УДК 502

Анализ факторов, влияющих на удаление азота путем одновременной денитрификации нитрификации

Ван Вайцэ - студент Санкт-Петербургского Государственного Архитектурно-Строительного Университета.

Аннотация: Для дальнейшего изучения рабочих параметров процесса синхронной нитрификационной денитрификации на основе разработки принципа традиционной биологической денитрификации был проанализирован и обобщен принцип синхронной нитрификационной денитрификации, а также описан ряд факторов, влияющих на воздействие синхронной нитрификационной денитрификации на сточные воды.Результаты анализировались с точки зрения концентрации DO (растворенного кислорода), pH (кислотность/щелочность), C/N (соотношение углерода и азота) и времени гидравлического удержания:Соответствующая концентрация DO для одновременной нитрификации и денитрификации составила 2,5 мг/л; наилучший эффект удаления азота был достигнут при pH= 8; реакции нитрификации и денитрификации достигли равновесия при C/N= 12; а наиболее благоприятные условия для возникновения SND были при HRT= 8,0 ч.

Ключевые слова: синхронизированная нитрификация денитрификация, влияющие факторы, удаление азота.

С увеличением объема сброса городских сточных вод в водоемы постоянно попадает большое количество азотистых соединений, и явление эвтрофикации водоемов становится все более серьезным. В настоящее время основным методом удаления азота из городских сточных вод является биологический метод. Биологическая денитрификация - это использование различных бактерий для реакции аммиака, нитрификации, реакции денитрификации и превращения азота в воде в газообразный азот.Нитрификация и денитрификация в традиционных методах биологической денитрификации обычно осуществляются в разных реакторах, либо в одном и том же реакторе во времени или пространстве формируются чередующиеся аноксическая и аэробная среды.Синхронная нитрификация денитрификация может достичь интеграции аэробной и анаэробной сред, так что реакции нитрификации и денитрификации происходят синхронно в одном реакторе, который широко используется благодаря таким преимуществам, как низкое потребление энергии, низкая щелочность и непрерывный сток.Поэтому, чтобы изучить условия для стабильного протекания реакции синхронной нитрификации денитрификации, в данной статье анализируются влияющие факторы синхронной нитрификации денитрификации на основе обсуждения принципа традиционной биологической денитрификации и даются рекомендации по эксплуатации реального процесса.

Принцип биологического удаления азота из сточных вод

Принципы биологической денитрификации обычных сточных вод

Традиционная биологическая денитрификация - это процесс, в ходе которого микроорганизмы удаляют азот из сточных вод, преобразуя его в газообразный азот посредством аммонификации, нитрификации и денитрификации. В процессе биологической очистки закон превращения азота показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Преобразование азота при биологической очистке сточных вод.

Синхронизированная нитрификация и денитрификация для удаления азота

С 1980-х годов многие ученые показали, что существуют реакции денитрификации в аэробных условиях и реакции нитрификации в условиях низкого содержания кислорода, и процесс нитрификации и денитрификации обычно осуществляется в реакторе, который известен как синхронная нитрификация и денитрификация (Simulta-neous nitrification and denitrification (SND)), например, реактор кипящего слоя, биологический ротор, окислительная кювета и так далее.

Люди по-разному относятся к механизму реакции SND, и после ряда анализов и обсуждений были сформированы следующие три объяснения: макроэкологическое теоретическое объяснение, биологическое объяснение и микроэкологическое теоретическое объяснение.Одной из основных причин возникновения SND считается объяснение с помощью теории микроокружения. Она предполагает, что когда реактор находится в аэробной среде, внутри микробных флокул создается градиент DO из-за ограничения диффузии кислорода, как показано на Рисунке 2, т. е. существует тенденция к увеличению массовой концентрации DO от внутренней части к внешней.Концентрация растворенного кислорода относительно высока во внешнем слое микробного флока, если концентрация растворенного кислорода вне микробного флока равна концентрации растворенного кислорода в смеси внутри реактора, аэробные бактерии и нитрифицирующие бактерии могут проводить здесь реакцию нитрификации; внутри флока концентрация растворенного кислорода снижается с увеличением глубины, и это приведет к образованию аноксической зоны внутри микробного флока, что приведет к реакции денитрификации. Как видно, величина массовой концентрации растворенного кислорода в воде и структура биологического флока являются основными причинами образования SND.

Рисунок 2.Распределение реакционных зон в микробных флокулах и изменение массовой концентрации субстрата.

Факторы, влияющие на синхронную нитрификацию и денитрификацию

Учитывая подходящую среду для роста нитрифицирующих и денитрифицирующих бактерий, а также работу канализационной станции, в данной работе проводится анализ SND с точки зрения концентрации DO, pH, C/N, времени гидравлического удержания и других факторов.

Концентрация DO

Концентрация DO является важным фактором, влияющим на денитрификацию при одновременной нитрификации. Чжэн Гуйлинь и другие [1] показали, что в контрольном реакторе SBBR условия и условия подвесной мембраны (pH≈7,5 время культивирования осадка около 20 дней) последовательны, соответственно, контроль концентрации DO для наблюдения за скоростью удаления NH4+-N,TN Когда концентрация DO слишком низкая, эффект удаления не является удовлетворительным, в основном потому, что процесс окисления аммиака в гидроксил аммиака требует молекулярного кислорода, когда концентрация DO в реакторе слишком низкая, это ограничивает реакцию нитрификации в определенной степени, и в то же время, это также ограничивает последующую реакцию денитрификации. Когда концентрация DO составляет 2,5 мг/л, удаление NH4+-N происходит наилучшим образом, и скорость удаления достигает 93,3%; скорость удаления TN также достигает 83,7%. В это время формируется подходящая "аноксико-аэробная" среда, способствующая реакциям нитрификации, денитрификации. Если концентрация DO слишком высока, кислород будет проникать внутрь флока, разрушая внутреннее аноксическое (анаэробное) состояние, что повлияет на протекание реакции денитрификации.Сатох и другие использовали микроэлектродную систему для проверки диффузии DO в биопленке и обнаружили, что диффузия концентрации DO в биопленке имеет тенденцию к уменьшению с увеличением глубины. При исследовании влияния DO на реакцию нитрификации с помощью микроэлектродного метода было обнаружено, что реакция нитрификации может происходить при концентрации DO более 0,32 мг/л. Поэтому DO＜0,32 мг/л было определено как аноксическая зона, а доля аэробной зоны в биопленке была рассчитана, и был сделан вывод, что доля кислорода в биопленке увеличивается с ростом концентрации DO. При DO = 2,5 мг/л эффект нитрификации и денитрификации достигает максимума, доля аэробной зоны составляет 11,2%. Поэтому контроль DO на уровне около 2,5 мг/л позволяет лучше осуществлять реакции нитрификации и денитрификации.

pH также является важным фактором, влияющим на одновременную денитрификацию нитрификации, что связано с изменчивостью различных микроорганизмов, поэтому среда, к которой могут адаптироваться различные микроорганизмы, варьируется. Согласно Jia Yanping et al [2], рН, который может наилучшим образом гарантировать активность и количество нитрифицирующих бактерий, составляет 8,0-8,4, а рН, который наиболее подходит для роста денитрифицирующих бактерий, составляет 6,5-7,5, и активность будет значительно снижена, если она превысит этот диапазон, поэтому очень важно найти подходящий рН для реакции нитрификации и денитрификации. Хуан Шенжуан и другие [3] по результатам исследования в реакторе SBBR (температура управления 26 ~ 28 ℃, концентрация DO около 3 мг / л), для общего азота, с увеличением рН скорость удаления показал четкую тенденцию к росту, до рН = 8, когда скорость удаления достигает максимума около 70%. Для NH4+-N максимальная скорость удаления около 74% была достигнута при pH = 8.

Низкий уровень pH подавляет активность денитрифицирующих бактерий, что снижает вероятность протекания реакции. Фанг Си и др. [4] считают, что при нормальном протекании реакции SND щелочность, образующаяся в результате реакции денитрификации, компенсирует щелочность, потребляемую в результате реакции нитрификации, и в то же время до некоторой степени снижается поступление щелочи. При pH＞8, хотя активность денитрифицирующих бактерий подавлена, образующийся денитрифицирующий субстрат компенсирует ингибирование денитрификации щелочностью, так что реакция SND в это время все еще может протекать стабильно. Чжан Чжи и др. [5] пришли к выводу, что с увеличением pH в гранулированный осадок поступает все больше NO2-N и NO3-N, и реакция денитрификации в аноксической среде постепенно усиливается. В результате реакции денитрификации образуется щелочность, что приводит к увеличению внутреннего рН. Когда pH достигнет определенного значения, кислотно-щелочной баланс процесса денитрификации в системе будет нарушен, и денитрификация будет заторможена. Из вышесказанного видно, что удаление загрязняющих веществ происходит лучше, когда pH составляет 6,5-8,5, а эффект удаления достигает максимума, когда pH = 8.

C/N

C/N также оказывает влияние на SND. Как акцептор электронов для гетеротрофных аэробных бактерий и процесса денитрификации, органический источник углерода является необходимым материалом и источником энергии для метаболизма бактерий, и он играет решающую роль в реакции денитрификации.Слишком высокий C/N увеличит активность аэробных бактерий и подавит реакцию нитрификации; слишком низкий C/N приведет к неполной денитрификации и повлияет на эффект реакции. Cao Yongfeng et al [6] использовали реактор SBBR (рабочие параметры контролировались в лучших условиях возникновения SND, то есть значение pH 7,8, концентрация DO 3,0 мг / л) для исследования, результаты показывают, что различные C / N на удаление аммонийного азота и общего азота имеет большое влияние. Результаты показали, что различные C／N оказывают большое влияние на эффект удаления аммонийного азота и общего азота. С увеличением C/N скорость удаления как аммиака, так и общего азота постепенно увеличивалась, и при C/N=12 скорость удаления достигла более 90%. Это объясняется тем, что увеличение C/N эквивалентно увеличению источника углерода, который способствует размножению денитрифицирующих гетеротрофных бактерий и обеспечивает достаточное количество акцепторов электронов для денитрификации, благодаря чему скорость денитрификации повышается. Скорость удаления аммонийного азота снижалась при C/N=14, что было связано с тем, что автотрофным нитрифицирующим бактериям было трудно конкурировать с гетеротрофными бактериями при условии достаточного источника углерода, что ингибировало реакцию нитрификации и привело к низкому эффекту удаления TN.

Сяо Цзин [7] считает, что при низком значении C/N скорость реакции нитрификации выше скорости реакции денитрификации, поэтому большая часть органического вещества в реакторе потребляется гетеротрофными аэробными бактериями, а источник углерода не может попасть внутрь, что препятствует лучшему протеканию реакции денитрификации. Когда значение C/N увеличивается, источник углерода может попасть в биопленку, что повышает скорость удаления общего азота. Поэтому, если количество органического углерода в сточных водах слишком мало, необходимо добавить внешний источник углерода для обеспечения SND, что согласуется с точкой зрения Вэй Хайжуан [8], и в качестве источника углерода можно добавить крахмал, глюкозу, метанол и так далее. Таким образом, целесообразно контролировать C/N на уровне около 12, когда скорость удаления аммонийного азота и общего азота будет более удовлетворительной.

гидравлическое время пребывания

Время пребывания в гидравлической системе также является одним из важных параметров реакции. Чжан Чжаошэн и др.использовали непрерывный проточный биопленочный реактор экспериментальное исследование показало, что когда рабочие параметры контролируются в оптимальных условиях SND возникновения (температура 28 ± 1,0 ℃, рН 7,8 ~ 8,1, DO 3,0 ± 0,3 мг / л, различные HRT на удаление аммонийного азота, общее удаление азота имеет большое влияние. Скорость удаления аммонийного азота достигла максимума при HRT=8,0 ч, а степень удаления составила около 90%. Для удаления общего азота пиковое значение было достигнуто при HRT = 8,0 ч, и эффект удаления был наилучшим, со степенью удаления 68,2%. Если время гидравлического удержания слишком мало, а поток воды слишком быстрый, трансформация общего азота все еще остается на стадии нитрозирования и не может быть хорошо удалена. Ли Шаофэн считает, что при слишком долгом времени гидравлического удержания источник углерода постепенно уменьшается, DO проникает внутрь биопленки, разрушая аноксическую зону биопленки и препятствуя реакции денитрификации. Это также приведет к изменению бактериальной структуры биопленки, нарушению первоначального баланса между двумя типами бактерий, что не способствует удалению общего азота. Видно, что когда HRT составляет 8,0 ч, это благоприятствует возникновению SND, учитывая факторы энергопотребления и эффективности удаления.

Заключение

Как новая технология очистки сточных вод, SND имеет широкие перспективы применения, но все еще существует множество недостатков и неизвестных моментов, которые требуют от ученых постоянных исследований и усовершенствований. В результате анализа факторов, влияющих на денитрификацию SND, для обеспечения нормального развития SND, соответствующая концентрация DO для синхронной денитрификации нитрификации в реакторе SBBR составляет 2,5 мг/л; эффект удаления азота достигает наилучшего при pH=8; реакция нитрификации и денитрификации достигает равновесия при C/N=12; и это наиболее благоприятно для возникновения SND, когда HRT=8,0 ч. Эффективность биологического удаления азота может быть повышена, а сточные воды могут соответствовать нормам сброса при разумном выборе рабочих параметров и строгом контроле влияющих факторов.

Список литературы

Zheng Guilin, Zhang Zhaosheng, Cao Yongfeng, et al. DO transfer in SBBR biofilm and its effect on synchronous nitrification denitrification［J］. China Water Supply and Drainage, 2016, 32(3):22-26.
Jia Yanping, Jia Xinqian, Liu Yin, et al. Синхронная нитрификация денитрификация денитрификация денитрификация денитрификация механизм и факторы влияния исследования [J]. Журнал Северо-восточного энергетического университета, 2013, 33(4):19-23.
Huang Shengjuan, Rong Hongwei, Lin Mengxia. Влияние pH на распределение растворенного кислорода в синхронной нитрификационной денитрификационной биопленке Journal of Environmental Engineering, 2015, 9(9):4233-4238.
Fang Xi, Zhang Chaosheng, Zhang Kefang, et al. Влияние возраста осадка и значения рН на процесс синхронной нитрификации и денитрификации［J］. Журнал Гуанчжоуского университета (естественнонаучное издание), 2008(3):50-54.
Zhang Zhi, Ren Hongqiang, Zhang Rongrong, et al. Влияние значения pH на синхронный процесс нитрификации и денитрификации аэробного гранулированного осадка［J］. China Environmental Science, 2005(6):650-654.
Cao Yongfeng, Zhang Zhaosheng, Rong Hongwei, et al. Влияние C/N на эффект синхронной нитрификации и денитрификации биопленки и эффективный коэффициент диффузии DO в мембране［J］. Environmental Pollution and Prevention, 2018, 40(11):1229-1233.
Xiao Jing, Xu Guoren. Влияние сточных вод с низким соотношением углерода и азота на денитрификацию денитрификацию денитрификацию синхронной нитрификацией [J]. Технология очистки воды, 2012, 38(11):77-80.
Wei Haijuan, Zhang Yongxiang, Jiang Yuan, et al. Влияние источника углерода на денитрификацию и удаление азота при синхронной нитрификации биопленки［J］. Журнал Пекинского технологического института, 2010, 36(4):506-510.