高燕群，倪偉敏，趙　樑,周　霞

(杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310036)

UASB反應(yīng)器中高鹽含氮廢水脫氮過程研究

高燕群，倪偉敏，趙樑,周霞

(杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310036)

摘要：通過實(shí)驗(yàn)研究了在不同鹽質(zhì)量濃度、碳氮比和HRT條件下，高鹽含氮廢水的反硝化過程中碳源加入、TN、NO3-N和NO2-N的變化規(guī)律.分析結(jié)果表明：廢水反硝化污泥在UASB反應(yīng)器中經(jīng)過馴化后可以適應(yīng)氯離子質(zhì)量濃度為0~20 g/L的鹽質(zhì)量濃度環(huán)境.脫氮性能隨著HRT增加和進(jìn)水C/N增加而提高；而NO2-N積累也隨著HRT增加和進(jìn)水C/N增加而降低.經(jīng)過優(yōu)化反應(yīng)條件，較適宜的條件為進(jìn)水C/N=3∶1，HRT=7.08 hr.

關(guān)鍵詞：廢水反硝化；UASB反應(yīng)器；硝態(tài)氮去除率；亞硝態(tài)氮積累率

0引言

高鹽硝態(tài)氮廢水(如化工廢水、濕法煙氣脫硫脫硝廢水)如果不經(jīng)過處理就排放到水體中，會(huì)給水環(huán)境帶來一系列的危害：水體的富營養(yǎng)化，水體黑臭，水生生物大量死亡，破壞水域生態(tài)系統(tǒng)的平衡；硝態(tài)氮在人體腸道中可以被還原成亞硝酸鹽，亞硝酸鹽對(duì)人和生物體都有致癌作用[1].生物反硝化技術(shù)能把硝態(tài)氮通過異養(yǎng)反硝化菌轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀欧牛瑯I(yè)已用來去除硝態(tài)氮廢水.USAB反應(yīng)器[2]利用微生物細(xì)胞固定化技術(shù)-污泥顆?；瘜?shí)現(xiàn)了水力停留時(shí)間和污泥停留時(shí)間的分享，從而延長了污泥泥齡，保持了高質(zhì)量濃度的污泥.同時(shí)，由產(chǎn)氣和進(jìn)水形成的上升液流和上竄氣泡對(duì)反應(yīng)區(qū)內(nèi)的污泥顆粒產(chǎn)生重要的分級(jí)作用.這種作用不僅影響污泥顆?；M(jìn)程 ,還對(duì)形成的顆粒污泥的質(zhì)量有很大影響.這種攪拌作用實(shí)現(xiàn)了污泥與基質(zhì)的充分接觸.三相分離器的應(yīng)用省卻了輔助脫氣裝置 ,能收集從反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生的氣體 ,同時(shí)使分離器上的懸浮物沉淀下來 ,使沉淀性能良好的污泥能保留在反應(yīng)器內(nèi).而探究廢水反硝化過程在UASB反應(yīng)器中的工藝優(yōu)化，則可使污水處理過程更有效和降低污水處理成本.

影響廢水脫氮的因素有很多，如杜海波等[3]研究了溶解氧、污泥回流比、厭氧區(qū)硝態(tài)氮環(huán)境溫度等主要因素，同時(shí)，對(duì)進(jìn)水pH值、生物反應(yīng)池不同的進(jìn)水方式等間接因素也做了系統(tǒng)的分析.而鹽度對(duì)廢水生物處理的影響主要有兩方面：一方面認(rèn)為，鹽度的提高不會(huì)抑制微生物的生長，相反促進(jìn)了一些耐鹽菌的生長，使反應(yīng)器內(nèi)微生物濃度增加，降低污泥負(fù)荷，氯化鈉的加入能夠提高污泥的絮凝性，有利于污泥沉降[4]；另一方面認(rèn)為，高鹽度對(duì)微生物生長有抑制作用，表現(xiàn)為抑制微生物代謝酶的活性，致使微生物生長緩慢，反應(yīng)速率降低，同時(shí)高鹽度使廢水的密度增加，活性污泥易上浮流失，不利于污泥沉降[5].因此，探究高鹽含氮廢水反硝化過程在反應(yīng)設(shè)備中的最佳反應(yīng)條件很有必要.本文通過實(shí)驗(yàn)研究了在不同鹽質(zhì)量濃度、碳氮比和硝態(tài)氮質(zhì)量濃度的條件下，廢水反硝化過程中TOC、NO3-N和NO2-N的變化規(guī)律來實(shí)現(xiàn)廢水反硝化過程在UASB反應(yīng)器中工藝優(yōu)化.

1實(shí)驗(yàn)材料與方法

1．1　顆粒污泥

本實(shí)驗(yàn)用顆粒污泥由污水處理廠厭氧消化污泥作為污泥種培養(yǎng)而來.顆粒污泥主要由微生物、無機(jī)礦物以及有機(jī)的胞外多聚物組成.

1.2　水樣

本實(shí)驗(yàn)用水樣按不同實(shí)驗(yàn)條件配制而成.

1.3　實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用的UASB反應(yīng)器由杭州某水處理設(shè)備廠加工制作而成.

廢水實(shí)驗(yàn)裝置，由污泥反應(yīng)區(qū)、氣液固三相分離器(包括沉淀區(qū))和氣室三部分組成，污泥床區(qū)高1 600 mm，內(nèi)徑52 mm，沉降區(qū)高400 mm，總?cè)莘e為7 L，外接有水浴控溫裝置.實(shí)驗(yàn)裝置見圖1.在底部反應(yīng)區(qū)內(nèi)存留大量厭氧污泥，具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥層，污泥懸浮高度在800～1 000 mm，污泥濃度MLSS=20~25 g/L，MLVSS/MLSS=0.60.

圖1　UASB實(shí)驗(yàn)裝置簡圖Fig. 1　Unit diagram of UASB device

1.4　實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與方法(表1)

1.4.1鹽質(zhì)量濃度對(duì)反硝化過程在UASB反應(yīng)器中的影響

水樣按照初始C/N=3∶1、ρ(NO3-N)= 400 mg/L、pH=8配制，水浴恒溫35 ℃，進(jìn)水流速控制在0.58 L/h.氯離子質(zhì)量濃度為1~ 20 g/L.實(shí)驗(yàn)時(shí)間為運(yùn)行直至出水質(zhì)量濃度穩(wěn)定，期間每隔2 h采樣分析TOC、NO3-N和NO2-N的指標(biāo)，處理分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

1.4.2碳氮比對(duì)反硝化過程在UASB反應(yīng)器中的影響

以葡萄糖為碳源，HRT=7.06 hr，ρ(NO3-N)= 400 mg/L，ρ(Cl)= 20 g/L，pH=7.5，溫度35 ℃，初始C/N為3∶1到1∶2之間.實(shí)驗(yàn)時(shí)間為3 d，待實(shí)驗(yàn)反應(yīng)穩(wěn)定后，分別測TOC、NO3-N和NO2-N的指標(biāo)，處理分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

1.4.3HRT對(duì)反硝化過程在UASB反應(yīng)器中的影響

以葡萄糖為碳源，C/N=3∶1，ρ(NO3-N)=400 mg/L，ρ(Cl)=20 g/L，pH=7.5，溫度35 ℃.HRT為1.6~7.08 hr.分別測TOC、NO3-N和NO2-N的指標(biāo)，處理分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

表1　實(shí)驗(yàn)過程中使用的分析方法與分析儀器

(1)

(2)

(3)

(4)

其中：η(NO3-N)為硝態(tài)氮去除率，η(TN) 為TN去除率，C0為初始硝態(tài)氮質(zhì)量濃度(mg/L)，C1為穩(wěn)態(tài)硝態(tài)氮質(zhì)量濃度(mg/L)，C2為穩(wěn)態(tài)亞硝態(tài)氮質(zhì)量濃度(mg/L)，TN0為初始總氮(mg/L)，TN1為穩(wěn)態(tài)總氮(mg/L)，TOC0為初始TOC(mg/L)，TOC1為穩(wěn)態(tài)TOC(mg/L).

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　鹽質(zhì)量濃度對(duì)反硝化過程在UASB反應(yīng)器中的影響

由圖2中NO3-N去除率、TN去除率和NO2-N積累率的變化規(guī)律可以看出：當(dāng)ρ(Cl)=1～20 g/L時(shí)，NO3-N去除率都在99%上下波動(dòng)，變化幅度很??；當(dāng)ρ(Cl)> 10 g/L以后， NO3-N去除率則有小幅度增加，這與王昊等[8]的研究結(jié)果一致，由此看出氯離子質(zhì)量濃度對(duì)NO3-N去除率影響不明顯；同一氯離子濃度區(qū)間內(nèi)TN去除率在86%左右波動(dòng)，且波動(dòng)幅度小于0.5%，由此可見在此區(qū)間內(nèi)氯離子濃度對(duì)TN去除率影響亦不明顯；NO2-N積累率不到0.5%，且波動(dòng)幅度也極小，氯離子濃度對(duì)NO2-N積累率影響不大.

實(shí)驗(yàn)條件：進(jìn)水C/N=3∶1，ρ(NO3-N)=400 mg/L，pH=8，T=35 ℃，進(jìn)水流速0.58 L/h圖2　氯離子質(zhì)量濃度對(duì)NO3-N去除率、TN去除率、NO2-N積累率的影響Fig. 2　Effect of concentration of chloride ion on the removalrate of NO3-N and TN and the accumulation rate of NO2-N

由圖3可以看出，隨著氯離子質(zhì)量濃度增大，ΔC/ΔN也在增大.氯離子質(zhì)量濃度在20 g/L時(shí)，脫氮效果較好，說明馴化后反硝化污泥可以耐受20 g/L氯離子質(zhì)量濃度以下的廢水水質(zhì)條件.同時(shí)，從結(jié)果可以得出，隨著氯離子質(zhì)量濃度逐漸提高，反硝化污泥逐漸適應(yīng)鹽質(zhì)量濃度環(huán)境，NO3-N去除率、TN去除率均能夠維持一定水平，并且NO2-N的積累率逐漸下降.但ΔC/ΔN隨著氯離子質(zhì)量濃度提高而增加.

實(shí)驗(yàn)條件：進(jìn)水C/N=3∶1, ρ(NO3-N)=400 m/L,pH=8,T=35 ℃,進(jìn)水流速0.58 L/h圖3　氯離子質(zhì)量濃度對(duì)ΔC/ΔN的影響Fig. 3　Effect of concentration of chloride ionon ΔC/ΔN

2.2　碳氮比對(duì)反硝化過程在UASB反應(yīng)器中的影響

由圖4中NO3-N去除率、TN去除率和NO2-N積累率的變化規(guī)律可以看出，隨著進(jìn)水C/N的減小，出水NO3-N去除率和TN去除率均出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這與王翠等[9]的研究結(jié)果相吻合.C/N在3∶1到1∶2的變化區(qū)間中，NO3-N去除率從99.1%下降到58.45%，TN去除率從89.9%下降到10.3%.NO2-N積累率則表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，從1.1%上升到46.54%.

實(shí)驗(yàn)條件：葡萄糖為碳源，HRT=7.06 hr，ρ(NO3-N)=400 mg/L，ρ(Cl)=20 g/L，pH=7.5，T=35 ℃圖4　碳氮比對(duì)NO3-N去除率、TN去除率、NO2-N積累率的影響Fig. 4　Effect of C/N on the removal rate of NO3-N, theremoval rate of TN, NO2-N accumulation rate

由圖5可以看出，隨著C/N的減小，ΔC/ΔN在逐漸增大.C/N在3∶1到1∶2的變化區(qū)間中，ΔC/ΔN從1.39增大到3.25.綜合結(jié)果可以得出C/N為3∶1時(shí)，NO3-N去除率和TN去除率都是最大值，而NO2-N積累率則最小，則說明NO3-N轉(zhuǎn)化較為徹底，脫氮效果最好.

實(shí)驗(yàn)條件：葡萄糖為碳源，HRT=7.06 hr，ρ(NO3-N)=400 mg/L，ρ(Cl)=20 g/L，pH=7.5，T=35 ℃圖5　碳氮比對(duì)ΔC/ΔN的影響Fig. 5　Effect of C/N on ΔC/ΔN

2.3　HRT對(duì)反硝化過程在UASB反應(yīng)器中的影響

由圖6中NO3-N去除率、TN去除率和NO2-N積累率的變化規(guī)律可以看出，當(dāng)HRT=1.6～7.08 hr，隨著HRT逐漸增大，NO3-N去除率和TN去除率亦逐漸增大，NO3-N去除率從67.39%增加到99.1%，TN去除率從10.3%增加到89.9%.NO2-N積累率卻隨著HRT的增大而減小，從41.6%減小到1.1%.其中HRT=1.6～3.5 hr的變化規(guī)律和令云芳等[10]的研究結(jié)果一致.

實(shí)驗(yàn)條件：葡萄糖為碳源，進(jìn)水C/N=3∶1，ρ(NO3-N)=400 mg/L，ρ(Cl)=20 g/L，pH=7.5，T=35 ℃圖6　HRT對(duì)NO3-N去除率、TN去除率、NO2-N積累率的影響Fig. 6　Effect of HRT on the removal rate of NO3-N,the removal rate of TN, NO2-N accumulation rate

由圖7中ΔC/ΔN的變化規(guī)律可知，當(dāng)HRT逐漸增大時(shí)，ΔC/ΔN逐步降低.ΔC/ΔN從2.62降低到1.4.綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，NO3-N去除率和TN去除率在HRT為7.08 hr時(shí)最大，而NO2-N積累率則最小.

實(shí)驗(yàn)條件：葡萄糖為碳源，進(jìn)水C/N=3∶1，ρ(NO3-N)=400 mg/L，ρ(Cl)=20 g/L，pH=7.5，T=35 ℃圖7　HRT對(duì)消耗的C/N的影響Fig. 7　Effect of HRT on ΔC/ΔN

3結(jié)論

1) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，當(dāng)ρ(Cl)=15～20 g/L時(shí)，NO3-N去除率、TN去除率和ΔC/ΔN都比較高，所以氯離子質(zhì)量濃度在15~20 g/L時(shí)脫氮效果最好.

2) 綜合結(jié)果可以得出,進(jìn)水C/N為3∶1時(shí)，NO3-N去除率和TN去除率都是最大值，而NO2-N積累率則最小，脫氮效果最好.

3) HRT控制在7.08 hr時(shí)，NO3-N去除率和TN去除率最大，而NO2-N積累率則最小，脫氮效果最好.

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Denitrification Process for the Wastewater Containing Nitrogen with High

Salinity in UASB Reactor

GAO Yanqun, NI Weimin, ZHAO Liang, ZHOU Xia

(College of Life and Environmental Science, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China)

Abstract:This paper studies the change rules of carbon source, TN, NO3-N and NO2-N in the denitrification process for the wastewater containing nitrogen with different salinity, C/N ratio and HRT condition. The results show that after the acclimation in the UASB reactor, the wastewater denitrification sludge is able to adjust to the circumstance with the concentration of chloride ion between 0~20 g/L. Nitrogen removal can raise along with the increasing of C/N ratio or HRT. However, NO2-N accumulation rate is the direct opposite of nitrogen removal. The optimization conditions are C/N=3∶1 and HRT=7.08 hr.

Key words:wastewater denitrification; UASB reactor; removal rate of NO3-N; NO2-N accumulation rate

第14卷第1期2015年1月杭州師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)JournalofHangzhouNormalUniversity(NaturalScienceEdition)Vol.14No.1Jan.2015

文章編號(hào):1674-232X(2015)01-0055-05

中圖分類號(hào):X703.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

doi:10.3969/j.issn.1674-232X.2015.01.010

通信作者：倪偉敏(1978-)，男，講師，博士，主要從事污染控制與資源化研究.E-mail:weiminni@hznu.edu.cn

基金項(xiàng)目:浙江省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)科研項(xiàng)目(2012R10039-18)；浙江省新苗計(jì)劃項(xiàng)目(2014R421056)；杭州師范大學(xué)本科創(chuàng)新能力提升工程項(xiàng)目.

收稿日期：2014-06-15