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分步进料工艺实时控制生物脱氮
郭建华,杨青,彭永珍,安明阳,王淑英
哈尔滨工业大学市政与环境工程学院,哈尔滨150090
北京理工大学北京水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京100022
摘要:
采用分步进料序批式反应器作为的一种新型运行方式,对城市污水脱氮效果进行了研究。该工艺通过连续好氧和缺氧三个阶段和三个加料阶段,结合实时控制,达到了先进的、强化的脱氮效果。控制策略采用值和氧化还原电位作为在线控制参数,特别是的导数,可以灵活地控制好氧相和缺氧相的持续时间。此外,本文还讨论了在给定C/N比的情况下,各阶段进水流量分布与进水之间的关系,得出了具有唯一最优阶比的进水比()。根据不同的进水比,有三种不同的阶跃比,即,相应地增加进水填充方式、等进水填充方式和减少进水填充方式。以实际城市污水为进水,比为,当阶跃比为时,以进水为碳源,可达到较低的曝气消耗和完全反硝化效果。采用分步投加方式可显著提高的脱氮效果,出水总氮低于平均去除率大于,仅需少量的外碳源即可。
copy;2006年Elsevier公司保留所有权利。
关键词:梯级进料;实时控制;序批式反应器;反硝化;深度脱氮
- 介绍
随着污水水质标准的提高,污水脱氮技术的先进性和经济性越来越重要。针对废水脱氮问题,开发和实施了许多改进和新工艺[1]。近年来,序批式反应器系统在国内和工业废水处理中引起了人们的广泛兴趣,因为可以在单个反应器中连续保持好氧级和缺氧级[2-5]进行生物脱氮。然而,从含高氨浓度或低碳氮比的废水中完全去除氮,往往受到缺氧阶段缺乏有效有机碳源的限制,以维持较高的反硝化速率[6]。因此,在缺氧阶段引入外部有机碳源是一种普遍做法,从而增加了工厂的运营成本[7]。
为了达到较高的硝化和反硝化速率,提出了采用多级好氧缺氧段的分级进料工艺进行深度脱氮。分步进料除具有典型的优点外,还能很好地利用进水作为反硝化过程所需的碳源。这意味着,通过分步喂食和多个好氧/缺氧阶段,在每个好氧阶段形成的亚硝酸盐和硝酸盐的反硝化所需的碳源由随后的缺氧期进水提供。此外,分步进料策略允许在较低的有机负荷下,在好氧阶段进行硝化,这估计了高有机负荷对自养硝化细菌的抑制作用,并节省了曝气消耗来氧化这些有机物。
已有文献报道了中的多需氧/缺氧或步进饲料的研究。Katsogiannis等人[8]研究了连续好氧缺氧组反应器的脱氮效果,其脱氮效果的持续时间比为。为的合成废水脱氮效率高,约。DeMuynck等人[9]确定了短好氧/缺氧相顺序优于一般好氧阶段,其次是缺氧阶段。采用一种优化算法将循环时间降到最小,通过优化可以节省的额外供应和的曝气时间。Kargi和维吾尔人[10-12]在厌氧、缺氧、好氧、缺氧、好氧阶段研究了营养成分、水力停留时间和固体停留时间对五相(厌氧、缺氧、好氧、缺氧、好氧)养分去除性能的影响。在时,系统对、总氮和磷酸盐的去除率分别为,总循环时间为小时。
在上述所有研究中,反应阶段存在多个好氧/缺氧阶段。然而,只有单一的饲料,因此反硝化主要是基于储存的碳源,即内源反硝化。内源反硝化速率一般低于外源反硝化速率[13,14]。此外,废水中含有的大部分有机物必须在好氧阶段进行生物降解,从而导致较高的曝气消耗。然而,在缺氧阶段,废水中有机物的有效性可以通过分步进料策略来提高,从而使得在好氧阶段的较低的有机负荷下可以进行硝化[15]。Pulg等人[16]研究了实验室和中试的脱氮效果,采用了一种有个缺氧-好氧事件的分步进料策略。本研究提出了一种较好的操作策略,但需氧或缺氧时间是固定的,缺氧阶段的进水流量是恒定和相等的。
基于这些概念和分析,本研究的目的不仅在于研究分步进料的脱氮性能,还在于探讨各阶段进水流量分布与进水比的关系。在此基础上,研究了比对系统运行性能的影响,即阶跃比对系统运行性能的影响。此外,以为控制参数,实时控制好氧和缺氧时间分布灵活,但不固定。
- 材料和方法
2.1.实验装置
实验设备的示意图如图1所示。反应器由具有工作容积的有机玻璃制成。使用空气压缩机进行曝气。当压缩机停止工作时,使用机械搅拌器来提供液体混合。此外,还安装了、和传感器,用于监测反应器中的、和;按照、和变化间隔收集样品。
2.2. 分析方法
用二级探头在线检测温度和值。和探针分别用、计和DO探针连续监测和。按标准方法[17]测定、、和、和混合液悬浮固体浓度。
图 中实验系统和控制设备的原理图
2.3. 废水和种子污泥
本研究以北京北小河污水处理厂一次沉淀池实际生活污水为研究对象。从清河污水处理厂(北京)获得了具有氧化碳化合物、反硝化、自养硝化生物混合异养生物的种子污泥。进水的特点列于表。原水和分别为和。污泥培养后,试验持续个月。
2.4. 操作策略
一般来说,典型的循环分为填充、反应、沉淀、抽提和闲置五个不同阶段。如果只有一个填充阶段,则水中可能存在大量的亚硝酸盐和硝酸盐,因为内源反硝化不能有效地减少缺氧反应中的亚硝酸盐和硝酸盐,并由于缺乏有机电子供体而在沉淀期内出现[6]。本研究采用分步投加策略,利用废水中易生物降解的有机基质,加强反硝化作用。图示出了操作策略。有三个填充阶段,在图2示出了操作策略。很短的时间内完成,就像脉冲充盈一样。反应器有三种好氧-缺氧组合,在最后一段缺氧时,反应器中加入外部碳源(乙醇)作为反硝化的电子供体。为了满足北京奥运湖补水标准的要求,引入少量的外碳源,虽然增加了运行成本。反应器的曝气和搅拌在沉降阶段停止,允许活性污泥在静止的条件下沉降。在提取阶段,澄清的上清液通过一个阀门从固定在最低液位的阀门中提取。缺氧和好氧持续时间均不固定,而是通过实时控制分布固定相,左右,左右。
表 进水特性
图 步进进给的操作策略
- 结果和讨论
3.1. 实时控制三级的硝化反硝化
反应堆运行的典型循环如图所示。三步进水的操作策略为:填充(原水)、好氧反应(原水)、缺氧反应、好氧反应、填充(原水)、缺氧反应、好氧反应、乙醇加入和缺氧反应。结果表明,在好氧条件下,随着时间的推移而降低,随着氨氮的硝化转化,亚硝酸盐和硝酸盐的浓度随时间的增加而相应增加。值的下降是由于硝化过程中碱度的降低和酸的产生所致。硝化结束后,pH值开始增大。点代表每个好氧阶段的硝化结束,被称为“氨谷” [6,18]。在第一和第二缺氧相,以进水有机底物为碳源,亚硝酸盐和硝酸盐完全反硝化为氮气。值随脱氮量的增加而增加,反硝化结束后值开始下降。点代表反硝化的完成,这被称为“硝酸盐顶点”[19]。在剖面中,点也表示完成了反硝化,这被称为“硝酸膝”[18]。在缺氧第三阶段,在剖面上也分别观察到“硝酸盐顶点”和“硝酸膝”(点)。但是,乙醇的反硝化速率要快于第一、二缺氧阶段,在缺氧阶段,废水中含有的有机碳进行了反硝化。
废水中含有的有机碳。在好氧/缺氧阶段,硝化和反硝化完全进行,氨浓度分别降低和浓度在左右。在最后的缺氧相,在反应器中加入乙醇,通过优化实验得到。该反应器出水总氮浓度为,且氧化和氧的持续时间短于氧,主要原因是由于第二、第三阶段的对自养硝化菌的抑制作用,反硝化所需的电子供体。此外,在进水时,反硝化速率较快,且各填料流量相等。图3显示,在缺氧1和缺氧时,浓度分别从,从,相应地,缺氧和缺氧的反硝化速率分别为 。
此外,的导数也显示出一些显著的断点。在“氨谷”可作为硝化控制参数。同时,由于“硝酸盐顶点”的正、负变化,可作为反硝化控制参数。通过对这些断点的检测,每一次好氧缺氧的持续时间可以达到控制稳定性,具有高效、节能、避免丝状膨胀的优点。结果表明,点后,由于废水或外部碳的加入,出现了由负值到正点的剧烈波动。
图 采用三步法等投料、和的分布
图 三步等料的分布
3.2. 各阶段进水流量分布与进水比的关系
分步进料系统,无论是连续流系统还是序批系统,都需要仔细设计和考虑废水特性,因为流程方案对比[20]所反映的微妙平衡非常敏感。此外,对于连续流系统,必须考虑好氧区和缺氧区的分布,以保证硝化和反硝化完全进行[21]。相应地,阶跃进料需要考虑好氧和缺氧时间的分布。然而,在本研究中,好氧和缺氧的持续时间由实时控制系统控制,可以灵活地确定每次好氧和缺氧的持续时间,以确保硝化和反硝化完全进行。因此,探讨对各阶段进水流量分布的影响是非常重要和必要的。在分步进料中,为了保证各阶段脱氮过程中形成的亚硝酸盐和硝酸盐,碳源应由后续填充期的进水提供。阶跃比()为:,为时流入流量。这个比值 ()普遍存在于第一步和第二步,第二步和第三步之间,等等。如果反应完成,忽略同化,则这个比值率)等于(表示为)。
理论上,在可生物降解有机物存在的缺氧条件下,降低硝酸盐氮[22,23]的消耗量为。在这里,作为缺氧生物产量系数,是一个恒定的参数,尽管比特值会随着温度和地点的变化而变化[24]。在中,假定为[23]。因此,对于比为的废水,利用下一填料相等容积进水中的,可以对预氧化相生成的硝酸盐进行适当的反硝化。实际上,令人满意的工艺效率所需的比取决于COD完全用于反硝化,取决于进水(主要是易生物降解的基质和缓慢生物降解的基质)的实际生物降解分数,以及实际的[23-25]。在实际应用中,降低 所需的值可定义为。对于的的废水,每一步进水流量相等,即利用后续填料相等容积进水中所含的和各缺氧相末端的剩余,可适当地降低预氧化阶段形成的硝酸盐。当污水比低于时,阶跃比应小于1,这意味着进水流量应增加。相反,如果废水的比高于,则阶跃比应大于1,这意味着进水流量应减少。因此,在给定的进水比的情况下,存在一个唯一的、最优的阶跃比,这对运行性能至关重要。
3.3. 阶跃比对操作性能的影响
从上述分析可知,对于比为常数的废水,通过优化试验可以得到一种独特的、最优的阶跃比,即。当实际步长比小于,即实际进水流量大于最佳进水流量时,仍停留在缺氧阶段,需通过曝气生物降解,导致曝气消耗高。这种现象可在图3中发现,在第一和第二缺氧阶段结束时,过剩的化学需氧量必须在氧化和氧化开始时通过曝气而被生物降解,分别约为和8,这意味着第二和第三进水流量过大,即lt;。相反,如果实际阶跃比大于,即实际进水流量小于最佳进水流量,则不足以减少预氧化阶段形成的亚硝酸盐和硝酸盐,导致不完全反硝化而产生“硝酸膝”。此外,由于不足,反应器中的脱氮速率较慢,亚硝酸和硝酸盐积累较少。图显示了的三级的第一氧化相和缺氧相的、氨、亚硝酸盐、硝酸盐、的分布。第一缺氧阶段出水亚硝酸盐和硝酸盐浓度
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