中文翻譯--國內(nèi)廢水脫氮試點(diǎn)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(diǎn)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(xué)院，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈

2、爾 濱 I50090，中國電子郵箱：pyz@bjut.edu.engsyhit126.corn2，北京工業(yè)大學(xué) 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(gè)月 orbal 氧化溝的實(shí)際運(yùn)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(shí)運(yùn)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(gè)渠段均為 5.5g/l， RAS 為 150%，雖然在主要除氮指標(biāo)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(yàn)證是否新的微生物對氮的轉(zhuǎn)移起

4、到實(shí)質(zhì)性 的貢獻(xiàn)，這個(gè)結(jié)果象征著對 Orbal 氧化溝的檢查更像是一個(gè)自然現(xiàn)象 關(guān)鍵字：脫氮、同時(shí)硝化作用和脫氮作用、低 DO、MLSS、新式微生物 導(dǎo)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(jìn)，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(shí)間的污泥生物處理法的積極改進(jìn)，同時(shí)也實(shí)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(shí)現(xiàn)了脫氮作用在較簡單的操作和較低的運(yùn)行 成本上，在過去的兩個(gè)十年，超過一百個(gè)它們被建造在市政污水處理上。</p><p>　　迄今為止，對這種SND機(jī)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(gè)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(xué)方面的解釋，被證實(shí)有一種耗氧脫氧劑的存在和異養(yǎng)硝化細(xì)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(xì)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(shí) 驗(yàn)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(yán)格的環(huán)境要求是造成這種生物化學(xué)方法的主要原因。</p><p>　　這個(gè)研究指導(dǎo)我們發(fā)展實(shí)際和更經(jīng)濟(jì)的方法來得到高的除氮率在一個(gè)pilot orbal 氧化溝中，明確的目標(biāo)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(jià)除氮微生物的角色的價(jià)值，更遠(yuǎn)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(gè)典型的orbal氧化溝有三個(gè)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(gè)實(shí)驗(yàn)?；亓骰钚晕勰嗍紫缺宦菪么虻酵馑?，然后依次流到中間和里 面被重力通過水下設(shè)施靠近這個(gè)底部在它們進(jìn)入二沉池之前，每三個(gè)水渠都是一 個(gè)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(dòng)在每個(gè)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(gè)反應(yīng)的 底部作為作為通風(fēng)措施，加上潛水泵刺激點(diǎn)式曝氣模式執(zhí)行被圓盤曝氣裝置在整 個(gè)設(shè)施上，這個(gè)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(shí)間被控制在16.5h，沒有內(nèi)部循環(huán)流 動(dòng)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(dòng)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(gè)</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(dòng)控制，反應(yīng)操作在室溫20-26℃， 沒有特殊的活動(dòng)來控制這個(gè)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(shí)伴隨 著低的COD，平均220mg/l，每個(gè)早上的8點(diǎn)到9點(diǎn)鐘，廢水從化糞池流入保持一 個(gè)恒定的性質(zhì)，這種廢水的特性見下表1</p><p>　　這個(gè)反應(yīng)來自北京近郊的jiuxianqiao污水處理廠，展示了同時(shí)進(jìn)行氮的去除 和磷酸鹽的去除，實(shí)驗(yàn)之前已證明這個(gè)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(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 共存實(shí)驗(yàn)被做了，通過已知的生物化學(xué)細(xì)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(shí)的除氮機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)實(shí)驗(yàn)被做從2004年5月到2005年9月，

14、按操作條件分為十個(gè)不同的時(shí)期，報(bào)告 見表2 因?yàn)檫@個(gè)微生物高的氧氣利用率大量的消耗氧氣和較高的有機(jī)污染物負(fù)荷在外 溝渠，雖然補(bǔ)充空氣但溶解氧的含量仍相當(dāng)?shù)牡?，空氣泵入使得硝化作用是可?的，當(dāng)這個(gè)低的氧濃度使得反硝化作用同時(shí)發(fā)生，耗氧條件使得更加有效的氧氣 利用和能量利用，當(dāng)然結(jié)果也減少能量消耗</p><p>　　進(jìn)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(jì)見圖2。通過這 個(gè)實(shí)驗(yàn)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(gè)數(shù)據(jù)被收集，在Ⅰ—Ⅲ時(shí)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(qiáng)，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M(jìn)LSS明顯的加強(qiáng)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(qiáng)，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(qiáng)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(rèn)為是氮去除率的一個(gè)重要指標(biāo)，在不同的渠道中，當(dāng)DO 分別為0.2、0. 4、0.7mg/l時(shí)，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(qiáng)，但是一旦反 硝化作用飽和的話，太多的RAS將會使整個(gè)反應(yīng)看起來像一個(gè)混合反應(yīng)器，并且 會毀壞出水帶的缺氧區(qū)。在X時(shí)期，內(nèi)部渠道的DO將會進(jìn)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M(jìn)LSS，和增長的RAS回流率能夠是 有用的，尤其是進(jìn)水處在一個(gè)較低的DO/TN水平上。為了實(shí)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(dāng)MLSS在5.5g/l時(shí)，沒有活性污泥浪費(fèi)，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(biāo)，為了在orbal進(jìn)程中了解N的 去除機(jī)制，一個(gè)小的反應(yīng)容器，被臨時(shí)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?yàn)橄♂屪饔?。除此?外，污泥的吸附作用也可能是COD從進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)的停留時(shí)

21、間，使得有機(jī)污染 物消耗怠盡。</p><p>　　在出水，中間和進(jìn)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(xiàn)最大。低的氧氣濃度和有機(jī)物能夠解釋這一現(xiàn)象。因此加強(qiáng)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(shí)間為5h。當(dāng)MLSS為5.5g/l，DO為1mg/l時(shí)，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(shí)間為

22、2-3小時(shí)時(shí)，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(dān)了2.8mg/l的除氮量，但胺的去除主要是在這里進(jìn)行，而且內(nèi)部 水渠的存在可以使得進(jìn)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(gè)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，低的F/M和DO容易導(dǎo)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(shí)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(dāng)前的很多報(bào)導(dǎo)相矛 盾。一些可能的解釋是這樣的：首先，一般人們認(rèn)為纖維細(xì)菌有著較低的運(yùn)動(dòng)常 數(shù)，在較低的DO條件下由于生存競爭而導(dǎo)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(dǎo)致了

24、氧氣的缺少，曝氣點(diǎn) 的位置也導(dǎo)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(xì)菌和厭氧細(xì)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(xiàn)中，這種異養(yǎng)絲狀微生物被描述成是嚴(yán)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(jì)

25、使得每個(gè)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(gè)實(shí)驗(yàn)中高的HRT和SRT，有足夠長的時(shí)間來使它們通過自身</p><p>　　的呼吸作用來達(dá)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(xì)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(yàn)證這種能同時(shí)進(jìn)行硝化作用和反硝化作用的細(xì)菌是否 在真實(shí)的SND構(gòu)筑物中有足夠的效果，這不能被忽視。所有實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)</p><p>　

27、　被觀察到當(dāng)氨和氮出現(xiàn)時(shí)，溶解氧和有機(jī)物在同一時(shí)間消失，一些細(xì)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(jìn)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(gè)封閉的玻璃器皿（標(biāo)簽</p><p>　　1-4），每個(gè)容器體積為2L，帶有一個(gè)簡單的進(jìn)出口，氯化銨和亞硝酸鈉，前者加 到反應(yīng)3和4當(dāng)中，后者加到反應(yīng)2、3和4當(dāng)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(shí)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(shí)PH值圍繞在7.00-7.20之 間，隨著反應(yīng)的進(jìn)行PH逐漸上升到7.25

29、-7.5。在反應(yīng)中并沒有對PH進(jìn)行干預(yù)，樣 本在最初的一小時(shí)采集兩次，在隨后的6個(gè)小時(shí)里每小時(shí)采集一次，每次采集 40ml，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，氮的去除率達(dá)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(shí)驗(yàn) 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(shí)進(jìn)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(shí)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(shí)候發(fā) 生的這個(gè)反應(yīng)。</p><p>　　作為缺氧性實(shí)驗(yàn)的一個(gè)反應(yīng)被用在好氧性實(shí)驗(yàn)上，但是容器沒有密封。壓縮&

31、lt;/p><p>　　空氣被鼓入這個(gè)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(dá)到20mg/l，乙酸醋酸鹽也被加到反應(yīng)6、8來使COD達(dá)到100mg/（l 反應(yīng)5作為空白對照實(shí)驗(yàn)。反應(yīng)持續(xù)3小時(shí)。</p><p>　　2.3.3

32、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和討論</p><p><b>　　標(biāo)簽3），</b></p><p>　　厭氧實(shí)驗(yàn)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(shí)間的流逝呈現(xiàn)出減少的趨勢，這些都?xì)w結(jié)于傳統(tǒng)異養(yǎng)細(xì)菌的反硝化作用。在另 外3個(gè)反應(yīng)當(dāng)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(dǎo)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(jìn)行反硝化作用，這導(dǎo)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(jī)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(dòng)進(jìn)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?yàn)榇姿猁}的加入，硝酸鹽有個(gè)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(jī)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(jī)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(shí)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(shí)在厭氧和好氧條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并不能給出存在新型細(xì)菌的足 夠的證據(jù)，這些細(xì)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(gè)低投資、低運(yùn)行成本的系統(tǒng)，不需進(jìn)行硬件設(shè)施的改造，具 有良好的流動(dòng)