郭興宇，丁琦，王增長

(1.青島市公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，山東 青島 266041；2.中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司，山東 青島 266041；3.太原理工大學 環(huán)境科學與工程學院，山西 太原 030024)

UBF實現(xiàn)同步反硝化產(chǎn)甲烷的啟動與運行特征

郭興宇1，丁琦2，王增長3*

(1.青島市公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，山東 青島 266041；2.中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司，山東 青島 266041；3.太原理工大學 環(huán)境科學與工程學院，山西 太原 030024)

[目的]尋求同步反硝化產(chǎn)甲烷工藝的快速啟動方法，并觀察啟動后同步反硝化產(chǎn)甲烷的穩(wěn)定運行特征。[方法]利用自制的上向流厭氧污泥床-生物膜復合反應器(up-flow anaerobic sludge bed-filter，簡稱UBF)處理高碳氮比垃圾滲濾液，選擇好氧預掛膜-厭氧馴化聯(lián)合方式對反應器實施啟動，最終實現(xiàn)同步反硝化產(chǎn)甲烷功能。[結(jié)果]整個啟動過程歷時42 d，下部污泥床的污泥濃度約為9.5 g·L-1，上部填料床的掛膜量達5.2 g·g-1填料；高碳氮比下反應器的處理效果十分穩(wěn)定，CODCr、NO3--N、NH4+-N和TN的總?cè)コ史謩e為88.83%、99.95%、70.97%、82.80%，污染物降解效率較高；生物氣日產(chǎn)量約7.2～8.9 L，所含氣體成分較為穩(wěn)定，CH4、CO2、H2和含氮氣體的平均含量比例分別為54.41%、44.09%、0.58%、0.92%。[結(jié)論]利用好氧預掛膜-厭氧馴化的啟動方式，可以對UBF反應器快速實現(xiàn)同步反硝化產(chǎn)甲烷功能，并獲得穩(wěn)定且良好的運行效果。

UBF反應器；同步反硝化產(chǎn)甲烷；垃圾滲濾液；快速啟動；穩(wěn)定運行

Abstract:[Objective]In this paper, it was the research purpose that seeking the rapid startmethod of simultaneous denitrification and methanogenesis (SDM) process and observing stable operation characteristics of SDM after start-up.[Methods]The up-flow anaerobic sludge bed-filter (UBF) was used for treating landfill leachate with high C/N, and the associated way of aerobic precoating-anaerobic acclimation was selected to implement start process, which achieved SDM function in the UBF reactor finally.[Results]The whole start-up process lasted for 42 d, the sludge concentration was about 9.5 g·L-1in the sludge bed, and the amount of biofilm was 5.2 g·g-1filler in packed bed; Under high C/N the treatment effect of UBF reactor was very stable, and total removal rates of CODCr, NO3--N, NH4+-N and TN were 88.83%, 99.95%, 70.97% and 82.80% respectively and substrate degrading efficiencies were higher; The daily production of biogas was about 7.2～8.9 L and the composition of biogas was stable, and average content ratios of CH4、CO2、H2and nitrogen gas were 54.41%, 44.09%, 0.58% and 0.92% respectively.[Conclusion]Therefore, for the UBF reactor, the associated way of aerobic precoating-sludge anaerobic acclimation could be used for the fast achievement of SDM function, and the stable and good operation effect was acquired.

Keywords:UBF reactor, Simultaneous denitrification and methanogenesis, Landfill leachate, Rapid start up, Stable operation

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，含氮有機廢水(生活污水、垃圾滲濾液、焦化廢水、制革工業(yè)廢水、屠宰場廢水和食品工業(yè)廢水等)排放量逐年增加，導致城市污水處理廠有機負荷和氮負荷同時上升，廢水中含氮有機物種類趨于多樣化，且高分子難降解物質(zhì)含量增加。以垃圾滲濾液為例，其成分復雜，有機物和氨氮的含量都很高，同時還含有多種重金屬離子，屬于典型的高氨氮廢水，其脫氮問題一直是國內(nèi)外研究的重點和難點[1]。

通常采用A2/O工藝對垃圾滲濾液等含氮廢水進行處理，但是，當所處理廢水生化性差或BOD5/TN比值高時，傳統(tǒng)A2/O工藝的反硝化段只能去除廢水中一部分有機物，仍有相當數(shù)量的有機物依靠后續(xù)的好氧生物處理單元來承擔，造成碳氧化需氧量高、能耗大。諸多研究者[2]針對A2/O工藝的不足之處，提出同步反硝化產(chǎn)甲烷工藝，即在一個厭氧反應器內(nèi)實現(xiàn)反硝化和產(chǎn)甲烷兩個過程，不僅縮短了工藝流程，省去了缺氧反硝化池，同時也解決了A2/O工藝中缺氧池反硝化碳源不足的問題，還可防止厭氧產(chǎn)甲烷反應器出現(xiàn)酸化。

反硝化和產(chǎn)甲烷過程是由兩大類性質(zhì)迥異的微生物分別完成的，反硝化降解產(chǎn)生的各種氮氧化物(N2O、NO、NO2--N)對產(chǎn)甲烷菌有較強的毒性抑制作用[3]，通常認為反硝化菌與產(chǎn)甲烷菌很難共存，如果要在單一厭氧反應器中同時實現(xiàn)反硝化和產(chǎn)甲烷，厭氧反應器的成功啟動是關(guān)鍵所在。本文重點討論同步反硝化產(chǎn)甲烷反應器的啟動方案，并考察啟動階段的廢水處理特征；同時，在反應器正常運行后，考察運行階段的廢水處理特征。

1 材料與方法

1.1 試驗用水與接種污泥

試驗用水取自山西某垃圾場的滲濾液。該垃圾場主要用于填埋生活垃圾，滲濾液成分以有機物和氨氮為主，滲濾液原水水質(zhì)見表1。試驗中，使用硫酸或氫氧化鈉溶液將進水的pH值調(diào)節(jié)為8.00～8.30，使用葡萄糖、氯化銨溶液將進水的CODCr、NH4+-N濃度調(diào)節(jié)為6 500 mg·L-1、490 mg·L-1。本試驗采用城市污水處理廠二沉池的回流污泥作為接種污泥。

表1 滲濾液原水水質(zhì)Table 1 Leachate raw water quality

1.2 試驗裝置

利用自制的上向流厭氧污泥床-生物膜復合反應器(up-flow anaerobic sludge bed-filter，簡稱UBF)模擬同步反硝化產(chǎn)甲烷工藝(圖1)。反應器有效容積為7.8 L，內(nèi)徑和高度分別為100 mm、1 200 mm。反應器中間設(shè)有隔板，分為上、下兩部分，以防止下部污泥床的污泥上浮而導致污泥流失。上部生物膜空間與下部污泥床空間的容積分別為4.68 L、3.12 L。反應器配備有恒溫器，溫度設(shè)置為(35±1) ℃。通過反應器取樣口、出水口分別收集下部污泥床和總出水水樣，以待分析。反應器水力停留時間為8 h，污泥停留時間為30 d。

圖1 同步反硝化產(chǎn)甲烷工藝構(gòu)成Fig.1 Simultaneous nitrification and denitrification process

1.3 分析方法

測試項目主要有CODCr、NH4+-N、NO3--N、TN、混合液懸浮固體濃度(MLSS)、混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度(MLVSS)、pH、氧化還原電位(ORP)、溶解氧(DO)、溫度、產(chǎn)氣量及氣體成分等。測試項目、方法及設(shè)備見表2。

表2 測試項目一覽表Table 2 List of test items

2 結(jié)果與分析

2.1 反應器快速啟動過程

2.1.1 填料床好氧預掛膜

UBF反應器快速啟動的關(guān)鍵點在于上部填料床的掛膜效率。厭氧生物膜反應器掛膜效率低主要有三個原因：厭氧微生物的增殖速率和新陳代謝速率較低；厭氧微生物大都為桿菌和球菌，不容易附著于填料表面且易隨反應器出水流失掉；產(chǎn)甲烷菌作為厭氧消化反應器中的主要菌群，在啟動階段還未形成優(yōu)良的菌體結(jié)構(gòu)且生物量較少，容易受到各類抑制因子的影響。根據(jù)相關(guān)研究成果[5～7]，可以先讓絲狀細菌成功附著于填料并快速生長，由于該類微生物的生態(tài)特點，在填料表面會形成穩(wěn)固的網(wǎng)絡構(gòu)架，此時就能為其他微生物如厭氧菌群提供良好的固著條件，達到厭氧生物膜反應器高效掛膜與快速啟動的目的。因此，本試驗在UBF反應器啟動階段采用好氧預掛膜方式，即在好氧條件下促使絲狀菌的大量繁殖，在填料表面預先附著一層由絲狀菌形成的網(wǎng)狀生物膜。通常來說，絲狀菌是嚴格的好氧細菌，但現(xiàn)有資料顯示，0961、1863、1851和N.limicola類型的絲狀菌也能夠在厭氧條件下進行呼吸代謝[8，9]，由此推測在好氧條件下培育且在后續(xù)厭氧階段存活下來的絲狀菌為上述幾類。

UBF反應器上部填料床選用懸掛組合式填料，如圖2所示，填料單元為內(nèi)、外雙圈構(gòu)型，內(nèi)圈是呈雪花狀的塑料枝條，外圈連接有一圈分布均勻的醛化纖維束，該填料同時具有半軟性和軟性填料的特點，主要參數(shù)如下：外圈直徑120 mm，內(nèi)圈直徑75 mm，片距60 mm，安裝距離120 mm。在反應器啟動過程中，需要定期觀察填料床的掛膜情況，使用“掛膜量”來表征，具體測試方法為：取一塊填料單元置于容器內(nèi)，用蒸餾水沖洗附著的生物膜，然后將填料與脫落的生物膜一起經(jīng)濾紙過濾，并于105 ℃下烘干稱重，稱重結(jié)果減去填料單元凈重即得掛膜量(g·g-1填料)。

圖2 懸掛組合式填料及填料單元構(gòu)型Fig.2 Suspension combined packing and packing unit configuration

污泥床和填料床的污泥接種濃度分別為2.0、5.0 g·L-1，為提高填料床的好氧預掛膜效率，進水采用葡萄糖人工配水(表3)，進水CODCr濃度為1 000 mg·L-1，進水流量為1.35 L·h-1。通過UBF反應器底部的循環(huán)出口鼓入空氣，控制溶解氧在2 mg·L-1左右。在預掛膜過程中污泥濃度的變化情況如圖3所示，運行結(jié)束后污泥床的污泥濃度增至6.2 g·L-1，填料床的掛膜量達到2.5 g·g-1填料，整個運行過程中COD去除率均在95%以上。

另外，為確保能夠均勻掛膜，反應器運行前5 d，試驗用水由底部進水口進入，水流自下至上行進，經(jīng)上部出水口排出；在運行后5 d，試驗用水改為由出水口進入，水流自上至下行進，經(jīng)進水口排出。

表3 葡萄糖人工配水組分Table 3 Glucose artificial water component

注：微量元素液添加量為10 mL·L-1反應器，維生素溶液添加量為0.01 mL·L-1反應器。
Note: The trace element solution was 10 mL per liter reactor, and the vitamin solution was 0.01 mL per liter reactor.

圖3 好氧預掛膜過程中污泥濃度的變化情況Fig.3 The change of concentration of sludge in aerobic pre coating process

2.1.2 污泥厭氧馴化

在好氧預掛膜結(jié)束后，向反應器內(nèi)沖入氮氣，使ORP初步降至-120 mV左右，將反應器溶解氧環(huán)境由先前的好氧轉(zhuǎn)變?yōu)槿毖醐h(huán)境。試驗進水改用垃圾滲濾液，為使污泥微生物逐步適應實際廢水，采取階梯式增大有機負荷的方式，垃圾滲濾液稀釋倍數(shù)依次為3.2、2.1、1.6、1，進水NO3--N濃度按CODCr/NO3--N=16進行相應調(diào)整，進水流量為1.35 L·h-1。在厭氧馴化過程中CODCr和NO3vN的降解情況如圖4所示，以某有機負荷運行時，當CODCr、NO3--N去除率趨于穩(wěn)定(分別達86%、99%以上)，隨即增大有機負荷，此時底物去除率迅速下降，隨著反應持續(xù)進行去除率逐漸上升并趨于穩(wěn)定，然后再增大有機負荷，如此循環(huán)直至垃圾滲濾液無需稀釋。

圖4 厭氧馴化過程中底物降解情況Fig.4 Substrate degradation during anaerobic acclimation

在厭氧馴化過程中污泥濃度的變化情況如圖5所示，隨著反應持續(xù)進行，下部污泥床的污泥濃度和上部填料床的掛膜量均呈不斷增大趨勢。在反應器啟動運行的第30 d，下部污泥濃度增至10.3 g·L-1，此時開始排泥以調(diào)節(jié)下部污泥床的污泥齡，按“反應器體積/SRT”計算排泥量，取SRT為30 d，則日排泥量約90 mL，持續(xù)排泥12 d后污泥濃度趨于穩(wěn)定，大約9.5 g·L-1。對于上部填料床，在反應器啟動運行的第39 d，掛膜量增至5.2 g·g-1填料，此時填料床的掛膜(新生)與脫膜(死亡)速率達到平衡，使得掛膜量隨運行時間趨于穩(wěn)定，脫落下來的生物膜隨出水水流排出。

圖5 厭氧馴化過程中污泥濃度的變化情況Fig.5 Changes of sludge concentration during anaerobic acclimation

2.2 反應器正常運行特征

2.2.1 底物降解過程

UBF反應器在經(jīng)過好氧預掛膜、污泥厭氧馴化后成功啟動，啟動過程歷時約42 d，在此之后該反應器進入穩(wěn)定運行階段，試驗周期為20 d。正常運行過程中，每日分別于進水口、取樣口和出水口取得待測樣品，以考察下部污泥床、上部填料床及反應器的底物降解效率，取樣口和出水口的CODCr、NO3--N、NH4+-N和TN濃度隨時間在一定范圍內(nèi)波動，各底物平均去除率如圖6所示。(1)對于CODCr，其進水濃度為6 500 mg·L-1，取樣口平均濃度為4 304.3 mg·L-1，出水口平均濃度為726.1 mg·L-1，反應器總?cè)コ蔬_88.83%，其中污泥床和填料床的去除率分別為33.78%、55.05%，可見填料床在CODCr降解過程中起著主要作用；(2)對于NO3--N，其進水濃度為400 mg·L-1，取樣口平均濃度為50.4 mg·L-1，出水口平均濃度為0.2 mg·L-1，反應器總?cè)コ蔬_99.95%，其中污泥床和填料床的去除率分別為87.40%、12.55%，可見NO3-N在污泥床中就可基本被去除；(3)對于NH4+-N，其進水濃度為490 mg·L-1，取樣口平均濃度為510.6 mg·L-1，出水口平均濃度為142.3 mg·L-1，反應器總?cè)コ蕿?0.97%，取樣口濃度稍高于進水濃度，可見NH4+-N僅在填料床中被利用去除，而在污泥床中未發(fā)生顯著變化，這表明在此區(qū)域內(nèi)并未發(fā)生厭氧氨氧化反應，可能是較高的有機物濃度抑制了該反應，新增加NH4+-N主要來自含氮有機物的反硝化降解；(4)對于TN，其進水濃度為620 mg·L-1，取樣口平均濃度為447.5 mg·L-1，出水口平均濃度為106.6 mg·L-1，反應器總?cè)コ蔬_82.80%，其中污泥床和填料床的去除率分別為27.82%、54.98%，可見填料床在TN降解過程中起著主要作用，在填料床中除大部分有機氮被降解外，NH4+-N作為產(chǎn)甲烷菌的氮源也被利用消耗。

圖6 反應器正常運行階段的底物降解情況Fig.6 Substrate degradation during normal operation stage

2.2.2 產(chǎn)氣變化規(guī)律

在UBF反應器運行過程中，每日使用集氣袋對其產(chǎn)生的生物氣體進行采樣，采樣完畢后將集氣袋取下，測量其中生物氣的成分含量。UBF反應器的生物氣體成分主要包括含氮氣體、CH4、CO2和H2，通過氣相色譜儀測定出CH4、CO2和H2的含量，其余則為含氮氣體含量。

生物氣體日產(chǎn)量隨運行時間的變化情況如圖7所示。總氣體日產(chǎn)量在7.2～8.9 L范圍內(nèi)波動，所含氣體成分較為穩(wěn)定，CH4、CO2、H2和含氮氣體的平均含量比例分別為54.41%、44.09%、0.58%、0.92%。由此可見，UBF反應器的含氮氣體生成量較少，生物氣體主要來自厭氧產(chǎn)甲烷反應，在產(chǎn)甲烷反應中H2的有效利用率較高，它所參與的同型乙酸化、食氫甲烷化過程進展順利，使得氣體中H2含量偏低。

圖7 反應器正常運行階段的產(chǎn)氣變化規(guī)律Fig.7 Gas variation during normal operation stage

3 討論與結(jié)論

生物處理有機質(zhì)過程中主要包括好氧技術(shù)、厭氧技術(shù)[10,11]，但如果直接應用好氧技術(shù)處理高有機質(zhì)濃度的廢水存在能耗需求大、污泥產(chǎn)量多、后續(xù)處理費用昂貴等問題[12]，對于高有機質(zhì)濃度廢水適合選擇應用厭氧處理技術(shù)對有機質(zhì)進行去除，既可節(jié)省能耗、減少后續(xù)處理費用，又可回收甲烷能源[13,14]。因此，根據(jù)厭氧技術(shù)優(yōu)勢特點，提出應用同步反硝化產(chǎn)甲烷工藝處理高碳氮比的有機廢水，同時去除廢水中有機質(zhì)和部分氮素[15,16]。由于反硝化細菌與產(chǎn)甲烷菌特性差異較大、難以共存，同步反硝化產(chǎn)甲烷的實現(xiàn)往往取決于反應器微生物的成功培養(yǎng)。對于UBF反應器而言，其快速啟動的關(guān)鍵點在于組合式填料的生物膜掛膜效率。

本試驗采用填料床好氧預掛膜-污泥厭氧馴化聯(lián)合方式對反應器實施啟動，整個啟動過程歷時42 d，成功啟動后下部污泥床的污泥濃度約為9.5 g·L-1，上部填料床的掛膜量達5.2 g·g-1填料。利用具有同步反硝化產(chǎn)甲烷功能的UBF反應器處理垃圾滲濾液，高COD/NO3--N下反應器的處理效果十分穩(wěn)定，CODCr、NO3--N、NH4+-N和TN的總?cè)コ史謩e為88.83%、99.95%、70.97%、82.80%，污染物降解效率較高；生物氣日產(chǎn)量約7.2～8.9 L，所含氣體成分較為穩(wěn)定，CH4、CO2、H2和含氮氣體的平均含量比例分別為54.41%、44.09%、0.58%、0.92%。

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(編輯：武英耀)

Start-upandoperationcharacteristicsofUBFreactorforsimultaneousdenitrificationandmethanogenesis

Guo Xingyu1, Ding Qi2, Wang Zengzhang3*

(1.QingdaoTrafficPlanningandDesignInstituteLimitedCompany,Qingdao266041,China; 2.CSCECAECOMConsultantsLimitedCompany，Qingdao266041,China；3.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

X703

A

1671-8151(2017)10-0754-06

2017-06-02

2017-06-22

郭興宇(1984-)，男(漢)，山西太原人，工程師，碩士，研究方向：水污染控制工程

*通信作者：王增長，教授，博士生導師，電話：18562751769；E-mail： 93667187@qq.com

國家自然科學基金(51378330)