启动部分硝化氨氧化MBBR和PH型曝气控制的实施外文翻译资料

 2022-08-21 23:29:28

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启动部分硝化氨氧化MBBR和PH型曝气控制的实施

Stephanie Klaus1,2*, Rick Baumler2, Bob Rutherford2, Glenn Thesing3,

Hong Zhao3, Charles Bott2

摘要：单级脱氨移动床生物膜反应器(MBBR)是一种处理高强度氮废水的工艺。在这个过程中，部分硝化和厌氧氨氧化(anammox)在附在塑料载体上的生物膜内同时发生。弗吉尼亚州纽波特纽斯市詹姆斯河处理厂现有的水罐(76ML/d)经过改造，安装了侧流除氨MBBR工艺。这是北美第二个侧流除氨工艺项目，也是第一次安装MBBR型除氨装置。4个月后，该工艺在设计负荷率为下实现了大于85％的氨去除率，表明启动结束。基于启动和过程优化阶段的观察结果，开发了一种新型的基于pH值的控制系统，该系统可最大程度地去除铵，并产生稳定的通气和废水碱度。Water Environ. Res., 89, 500 (2017).

关键词：脱氨，厌氧氨氧化，侧流处理，MBBR

1、介绍

从脱水后的厌氧消化的固体中分离出的浓缩物，可占水资源回收设施中总氮输入量的15％至25％，但仅占总输入流量的1％。 通过在侧流系统中处理浓缩液，该设施可以减少主流工艺中的氮负荷，从而提供更具成本效益和效率的整体氮去除(Jetten et al，2001)。部分硝化和厌氧氨氧化（anammox）的组合（通常称为脱氨）是侧流处理的经济选择，因为与传统的硝化/反硝化相比，曝气能量需求减少，不需要外部碳，并且污泥产生减少(Ahn, 2006)。

在脱氨的第一步中，好氧铵氧化细菌（AOB）根据等式（1）将大约57％的氨气转化为亚硝酸盐 (Grady et al.， 2011)。

（1）

第二步，厌氧铵氧化细菌（AMX）根据等式（2）将剩余的铵盐和亚硝酸盐转化为氮气和少量硝酸盐 (Strous et al ., 1998)。

（2）

脱氨反应需要净消耗碱度（无机碳）。无机碳（IC）脱氨需求有两个组成部分：通过AOB / AMX生产/消耗氢离子，以及将IC掺入AOB和AMX的生物质中。侧流脱氨反应器中的pH主要受AOB消耗碱度的控制，这是曝气强度和好氧分数的函数。影响pH值的另一个因素是通气引起的汽提。氨氧化细菌消耗碱度，而AMX产生少量，净消耗量约为（理论根据等式（1）和（2）的化学计量）。亚硝酸盐氧化细菌（NOB）（如果存在）对碱度要求没有显着贡献。滤液的理论碱度与氨比为（基于从蒸煮器出来的的摩尔比为1：1的假设）（Metcalf and Eddy，2014）。浓缩液中的碱度/比率决定了不添加补充碱度即可除去的的百分比。

脱氨可以在单个反应器中或在两个独立的反应器中进行。在两反应器配置中，部分硝化发生在好氧反应器中，然后在厌氧反应器中发生厌氧氨氧化（Van Dongen et al.，2001）。许多全尺寸单反应器配置正在运行，包括上流式颗粒污泥反应器（Abma et al.，2007），移动床生物膜反应器（MBBR）（Christensson et al., 2013; Rosenwinkel and Cornelius 2005），以及使用AMX选择装置对批量反应器进行测序（Wett, 2007）。 在脱氨MBBR中，铵的转化发生在附着于塑料介质的生物膜中，其中AOB存在于生物膜的外部，而AMX在缺氧环境中更深地存在于生物膜内。 此过程的特征还在于25至35 ℃的温度，连续流动，连续曝气和大约24小时的水力停留时间（HRT）(Lackner et al.， 2014)。

在脱氨MBBR启动过程中，最大的隐患是亚硝酸盐对AMX的抑制，因为AMX最初不能消耗AOB产生的所有亚硝酸盐。虽然AMX似乎受到亚硝酸根离子本身的抑制，但AOB和NOB易受亚硝酸（）抑制（Lotti et al., 2012; Strous et al., 1999）。 一旦AMX容量等于或大于AOB活性，限制因素就成为AOB的IC限制（Wett and Rauch, 2003）。为了保持稳定的pH值并避免碱度限制，考虑到碱度的曝气控制策略至关重要。为了满足这些操作要求，必须使用自动控制系统进行连续的过程调整，以确保过程的可靠性。 对于各种脱氨反应器配置，需要满足上述目标，使用坚固的传感器并最小化操作员输入的可靠控制系统。

因为NOB与AMX竞争生物膜中的基质和空间，所以NOB抑制是脱氨系统的关键，如果反应器中所有硝酸盐的产生均归因于AMX活性，则基于化学计量（公式2），硝酸盐的产生比率（公式4）将约为11％。如果硝酸盐产生率高于11％，则可以认为过量的硝酸盐产生是由于NOB活性。旁流系统中NOB抑制的策略包括高游离氨（FA）浓度（Anthonisen et al., 1976），低溶解氧浓度（Wiesmann，1994），高温（Hellinga et al.，1998）和瞬时缺氧（Kornaros et al.,2010）。

基于pH的曝气控制是DEMON工艺的基础，该工艺是一种间歇性的曝气脱氨序批处理反应器（SBR），其中，曝气和非曝气相的长度由低和高pH设定值控制（Wett，2007）。 该过程利用了pH传感器的高精度，可以根据好氧阶段的碱度消耗和缺氧阶段的碱度将pH值控制在0.05波动范围内。 低pH设定点的典型值为6.8（Lackner et al.，2014）。 MBBR脱氨工艺可以间歇充气进行（Ling，2009; Zubrowska-Sudolet al.，2011）; 但是，由于操作简单，在线信号的读数更准确以及无需在非充气阶段进行机械混合，因此优选连续充气。连续曝气还可以减少一氧化二氮（）的排放(Christensson et al.， 2013)。

Christensson等人于2013年提出了另一种去氨化MBBR控制方法，是通过反应器中氨的去除率(公式 3)和硝酸盐的产率(公式4)来调节连续曝气。式中EQ为均衡池(进水)浓度，反应器为工艺(出水)浓度。

（3）

（4）

这些比率是根据在线传感器值计算得出的，并且溶解氧（DO）的设定点会逐渐增加或减少，以保持最佳的运行条件。 最佳操作条件是氨的去除率在80％到90％之间，硝酸盐的产生在12％以下。

关于全规模脱氨MBBR系统操作的出版物很少（Christensson et al.，2013； Lackner et al.，2014； Rosenwinkeland Cornelius，2005），但都没有提供有关优化控制的详细信息。 尽管人们认识到，基于pH的曝气控制对于运行reg;工艺至关重要（Wett，2007），但这是第一个采用基于pH的曝气控制进行全规模脱氨的MBBR。

本文的目的是证明基于pH的曝气控制可优化侧流脱氨MBBR的性能，并提供有关启动策略的详细信息。

2、方法和材料

脱氨MBBR的安装。 詹姆斯河处理厂是位于弗吉尼亚州纽波特纽斯的规模为76 ML / d的设施。厌氧消化产生的废料活性污泥和初级污泥用离心机脱水，然后将浓缩液送入平衡池。对现有的地下储罐进行了改造，以安装侧流脱氨MBBR（北卡罗来纳州卡里市的克鲁格公司的ANTA Moxetrade;）。将离心液从均压池中泵入脱氨MBBR进行处理，然后将废水再循环回一级澄清池中。通过调节电动控制阀对反应器的气流速率进行控制和测量。机械混合器在非通气期间使介质保持悬浮状态，并且使其完全混合。离心泵的速度由变频驱动器控制，并由流量计测量，以满足75至250 L / min的流量设定值。启动过程中使用了两个深槽电浸式加热器，以将水箱温度保持在30℃。根据微量元素对细菌生长的需求，添加了微量金属元素的混合物（Grady et al.，2011），以防止AOB和AMX种群中微量元素的缺乏。

仪表与控制。 YSI Inc.（Yellow Springs, Ohio）的在线传感器用于监测脱氨MBBR中的，，pH，DO，比电导率和温度。 还对均衡池中的和温度进行了监测。 离子选择性电极（ISE）探针用于监测和并包括一个用于校正的额外传感器。

共有三种充气控制模式：固定DO控制，基于氨的浮动DO控制和基于pH的控制。通过调制电动控制阀对脱氨MBBR的气流速率进行控制和测量。该阀从分布式控制系统（DCS）接收命令，并返回发送位置信号。气流可以连续或间歇运行。在连续气流模式和间歇控制模式下，都可以将气流控制为满足气流设定值（由阀门上游的流量计测量）或满足DO设定点（由过程探头测量）。对低pH设定点（范围从6.3到6.6）进行了编程，以防止脱氨反应器中的碱度耗尽。当达到低pH设定点时，气流将关闭，同时继续进料浓缩液以使系统恢复。在固定DO控制模式下，级联比例积分微分（PID）控制用于根据DO设定值控制流向反应堆的气流，然后根据气流设定点对阀门位置进行PID控制。在以氨为基础的浮动溶解氧控制过程中，要调整溶解氧的设定值，以使氨的去除率和硝酸盐的产生率保持在最佳范围内（Christensson et al., 2013）。在基于pH的曝气控制中，调节DO或气流设定值以满足pH的设定值。

基准规模的活性测试。 每两周对种子培养基，新培养基和散装液体分别进行基准规模的最大活性测试，以监测AMX，AOB和NOB的活性。每次测试均从脱氨MBBR中收集一升种子培养基和一升新培养基。在有氧条件下测量种子和新培养基的铵氧化细菌和NOB活性，而在缺氧条件下测量AMX活性。散装液体测试仅在有氧条件下进行，因为假设散装中的AMX活性量可忽略不计。控制温度以匹配全规模反应器中的温度。监测需氧样品中的溶解氧并手动将其控制在4 mg / L以上，以确保氧不是限制因素。对于缺氧测试，向反应器中通入氮气以除去尽可能多的氧气，并用聚苯乙烯泡沫塑料盖覆盖。氮气中含有380 ppm（大气浓度）的二氧化碳，以防止pH值急剧升高。监测pH，并使用和手动控制pH值，使其保持在6.5到7.5之间。每隔5到30分钟取样5到7个样品，并分析，和。氨氧化细菌的比率由的产生确定，NOB由的产生确定，以及AMX由和的消耗量决定。计算AMX速率实验的和比率，分别与化学计量值1.32和0.26（等式2）进行比较。

生物质浓度测量。 对于种子和新培养基，每两周测量每平方米表面积的生物量重量。 为了进行此测量，从水箱中随机选择了九个种子块和九个新的培养基块。将培养基样品在105℃下干燥2小时。 称重干燥的样品，通过将载体置于25 mg / L EDTA二钠[乙二胺四乙酸]溶液中并剧烈振摇除去生物质。 然后将高压自来水分别施加到每种介质上，以确保没有干生物膜残留。 然后将介质在105℃干燥2小时以上。 初始重量和最终重量的差用于计算载体上的生物量。

性能监控。 每天从脱氨MBBR和平衡池中收集用于现场监测的样品，立即通过0.45微米滤膜过滤，并使用HACH（Loveland，Colorado）TNT试剂盒和HACH DR-2800分光光度计进行分析。仅在假设和接近于零的情况下，才对均衡池样品中的进行现场分析。 现场分析了脱氨MBBR的样品中的，和。 根据需要使用和值校准ISE探针。 还使用标准方法异地分析了两个地点的抓取样品的以下参数：总凯氏氮（TKN），总悬浮固体（TSS），挥发性悬浮固体（VSS），化学需氧量（COD），可溶性化学物质 需氧量（sCOD），总磷（TP），正磷酸盐（OP）和碱度。

3、结果与讨论

启动总结。 设计参数（表1）的确定依据为表2中所示的平均进水（浓缩液）特性。根据浓缩液产量，进入水箱的设计流量为284。在设计流速下，HRT为33小时，水箱的总体积约为393立方米。由于此构筑物是翻新的，因此HRT由现有储罐的容量决定。基于在设计负载率为256时80％的去除率，预期的去除率为204。为了实现这一去除过程，脱氨反应器中需要133的介质，相当于32.2％的填充率，其中10％是来自Sjouml;lunda废水处理厂已建立的侧流脱氨MBBR工艺的预定型（种子）介质（WWTP），Malm ouml;, Sweden。种子介质的百分比是基于以前使用过2至15％的启动阶段（Christensson，2013）而得出的。选择使用Sjouml;lunda污水处理厂的10％预定殖培养基播种，以减少脱氨反应器的启动时间。克里斯滕森等人，（2013）和Lemaire等人，（2011年）认为启动期间播种反应器的重要性存在矛盾，种子减少了启动时间，而Kanders等人，（2014）和Ling（2009）认为播种是没有必要的。不管播种对启动时间的影响如何，播种都提供了AMX，能立即消耗亚硝酸盐，这可以提高初始氨负荷并降低亚硝酸盐抑制的风险（Kanders等人，2014）。

表1 设计参数

表2 平均入渗特征

因为AMX的生长速度慢并且对亚硝酸盐敏感，所以对脱氨MBBR系统的启动起到了限制作用。启动的目的是在氨，pH和亚硝酸盐没有达到抑制水平的情况下，尽快达到设计氨的加载速率。因此，为了实现更快的启动，必须对过程中的氨，亚硝酸盐，硝酸盐和pH值进行严格监控。此外，必须监控主要的控制变量：曝气和氨气负荷。脱氨MBBR中的充气可以是连续的也可以是间歇的。

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