研究已取得较好效果[328],而对于生物膜工艺S ND 研究报道较少.移动床生物膜反应器
(MBBR )既能解决固定床反应器需定期反冲洗、流化床需使载体流化的问题,也能解决淹没式生物滤池堵塞需清洗滤料和更换曝气器的复杂操作等问题[9213],同时移动的生物载体也能为世代时间长、增殖速度慢的硝化菌群提供良好生存环境,使在MBBR 中实现同步硝化反硝化具有一定的优势.作者利用MBBR 实现同步硝化反硝化,主要探讨了有机碳源同步硝化反硝化脱氮的影响.
1　试验材料与方法
111　污水水质
实验研究水源为北京某高校家属区排放的生活污水,水质指标见表1.
表1　废水水质指标
Table 1　W a ter 2qua lity i n dex of wa ste wa ter
指标
pH ρC OD /(mg ・L -1)ρBOD 5/(mg ・L -1)ρNH +42N /(mg ・L -1)ρNO -32N /(mg ・L -1)ρT N /(mg ・L -1)波动范围712～810200～30090～20060～1000142～115080～110
　第4期魏海娟,等:碳源对生物膜同步硝化反硝化脱氮影响 从表1中可以看出,实际生活污水中的ρNH +42N 比普通生活污水中的ρNH +42N
高(大多数生活污水中ρNH +42N 约为50mg/L ),ρC /ρN 较低,约为310
.112　实验装置
反应器由有机玻璃制成,总容积15L,主体部分由反应区(12L )、沉淀区(3L )和曝气装置组成,直径20c m ,总高50c m.内置大连宇都B i o MT M 微生物膜载体(载体各个技术参数见表2),空气压缩机供氧,曝气砂头曝气,采用蠕动泵控制进水流量,实验装置如图1所示.
表2　B i o M T M 载体的主要技术参数
Table 2　Techn i ca l param eters of B i o M T M carr i er
高/mm 直径/mm 厚度/mm 翼片高/mm
ρ/(g ・cm -3)孔隙率/%比表面积/(m 2・m -3)总比表面积/(m 2・m -3)7100171100196～0199846141100
113　实验运行方式及检测方法
图1　移动床生物反应器装置示意图
Fig .1　Schematic diagra m of moving 2bed bi ofil m react or 实验采用序批式运行方式,每天运行2个周期,
每周期12h,进水10m in,曝气11h,沉淀40m in,排水
10m in,反应器内生物载体填充率为53%,试验温度
控制在25℃.主要检测指标:NH +42N 、NO -22N 、NO -
32N 及T N 均采用标准方法[14];COD 采用5B -3(B )
COD 多元快速测定仪;DO 采用H12400P 型DO 测定
仪;pH 值采用55500-10型pH 计;碱度采用COM -
300型自动电位滴定仪.2　结果与讨论
211　生活污水SN D 脱氮实验
实验期间进水ρCOD 为20618～285178mg/L,ρNH +42N 为70132～9118mg/L,ρT N 为72198～94115mg/L.由
于试验对象为实际生活污水,每个周期的ρC /ρN 都不同,试验期间ρC /ρN 为2175～316,平均ρC /ρN =3101,
当运行稳定后,考察了连续15个周期中COD 、T N 和NH +42N 去除率随ρC /ρN 的变化曲线,如图2所示.
从图2中可以看出,整个考察期间,在低的ρC /ρN 比下,反应器对COD 和NH +42
N 的去除率均能取得很好效果,出水ρ(COD )<50mg/L,而出水ρ(NH +
42N )≤7mg /L,平均出水ρNH +42N 为4mg/L,COD 平均去除率为83112%,NH +42N 去除率为9419%(最高达到9918%).同时在好氧条件下T N 也有一定程度的亏损,
但出水中仍含有平均39mg /L 的T N ,没有达到我国最新颁布的污水排放标准(G B 18918—2002).T N 平均去除率为5218%(最高达到5918%),发生了同步硝化反硝化现象.为了进一步探讨同步硝化反硝化的发生,随机考察了单个周期内有机物和氮素的转化规律,见图3所示.
从图3中可以看出,从0时刻周期反应开始,在初始2h 之内反应器中有机物降解速度很快,呈直线下降趋势,随后的10h 内,有机物降解进入了慢速降解阶段.NH +
42N 转化主要发生在反应前4h 内,随后8h 内逐渐被氧化,转化速率缓慢,曝气结束时(11h ),ρNH +42N 为3177mg/L,NH +42
N 去除率为95139%.从NO -22N 转化规律来看,随着反应进行,部分NH +42N 逐渐转化为NO -22N 导致NO -
22N 在前6h 内逐渐增加,形成了一个量的积累,ρNO -22N 达到11163mg/L,随后又逐渐减小,转化为NO -
32N 或者直接进行反硝化.从NO -32N 转化规律看,在反应前8h 内,NO -
32N 含量逐渐增加,随后又有减小趋势.同时从T N 去除率规律705
北　京　工　业　大　学　学　报2010
年
图2　实际生活污水中有机物和氮素降解曲线
Fig .2　Degradati on curve of organic matter and nitr ogen
with actual sanitary waste
　图3　单个周期内氮素和C OD 随时间变化曲线Fig .3　Track curve of nitr ogen and COD vs ti m e
中可以看出,在整个好氧曝气阶段都有T N 的不定量亏损,发生了同步硝化反硝化.当有机物进入难降解阶段后,T N 亏损愈加明显,到停止曝气时T N 去除率达到5915%,停止曝气沉淀40m in 后系统T N 去除率
达到61116%,之所以能在低ρC /ρN 比条件下发生同时硝化反硝化,是由于反应器生物载体上附着着一层
生物膜.污水中的有机碳源首先被生物膜外层细菌吸附,在生物膜外部进行硝化反应,而生物膜内部细菌利用吸附的和胞内储存的碳源在厌氧环境下再进行反硝化.因此,附着或储存在载体上的有机碳源和生物膜内层的厌氧层使同步硝化反硝化的发生成为了可能.同时,移动床生物膜反应器内,悬浮填料在合适的气水比条件下,随水流不断循环的同时,自身不断旋动,老化的生物膜能及时通过水力紊动而自行脱落,既强化了传质作用,又可有效地控制生物膜的厚度,使其保持较高的生物活性.
212　添加有机碳源对SN D 脱氮的影响
图4　添加不同碳源时C OD 、NH +42N 和T N 去除效果Fig .4　The re moval result of COD /NH +
42N and T N when different carbon s ource
为了进一步提高同步硝化反硝化脱氮效率,以达
到我国现行的污水排放标准,实验研究了添加有机碳
源对S ND 脱氮的影响.按照碳源对反硝化效率的影
响,外加碳源通常分为2类:第1类是易生物降解有
机物,第2类为可慢速生物降解有机物.试验分别以
降解速率慢的淀粉和降解速率较快的葡萄糖和甲醇
为外加碳源,采取反应初始一次性加料的方式,调整
ρC /ρN 在7左右,控制添加碳源后进水ρCOD 为
546165～693131mg/L,其他条件不变,考察三者对同步硝化反硝化脱氮的影响.为了保证运行的稳定性,每种碳源投加运行15个周期,调整反应器至运行稳定后取样检测,实验结果如图4所示.
从图4可见,3种不同有机碳源的添加对系统效果影响不同,但对同步硝化反硝化脱氮效率都有所提高.3种碳源添加对于NH +
42N 去除的影响并不是很大,平均去除率分别为淀粉92136%、葡萄糖95186%和甲醇96173%,在进水NH +42N 平均质量浓度为84mg/L 左右时均能使出水NH +
42N 保持在10mg/L 以下.但不同碳源添加对有机物的降解和同步硝化反硝化脱氮效果的影响差别较大.从有机物降解曲线中可以看出,淀粉作为外加碳源时,系统中有机物平均去除率仅有78148%,出水有机物均在100mg/L 左右,而投加葡萄糖和甲醇时,COD 平均去除率均在90%左右,可能是由于葡萄糖和甲醇比淀粉容易降解,而且试验中发现,当以淀粉为外加碳源时,在反应器底部总会有1c m 厚的白色物质沉淀,味酸臭,是没有降解完全的淀粉,因此在反应周期结束时导致系统降解效果恶化.从T N 去除曲线中可以看出,投加甲醇时同步硝化反硝化脱氮效果最好,平均脱氮效率为8415%,其次添加葡萄糖时T N 平均去除率为80155%,添加淀粉时脱氮效率最低,只有66151%,这是由于甲醇是强还原化合物,微生物生长量很低,比较适宜作反硝化过程的电子受体.但是甲醇也有其弊端,价格高,且有毒性,相对而言,葡萄糖碳源是优质价廉的化工原
805
　第4期魏海娟,等:碳源对生物膜同步硝化反硝化脱氮影响
料,而且同步硝化反硝化脱氮效率最高能达到8219%,有机物和NH +42N 降解效果也很好,且能达标排放
(G B 18918—2002),因此,选择葡萄糖为碳源是安全、经济合理的.
213　无添加碳源和添加有机碳源反应过程对比
为了进一步研究添加有机碳源对同步硝化反硝化控制过程的影响,将生活污水S ND 脱氮过程和添加
有机碳源时S ND 脱氮过程进行对比,分别随机抽取单个周期,对各周期内有机物、NH +42N 、NO -22N 、NO -32N
和T N 降解和转化规律进行考察.添加有机碳源试验选择以葡萄糖为外加碳源,试验条件和环境同上,实验结果如图5所示.
图5　无外加碳源和添加葡萄糖时各指标转化规律
Fig .5　Conversi on rule of index when no adding carbon s orce and adding glucose
从图5中可以看到,无外加碳源和添加葡萄糖为碳源时,两者的有机物降解和NH +
42N 转化规律基本是一致的,有机物降解主要发生在反应初始2h 内;NH +
42N 在反应前3h 内转化速率很快,呈直线下降,两
者NH +42N 去除率均在95%以上.添加有机碳源使实际生活污水降低时(ρC /ρN =3)有机物去除和NH +42
N 转化与投加葡萄糖使实际生活污水提高时(ρC /ρN =7),2种水质指标变化不大,说明在一定范围内提高系统ρC /ρN 不会对COD 和NH +42
N 去除产生抑制作用.无外加碳源试验中,系统在4～7h 内出现了NO -22N 积累,随后在硝化作用下转化为NO -32N;系统在反应后9h 内均有30mg/L 左右的NO -
32N 积累.而添加葡萄糖后,NO -22N 有少量积累,到反应结束时NO -22N 全部转化为NO -
32N.添加有机碳源,有助于T N 的去
除,T N 去除率提高了将近30%,因此,添加有机碳源对于同步硝化反硝化具有促进作用.214　同步硝化反硝化脱氮机理探讨
移动床生物膜反应器采用B i o MT M 填料作为生物生存和进行各种反应的介质和载体,整个实验运行过程中均观察到在载体表面附着着一层淡黄褐色生物膜,通过微生物镜检发现存在多种微生物.随机抽取的单个周期试验中表明,在反应初期有机物以较快速率大量降解,在2h 之后处于难降解状态,降解速率减慢.在初始2h 内,大量有机碳源被附着在生物载体上的微生物吸附并有效存储,为后续反硝化的发生提供了可能.从氧扩散限制角度来说,在生物膜内部存在DO 梯度,生物膜外表面DO 较高,以好氧硝化菌为主,在生物膜内部,在氧传递受阻以及外部氧大量消耗的情况下,产生缺氧微区,为反硝化菌提供了优良的生存环境.而吸附和储存在生物膜表面的有机物质,通过浓度梯度扩散进入生物膜内部,许多低分子溶解态有机物被微生物细胞通过主动运输、辅助运输、单纯扩散机制直接吸收;大分子有机物吸附在细胞表面经胞外酶水解作用转化为可传递到胞内的溶解性有机物,这些有机物的存在为反硝化反应提供了能源和碳源,因此在移动床生物膜反应器内可以发生同步硝化反硝化.
3　结论
1)系统在移动床生物膜反应器中实现了同步硝化反硝化脱氮,在实际生活污水脱氮处理中,取得了平均52%的T N 去除率,对于有机物和NH +42N 也取得了很好的去除效果,出水COD 和NH +
42N 均能达到905
北　京　工　业　大　学　学　报2010年015
污水排放标准.
2)在投加淀粉、葡萄糖和甲醇分别调整系统ρC/ρN为7,虽然试验结果表明投加甲醇时脱氮效果最好,但从安全和经济角度考虑,葡萄糖能保证系统T N平均去除率在80155%,确定系统投加葡萄糖为外加碳源比较合适.
3)添加有机碳源在一定范围内对系统中有机物和NH+42N的降解和转化影响不大,而添加碳源对同步硝化反硝化的进行具有促进作用.
参考文献:
[1]高景峰,彭永臻,王淑莹.有机碳源对低碳氮比生活污水好氧脱氮的影响[J].安全与环境学报,2005,5(6):11215.
G AO J ing2feng,PE NG Yong2zhen,WANG Shu2ying.Effect of organic carbon on aer obic nitr ogen re moval in treat m ent of l ow
C OD/T N domestic waste water[J].Journal of Safety and Envir on ment,2005,5(6):11215.(in Chinese)
[2]徐亚同.废水中氮磷的处理[M].上海:华东师范大学出版社,1996.
[3]TH I RD K A,GI B BS B,NE WLAND M,et al.Long2ter m aerati on manage ment for i m p r oved M2re moval via S ND in a
sequencing batch react or[J].W ater Research,2005,39:352323530.
[4]HOLMAN J B,WAREHAM D G.C OD,a mmonia and diss olved oxygen ti m e p r ofiles in the si m ultaneous nitrificati on/
denitrificati on p r ocess[J].B i oche m ical Engineering Journal,2005,22:1252133.
[5]ZHANG D J,LU P L,LONG T R,et al.The integrati on of methanogensis with si m ultaneous nitrificati on and denitrificati on in
a me mbrane bi oreact or[J].Pr ocess B i oche m istry,2005,40:5412547.
[6]LE MA I RE R,MEYER P,T ASKE A,et al.I dentifying causes f or N2O accu mulati on in a lab2scale sequencing batch react or
perf or m ing si m ultaneous nitrificati on,denitrificati on and phos phorus re moval[J].Journal of B i otechnol ogy,2006,122:622
72.
[7]王建龙,彭永臻,王淑莹,等.复合生物反应器亚硝酸型同步硝化反硝化[J].北京工业大学学报,2007,33(12):
131021314.
WANG J ian2l ong,PE NG Yong2zhen,WANG Shu2ying,et al.Si m ultaneous nitrificati on and denitrificati on via nitrite in a sequence hybrid bi ol ogical react or[J].Journal of Beijing University of Technol ogy,2007,33(12):131021314.(in Chinese) [8]HOLAK OO L,NAKHLA G,BASSIA S,et al.Long ter m perfor mance ofMBR f or bi ol ogical re moval fr om synthetic munici pal
waste water[J].Che mos phere,2007,66:8492857.
[9]RUSTE N B,E I KE BROKK B,ULGE NES Y,et al.Design and operati ons of the Kaldnes moving bed bi ofil m react ors[J].
Aquacultural Engineering,2006,34:3222331.
[10]王荣昌,文湘华,钱易.流动床生物膜反应器在污水处理中的应用研究现状[J].环境污染治理技术与设备,2003,4
(7):79284.
WANG Rong2chang,W E N Xiang2hua,Q I A N Yi.The current app licati on of mobile bed bi ofil m react ors in waste water treat m ent[J].Techniques and Equi pment f or Envir on mental Polluti on Contr ol,2003,4(7):79284.(in Chinese)
[11]杨玉旺.移动床生物膜反应器处理污水的研究应用进展[J].工业水处理,2004,24(2):12215.
Y ANG Yu2wang.Current study and app licati on ofMBBR t o waste water treat m ent[J].I ndustrialW ater Treat m ent,2004,24
(2):12215.(in Chinese)
[12]王学江,夏四清,赵玲,等.DO对MBBR同步硝化反硝化生物脱氮影响研究[J].同济大学学报:自然科学版,
2006,34(4):5142517.
WANG Xue2jiang,X I A Si2qing,ZHAO L ing,et al.Effect of DO on si m ultaneous nitrificati on and denitrificati on in MBBR [J].Journal of T ongji University:Natural Science,2006,34(4):5142517.(in Chinese)
[13]刘雨,赵庆良,郑兴灿.生物膜法污水处理技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2001.
[14]国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会编.《水和废水监测分析方法》[M].4版.北京:中国环境科学
出版社,2002.
　(下转第545页)
　第4期梁　毅,等:基于虚拟货币的网格资源共享管理　
Vi rtual Currency 2based Gr i d Resource Shar i n g Manage ment
L I A NG Yi 1,D I Rui 2hua 1,Z HANG Zheng 1,Z HAN J ian 2feng 2,WANG Lei 2
(11College of Computer Science,Beijing University of Technol ogy,Beijing 100124,China;
21I nstitute of Computing Technol ogy,Chinese Acade my of Sciences,Beijing 100190,China )
Abstract :W ith a vie w t o the efficient manage ment of the non 2cooperated grid res ource sharing,a virtual currency 2based res ource sharing manage ment s oluti on is p r oposed .A s the key issue of the s oluti on,the cl ose 2l ooped use mode of the virtual currency is defined and the ti m e unit 2based res ource p rice model is p resent as the basis of the s oluti on;and the funding injecti on and the res ource charging strategy are designed .Experi m ental results show that the virtual currency 2based res ource manage ment s oluti on can p ri oritize user πs j ob with the all owance account funding injecti on and ensure a better computati onal efficiency f or users with the res ource contributi on .
Key words :grid co mputing;res ource sharing;virtual currency;user account;res ource p rice
(责任编辑　梁　洁)
　(上接第510页)
I nfluences of Carbon Source on Si m ult aneous Nitri fi cati on
and Den itri fi cati on of Bi o me mbrane Reactor
W E I Hai 2juan 1,2,Z HANG Yong 2xiang 1,J I A NG Yuan 1,ZHANG Can 1
(1.College of A rchitecture and Civil Engineering,Beijing University of technol ogy,Beijing 100124,China;
2.Shanghai Chengt ou W aste water Treat m ent Co .L td,Shanghai 201203,China )
Abstract :The p resent paper ai m s t o intr oduce research of the effect of organic carbon on the denitr ogenati on using si m ultaneous nitrificati on and denitrificati on in moving 2bed bi ofil m react or .COD /T N rati o was about 3in real domestic waste water .The result of the treat m ent show that at the end of aerati on the average re moving rate of T N,NH +
42N and COD can reach 5918%,83112%and 9419%,res pectively .I n order t o i m p r ove the efficiency of re moving T N,the experi m ent added a mylu m ,glucose and methanol .The results show that adding organic carbon can i m p r ove the degradati on of COD and nitr ogen .W hen adding a mylum ,COD degradati on was incomp lete and leaded t o the syste m perf or mance deteri orati on .W hen adding methanol and glucose,the T N re moval rati o reached 8415%and 80155%,res pectively .But considering fact ors of security and economy,adding glucose is more app r op riate .
Key words :si m ultaneous nitrificati on and denitrificati on;real domestic waste water;organic carbon;moving 2bed
bi ofil m react or
(责任编辑　郑筱梅)545。