在序批式反应器

在序批式反应器（SBR）中碱度和ORP作为硝化的比较指标

摘要

在实时的基础上，选择一个简单的措施以及相关的替代参数以确保硝化/反硝化过程有效运作是至关重要的。研究旨在调查碱度作为在一系列操作条件（化学需氧量（COD），氨氮，水力停留时间）和烯丙基（ATU，一种化学抑制硝化）休克下的一个可靠指标。碱度指示的准确性在于比较在序批式反应器（SBR）的氧化还原电位（ORP）的值。虽然ORP和碱度在SBR周期存在明显的差异，尤其是当硝化/反硝化效率有一个渐进的死亡时，碱度比ORP呈现出了更好的迹象。出水碱度展出反向与氮浓度的线性相关（ALK=-4.26[?]+180 R 2= 0.92），当碱度低于100mg/l时脱氮不足，而当碱度较高大于200-250mg / L时硝化不足。此外，进水和出水碱度差异（ALK）作为另一个指标研究，它反映在硝化碱度消耗和反硝化碱度产生的总体结果。alkinf. EFF下跌（ALK= 6.99[N]+22，R2= 0.82）具有更好的脱氮，alkinf. EFF上升（ALK=-5.54[N]+126，R 2= 0.76）有更好的硝化。碱度和出水氮浓度有很强的相关性，还有Alkinf. EFF和硝化/反硝化效率表明碱度和Alkinf.-EFF可以作为硝化/反硝化过程的指标。此外，碱度，ORP和pH值为脱氮带来的害处和问题在文章中进行了全面的比较。

关键词：碱度，氧化还原电位（ORP）;硝化脱氮;化学需氧量（COD）;氧;水力停留时间（HRT）;烯丙基硫脲（ATU）休克

1简介

生物脱氮，好氧硝化/反硝化缺氧组合，一般被视为废水消除氮最经济，最有效的手段。硝化是一个两步反应：（NH 4 +）首先被自养氨氧化为亚硝酸盐（二氧化氮），然后亚硝酸盐被自养亚硝酸盐氧化剂氧化为硝酸盐（NO3 - ）（反应（I）和（二））。在缺氧反硝化时，亚硝酸盐/亚硝酸盐在额外的碳源（如甲醇或乙酸）作为电子供体的情况下被异养反硝化为氮气（N2）（反应（三））。硝化只能在低化学需氧量（COD），足够的溶解氧（DO）和长污泥停留时间（SRT）的条件下成功运作，而脱氮需要在足够的化学需氧量的缺氧状态下成功运作。这些不同的要求对在同一水箱发生硝化和反硝化的序批式反应器（SBR）系统脱氮是一个挑战。

2NH4+ +3O2 →2NO2- + 4H+ +2H2O (I)

2NO2- +O2 →2NO3- (II)

5CH3COOH + 8NO3- →4N2 + 10CO2+ 6H2O +8OH- (III)

几个运行参数，如氧化还原电位（ORP）和pH值，已被研究为硝化/反硝化的指标。然而，据报道出来了冲突结果。在一些测试中[1-3]在硝化/反硝化的开始/结束阶段检测到ORP和pH值断点（如硝酸盐膝，谷氨），但其他[4]没有检测到。一些研究报告ORP和pH值有良好的相关性[5,6]，而Hamamoto等[7]发现，当ORP在整个好氧/缺氧过程大幅地改变，而pH值保持稳定。此外，虽然在实验室规模的系统控制的条件下已经明确确定了硝化/反硝化ORP的控制断点[1,5,8]，但是他们在实际运行的SBR系统的检测和应用中是不容易的。ORP的探针的准确性由于探头沉浸在废水一定时期结垢后也会有问题。因此，在现实领域以及脱氮效率和出水水质测量有必要选择一个简单和相关的参数。

与ORP值比，碱度直接与脱氮相关。碱度在硝化期间消耗7.14 g/ g Noxidized 和在反硝化过程中产生3.57g/ g Nreduced。能用检测试剂盒简单地进行测量是碱度的另一个优势。二级处理后的废水的碱度通常高于80-100mg / L是为了保持足够的

缓冲能力。虽然几十年来在科学基础上[9-12]一直认为碱度和硝化/反硝化的密切相关，它们非常有限的信息对碱度对出水氮浓度的指标是有用的。此外，由于在硝化消耗的碱度大于在反硝化产生的碱度，碱度在整个处理过程的变化（Alkinf. EFF）可能被用来作为硝化/反硝化程度的另一个指标。

许多研究在进水冲击下已经进行了硝化[13-16]。ginestet等人。[17]和Gorska 等[18]发现烯丙基硫脲（ATU）抑制铵氧化为亚硝酸盐（反应（一））和在ATU5-10毫克/ L 时硝化完全被抑制。虽然一直没有研究出脱氮能从ATU抑制中复苏，但是这将对硝化的稳定非常重要。此外，在SBR系统中研究在ATU抑制硝化期间碱度指标的变化进行验证是可行的。

出于研究需要在碱度和硝化/反硝化间建立一个可靠的相关性是为了实际操作。我们的目标是比较碱度和ORP在SBR系统中一系列操作条件下（化学需氧量，氧浓度，停留时间）和ATU冲击下作为脱氮监视工具的准确性。进水和出水碱度差异（Alkinf. EFF）的测试也表明硝化/反硝化的程度。脱氮在一系列的操作条件和ATU抑制的基础上，碱度, Alkinf. EFF，氮浓度用数学方程来关联得到了发展。

2。材料和方法

2.1。SBR系统和综合废水

一个具有有效的处理能力1.7立方米SBR系统在这项研究中使用。SBR法有三个阶段：在有被控制序列自动定时器填补，反应，沉淀。根据标准（中级）操作下，一个周期（4.75h）包括：0.42h曝气，2.8h缺氧搅拌，1.00h闲置和0.5h 沉淀。通过调整曝气/缺氧的时间来改变溶解氧（DO）浓度。在曝气操作中级阶段DO 保持在3.5-4.5mg/ L。

综合废水的标准（中期级）进水（COD为700mg/ L时，TKN 45 mg/ L时，NH4+：35mg/ L，碱度：200-230mg/ L，为碳酸钙）。它的成分（每公升）：奶粉0.53克，尿素0.04克，磷酸氢二钾0.04克，（NH4）2SO40.05克，和0.02克乙酸钠。用泵向SBR系统的灌装区注入一定剂量的水。根据中级运作水力停留时间（HRT）为3.6天（流量0.47立方米/天）。长的停留时间的主要原因是因为SBR系统是专为单家独户设计，废水在出院的系统前一般停留2-3天。在整个实验过程中，污泥停留时间（SRT）是10-14天。活性污泥是从米德尔敦市污水处理厂接种的。在SBR系统的整个实验混合液悬浮固体（污泥）浓度1000-1300mg/l。

2.2。实验设置

进行调整了进水COD浓度，曝气阶段期间DO，水力停留时间（HRT），以获得低，中，和高层次的条件（见表1）。每次只有一个参数改变当其余两个参数处于中级水平。从而，在不受其他参数的干扰，每个参数可以单独进行测试对脱氮的影响。

2.3。AUT抑制试验

在烯丙基硫脲（ATU）抑制条件下硝化时碱度的变化也进行了测验。在ATU加入到SBR 喂养的溶液前，对ATU剂量进行批量测试以确定它的量。在批量测试时，取自SBR系统活性污泥悬浮被装成伴有不同浓度的ATU 500毫升瓶中。把瓶子在25o C 的条件下摇动2h。然后测量[NH4+]和[NO3 - ]。ATU在1mg / L42％比例用量时硝化被抑制，在10毫克/ L的硝化完全被抑制。ATU在SBR系统中级操作时进行冲击试验。

2.4。化学分析

在SBR系统后放在每个操作条件驯化为15天（表1），废水样品在SBR每个周期在10-20天稳定的运行期间内每两天收集一次。按照标准方法[19]进行了分析化学需氧量，污泥浓度，pH值，总凯氏氮（TKN），碱度。铵和硝酸盐用猎户离子选择性膜电极进行了测定。用哈希比色法检测试剂盒测定亚硝酸盐。YSI氧米配备一个氧探头测量溶解氧（DO）。用猎户座ORP的探针测量氧化还原电位（ORP）。在这项工作中，在一个SBR周期每个阶段结束时ORP，pH值和碱度都需测定，。

2.5．在硝化和反硝化过程中碱度的变化

由于硝化和反硝化发生在同一SBR系统中的水箱，出水碱度是硝化消耗和碱度脱硝产生碱度整体的结果。从理论上说，进水碱度和出水碱度之间的区别是7.14-3.57=3.57mg/ L Nremoved。进水和出水碱度差异的理论体系的理论值的计算公式为：

Alktheory = 3.57([NH4+]inf. +[NO2-]eff. +[NO3-]eff. -[NH4+]eff.) ( mg/L) (1)

因为[NO2 -] 和[NO3 - ]通常低于进水的检测水平，他们不包括在（1）。

碱度差的实验数据进行了计算公式为：

Alkexper. = Alkalinityinf. -Alkalinityeff. (mg/L) (2)

alkexper被与Alktheory相比看哪个指标与脱氮指标ALK准确性一致：

3。结果与讨论

3.1在不同的操作条件去除COD和N

一个完整的硝化的发生发生需具备一系列的条件进水COD浓度（88-1317毫克/升），与出水[NH 4 +]和TKN小于0.1mg/ L，（图1a）。没有被预计到硝化在进水高COD（1317mg/ L）可能进行得更好。良好的硝化的主要原因是长

停留时间（HRT：3.6天），正常污水处理工艺仅5-7h。

图1.在SBR系统去除COD和氮对应着不同的COD，DO浓度，HRTs。

当COD低于120毫克/升，与出水NO3 - 高于20mg / L时脱氮失败（图1a）。当COD 提高到242毫克/升，出水[NO3 - ]浓度低于7mg/ l脱氮能力得到提高。出水[NO3 - ]进一步减少到低于0.2mg/l ，当COD处于中/高等浓度（740-1317mg/ L）时。在SBR 系统有这种良好的去除NO3-中氮的能力可能因为完全脱氮时有足够的碳源的原因，或在高浓度的COD的进水中多余的细胞生长吸收氮的结果。

在SBR系统曝气/缺氧阶段时间适当对良好的硝化和反硝化是必要的的。如果在曝气阶段氧气浓度过高，它需要较长时间的氧气下降到零的时间，这可能会导致不完整的反硝化。在出水溶解氧DO的浓度为1mg / L，NH4 +的浓度高于13mg/ L时，硝化就不能很好进行（图1b），虽然完全脱氮发生在出水[NO3 - ]浓度低于检测水平。在曝气期间DO浓度高于5.0mg / L硝化能完成，但不完整的脱氮造成出水NO3 - 高了2.0mg / L。

短的停留时间对COD和脱氮都有不利影响。水力停留时间为3.6天和9天时，出水COD浓度低于20mg / L，但在短的HRT（2.0天）时，COD就大于40毫克/升（图1c）。两个原因造成了出水COD浓度高。首先，微生物没有足够的时间来降解废水中的有机物。其次，较少数目的NO3-从恶化硝化的产生，在反硝化时消耗更少有机碳源。脱氮效率在短的HRT大幅下降，出水[NH 4 +]浓度高达34mg/ L，这表明硝化几乎没有发生。进行异养反硝化的脱氮，并没有受到停留时间与出水NO3 - ]浓度低于检测水平的影响。与以往的研究结果一致，如果没有连续投喂硝化细菌，在短的水力停留时间或SRT硝化会失败[20,21]。

3.2。在不同的SBR操作条件ORP的变化

在SBR系统中ORP线性值与进水COD的浓度反向相关。在缺氧期间，在高浓度COD（1317mg/ L）的条件下，ORP值下降到-104 mV，而在低浓度COD （88mg/ L）条件下氧化还原电位为仍为178毫伏（图2a）。良好的脱氮发生在低ORP和足够的碳源，而低碳源（高ORP值表示）引起反硝化失败。

在曝气阶段ORP值增加，在所有DO测试缺氧阶段ORP值下降（图2b）。在缺氧阶段ORP值下降的范围逐渐成为（5.0-5.5mg/ L），是由于在高曝气阶

段后曝气停止的废水中仍然存在一定量的氧气造成的。虽然出水氧化还原电位值在中等浓度DO（173mV，DO：3.0-4.5mg/ L）和高浓度DO（175MV，DO：5.0-5.5mg/ L时），大于低浓度DO（123mV，DO：1.0mg / L时），没有检出ORP值在中等浓度DO和高浓度DO之间的差异。可能的原因是，在低浓度（<1 mg / L）DO时，DO是ORP值关键因素，但在废水中有足够的的氧（DO>3.0mg/ L，在这项研究中）且溶解氧进一步增加并未导致ORP值变大。

ORP值与HRTs没有遵循明显的趋势。

撤消修改