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HRT对UASB厌氧反硝化脱氮有何影响_纸业资讯_中国

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  缺氧/好氧(AO)工艺是最常用于高浓度含氮有机废水处理工艺之一,AO工艺反硝化前置,脱氮效率较高,但出水中仍含有一定浓度的硝酸盐,需要进一步处理,此时,经AO工艺处理后的出水中有机物浓度较原进水浓度已大大降低,呈现出低C/N比的特点。在实际工程应用中,往往不得不外加碳源来深度脱氮。

  在外加碳源时,碳源种类、C/N比是影响反硝化效果的2个重要因素。在碳源种类上,之前甲醇被认为是理想的碳源,但由于其属于危化品,应用受到了。乙酸钠和葡萄糖作为无毒、价格低廉的外加碳源,应用越来越广泛。在C/N比方面,确定一个适当的C/N比非常重要,因为过量添加碳源不仅增加成本,还可能给反硝化脱氮带来负面影响,此外,过量的碳源还会造成出水有机物含量超标。AKUNNA等以葡萄糖作为唯一碳源,采用连续流厌氧反应器,水力停留时间(HRT)保持为10 d,实验发现:在C/N19.9时,硝酸盐异化还原成铵(DNRA)是硝酸盐还原的主要途径,此外,还同时产甲烷;在3.3≤C/N≤19.99时,反硝化和DNRA会同时发生;当C/N3.3时,只有反硝化发生。RUIZ等[4]以乙酸钠为碳源,HRT保持为6.4 h,采用上流式污泥床反应器(USB),发现低C/N会提高反硝化活性,而高C/N会提高产甲烷活性。当C/N为0.375时,会出现严重的亚硝酸积累,硝酸盐去除很少;C/N1.875时,硝酸盐可被全部去除;C/N≤3.75时,有机碳源主要被反硝化菌利用;当C/N达到37.5时,有机碳源97%以上用于产甲烷。ewin游戏手机版下载,CHIU等以乙酸钠为碳源,采用半连续流反应器,保持HRT50 h,运用改进的BERNET模型法对实验结果进行分析,得出:初始硝酸盐浓度越低,相应的最优C/N比越大,25、50、100和200 mg·L?1的初始硝酸盐浓度对应的最优C/N比分别为2.1、1.7、1.5和0.9。前期研究表明,以乙酸钠作碳源,即使C/N低至1.5,仍可以取得较好的厌氧反硝化效果。

  总的来说,当废水生物处理反应器中同时存在硝酸盐和有机物时,除作用外,反硝化、产甲烷和DNRA这3个反应都可能发生。反硝化脱氮效果跟C/N比、碳源种类、HRT都有关系。然而,已有研究主要关注的是碳源种类和C/N比,而重点关注HRT对反硝化影响的研究还鲜有报道。

  本研究采用UASB作为厌氧反硝化反应器,选定C/N比为1.5,主要研究HRT对以葡萄糖和乙酸钠作外加碳源时反硝化效果的影响,以期为HRT的优化选择提供依据。

  实验采用有机玻璃材质的上流式厌氧污泥床反应器(UASB),反应器的有效容积为1 L,高280 mm,内径70 mm,如图1所示。装置在(35±1)℃恒温水浴下运行,反应器底部进水,上部出水,采用蠕动泵调节进水流量。分别设置R1(外加碳源为葡萄糖)和R2(外加碳源为乙酸钠)2组反应器。

  式中:ΔNO3?-N 为反硝化去除的硝态氮的量,mg;V为反应器容积,L;XV为反应器内的MLVSS浓度,mg·L?1。

  在反应器连续运行模式下,考察不同HRT(8、6、4和2 h)对NO3?-N去除的影响,实验结果如图2所示。

  如图2所示,对R1,外加碳源为葡萄糖,C/N比为1.5时,当HRT从8 h→6 h→4 h→2 h,R1出水NO3?-N浓度从17.99 mg·L?1→10.26 mg·L?1→13.26 mg·L?1→16.60 mg·L?1,相应NO3?-N去除率从64.0%→79.5%→73.5%→66.8%。在R1中,有机碳源不仅被反硝化菌所利用,也会被发酵细菌等其他异养菌所利用。当HRT从8 h降至6 h时,NO3?-N去除率升高,说明有更多的碳源被反硝化菌所利用。然而,当HRT从6 h进一步下降时,R1出水NO3?-N浓度出现一定的回升,相应NO3?-N去除率也有所下降。这表明过短的HRT会给反硝化菌带来负面影响。就本实验而言,当采用葡萄糖作为外加碳源时,HRT过短,部分葡萄糖还处于酸化发酵阶段就被水流带出,进而不能为反硝化提供足够的电子。

  对比R1和R2来看,就NO3?-N的去除效果而言,以乙酸钠为碳源明显优于葡萄糖。一个合理的解释是乙酸钠属于简单碳源,易于被反硝化菌直接利用,而葡萄糖相对复杂,需先经过酸化发酵,才能被反硝化菌有效利用。GUO等发现,以剩余活性污泥的酸化液作为碳源进行反硝化,去除的COD主要被反硝化菌所利用,而碳源换成剩余活性污泥的水解液,则去除的COD不仅被反硝化菌所利用,也会被其他异养菌所利用。其原因在于,剩余活性污泥的酸化液含有更多的乙酸等挥发性脂肪酸(VFAs)成分,更有利于被反硝化菌所利用。此外,就乙酸钠作为碳源而言,NO3?-N通过异养反硝化完全还原为N2所需的C/N比为1.5,计算依据见式(3):

  换言之,在相同的C/N比条件下,葡萄糖还原的硝酸盐更少。MATEJU等研究表明,用乙酸进行反硝化时的污泥产率系数为0.07,而用葡萄糖进行反硝化时的污泥产率系数为0.18,说明葡萄糖作碳源时,有更多的COD用于了合成代谢,异养反硝化消耗的COD比例相对有所降低。具体联系污水宝或参见更多相关技术文档。

  在反应器连续运行模式下,考察不同HRT对NO2?-N累积和NH4+-N生成的影响,结果如图3所示。

  亚硝酸盐还原酶和硝酸盐还原酶要竞争基质电子,且前者的活性低于后者。从反应能耗角度看,NO3?-N还原成NO2?-N的反应能耗Ea为3.68~4.88 kJ,而NO2?-N还原成N2的反应能耗Ej为13.86~20.08 kJ,后者明显大于前者,因此,NO3?-N转换为NO2?-N比NO2?-N转换为N2更容易。在低C/N下,碳源提供的能量和电子不足,NO2?-N容易积累。此外,本实验中R1外加碳源为葡萄糖,HRT缩短,对葡萄糖的酸化不利,使得易被反硝化利用的碳源更紧缺,尤其对反硝化后阶段的亚硝酸盐还原不利,因此,NTR值随之增大。譬如,HRT为8 h时,R1的NTR值为1.0%,当HRT降至2 h时,NTR值显著升高至26.3%。

  对R2,当HRT从8 h→6 h→4 h→2 h,R2出水NO2?-N浓度从10.47 mg·L?1→6.95 mg·L?1→3.08 mg·L?1→6.20 mg·L?1,从结果看,HRT从8 h降至4 h时,出水NO2?-N浓度明显降低,这说明有更多的碳源被反硝化菌所利用。值得注意的是,当HRT进一步降至2 h时,出水NO2?-N浓度出现了回升,推测原因是,由于HRT过短,积累的NO2?-N未及时被彻底反硝化就被水流带出。有研究表明,在序批式反应器进行反硝化实验,NO2?-N浓度有先升高后降低的趋势,NO2?-N需要一定时间累积达到峰值而后再降低,这一结果表明HRT对NO2?-N的积累有重要的影响。

  从图4可以看出,R1和R2中均有NH4+-N生成,但本实验中并未在进水中加入NH4+-N,这说明反应器中发生了DNRA的反应。AKUNNA等[3]研究发现,以葡萄糖作为碳源时,有利于NO3?-N还原为NH4+-N,而以VFA作为碳源时,则有利于NO3?-N反硝化转换为N2。这与本实验中R1出水NH4+-N浓度普遍高于R2的结果相符合。一般认为,反硝化过程是DNRA过程的主要竞争者,DNRA现象常在较高的C/N比下出现。但共培养实验显示,无论哪类细菌数量占优,都共同利用中的氮源和碳源,不对方生长。这也解释了为什么本实验中C/N比较低,但仍然有DNRA发生的现象。当HRT从8 h→6 h→4 h→2 h,R1出水NH4+-N浓度从1.14 mg·L?1→2.22 mg·L?1→1.38 mg·L?1→1.60 mg·L?1;R2出水NH4+-N浓度从0.32 mg·L?1→0.95 mg·L?1→0.47 mg·L?1→0.86 mg·L?1。R1和R2的NH4+-N生成量表现出相同的趋势(先升高再降低而后再升高)。以R1为例,当HRT为8 h时,出水NH4+-N浓度为1.14 mg·L?1,而当HRT缩短至6 h,出水NH4+-N浓度升高至2.22 mg·L?1。这说明HRT从8 h缩短为6 h,DNRA细菌跟反硝化菌之间的平衡发生了更有利于前者的变化。然而当HRT缩短至4 h,出水NH4+-N浓度随之下降至1.38 mg·L?1。推测原因,当HRT为4 h,DNRA产生的氨氮可能更多地成为了其他微生物(特别是反硝化菌)的氮源参与了合成代谢,至于是否发生了厌氧氨氧化过程导致NH4+-N浓度降低,需要进一步深入研究。值得注意的是,当HRT进一步降至2 h时,出水NH4+-N浓度出现了一定程度的回升,这可能是因为HRT过短,生成的NH4+-N来不及被合成代谢过程消耗就进入到出水中。

  从图5可见,当HRT从8 h→6 h→4 h→2 h,R1出水TOC浓度从27.77 mg·L?1→ 14.81 mg·L?1→ 11.77 mg·L?1→15.93 mg·L?1,TOC去除率从63.0%→80.2%→84.3%→78.8%;R2出水TOC浓度从20.32 mg·L?1→11.87 mg·L?1→3.96 mg·L?1→8.99 mg·L?1,TOC去除率从72.9%→84.2%→94.7%→88.0%。总的来看,R1和R2出水TOC随HRT变化趋势是一致的。值得注意的是,当HRT从8 h缩短至4 h时,R1和R2的TOC去除率不降反升。分析原因,废水中TOC主要可能通过有机碳源参与反硝化生成二氧化碳、作用合成新的细胞体以及甲烷化3种途径去除,本实验中未观测到有甲烷气体产生,因此,在R1和R2中,前2种应是TOC去除的主要途径。本实验中废水C/N仅为1.5,属低C/N比废水,有机碳源主要用于反硝化,这与RUIZ等的研究结论一致。就R1而言,当HRT较长时(如8 h和6 h),发酵细菌会跟反硝化菌争夺碳源,但发酵过程主要生成一些酸类、醇类等中间产物,并未直接将有机物全部成CO2和甲烷,相应的TOC去除并不多。对R2,相对较长的HRT可能有利于其他异养菌(发酵细菌以外)同反硝化菌竞争有限的碳源,而反硝化又在去除TOC上有相对较大的贡献。此外,HRT缩短(从8 h→4 h),UASB反应器内的上升流速增加,强化了反应器内的泥水混合,提高了传质效率,这也是R1和R2中TOC去除率不降反升的重要原因。当HRT从4 h进一步缩短至2 h时,R1和R2的TOC去除率均下降,这是因为,在过短的HRT下,一方面,反硝化消耗的碳源会减少;另一方面,溶解性微生物产物的洗出效应增强,导致出水TOC升高。

  从图5、图6来看,R2出水TN和TOC浓度均低于R1。事实上,硝态氮还原成亚硝态氮、DNRA都只不过是不同氮素形态之间的,不会导致TN减少,去除TN只能通过异化反硝化生成气态物质(主要为N2)以及作用来实现,其中,异化反硝化占主导。本实验中,R1的反硝化速率为1.23×10?3~5.14×10?3 h?1,而R2的反硝化速率为2.70×10?3~1.07×10?2 h?1,同样的HRT条件下,R2的反硝化速率是R1的1.76~2.19倍。因此,就异化反硝化而言,乙酸钠是比葡萄糖更优质的碳源。

  1)在采用外加碳源进行UASB厌氧反硝化深度脱氮时,HRT对反硝化效果有显著影响,且跟碳源种类有关。

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