1、實現(xiàn)同步硝化反硝化廢水的低成本邁克奧尼爾*和奈杰爾j霍蘭*進程管理器,北西水,奧克蘭,曼徹斯特,英國*高級講師 公共衛(wèi)生工程、土木工程系、利茲大學(xué)LS2 9 jt,英國文摘奧貝爾工藝廢水的處理，在溶解氧濃度為1.5毫克/ L時同時存在硝化和反硝化。潛在的這個過程同時提供降低成本和簡化在地中海環(huán)境脫氮的操作。這項工作的目的是為了探討這些要求,并試圖描述一種機制的實驗驗證。在恒化器中使用混合培養(yǎng)生長，在好氧/缺氧循環(huán)條件下觀察同步硝化反硝化。降低途徑,或“亞硝酸鹽分流”不能被證明，但它可能解釋反硝化菌在好氧條件下的滯后現(xiàn)象。反硝化作用持續(xù)一段時間之前，氧取代硝酸鹽作為終端電子受體的響應(yīng)，滯后的長度

2、是在缺氧條件下的持續(xù)時間。關(guān)鍵字奧貝爾氧化溝工藝、硝化、反硝化、活性污泥、污水引言自1960年代后期，地中海的狀況不斷惡化,部分原因是在沿海地區(qū)的海洋自然生態(tài)系統(tǒng)面臨嚴(yán)重的污水污染（薩利巴，1978）。對于地中海污染的第一次審查表明，近岸海域污染的臨界水平主要是由于大量的生活污水排放處理不當(dāng),加上一個有機質(zhì)含量較高和有毒分?jǐn)?shù)較大且不受控制的工業(yè)成分(GFCM,1972)。高達85%的整體地中海污染來自陸地，這包括一個年度1042 x 103噸的磷負(fù)荷。所以說這種大量養(yǎng)分的投入是不足為奇的，赤潮定期記錄在地中海包括一些有毒的物種，如鰭藻，膝溝藻和具。1975年地區(qū)政府的地中海行動計劃的采用已導(dǎo)致

3、了一系列的環(huán)境管理方案，包括使用和安全處置的國內(nèi)和工業(yè)廢水（德費克和薩利巴，1986）。一個廣泛的處理系統(tǒng)是實用的，具有去除營養(yǎng)物質(zhì)的能力，從低成本的選項，如蘆葦床系統(tǒng)通過高技術(shù)，生物植物（霍蘭，1990）。利用好氧硝化細(xì)菌和缺氧反硝化細(xì)菌從廢水中完全脫氮是相對簡單的。然而,當(dāng)利用這些微生物在污水處理過程中,有必要提供單獨的需氧和缺氧的區(qū)域。這增加了所需處理反應(yīng)器的總體積（即該計劃的資金成本），也使得操作過程更加復(fù)雜。本文報告了一個稱為“奧貝爾系統(tǒng)的同步硝化反硝化”的處理過程，僅僅一個曝氣反應(yīng)器，從而大大降低資本和運營成本。奧貝爾系統(tǒng)奧貝爾系統(tǒng)的過程是由一個多通道氧化溝組成的一個單一系統(tǒng)，活性

4、污泥工藝采用串聯(lián)操作的兩個或兩個以上的循環(huán)反應(yīng)器。該系列反應(yīng)堆(渠道或車道)是最常見的框架-中心構(gòu)造，水深4.3米,每一個渠道有一個無盡的流路和一個完全混合反應(yīng)器，使其快速流入并迅速分散在混合液中?；旌弦阂话阍谒綀A盤表面曝氣和混合。水流在重力作用下從一個通道通過水下堰口流到下一個通道。這個過程是一個專有的系統(tǒng)，其銷售在美國的瓦克夏環(huán)保工作展覽公司。奧貝爾氧化溝的最常見的應(yīng)用是在延時曝氣方式，同心三通道都具有相同的橫截面，從而導(dǎo)致外（或第一）通道大約有一半的總池容積，中間（或第二）通道有三分之一的盆地體積和內(nèi)部（第三）通道有約盆地的六分之一體積。在一個“正?！钡膴W貝爾應(yīng)用程序中所有的浪費飼料和

5、RAS進入第一通道，只有一半的體積和曝氣容量存在。第一通道并具有高的氧攝取率和低（零至0.5毫克/升）的溶解氧。第二通道,三分之一的體積和曝氣盤,溶解氧量為0.5到1.5毫克/升。第三通道，用剩下六分之一的體積和磁盤，溶解氧量為2到5毫克/升。對于單一的渠道系統(tǒng)這種固有的分層使溶解氧量減少了20%?？赡埽匾氖?，這個特殊的性質(zhì)和溶解氧分層通過奧貝爾系統(tǒng)強化營養(yǎng)物質(zhì)的自身除磷。曝氣是通過不銹的塑料曝氣盤,直徑1.38米，厚13毫米。有一些小孔的面孔，通過盤的軸向中心線方向膜封閉。圓盤的兩面都覆蓋著數(shù)百個半金字塔形的凸起用來彌補因小孔關(guān)閉而減少的氧量。磁盤操作距離在0.23到0.53米之間，最

6、佳轉(zhuǎn)速為40到60 轉(zhuǎn)/分。它可以在錐形突起的兩個方向旋轉(zhuǎn)并混合進入頂端，約30%以上的氧傳遞到此。這個整體的浸沒范圍為0.30 m，40到60 轉(zhuǎn)的速度方差和反轉(zhuǎn)功能在氧輸送方面提供了一個打開/關(guān)閉的比例為5:1。一種獨特的運行方式對奧貝爾系統(tǒng)有著旁路功能。此功能是把分流聯(lián)合污水稀釋并送到第三通道而暴雨徑流污水被送到外部渠道（斯默爾伍德,1989)。這種操作方式允許生物固體的庫存增加存儲和充氣前兩個通道,而澄清器固體庫存大幅降低。這就排除了固體存儲在澄清器內(nèi)的失衡,以及防止固體顆粒沖刷過堰。在一個類接觸穩(wěn)定的模式下，在第三通道流程花費一到兩個小時。停留時間就足以提供所需的處理效果,更好于不處

7、理的。只要稀釋雨水污水的條件存在，旁路裝置就可以利用。奧貝爾工藝中的生物持續(xù)峰流是平均流量的7至10倍，且保持在四到五天內(nèi)即不違反排放許可。奧貝爾工藝可以設(shè)計為將硝化和反硝化同時發(fā)生在第一渠道(納韋爾,1988)。雖然阿普爾蓋特(1980)展示了在南亨茨維爾(德州)污水處理廠的奧貝爾工藝中TN高達91%的去除率并不能保證，但80%的去除率卻是一個更現(xiàn)實的成就。在地中海環(huán)境下具有同步硝化/反硝化作用的奧貝爾工藝是最具吸引力的特性。這種說法是與現(xiàn)有的理論相反的，因為硝化反硝化過程需要單獨的缺氧/好氧區(qū)（霍蘭，1990）。它已經(jīng)表明，在奧貝爾系統(tǒng)外圈通道中的溶解氧濃度保持在幾乎為零，不僅可以硝化和反

8、硝化同時發(fā)生，而且可以縮短反應(yīng)途徑。代替常規(guī)的方法在方程(1)硝酸鹽不會作為中間物質(zhì)產(chǎn)生，在方程(2)中反硝化作用將生成亞硝酸鹽。這個縮短的途徑被稱為“亞硝酸鹽分流”。這項研究的目的在于：1） 復(fù)制奧貝爾氧化溝系統(tǒng)存在的條件。2） 確認(rèn)同步硝化反硝化條件下可能發(fā)生零溶解。3） 調(diào)查“亞硝酸鹽的存在分流”建議用替代的機制來解釋同步硝化和反硝化作用的這一現(xiàn)象。材料和方法實驗研究采用2L的玻璃恒化器進行無菌發(fā)酵（LH發(fā)酵），從硝化活性污泥獲取混合液培養(yǎng)基。在初始階段研究使用的培養(yǎng)基中（毫克/升）：實驗室肉汁粉，200；尿素，47；NaCI， 11；CaC12.2H20, 6.2; MgS04.7H2

9、0, 3; K2HP04, 44; NaHC03, 400。準(zhǔn)備的這2L的培養(yǎng)液要在120攝氏度的條件下蒸70分鐘。反應(yīng)器是連續(xù)流動條件下運作,通過的釋速率為0.05 /h，恒定條件為溫度為200攝氏度，PH值為.。培養(yǎng)液在反應(yīng)器中通過蠕動泵和電線以防止污染。培養(yǎng)液容器的數(shù)據(jù)每天進行監(jiān)測。分析方法所有的分析方法中，概述的程序遵循標(biāo)準(zhǔn)方法(脈沖幅度分析,1992)。分析：懸浮固體濃度（稱量）；溶解氧濃度（整形極譜探頭）；pH值（pH探針）；氧化還原電位（氧化還原電極）；氨氮；亞硝態(tài)氮（離子色譜法）和硝態(tài)氮（離子色譜法）。結(jié)果建立硝化反應(yīng)這種恒化器是通過結(jié)合活性污泥(1升)和新制備的介質(zhì)（4L）

10、在5 升的容器中曝氣一個星期以適應(yīng)活性污泥的新媒介。在接種后, 在恒化器中建立硝化作用是不容易，且相當(dāng)大的時間都花在優(yōu)化條件的稀釋率和進水氨氮濃度上。然而當(dāng)使用稀釋速率為0.01 /小時時，完全硝化作用得以實現(xiàn)了。同步硝化反硝化的建立為了增加反硝化作用產(chǎn)的溶解氧濃度，將反應(yīng)器減少到兩個階段。最初,濃度下降約4 mg / L到1.5 mg / L,然后進一步減少到0.5 mg / L。此外，必須添加碳源以對進水中反硝化作用提供電子。這是通過使用酵母提取物(100 mg / L)以補充250 mg / L的乙酸酯。這對保持亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮和全硝化態(tài)氮的濃度無明顯影響。硝酸鹽氮濃度仍始終高于19毫克

11、/升, 但大多數(shù)時候亞硝酸鹽氮是無法覺察的。氮的質(zhì)量平衡在這段時期的脫氮率為24毫克NO- N / L 。抑制硝化作用的第二階段在反應(yīng)器中建立的硝化和反硝化，試圖抑制發(fā)生在硝化反應(yīng)第二階段亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的時期。理論上應(yīng)該是比較簡單的，許多作者建議，環(huán)境參數(shù)在第二階段都比較敏感：pH值增加；亞硝態(tài)氮濃度升高；游離氨氮濃度升高，溫度升高（蘭達爾和布斯1984）。第二階段的硝化抑制的最終目標(biāo)，是在硝化第二階段抑制結(jié)果的條件下建立一個亞硝酸鹽分流和亞硝酸鹽的積累。亞硝酸鹽分流是通過硝化反應(yīng)比反硝化反應(yīng)產(chǎn)生更多的亞硝酸鹽而形成的。相比之下建立的亞硝酸鹽表明，亞硝酸鹽分流不發(fā)生 氨氮硝酸鹽氮周期開始

12、時間圖1增加反應(yīng)器的進水氨氮和pH值對硝化程度的影響為了提高聯(lián)合電離反應(yīng)器中的氨的濃度，且通過增加2M的氫氧化鈉使反應(yīng)器中的pH值從7.2增加到8.5（圖1，階段1）。然而這對硝化速率和硝酸鹽的濃度影響不大，仍高于30mgL。因此下一個步驟是保持PH為8.5,增加一定的氨在支流中通過50 mg / L銨態(tài)氮(圖1,階段2)。此外，硝化桿菌沒有抑制作用，事實上，硝態(tài)氮量增加了一倍以上，5天后從32毫克/升變?yōu)?6毫克/升。兩者均增加了，總共196.7 mg/L氨氮溫度從20攝氏度變?yōu)?50攝氏度（圖1，階段3和4）。硝酸氮濃度又繼續(xù)上升達到最高,為83.2 mg / L,第二階段仍然不降。缺氧/

13、好氧同時硝化脫氮循環(huán)針對難以抑制硝化菌屬，另一種方法是采取缺氧期間硝化作用抑制,其次是含氧條件下為了抑制反硝化作用。如此循環(huán)開始的24小時周期包括曝氣4小時和20小時無曝氣。這產(chǎn)生了一個4小時的有氧階段，溶解氧濃度達到約5毫克/ L，隨后由缺氧段的溶解氧濃度下降到零和氧化還原電位為負(fù)價值。分析了日常的周期，同時由于這種循環(huán)作用使硝態(tài)氮的最大濃度從40mg/L下降到11mg/L。亞硝酸鹽氮的濃度仍同于先前的9mg/L。產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的循環(huán)后，三次氮物種的濃度保持恒定在15天（圖2）。圖表，圖2，一個氮物種的出現(xiàn)后有氧/缺氧的周期變化為了獲得更好的曝氣周期和更詳細(xì)的分析硝酸鹽和亞硝酸鹽的產(chǎn)生，每30分鐘

14、將進行一次實驗分析。每日內(nèi)氨氮濃度保持波動在100和170毫克/升，在曝氣階段溶解氧濃度峰值約在7毫克/ L左右。曝氣停止后溶解氧迅速減少。曝氣停止八小時后，反應(yīng)器沒有溶解氧且在整個缺氧期內(nèi)檢測到的濃度為零。反應(yīng)器內(nèi)容物在好氧階段的氧化氧化還原電位測量值約70到80 mV，當(dāng)下降到低于300 mV時曝氣停止。在24小時周期內(nèi)pH值保持在8.5左右，輕微下降的pH將在缺氧階段觀察到（表1）。表1，在超過24小時的晝夜周期內(nèi)，一個典型反應(yīng)器內(nèi)的變化。圖表：時間 溶解氧氧化還原電位PH氨氮硝酸鹽氮亞硝酸鹽氮有氧時期開始有氧期結(jié)束在硝態(tài)氮的硝化階段，氮濃度低至0.45/L和亞硝態(tài)氮濃度低至.。充氣后有

15、2小時的滯后期前濃度開始下降，檢測這些項目將在3-4小時之內(nèi)。在周期內(nèi)沒有證據(jù)表明亞硝酸鹽或硝酸鹽的存在。第二日的實驗進行中，影響進水速率的因素是曝氣階段開始之前的時間。這將終止反硝化作用，且反硝化作用中的碳源會很快耗盡。因此它應(yīng)該允許建立硝化作用的產(chǎn)物，且存在的亞硝酸鹽分流更容易識別。通過以前做的實驗，氨的濃度波動在100和170毫克/升之間。在曝氣周期內(nèi)水中的溶解氧濃度升至約8 mg / L，其余的周期內(nèi)其慢慢地降至4到5 mg / L。碳源缺乏時，溶解氧的濃度不下降為零時是不會發(fā)生異養(yǎng)作用的。這種情況反映在氧化還原電位上，一旦它們達到高峰，整個周期將維持在100毫伏的。在24小時內(nèi)由于硝

16、化作用的發(fā)生，pH值將緩慢下降到最6.9,并伴隨著二氧化碳產(chǎn)生。在整個周期內(nèi)亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的濃度均增加，雖然他們的濃度仍然很低（亞硝態(tài)氮1.42毫克/升，硝態(tài)氮1.92毫克/升）。本實驗還沒有產(chǎn)生顯著的亞硝酸鹽或硝酸鹽，因此亞硝酸鹽分流的存在與否它不可能得出任何結(jié)論（表2）。最后一日進行的實驗，目的是延長曝氣時間直到硝化作用達到高峰，當(dāng)脫氮達到頂峰時關(guān)掉曝氣，重復(fù)這個周期過程。氨氮濃度的波動范圍在120至170毫克/升之間，似乎這是整個實驗的趨勢。溶解氧迅速的達到最高的9 mg / L并在整個曝氣周期內(nèi)濃度保持7 - 8 mg / L。此反應(yīng)共計14小時的曝氣時間使硝化作用已經(jīng)達到頂峰。最初

17、曝氣停止后溶解氧的濃度迅速下降,但仍以1mg/L的濃度保持八小時。反應(yīng)器進行了四個小時之后，溶解氧下降到零。氮的濃度在這日明顯高于以前的實驗結(jié)果，對亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的濃度分別為為15.4 mg/L，50 mg/L（圖3）。這是第一次出現(xiàn)如此大量的硝態(tài)氮。一旦曝氣停止，氮氣將不會像通常一樣快速下降,大量的氮存在于反應(yīng)堆中。表2，在超過24小時晝夜循環(huán)期間改變反應(yīng)器的內(nèi)容，碳源是不存在的圖表：時間 溶解氧 氧化還原電位 PH 氨氮 亞硝酸鹽氮 硝酸鹽氮好氧階段開始 好氧階段結(jié)束在33小時之后，亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮濃度分別下降至25.3mg / L和9.6 (圖3)。據(jù)推測，這是由于長時間曝氣影響了

18、反硝化作用，使反硝化能力減弱。圖表：Air on 開啟空氣 air off 關(guān)閉空氣圖3，較長的曝氣時間對一晝夜好氧/缺氧以周期內(nèi)的反硝化能力有一定的影響觀測硝化停止點和反硝化開始點這是硝化反硝化發(fā)生明顯異常操作的條件下的實驗結(jié)果。這個實驗的目的是探討硝化和反硝化的開關(guān)之間的邊界時期，并試圖定義導(dǎo)致這樣的開關(guān)條件。這樣做的最好辦法是逐步調(diào)整溶氧濃度和監(jiān)控亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的濃度?，F(xiàn)有的溶解氧控制設(shè)施是不存在的，所以唯一的選擇是充氣數(shù)小時，然后關(guān)閉反應(yīng)器中的曝氣和監(jiān)控內(nèi)容。充氣停止六個小時后，反應(yīng)器中的溶解氧濃度下降到零。在實驗中反映了氧化還原電位讀數(shù)從+56下降到-400。在反硝化過程中，pH值從7.66緩慢上升到曝氣時間結(jié)束時的8.72（見表3）。表3，停止曝氣后的反應(yīng)混合液的物理特性圖表：停止曝氣時間（小時） 溶解氧（毫克/ 1）氧化還原電位（MV） pH值最重要的是反應(yīng)器中的氮濃度。在結(jié)束90分鐘后的曝氣周期內(nèi)亞硝酸鹽氮濃度不斷增加達到最大值13.5 mg / L。七個小時后其濃度穩(wěn)步下降至零。曝氣停止三小時半后硝態(tài)氮的濃度立即從開始的5.77mg/升下降到零。這些結(jié)果表明在一個期間內(nèi)，有同步硝化反硝化反應(yīng)?？紤]到亞硝態(tài)氮的隔離點是在開關(guān)2小時后，當(dāng)溶解氧濃度在為2mg/L和亞硝酸氮濃度停止上升并開始