中文翻譯--國內(nèi)廢水脫氮試點使用奧貝爾氧化溝的新型戰(zhàn)略

1、<p><b>　　中文5820字</b></p><p>　　出處: Journal of Environmental Sciences, 2006, 18(5): 833-839</p><p>　　國內(nèi)廢水脫氮試點使用奧貝爾氧化溝的新型戰(zhàn)略</p><p>　　高守你，彭永臻，王淑英，燕軍（市政與環(huán)境工程學院，哈爾濱工業(yè)大學，哈

2、爾 濱 I50090，中國電子郵箱：pyz@bjut.edu.engsyhit126.corn2，北京工業(yè)大學 環(huán)境與能源工程技術(shù)前沿，北京 100022，中國）</p><p>　　摘要： 通過 17 個月 orbal 氧化溝的實際運行效果來看，生活污水中除氮含量占 到了平均 COD 值的 2.7%， DO、MLSS 和 RAS 去除率也有所提高。硝化和反 硝化作用的同時運行，使得總氮的去除率上升并穩(wěn)定在到 7

3、2.1%，DO 在 0、1、 2 三段水渠的濃度分別是 0.1、0.4、0.7mg/l。MLSS 在各個渠段均為 5.5g/l， RAS 為 150%，雖然在主要除氮指標中，出口處水質(zhì)最為關(guān)鍵，但中間水渠的作用也 不能忽視。在較低的 DO 濃度下也可以發(fā)生反硝化作用，在高 MLSS 下和足夠的 RAS 回收率下，下沉污泥被出乎意料的改良在低 DO 操作模式下，一些解釋正在 嘗試，另外，一系列簡單的測試也在驗證是否新的微生物對氮的轉(zhuǎn)移起

4、到實質(zhì)性 的貢獻，這個結(jié)果象征著對 Orbal 氧化溝的檢查更像是一個自然現(xiàn)象 關(guān)鍵字：脫氮、同時硝化作用和脫氮作用、低 DO、MLSS、新式微生物 導言：最近的在除氮工藝上的一系列研究主要朝著對傳統(tǒng)方法效率和能源的改 進，或者朝著對新方法的探索（有一些案例是對新微生物的）能夠轉(zhuǎn)化離子氮為 無害的形式，所有創(chuàng)新努力的作用都是想</p><p>　　氧化溝是需要較長時間的污泥生物處理法的積極改進，同時也實現(xiàn)部分的脫

5、</p><p>　　氮作用，氧化溝法最大的優(yōu)勢就是實現(xiàn)了脫氮作用在較簡單的操作和較低的運行 成本上，在過去的兩個十年，超過一百個它們被建造在市政污水處理上。</p><p>　　迄今為止，對這種SND機制仍有兩種解釋，首先，物理方面的解釋，SND發(fā)生 在溶解氧傾斜在絮狀活性污泥的結(jié)果或者存在在一個巨大的缺氧區(qū)域引起被構(gòu) 造和攪拌模式(Furukawa et ．l 998；Daigger

6、 and Littleton，2000)，第二，生 物學方面的解釋，被證實有一種耗氧脫氧劑的存在和異養(yǎng)硝化細菌，fRobertson et a1．．1 995；Muller et ．1 995)，厭氧性的氨氧化（fMulder et ．．1 995．Sliekers et ．．2003）或者反硝化作用被自養(yǎng)硝化細菌（fBock et ．， 1 995：Schmidt and Boek，l 997），能夠部分的，如果不是全部的，解釋

7、這種不明確的氮的丟失在一 定的系統(tǒng)中，最近，一系列新的微生物處理來得到氮的降低被描述和被研究在實 驗室，然而，仍然有許多問題在田野水生物處理上在這些新的過程中，最近我們 知道尤其是這種微生物嚴格的環(huán)境要求是造成這種生物化學方法的主要原因。</p><p>　　這個研究指導我們發(fā)展實際和更經(jīng)濟的方法來得到高的除氮率在一個pilot orbal 氧化溝中，明確的目標是：（1）在氮的去除中決定DO、MLSS、RAS的效

8、 果，和（2）在簡單的測試中評價除氮微生物的角色的價值，更遠的討論SND結(jié)構(gòu) 1． 材料和方法</p><p>　　1.1 Pilot—scale 0rbal氧化溝 一個典型的orbal氧化溝有三個閉合的回路，圖（1）展示了這種示意性的反應(yīng)來 表現(xiàn)這個實驗?；亓骰钚晕勰嗍紫缺宦菪么虻酵馑缓笠来瘟鞯街虚g和里 面被重力通過水下設(shè)施靠近這個底部在它們進入二沉池之前，每三個水渠都是一 個完整的混合反應(yīng)有著無止境的

9、混合液體反應(yīng)被浸沒式循環(huán)泵推動在每個水渠， 通過孔板我們把水平流速控制在平均0.0.m/s上，我們以前在純凈水中做過追蹤測 量，混合物被用來阻止混合液體停下來，好的空氣散布器也被安裝在每個反應(yīng)的 底部作為作為通風措施，加上潛水泵刺激點式曝氣模式執(zhí)行被圓盤曝氣裝置在整 個設(shè)施上，這個設(shè)施的容積是300L，和外、中 內(nèi)水渠分別占155L、83L、62L，水力停留時間被控制在16.5h，沒有內(nèi)部循環(huán)流 動從內(nèi)水渠流到外水渠，一條線上DO的檢查

10、被做通過德國的WTW340i酸度儀， 和溶解氧探針的隔膜被每日的清洗的校正兩周一次，溶解氧的校正是通過氣流定 率儀的手動操作來執(zhí)行，分開的空氣管道被設(shè)置在不同的水渠，氣流輸出到每個</p><p>　　水渠的速率也是通過數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)用給定值自動控制，反應(yīng)操作在室溫20-26℃， 沒有特殊的活動來控制這個溫度除了溫度低于18℃。</p><p>　　1.2 喂養(yǎng)和播種 從居民區(qū)化糞池流過來的

11、生活污水含有大量的胺，平均濃度在81mg/l，同時伴隨 著低的COD，平均220mg/l，每個早上的8點到9點鐘，廢水從化糞池流入保持一 個恒定的性質(zhì)，這種廢水的特性見下表1</p><p>　　這個反應(yīng)來自北京近郊的jiuxianqiao污水處理廠，展示了同時進行氮的去除 和磷酸鹽的去除，實驗之前已證明這個反應(yīng)是可行的在3周的生活污水處理過程 中。</p><p>　　1.3 自養(yǎng)反硝化

12、和異養(yǎng)硝化的同時進行實驗 共存實驗被做了，通過已知的生物化學細菌能夠展示出這種生物體的活性是</p><p>　　否足夠大，它代表了一種真實的除氮機制在pilot-scale系統(tǒng)中，自養(yǎng)反硝化微生 物被2×2的檢查，異氧硝化作用也被檢查不過是在需氧的條件下（conditions fLittleton et .2002)．</p><p>　　1.4 分析方法 污泥樣本被離心在30

13、00r/min下10分鐘從液體媒介中去除微生物，測試，每日分 析of COD．</p><p>　　NH4+一N，NO3--N，NO2--N，MLSS和污泥體積數(shù)，操作通過標準方法 (APHA．1 995)．</p><p><b>　　2結(jié)果和討論、</b></p><p>　　2.1 總性能 這個實驗被做從2004年5月到2005年9月，

14、按操作條件分為十個不同的時期，報告 見表2 因為這個微生物高的氧氣利用率大量的消耗氧氣和較高的有機污染物負荷在外 溝渠，雖然補充空氣但溶解氧的含量仍相當?shù)牡?，空氣泵入使得硝化作用是可?的，當這個低的氧濃度使得反硝化作用同時發(fā)生，耗氧條件使得更加有效的氧氣 利用和能量利用，當然結(jié)果也減少能量消耗</p><p>　　進水出水中氮的去除效率也與操作條件密切相關(guān)，具體統(tǒng)計見圖2。通過這 個實驗沒有亞硝酸鹽堆積在出水水

15、渠，其濃度總是小于0.2mg/l，在系統(tǒng)穩(wěn)定后</p><p>　　這個數(shù)據(jù)被收集，在Ⅰ—Ⅲ時期，中心水渠DO是在逐漸的降低從過去典型的0.3、 1.5、3mg/l到0.1、0.4、0.7mg/l，而這對硝化作用并沒有什么害處，硝酸鹽濃度 也在降低，表明了反硝化作用的加強，氮的去除率也從第一階段的36%爬升到了 第三階段的53.4%，內(nèi)部水渠溶解氧濃度也降低到了0.5mg/l，出水處胺濃度 8.5%，氮的去除率也

16、回到了44.6%。</p><p>　　同第三階段相比，Ⅴ、Ⅵ階段我們可以從表2看到，低于溶解氧的平均值， 提高MLSS明顯的加強了氮的去除率，排出水的硝酸鹽逐漸的從第三階段的 36mg/l降低到第六階段的25mg/l，胺的濃度仍然維持在1mg/l較低的水平，雖然 DO的濃度很低，但硝化作用仍然較強，換句話說，在較低的DO下硝化反應(yīng)仍然 發(fā)生，利用自身的碳源加強反硝化作用似乎是解釋在高的MLSS下較高的氮去除率

17、的更好的理由。</p><p>　　RAS回收率也被認為是氮去除率的一個重要指標，在不同的渠道中，當DO 分別為0.2、0. 4、0.7mg/l時，氮的去除率從3.9%上升到64.8%、68.7%，RAS回 收率從100%增長到了120%、150%，甚至再可以增加3.4%，200%的RAS回收 率將不再對氮去除率有影響，氮去除率回落到了65.3%，然而，這也意味著有更 多的硝酸鹽回流到了反應(yīng)，反硝化作用將會在一定

18、程度上得到加強，但是一旦反 硝化作用飽和的話，太多的RAS將會使整個反應(yīng)看起來像一個混合反應(yīng)器，并且 會毀壞出水帶的缺氧區(qū)。在X時期，內(nèi)部渠道的DO將會進一步降低到0.5mg/l，出 水胺濃度戲劇性的升高到超過15mg/l，伴隨著除氮率降低到小于50%。</p><p>　　這也證明了有技巧的操作，低DO，高MLSS，和增長的RAS回流率能夠是 有用的，尤其是進水處在一個較低的DO/TN水平上。為了實現(xiàn)高的除氮率

19、，COD 和硝化作用不能受到重大影響，但出水處的TN得到顯著的降低，低DO操作能夠 顯著的降低鼓氣方面的成本，利用自身碳源的反硝化作用被相信能更好的解決TN 去除率的問題。當MLSS在5.5g/l時，沒有活性污泥浪費，僅在沉淀池有少許沉淀。</p><p>　　圖3揭示出在Ⅷ條件下COD、含氮量的一些指標，為了在orbal進程中了解N的 去除機制，一個小的反應(yīng)容器，被臨時的放在出水口5min，在混合入活性污泥 之

20、后TN戲劇性的從81.1mg/l降低到了44.6mg/l，這主要是因為稀釋作用。除此之 外，污泥的吸附作用也可能是COD從進水的200mg/l降低到混入回流活性污泥后 的51mg/l的原因。</p><p>　　圖3展示了在混合液體進入出水渠之后，COD濃度降低到了40mg/l。由于異 養(yǎng)微生物的氧化作用和反應(yīng)的稀釋作用，利用自身碳源進行的反硝化作用得到了 限制。COD從中間水渠開始得到了一些改變，8小時的停留時

21、間，使得有機污染 物消耗怠盡。</p><p>　　在出水，中間和進水區(qū)域，除氮率分別為11.2、7.5、2.8mg/l，這表明出水渠 對氮的去除率貢獻最大。低的氧氣濃度和有機物能夠解釋這一現(xiàn)象。因此加強中 間水渠的反硝化作用就顯得尤為重要，在這一區(qū)域，DO濃度僅為0.4mg/l，停留 時間為5h。當MLSS為5.5g/l，DO為1mg/l時，利用自身碳源的反硝化作用可以發(fā) 生。MLSS為3g/l，水力停留時間為

22、2-3小時時，不能觀察到氮的去除現(xiàn)象，換句 話說，若要使氮的去除工藝最優(yōu)化，中間水渠的反硝化作用不能被忽視。盡管內(nèi) 部水渠僅僅分擔了2.8mg/l的除氮量，但胺的去除主要是在這里進行，而且內(nèi)部 水渠的存在可以使得進水在DO較低的情況下不必過多的考慮會出現(xiàn)硝化作用。 2.2 活性污泥體積變化</p><p>　　在這個實驗當中，低的F/M和DO容易導致活性污泥的分散，污泥體積變化率 和氮的去除率見表4，伴隨著DO的

23、下降和氮去除率的升高，SVI呈現(xiàn)出逐步下降 的趨勢，從最初的170mg/l下降到氮去除效率最高時的115mg/l，條件Ⅷ。</p><p>　　令人吃驚的是低DO濃度會改善活性污泥的性質(zhì)，這與當前的很多報導相矛 盾。一些可能的解釋是這樣的：首先，一般人們認為纖維細菌有著較低的運動常 數(shù)，在較低的DO條件下由于生存競爭而導致了污泥膨脹。然而，在orbal系統(tǒng)中， 雖然氧氣被鼓入外水渠，微生物的高的耗氧反應(yīng)仍然導致了

24、氧氣的缺少，曝氣點 的位置也導致了缺氧帶的存在（在硝酸鹽存在的地方DO為0），由于氧氣的缺乏， 大多數(shù)需氧細菌和厭氧細菌（許多是絮凝狀微生物）能夠利用硝酸鹽（來自出水 渠硝化作用和回流污泥）作用和無氧呼吸作用來獲得能量并作為電子受體。然而， 在許多文獻中，這種異養(yǎng)絲狀微生物被描述成是嚴格耗氧微生物，僅僅氧氣作為 它們最終的電子受體，結(jié)果，由于人工篩選作用，使得我們選用的絲狀微生物都 不具備在低DO的出水水渠生存的能力。第二，雖然水平設(shè)計

25、使得每個水渠都能 得到充分混合，連續(xù)的orbal過程使得湍流反應(yīng)比絲狀微生物更具有優(yōu)勢。第三， 這只是假設(shè)，不過也有一些數(shù)據(jù)可以證明，絮狀微生物比絲狀微生物有更高的絮 凝性和儲量。在這個實驗中高的HRT和SRT，有足夠長的時間來使它們通過自身</p><p>　　的呼吸作用來達到絮凝作用，也使絮狀微生物比絲狀微生物更具有優(yōu)勢。 2.3 新式細菌對氮去除率的一系列測試</p><p>　　一

26、系列測試被開展來驗證這種能同時進行硝化作用和反硝化作用的細菌是否 在真實的SND構(gòu)筑物中有足夠的效果，這不能被忽視。所有實驗都是在室溫</p><p>　　23-25℃完成的，新鮮的混合液體被從pilot-orbal系統(tǒng)的內(nèi)水渠取出來開展一系列 的測試，硝酸鹽含量僅在20mg/l（胺和亞硝酸鹽低于1mg/l），COD40mg/l。 2.3.1 自養(yǎng)性反硝化作用的缺氧實驗</p><p>　

27、　被觀察到當氨和氮出現(xiàn)時，溶解氧和有機物在同一時間消失，一些細菌能夠 使用氨作為電子供體和亞硝酸鹽作為電子受體，(Equation (1))．Bock et a1． （l 995)首先觀察到了這種反應(yīng)，即使效率很低。在orbal系統(tǒng)中，出水渠首次接受 進水并總是保持在低DO的環(huán)境中，并與長的SRT相結(jié)合，使得下面的反應(yīng)可以發(fā) 生：NH4 +NO2一一N2+2H2O</p><p>　　從內(nèi)部水渠取來的新鮮污泥樣本

28、被分別放到四個封閉的玻璃器皿（標簽</p><p>　　1-4），每個容器體積為2L，帶有一個簡單的進出口，氯化銨和亞硝酸鈉，前者加 到反應(yīng)3和4當中，后者加到反應(yīng)2、3和4當中，得到濃度為20mg/l的亞硝酸銨和 亞硝酸鹽，反應(yīng)一沒有實現(xiàn)缺氧控制。</p><p>　　反應(yīng)過程中磁力攪拌能提供足夠的混合，厭氧測試時PH值圍繞在7.00-7.20之 間，隨著反應(yīng)的進行PH逐漸上升到7.25

29、-7.5。在反應(yīng)中并沒有對PH進行干預(yù)，樣 本在最初的一小時采集兩次，在隨后的6個小時里每小時采集一次，每次采集 40ml，在規(guī)定時間內(nèi)，氮的去除率達到了50%。</p><p>　　2.3.2 異養(yǎng)硝化作用和需氧反硝化作用的好氧性實驗 一些異養(yǎng)生物，如Thisphaera，能夠在有氧條件下把氨轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，伴</p><p>　　隨著消耗能量，甚至，衙門能同時進行好氧的和厭氧的反硝化作

30、用。Thisphtwr 的異氧硝化作用和好氧反硝化作用可以用電子轉(zhuǎn)移到氧的瓶頸效應(yīng)來解釋。電子 轉(zhuǎn)移到氧的速率是一定的，多余的電子流向氮，反硝化作用（脫氮作用）就隨即 發(fā)生了。不過，如果硝酸鹽和亞硝酸鹽同時存在，能量就會被用在氧化氨上（異 氧硝化作用），在有氧氣的條件下，在氨和易于生物分解的物質(zhì)都存在的時候發(fā) 生的這個反應(yīng)。</p><p>　　作為缺氧性實驗的一個反應(yīng)被用在好氧性實驗上，但是容器沒有密封。壓縮&

31、lt;/p><p>　　空氣被鼓入這個反應(yīng)來使DO維持在6mg/l以上。在好氧測試期間PH值不予人工 調(diào)節(jié)，從開始的7.00-7.18變化到后來的6.85-7.05。氯化銨被加到反應(yīng)7、8來使銨</p><p>　　的濃度達到20mg/l，乙酸醋酸鹽也被加到反應(yīng)6、8來使COD達到100mg/（l 反應(yīng)5作為空白對照實驗。反應(yīng)持續(xù)3小時。</p><p>　　2.3.3

32、 實驗數(shù)據(jù)分析和討論</p><p><b>　　標簽3），</b></p><p>　　厭氧實驗的結(jié)果列于表5，在反應(yīng)1中，硝酸鹽是總氮含量的主要成分，隨著 時間的流逝呈現(xiàn)出減少的趨勢，這些都歸結(jié)于傳統(tǒng)異養(yǎng)細菌的反硝化作用。在另 外3個反應(yīng)當中，硝酸鹽含量幾乎一直沒變，即使是輕微的減少。在反應(yīng)2亞硝酸 鹽濃度從30.31mg/l下降到了9.6mg/l，也直接導致了總

33、含氮量的曲線下降，反應(yīng)4 也展現(xiàn)了同反應(yīng)2類似的現(xiàn)象，從20.49mg/l下降到了9.42mg/l，這表明傳統(tǒng)的異 養(yǎng)型微生物更喜歡通過亞硝酸鹽而不是硝酸鹽來進行反硝化作用，這導致了亞硝 酸鹽的去除。除此之外，一些亞硝酸鹽也被轉(zhuǎn)化成了硝酸鹽，這是由于不完全厭 氧的結(jié)果。由于沒有惰性氣體的泵入，這也給氧氣的侵入帶來了機會。硝酸鹽的 明顯的增長可以支持上述結(jié)論，在反應(yīng)4只有大約2.59mg/l的銨被消耗。甚至小 于反應(yīng)3的3.17mg/l，

34、異養(yǎng)反應(yīng)的增長應(yīng)該是對這種銨消耗的最合理的解釋。</p><p>　　與反應(yīng)3-4的亞硝酸鹽的消耗和反應(yīng)2-4的銨的消耗相比，沒有跡象能夠證明 這種能夠利用亞硝酸銨和亞硝酸鹽來自動進行反硝化作用的微生物的存在。</p><p>　　好氧測試的結(jié)果見表6，在反應(yīng)5氮的種類總是沒有得到改變，但在反應(yīng)6， 因為醋酸鹽的加入，硝酸鹽有個小幅度的下降，換算成N的含量為1.96mg/l，從 24.73

35、到22.77。在反應(yīng)7中，由于銨硝化作用的發(fā)生，無機氮從46.78下降到了</p><p>　　44.28mg/l，下降2.50mg/l。在反應(yīng)8，由于銨和醋酸鹽的共同作用，總無機氮從</p><p>　　48.05下降到了44.24mg/l，降幅3.81mg/l。反應(yīng)7和8相比，硝化作用同時發(fā)生，但 后者由于加入了醋酸鹽而展示了更慢的硝化速率。從反應(yīng)6-7來看，沒有足夠的 數(shù)據(jù)能夠證明異

36、養(yǎng)硝化作用和好氧反硝化作用在反應(yīng)8中發(fā)生。</p><p>　　一般說來，同時在厭氧和好氧條件下進行實驗并不能給出存在新型細菌的足 夠的證據(jù)，這些細菌在orbal系統(tǒng)中扮演的除氮角色也會被忽視。</p><p><b>　　3 結(jié)論</b></p><p>　　SND系統(tǒng)是一個低投資、低運行成本的系統(tǒng)，不需進行硬件設(shè)施的改造，具 有良好的流動