环境工程学报, 12(10): 2725-2731

DOI 10.12030/j.cjee.201804015    中图分类号  X703.1   文献标识码  A


董全宇,陈帆,程浩,等. 木屑-硫磺填充床反硝化生物滤池强化硝酸盐去除[J]. 环境工程学报,2018,12(10):2725–2731.
DONG Quanyu, CHEN Fan, CHENG Hao, et al. Woodchip-sulfur packed denitrification biofilter for enhanced nitrate removal [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering,2018,12(10):2725–2731.
木屑-硫磺填充床反硝化生物滤池强化硝酸盐去除
董 全宇, 陈 帆, 程 浩, 姚 晓婧 , 王 爱杰 *
哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,哈尔滨 150090
第一作者:董全宇(1994—),男,硕士研究生,研究方向:水污染控制。E-mail:mastermeiqihezi@163.com
*
通信作者,E-mail:waj0578@hit.edu.cn
收稿日期: 2018-04-03; 录用日期: 2018-06-26
基金项目: 国家杰出青年科学基金资助项目(51225802)

摘  要 

针对污水处理厂二级出水深度脱氮的需求,设计了以木屑与硫磺颗粒为填料(质量比1:1)的反硝化生物滤池,对碳氮比失衡的污水处理厂二级出水进行深度脱氮处理。结果表明,木屑释放碳源速率在10 d之后趋于稳定,COD中(40.6±10.0)%是反硝化菌可直接利用的VFA。反硝化生物滤池运行的最佳HRT为10 h,在此条件下,进水硝酸盐(以N计)浓度为30 mg·L−1时,出水硝酸盐浓度最低为11.5 mg·L−1,亚硝酸盐(以N计)浓度最低为1.4 mg·L−1,反硝化生物滤池内未发生硝酸盐异化还原(DNRA)作用,出水无氨氮积累。出水SO42−浓度最高为73.8 mg·L−1。反硝化生物滤池运行稳定后,出水中COD未超过30 mg·L−1,木屑释放的碳源与异养反硝化过程消耗的碳源持平,经反硝化生物滤池深度处理的出水中无过量残留有机物。出水pH稳定在6.9~7.4范围内,反硝化生物滤池无需外加碱类物质。
Woodchip-sulfur packed denitrification biofilter for enhanced nitrate removal
DONG Quanyu, CHEN Fan, CHENG Hao, YAO Xiaojing , WANG Aijie *
State Key Laboratory of Urban Water Resources and Water Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China
*
Corresponding author,E-mail:waj0578@hit.edu.cn

Abstract  

The results indicated the rate of the released carbon from woodchip tended to be stable after 10 d and (40.6±10.0)% of COD was volatile fatty acid, an available carbon source directly utilized by denitrifier. Under the condition of the optimal HRT (10 h) with thenitrate concentration (nitrate nitrogen value) of 30 mg·L−1 in influent, the concentration of nitrate, nitrite (nitrite nitrogen value) and sulfate in the effluent could reach 11.5, 1.4 and 73.8 mg·L−1, respectively. It was worth to mention that the accumulation of ammonia and dissimilatory nitrate reduction to ammonium were not occurred. In addition, no residual organic material was escaped from woodchip to the effluent, verified by the low COD in effluent (<30 mg·L−1). The range of pH in effluent maintained at 6.9 to 7.4 and there no additional alkaline compounds was required.
硝酸盐是天然水体中无处不在的污染物质,其浓度过高是诱发水体富营养化的重要因素之一[1]。为进一步降低污水氮含量,恢复受纳水体的自净功能,我国污水排放标准中有关含氮污染物的排放标准愈发严格,如《生活饮用水卫生标准》规定硝酸盐氮最高限值为10 mg·L−1[2]。异养反硝化和自养反硝化工艺是常用的硝酸盐生物去除途径,与传统的异养反硝化相比,硫自养反硝化工艺因具有无需外加碳源、运行成本低、污泥产量少等优点而逐渐在深度脱氮研究领域受到关注[3-5]。但硫自养反硝化过程会产生大量H+与硫酸盐,需通过加入石灰石或其他碱度物质进行中和[6],导致出水硬度大幅增加。因此,SAHINKAYA等[7]研究了异养自养联合反硝化过程,此过程中异养与自养反硝化同时进行,前者生成的碱度可供后者消耗,出水呈中性,并降低了硫酸盐积累量。
木屑作为反硝化的固体缓释碳源,在实际工程中已有成功应用[8]。以木屑为缓释碳源的异养反硝化工艺具有使用寿命长、硝酸盐去除率高和维护成本低等优点[9]。但迄今为止未见以木屑-硫磺混合物为填充床的反硝化连续流反应器及工艺研究,其连续流工艺的可行性及其长期运行的稳定性有待考察。木屑-硫磺填充床反硝化生物滤池采用单质硫和木屑作为滤料,除具有截留悬浮污染物的功能外,木屑-硫磺复合滤料可以在生物滤池中同时进行产生酸度的硫自养反硝化以及产生碱度的异养反硝化过程,通过两者优化复配比例和调节进水参数,在获得稳定的硝酸盐去除率的同时,可以将反应体系的pH维持在中性范围。相比外加有机碳源的反硝化滤池,木屑-硫磺填充床反硝化生物滤池无需投加有机碳源,可有效避免二次污染。同时,木屑-硫磺填充床反硝化滤池污泥产率低,可有效降低反冲洗频次,且硫磺和木屑均为廉价载体,因此具有明显的成本及运行优势。
本研究根据二级出水可利用碳源不足的水质特点,以木屑、硫磺为混合填料,设计木屑-硫磺填充床反硝化生物滤池,考察木屑-硫磺填充床反硝化生物滤池对硝酸盐的去除效果,确定其最佳运行条件,探究其反硝化脱氮效能。以期为碳氮比失衡的污水处理厂二级出水深度脱氮提供技术参考。

1 实验部分

1.1 木屑-硫磺填充床的构建

本实验所采用的反应器如图1所示,其材质为有机玻璃,反应器内径160 mm,总高度370 mm,反应区高250 mm,有效体积2.45 L,沿柱高均匀设置4 个取样口,底部设置压力表。木屑置于鼓风干燥箱(DHG-9140A)中烘干24 h后取出,与硫磺颗粒(粒径8~12 mm,中国石油化工有限公司)按1:1的质量比混匀进行填充。为防止启动阶段木屑随出水流失,反应器填充层底部和上部均填充3 cm厚的硫磺。
滤池接种污泥为实验室驯化成熟的异养反硝化与自养反硝化污泥的混合液(600 mL,体积比1:1),启动阶段HRT为12 h,进水组成:NO3-N 30 mg·L−1、NH4+-N 2 mg·L−1、TP 1 mg·L−1、NaHCO3 0.1 g·L−1、微量元素溶液1 mL·L−1[10]。反应器在室温(23±3) °C条件下运行,每天检测出水中NO3-N浓度,NO3-N去除率达到50%以上,反应器启动成功。
图1 实验装置示意图
Fig. 1 Flow sheet of experiment setup
图1 实验装置示意图
Fig. 1 Flow sheet of experiment setup
Cjee 201804015 t1

1.2 实验设计

实验分为2部分:第1部分是木屑浸出液分析,称取10 g经24 h干燥后的木屑置于500 mL锥形瓶中,加入500 mL去离子水,每日更换锥形瓶中的水,取出水测定其COD与VFA;第2部分为木屑-硫磺填充床反硝化生物滤池脱氮效能的研究,在不同HRT条件下(HRT=6 h(Ⅰ)、8 h(Ⅱ)、10 h(Ⅲ)、12 h(Ⅳ))探究木屑-硫磺填充床反硝化生物滤池对硝酸盐的去除效果以及亚硝酸盐、硫酸盐的积累情况。同时考察反应器出水COD及进出水pH的变化,分析经木屑-硫磺填充床反硝化生物滤池处理的二级出水是否含有过量的残留有机物。考察木屑-硫磺填充床反硝化生物滤池中是否发生硝酸盐异化还原(DNRA)作用。

1.3 实验水质及分析

反应器进水模拟城镇污水处理厂二级出水。使用自来水配制进水,其中各物质浓度为NO3-N 30 mg·L−1、NH4+-N 2 mg·L−1、TP 1 mg·L−1、NaHCO3 0.1 g·L−1、微量元素溶液1 mL·L−1,进水硫酸盐浓度始终未超过10 mg·L−1。实验所用药品均为分析纯,全部购自于天津东丽区天大化学试剂厂。
水样先经0.22 μm滤膜过滤,VFAs通过气相色谱仪[11](7890N Agilent Tec.Co)测定;NH4+-N通过纳氏试剂分光光度法[12]测定;NO3、NO2、SO42−通过离子色谱仪[13](戴安ICS3000)测定;COD通过快速消解分光光度法[13]测定;pH通过便携式pH计[12]测定。

2 结果与讨论

2.1 木屑浸出液分析

木屑浸出液的COD及VFA浓度变化如图2所示。结果表明,前10 d内浸出液中COD与乙酸浓度较高,最高达到323 mg·L−1与106.1 mg·L−1,丙酸只在第1~6 天和第8 天的浸出液中检出,平均浓度为(10.9±1.5) mg·L−1。但此阶段COD与VFA的浓度呈明显下降的趋势,VFA在浸出液COD中所占比值逐渐上升,从第1 天的32.8%增大到第9 天的43.7%。其原因是木屑表面大量可溶性有机物溶于水中,而后木屑本底有机物被缓慢释放,而其中VFA的分子质量又相对较低,使得浸出液COD逐渐下降。李乐乐等[14]在玉米秸秆释碳研究中发现,玉米秸秆释放COD规律呈现出前期较快、中期下降、后期稳定的规律,且认为前期COD大量释放是玉米秸秆表面溶解性有机物溶于水中所致。钟胜强等[15]在研究不同植物材料释碳性能时也认为,初期水解液COD迅速升高与材料中水溶性碳水化合物快速溶解有关。这都与本实验得出的结论相符。
图2 木屑COD及VFA释放规律
Fig. 2 Release of COD and VFA from woodchips
图2 木屑COD及VFA释放规律
Fig. 2 Release of COD and VFA from woodchips
Cjee 201804015 t2
第10 天以后,木屑释放COD与VFA的速率趋于稳定,直至第30 天,仍有19.9 mg·L−1的乙酸析出,30 d内,COD中(40.6±10.0)%是反硝化菌可直接利用的VFA。研究表明,以VFA为碳源时的反硝化速率高于以甲醇、乙醇为碳源时的反硝化速率[16-18],且以乙酸为碳源时反硝化速率最高,混合VFA碳源的反硝化速率更是高于组成它的单一VFA的反硝化速率[19]。而浸泡于水中的木屑恰好可以长时间稳定地释放出VFA,证明了木屑作为异养反硝化碳源物质的可行性。

2.2 水力停留时间的影响

2.2.1 水力停留时间对硝酸盐去除的影响

图3(a)可知,HRT=6 h时,硝酸盐去除率在50%左右,从进水的(30.6±0.4) mg·L−1下降至(14.7±0.3) mg·L−1;HRT=8 h时,硝酸盐去除率略有提高,从进水的(30.6±0.2) mg·L−1下降至(13.6±0.2) mg·L−1;HRT=10、12 h时,硝酸盐去除率最高,可达60%以上,分别从进水的(30.5±0.3)、(30.8±0.6) mg·L−1下降至(11.5±0.1)、(11.8±0.1) mg·L−1。在2.1中已发现木屑释放碳源呈现出先快后慢的规律,而反应器运行启动初期的第1~10 天正是木屑碳源释放速率最快的阶段。而后木屑释放的碳源速率趋于稳定,反硝化菌可直接利用的VFA含量下降。因此,反应器经过启动阶段之后的硝酸盐去除率明显下降,由启动阶段的78.2%降至63.4%。
王淑莹等[20]研究发现,溶解氧会抑制硝酸盐还原菌酶系统的合成从而抑制硝酸盐还原酶的产生,而溶解氧对亚硝酸盐还原菌的抑制作用更要大于硝酸盐还原菌。反应器中反应区高度仅为250 mm,由于上流进水中存在的DO持续进入反应器,在反应区中下部抑制硝酸盐还原酶的生成从而使反硝化速率下降。并且启动阶段过后,未经特殊处理的木屑释放VFA的速率已基本稳定,其表面富集的水解菌所产生的可利用碳源也不充足,难以使脱氮效率维持在较高的水平。
图3 不同HRT下的脱氮效能
Fig. 3 Denitrification efficiency under different HRT
图3 不同HRT下的脱氮效能
Fig. 3 Denitrification efficiency under different HRT
Cjee 201804015 t3

2.2.2 水力停留时间对亚硝酸盐积累的影响

图3(b)可知,HRT=6、8 h时,出水亚硝酸盐浓度较高,分别达到(1.6±0.1)、(1.6±0.0) mg·L−1;HRT=10、12 h时,出水亚硝酸盐浓度下降,分别为(1.4±0.0)、(1.4±0.0) mg·L−1。这主要是因为,反硝化过程中硝酸盐首先被硝酸盐还原酶转化为亚硝酸盐,而后再由亚硝酸盐还原酶最终还原为氮气[21]。亚硝酸盐是反硝化过程中的中间产物,自养反硝化中,当硝酸盐浓度低于500 mg·L−1时,微生物在降解亚硝酸盐的同时生成亚硝酸盐还原酶,会加快亚硝酸盐的降解速度[22],而进水硝酸盐浓度远低于这一抑制水平。杨莎莎等[23]发现进行亚硝酸型反硝化的最佳pH在7.7~8.6之间,即以弱碱性条件为宜,反应器内部pH始终处于中性范围,影响了亚硝酸型反硝化的彻底进行。熊剑锋等[24]以梧桐树叶浸出液为反硝化碳源进行研究时发现,由于溶解氧始终处于1 mg·L−1以下,COD/N越小,亚硝酸盐去除率越差。可知木屑在稳定运行阶段所释放的可利用碳源含量不足以支持亚硝酸盐的完全还原,产生了少量亚硝酸盐的积累。并且HRT过短时,亚硝酸盐转化为氮气的反应时间不足,反硝化过程无法完全进行,从而导致亚硝酸盐产生积累。HRT=12 h时,无论是硝酸盐的去除率还是亚硝酸盐的积累量均与HRT=10 h时无较大差别,可知最佳水力停留时间为10 h。

2.2.3 水力停留时间对硫酸盐积累的影响

图4可知。不同阶段硫酸盐的生成量分别为(65.5±0.9) mg·L−1(Ⅰ)、(61.5±0.6) mg·L−1(Ⅱ)、(58.9±0.4) mg·L−1(Ⅲ)、(59.1±0.4) mg·L−1(Ⅳ),呈现逐渐降低的趋势。OH等[25]研究表明,异养自养联合反硝化中自养与异养反硝化所占的比重可通过硫酸盐的生成量间接确定。根据硫自养反硝化中硝酸盐与硫酸盐的化学计量数为1:1.1[26]计算可得相应的硫自养反硝化所占的比例分别为(54.9±1.3)%(Ⅰ)、(48.2±1.2)%(Ⅱ)、(41.1±0.8)%(Ⅲ)、(41.2±1.2)%(Ⅳ),结果表明硫自养反硝化所占的比例逐渐下降。这是由于厌氧条件下硫酸盐还原菌可以使硫酸盐还原,这种异化过程以有机物为电子供体,最终生成H2S[27]。同时,除硫酸盐外,硫自养反硝化过程中还会产生亚硫酸盐、硫代硫酸盐等中间产物。而兼性自养反硝化菌可以利用各种含硫化合物作为能量来源以适应不同的营养环境[28]。出水中未检出硫代硫酸盐也印证了以上说法。所以,由生成的硫酸盐间接确定的自养反硝化在联合反硝化中所占的比例可能低于实际情况[29]。木屑-硫磺异养自养联合反硝化体系不会产生较高的硫酸盐积累量,且HRT=10 h时硫酸盐的积累量与HRT=12 h时相差不大,可确定反应器最佳水力停留时间为10 h。
图4 不同HRT下硫酸盐的积累量
Fig. 4 Accumulation of sulfate under different HRT
图4 不同HRT下硫酸盐的积累量
Fig. 4 Accumulation of sulfate under different HRT
Cjee 201804015 t4

2.3 出水氨氮的变化

LI等[29]在进行木屑-硫磺异养自养联合反硝化实验时发现,由于硝酸盐异化还原(DNRA)作用,木屑-硫磺异养自养联合反硝化过程会积累大量氨氮,最高可达2 500 mg·L−1。因此,需考察连续流条件下木屑-硫磺填充床反硝化生物滤池出水中是否存在氨氮积累。由图5可知,连续流条件下木屑-硫磺填充床反硝化生物滤池出水中无氨氮积累,氨氮去除率可达100%。周少奇等[30]发现在有机碳源存在的条件下,厌氧氨氧化与反硝化反应能同步进行,二者之间会产生相互促进作用。厌氧氨氧化是指在厌氧或缺氧条件下,厌氧氨氧化菌以NO2-N为电子受体,将NH4+-N氧化为N2的生物过程[31]。反应器中有可能发生了厌氧氨氧化反应,实现了NO2-N与NH4+-N的同步脱除,而未发生硝酸盐异化还原(DNRA)作用,因而对氨氮具有较好的去除效果。同时说明稳定运行的反应器中不会存在NO2-N的过量积累。
图5 不同HRT下氨氮的变化
Fig. 5 Ammonia nitrogen variations under different HRT
图5 不同HRT下氨氮的变化
Fig. 5 Ammonia nitrogen variations under different HRT
Cjee 201804015 t5

2.4 出水COD的变化

图6可知,在反应器启动阶段,木屑大量释放碳源,硝酸盐去除率较高,但出水中也含有诸如木质素、纤维素等微生物暂时无法利用的碳源物质,使得出水COD浓度最高达到116.6 mg·L−1,而后出水COD浓度逐渐下降。第12 天至启动阶段结束,硝酸盐去除率趋于稳定,出水COD下降至45.5 mg·L−1。第16 天之后,出水COD继续下降,至第24 天起,出水COD浓度再未超过30 mg·L−1。孙雅丽等[11]以腐朽木为反硝化碳源进行研究时发现反应体系内部已经形成了一个水解菌与反硝化菌共存的微生物群落,在群落的作用下系统实现水解-反硝化脱氮目标。这说明木屑在反硝化滤池中既是微生物生长富集的介质,也可以稳定释放碳源。运行条件的改变对碳源释放的速率不产生影响,木屑释放的碳源与异养反硝化过程消耗的碳源基本持平,出水中无过量残留的碳源物质,木屑-硫磺异养自养联合反硝化工艺不会对二级出水造成次生污染。
图6 出水COD变化
Fig. 6 COD variations in effluent
图6 出水COD变化
Fig. 6 COD variations in effluent
Cjee 201804015 t6

2.5 pH的变化

反应器自启动之后的pH变化如图7所示。在反应器运行的前16 d内,出水pH较高,最高为7.58。此时木屑释放大量碳源,异养反硝化速率大于自养反硝化,反应器内部异养反硝化在异养自养联合反硝化中所占的比重大于硫自养反硝化,产生的碱度大于消耗的碱度。第16 天之后,出水pH基本趋于稳定,均在6.9~7.4的范围内,出水呈中性。这是由于反应器内部以木屑为缓释碳源的异养反硝化过程所产生的碱度与硫自养反硝化所消耗的碱度相当。自第28 天开始,pH略有下降,最低降至6.97。说明此时硫自养反硝化所占比例加大,而这一阶段硫酸盐的生成量又呈现下降的态势,可能是反应器中硫酸盐还原菌将部分硫酸盐转化成H2S的缘故[27]。在运行56 d之内,反应器出水pH未产生较大的波动,说明木屑-硫磺填充床反硝化生物滤池在运行过程中无需外加碱类物质。
图7 pH随时间的变化
Fig. 7 Change of pH with time
图7 pH随时间的变化
Fig. 7 Change of pH with time
Cjee 201804015 t7

3 结论

1)木屑释放碳源的速率在前10 d内逐渐下降,所释放的碳源物质中VFA浓度最高达到120.1 mg·L−1,乙酸在COD中所占比例最高达61.0%。而后木屑释放碳源速率趋于稳定,COD中(40.6±10.0)%为微生物可直接利用的VFA。30 d内木屑均能稳定释放VFA,木屑可以作为异养反硝化的碳源物质。
2)木屑-硫磺填充床反硝化生物滤池运行的最佳HRT为10 h。反应器在此条件下对30 mg·L−1的NO3-N有着较好的去除效果,出水硝酸盐浓度最低为11.5 mg·L−1,亚硝酸盐浓度最低为1.4 mg·L−1。在木屑-硫磺填充床反硝化生物滤池内未发生硝酸盐异化还原(DNRA)作用,出水无氨氮积累。
3)出水SO42−浓度最高为73.8 mg·L−1。HRT=10 h时硫酸盐的积累量与HRT=12 h时相差不大,低于其他HRT条件的积累量。可确定反应器最佳水力停留时间为10 h。不同阶段硫自养反硝化占比分别为(54.9±1.3)%(Ⅰ)、(48.2±1.2)%(Ⅱ)、(41.1±0.8)%(Ⅲ)、(41.2±1.2)%(Ⅳ)。反应器中可能存在硫酸盐还原菌,使得硫酸盐生成量逐渐下降。
4)反应器启动后出水COD逐渐下降,运行稳定后出水COD未超过30 mg·L−1,木屑释放的碳源与反硝化过程消耗的碳源实现平衡,不会造成碳源过剩现象的产生,出水中无过量残留有机物。出水pH在6.9~7.4的范围内,呈中性,无需外加碱类物质。

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