聚己内酯(PCL)和黏土陶粒分别由深圳光华伟业实业有限公司和江西萍乡三河陶瓷有限公司提供, 两种填料的理化性质如表 1所示.
1.2 试验装置
CS-BAF-SPDB主要由混凝沉淀池, 硝化滤池和固相反硝化滤池组成, 滤池主体采用有机玻璃制作, 其结构如图 1所示.其中混凝池和沉淀池的体积均为10 L; 曝气生物滤池的滤柱高度为175 cm, 内径为8 cm, 滤柱内填充的滤料为黏土陶粒, 填充高度为87 cm, 从承托层顶部到填料顶部共设4个取样口(B1、B2、B3和B4);固相反硝化滤池的滤柱高度为130 cm, 内径为8 cm, 滤柱内填充的滤料为聚己内酯颗粒, 填充的高度为27 cm, 从承托层顶部到填料顶部共设3个取样口(D1、D2和D3).曝气生物滤池和固相反硝化滤池的有效体积(液体体积)分别为4.0 L和3.2 L.工艺进水流量通过蠕动泵(BT-1002J)控制.曝气生物滤池由空压机供气, 进气量通过气体流量计和阀门控制.温度控制仪严格控制进水水温和滤池内的温度.
图 1 试验装置示意
1.3 反应器运行与取样方法
前期的研究成功实现了CS-BAF-SPDB的启动, 并确定了BAF进水中的合适C/N比, BAF和SPBD的理想HRT和运行的适宜温度.为研究低碳源条件下气水比对CS-BAF-SPDB工艺脱氮效果的影响.保持进水氨氮浓度为30 mg ·L-1, 混凝沉淀单元出水中的C/N控制在3 :1, 温度维持在(28℃ ±1℃), BAF和SPDB的水力停留时间分别为4 h和2 h, 使得BAF的气水比在6 :1(进气量100 mL ·min-1)到1 :1(进气量16.7 mL ·min-1)的范围内变化.当连续3 d出水的NO3--N浓度相对误差在5%之内, 认为系统在该气水比条件下已趋于稳定, 可以改变气水比到另一水平.另外, 前期的研究已经确定, BAF中的硝化菌主要集中在B3取样口, 而SPDB中的反硝化菌主要集中在D2取样口.因此, B3和D2取得生物膜样品更具有代表性.当系统在各气水比条件下稳定运行时, 从B3和D2取样点取生长有生物膜的陶粒和固体碳源填料, 利用超声波将填料上的生物膜剥离, 去掉填料, 离心后弃掉上清液, 沉淀物即生物膜样品, -20℃保存. 控制系统温度为(30±1)℃、pH为7.8~8.2、正常硝化段DO为0.7~1.0 mg·L-1, 再结合pH和DO参数对硝化过程实施在线控制, 可以经过17个周期的驯化培养, 快速启动短程硝化(NO2--N积累率超过80%).
(2) 对于已启动短程硝化的玉米淀粉废水SBR处理系统, 逐渐取消对系统高温及高pH的限制, 在碱度充足、常温(23~24℃)和较低DO(正常硝化段为0.7~1.0 mg·L-1)条件下, 结合对硝化过程的在线控制, 最终可以获得NO2--N积累率超过98%的短程硝化长期稳定运行.
(3) 先采用高温、高pH和低DO, 并结合对硝化过程在线控制快速启动短程硝化, 然后再逐渐取消对系统高pH及高温限制的控制策略, 对于具备较高氨氮浓度和较高温度的现场玉米淀粉废水实现长期稳定的短程硝化具有现实意义.
近年来, 城市生活污水呈现出低碳氮比的趋势, 给污水处理厂的正常运行和达标排放带来一系列的问题.如, 大量外碳源的投加和高的回流比造成去除单位污染物的能耗高, 低有机负荷和低溶解氧条件下污泥的膨胀以及脱氮效率差等问题.鉴于此, 本研究提出了一种新型的混凝沉淀/后置固相反硝化滤池工艺(CS-BAF-SPDB)用于低碳源污水的脱氮处理.该工艺的优点在于:强化了一级生化处理(CS), 既缓解了进水SS对后续生物滤池单元的堵塞问题, 同时也缓解了进水中过高的有机物浓度对硝化滤池中硝化作用的抑制(前期研究发现BAF的最适C :N比为3 :1);采用硝化滤池(BAF)强化低碳源污水的硝化作用, 既可以保证生物量, 又可以避免污泥丝状菌膨胀.固相反硝化滤池(SPDB)采用固体碳源代替传统的填料和液体碳源, 从根本上解决了反硝化对进水碳源的依赖, 可以避免液体碳源在有氧条件下的无效消耗, 连续稳定地为生物反硝化提供有机碳源, 同时也可以避免液体碳源投加过量导致的运行成本高和出水有机物易超标等问题.并且, 前期的研究表明固体碳源具有很高的机械强度和非常长的使用寿命(质量损失为0.05% ·d-1), 可使反硝化滤池保持长期稳定的反硝化效果.
气水比是影响BAF-SPDB工艺脱氮效率的一个关键因素.气水比太小, 则BAF中的硝化不完全, 不仅出水氨氮超标, 同时无法为后续的反硝化提供稳定的硝酸盐; 气水比太大, 一方面会造成能耗过高, 同时BAF出水中过高的溶解氧浓度也会对固相反硝化滤池中的缺氧环境造成一定的破坏, 进而对反硝化造成影响.因此, 确定合适的气水比是保证该工艺获得理想脱氮效果的关键.
本课题组前期研究了工艺的启动情况及进水C/N比、HRT、温度和进水氨氮负荷对工艺脱氮效果的影响.在此基础上, 本文重点研究了气水比对该工艺脱氮效果的影响, 并采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术研究了微生物群落结构随气水比的变化规律, 以期为工艺优化与反应机制的研究提供分子生态学依据.硝化过程较低的DO浓度
AOB和NOB均为专性好氧菌, AOB的氧饱和常数为0.2~0.4 mg·L-1, 而NOB的氧饱和常数为1.2~1.5 mg·L-1, AOB相对NOB具有更强的对氧的亲和力, 因此可以通过控制DO在较低的水平来抑制NOB生长, 实现亚硝酸盐的积累. Ruiz等的研究认为, 实现亚硝酸盐积累的DO为0.7~1.4 mg·L-1, 最佳DO为0.7 mg·L-1; Tokutomi的研究发现, 硝化菌群在DO为1 mg·L-1的条件下, AOB的比增长速率是NOB的2.6倍.本试验在曝气的正常硝化段, DO控制在0.7~1.0 mg·L-1, 有利于亚硝酸盐的积累.