1、实时控制下短程生物脱氮的实现及其稳定性研究吴昌永1， 陈志强1， 彭永臻1，2， 刘秀红1(1哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨150090；2北京工业大学环境与能源工程学院，北京100022)摘要： 采用小试SBR反应器处理实际生活污水，研究了实时控制条件下短程生物脱氮的实现和稳定性。结果表明，系统在实时控制条件下运行67d，实现了较为稳定的短程硝化反硝化，亚硝酸盐积累率(NO2-N/NOx-N)80 ；在此基础上将系统改为定时运行，短程硝化则逐步受到破坏，证明了实时控制对短程硝化的维持具有重要作用。此外，考察了在实时控制条件下温度和短时高氨氮负荷对短程生物脱氮稳定性的影响。结果表
2、明，在平均温度为20时，亚硝酸盐积累率有所降低但仍可稳定地维持在60以上；高NH4+-N冲击负荷对短程生物脱氮系统的影响较小，系统恢复能力较强，恢复后的亚硝酸盐积累率70，表明实时控制条件下的短程硝化反硝化具有-定的稳定性。关键词： 生活污水, SBR, 短程生物脱氮, 实时控制, 定时控制中图分类号：X703. 1文献标识码：C 文章编号：10004602(2006)19003905Achievement and Stability of Shortcut Biological Nitrogen Removal under Rea1 Time ControlWU Chang-yong ， C
3、HEN Zhi-qiang ， PENG Yong-zhen ， LIU Xiu-hong(1School of Municipal and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China；2College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100022，China)Abstract： A lab-scale SBR was employed to treat d
4、omestic wastewater and investigate the achievements and stability of shortcut biological nitrogen removal under real-time control conditionsThe results show that stable shortcut nitrification and denitrification can be achieved in 67days under rea1 time control conditionsThe nitrite accumulation rat
5、e(NO2-N/NOx-N)is over 80;Thenthe reactor is operated under fixed-time control and the nitrite accumulation rate decreases gradually.It is demonstrate that the real-time control is important to the stability of file shortcut nitrification.The effects of temperature and high ammonia nitrogen loadings
6、on the stability of shortcut nitrification and denitrification under real-time control conditions were investigatedThe results show when the average temperature is 20.the nitrate accumulation rate decreases but still remains above 60 .High ammonia shock loadings have little effect on the biological
7、system of shortcut nitrogen remova1.The system has a strong restoration ability and the nitrite accumulation rate is over 70 .This shows the stability of the system under real-time control conditions.Key words： Domestic wastewater, SBR, Shortcut biological nitrogen removal, Real-time control, Fixed-
8、time control短程硝化反硝化生物脱氮工艺具有节省曝气能耗、缩短反应时间、节省反硝化碳源和减少污泥生成量等诸多优点 ，近年来成为研究和开发的热点。短程生物脱氮工艺的关键在于亚硝酸盐的积累，而亚硝酸盐的积累受温度、pH、溶解氧(DO)和游离氨(FA)浓度等因素的影响4 ，故若不对其进行控制则难以实现稳定的短程生物脱氮。通过过程控制手段实现和维持短程硝化反硝化是一种新的思路，近几年受到了广泛关注2,5。研究表明，在温度为(270.5)的条件下通过实时控制，SBR反应器内亚硝酸盐积累率可以稳定在96以上5。但是目前很多试验都是采用配水进行的，而且对温度的控制比较严格，而采用实际生活污水在常规
9、条件下对短程硝化反硝化进行研究的报道尚不多见且不系统。为此，笔者采用实际生活污水，系统研究了实时控制条件下的短程硝化反硝化的实现、维持及其稳定性，旨在为SBR短程生物脱氮工艺的工程应用和实时控制提供理论基础和技术依托。1 试验材料与方法1.1 试验装置SBR反应器由有机玻璃制成，上部为圆柱形，下部为圆锥体，高为700mm，直径为200mm，总有效容积为12L，排水体积为8L，充水比为0.75。在反应器壁的垂直方向设置一排间隔为10cm的取样口，用于取样和排水。底部设有放空管，用于放空和排泥。以1储水箱2进水泵3pH、ORP测定仪4pH探头5取样口6搅拌器7加热电阻丝8DO探头9温度控制仪10转
10、子流量计1 IDO测定仪12空气压缩机13曝气器14放空阀15ORP探头图1 SBR试验装置图Fig. 1 Schematic diagram of SBR曝气砂头作为微孔曝气器，由转子流量计调节曝气量。反应器外壁缠有电热保温丝，由温控仪控制反应器内的温度，通过热敏探头在线监测温度的变化。pH、DO和ORP探头置于反应器内，在线监测各个指标的变化，其中pH和ORP共用1台仪器监测。1.2 生活污水水质试验污水取自北京工业大学教工生活区的实际生活污水，其水质指标如表1所示。表1 生活污水水质Tab.1 Quality of domestic wastewater1.3 测试项目与分析方法试验中的
11、测试项目均采用国家环保总局发布的标准方法测定6。其中NO2-N和NO3-N采用离子色谱法测定，所用色谱仪为瑞士Metrohm 761compact IC，色谱柱为metrosep A Supp 5；TOC和TN采用德国耶拿Multi TN/TOC 3000测定；pH、ORP和温度通过在线仪表WTW InoLab level 2测定；DO通过在线仪表WTW Multi 340i测定。2 结果与分析2.1 短程生物脱氮的实现在温度为(280.5)、曝气量为0.3m3/h、MLSS为3100mg/L的条件下实时控制SBR反应器的运行，其中曝气时间由pH曲线上的氨谷点和DO突跃点联合控制，反硝化时间由
12、pH曲线上的硝酸盐峰和ORP曲线上的硝酸盐膝点联合控制2,7。经过多个周期的运行，系统内亚硝酸盐积累率稳定上升，最终形成了较稳定的短程硝化反硝化。图2是在实时控制期间亚硝酸盐积累率的变化情况。由图2可以看出，系统的亚硝酸盐积累率缓慢稳定地上升，运行67d后亚硝酸盐积累率80 。分析认为实时控制条件下SBR内短程硝化反硝化的形成原因是：通过在线参数的特征点能准确判定硝化终点及时停止曝气，且硝化终点为NH4+-N氧化成NO2-N的终点。系统在实时控制条件下长期运行，从细菌增长动力学的角度来看，系统环境不利于亚硝酸盐氧化菌(NOB)的生长而有利于氨氧化菌(AOB)的生长，通过有规律地排泥使AOB逐渐
13、占据优势，污泥中的微生物种类得到优化更新，表现在宏观处理效果上即为稳定的短程硝化，这也是一种污泥种群优化的思想8。图2 长时间运行下系统中亚硝酸盐积累率的变化Fig2 Variation of nitrite accumulation rate for 67 day82.2 定时控制下的短程硝化效果由于上述试验是在温度为(280.5)下采用实时控制实现的短程硝化反硝化，为了考察温度和实时控制运行模式对实现短程硝化的权重，故在此基础上将系统运行改为定时控制，考察在(280.5)下运行模式对短程硝化的影响。综合前期试验的运行数据，考虑到实际生活污水的水质变化，为保证硝化的完成，将硝化时间定为250
14、min，反硝化时间定为150min，整个过程采用定时器控制，反应器共运行了7d。图3是系统运行1、5和7d时，氮浓度在一个周期内随反应时间的变化。图3 定时运行下氦浓度随时间的变化Fig3 Variation of NH4+-N, NO2-N and NO3- N with time under fixed time control由图3可以看出，当稳定的短程硝化反硝化系统采用定时控制时，难以精确控制氨氮氧化到亚硝化阶段，从而逐步造成对短程硝化的破坏，致使硝化结束时NO3-N含量越来越高；运行至第7天时的亚硝酸盐积累率只有40.2 ，但若为强化氨氮的亚硝化反应而缩短曝气时间又可能造成对NH4+
15、-N的硝化不彻底。这表明定时运行模式破坏了短程硝化，证明了实时控制对短程硝化的维持具有重要作用。2.3 常温下的短程硝化效果为考察实时控制条件下温度对短程硝化反硝化的影响，试验过程中对温度不进行控制(反应过程中平均温度约为20)，使反应器运行一个月左右，期间系统内亚硝酸盐积累率如图4所示。图4 常温下系统内亚硝酸盐积累率的变化Fig4 Variation of nitrite accumulation rate for 30 days(normal temperature)由图4可以看出，当不控制温度时，系统内亚硝酸盐积累率有下降的趋势，运行至18d时亚硝酸盐积累率降至61.31 ，但仍为短程
16、硝化，此后系统的亚硝酸盐积累率虽有变化但幅度较小。这是由于实时控制对短程硝化的维持作用，使污泥种群中AOB和NOB的比例在动态更新时仍能维持在一个较稳定的水平。2.4 NH4+-N冲击负荷对短程硝化反硝化的影响为考察NH4+-N冲击负荷对短程硝化反硝化的影响，在生活污水中投加了NH4Cl使原水中的NH4+-N浓度为150mg/L。在高NH4+-N负荷冲击下系统第一个周期的在线参数及氮浓度随时问的变化如图5所示。图5 高NH4+-N负荷下氮浓度和在线参数随时间的变化Fig5 Variation of NH4+-N, NO2-N and NO3- N ,pH and DO at high ammonia
