韓 明，何士龍，王冰冰

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.江蘇智盛環(huán)境科技有限公司，江蘇 連云港 222000)

厭氧氨氧化(ANAMMOX)作為一種生物脫氮新方法，具有容積效能高、無需外加碳源以及污泥產(chǎn)量小等特點(diǎn)[1]，在含氨氮廢水特別是低碳氮比的廢水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景，是目前生物脫氮領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，厭氧氨氧化菌的增殖速率較慢，倍增周期大約在11 d左右，致使系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)[2]。為此，探索厭氧氨氧化系統(tǒng)的快速啟動(dòng)方式對(duì)于厭氧氨氧化技術(shù)的工程化應(yīng)用具有重要意義。另外，厭氧氨氧化菌對(duì)環(huán)境因子以及廢水組分的變化較為敏感，致使系統(tǒng)常常失穩(wěn)。雖然目前已有研究報(bào)道表明過高的基質(zhì)濃度會(huì)對(duì)厭氧氨氧化系統(tǒng)產(chǎn)生抑制作用[3-4]，但對(duì)于本研究構(gòu)建的升流式厭氧氨氧化濾池而言，其耐基質(zhì)濃度能力和抑制后的恢復(fù)程度與已有研究有何異同，還有待闡明。

本研究利用裝載頁巖陶粒作為填料的升流式厭氧污泥床(UASB)系統(tǒng)作為反應(yīng)器，研究系統(tǒng)的啟動(dòng)特征，考察運(yùn)行過程基質(zhì)濃度變化對(duì)反應(yīng)器性能的影響，探討失穩(wěn)后系統(tǒng)的恢復(fù)方法與恢復(fù)能力。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)用水

1.2 接種污泥

本研究的接種污泥為硝化污泥與消化污泥按1∶1混合而成的混合污泥(活性污泥中懸浮固體物質(zhì)的總質(zhì)量濃度(MLSS)為10 g/L).硝化污泥取自江蘇省徐州市中國(guó)礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)污水處理站內(nèi)缺氧池污泥，消化污泥取自江蘇省某垃圾焚燒廠內(nèi)消化池污泥。接種前，混合污泥用營(yíng)養(yǎng)液多次沖洗，以去除種污泥中的雜質(zhì)和殘余污染物質(zhì)。

1.3 試驗(yàn)裝置與運(yùn)行模式

本試驗(yàn)采用反應(yīng)器系統(tǒng)如圖1所示。反應(yīng)器為裝載頁巖陶粒的UASB系統(tǒng)，填料裝載體積為反應(yīng)器有效容積的70%.UASB反應(yīng)區(qū)的內(nèi)徑為10 cm，高為90 cm，有效容積為8.8 L.反應(yīng)器外裹橡塑海綿保溫板，用于遮光和保溫，反應(yīng)區(qū)的外部設(shè)有保溫區(qū)，利用循環(huán)水浴加熱系統(tǒng)保持反應(yīng)器溫度在33～35 ℃之間。試驗(yàn)采用連續(xù)進(jìn)水模式，利用蠕動(dòng)泵將廢水連續(xù)泵入反應(yīng)器底部，然后進(jìn)入反應(yīng)區(qū)。上部設(shè)有三相分離器，污泥絮體、氣體和凈化水經(jīng)過三相分離器分離，氣體由氣室引出，凈化水則從出水口流出。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Diagram of experimental setup

反應(yīng)運(yùn)行過程中通過改變基質(zhì)濃度和水力停留時(shí)間(HRT)來改變系統(tǒng)的負(fù)荷。具體運(yùn)行操作過程如表1所示。

表1 反應(yīng)器運(yùn)行操作情況Table 1 Operation of the reactor

1.4 分析方法

游離氨(FA)的濃度由式(1)計(jì)算得到：

(1)

式中：cFA為游離氨濃度，mol/L；cNH3為總氨氮濃度，mol/L；θ為溫度，℃.

游離亞硝酸(FNA)濃度可由(2)計(jì)算：

(2)

式中，cFNA為游離亞硝酸濃度，mol/L；cNO2為總亞硝

酸鹽濃度，mol/L；θ為溫度，℃.

容積基質(zhì)氮去除速率(NRR)可通過式(3)得出：

(3)

容積氨氮去除速率(ARR)可通過式(4)計(jì)算：

(4)

容積氮去除率(NRE)計(jì)算公式可通過式(5)計(jì)算：

(5)

容積基質(zhì)氮負(fù)荷(NLR)可通過式(6)計(jì)算：

(6)

式(3-6)中：進(jìn)水氨氮、出水氨氮、進(jìn)水亞硝態(tài)氮、出水亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮生成量以質(zhì)量濃度計(jì)算，mg/L；t為水力停留時(shí)間HRT，h；φ(NRR)，φ(NLR)，φ(ARR)單位為kgN·m-3·d-1.

2 結(jié)果與討論

2.1 厭氧氨氧化的快速啟動(dòng)

反應(yīng)器啟動(dòng)過程中氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮和氮負(fù)荷的變化情況如圖2所示。

利用接種成熟的厭氧氨氧化污泥作為接種污泥或系統(tǒng)裝載填料都可以快速啟動(dòng)厭氧氨氧化系統(tǒng)(如表2所示)。本研究采用的頁巖陶粒和懸浮球組合填料，與聚氨酯泡棉填料相比，基本在相同的時(shí)間內(nèi)成功啟動(dòng)了厭氧氨氧化系統(tǒng)，但是本研究選用的復(fù)合填料價(jià)格低廉，具有較高的性價(jià)比。

2.2 反應(yīng)器的失穩(wěn)及恢復(fù)

在厭氧氨氧化系統(tǒng)啟動(dòng)成功后，繼續(xù)提高進(jìn)水在第176 d開始，在低基質(zhì)濃度和相同進(jìn)水負(fù)荷條件下，考察了不同HRT對(duì)系統(tǒng)恢復(fù)性能的影響，結(jié)果如圖3第Ⅳ～Ⅴ階段所示。由于系統(tǒng)中大部分微生物集中在反應(yīng)器的下層，通過下層污泥對(duì)氮去除率的變化可以判斷反應(yīng)器恢復(fù)程度的好壞。當(dāng)HRT為10 h時(shí)，底部的NRE在10% 以下；而當(dāng)HRT為12 h時(shí)，底部的NRE在40%以上。究其原因是隨著HRT的降低，水流速度加快，使得底部的污泥與基質(zhì)接觸時(shí)間變短，對(duì)基質(zhì)的利用變差，致使反應(yīng)器脫氮性能的恢復(fù)較差。由此可見，維持適宜的HRT對(duì)于系統(tǒng)恢復(fù)是有利的。

表2 不同填料厭氧氨氧化的啟動(dòng)性能[13-15]Table 2 Start-up performance of ANAMMOX with different filters

圖2 反應(yīng)器啟動(dòng)過程中氨氮濃度變化及去除率(a)、亞硝態(tài)氮濃度變化及去除率(b)及ARR、NRR、NLR、NRE(c)的變化Fig.2 Changes in concentration and removal rate of ammonia nitrogen(a), variations in concentration and removal rate of nitrite nitrogen(b) and changes of ARR, NLR, NRE concentration(c) in the process of reactor start-up

圖3 運(yùn)行失穩(wěn)及恢復(fù)過程氨氮濃度變化及去除率(a)、亞硝態(tài)氮濃度變化及去除率(b)、FA，F(xiàn)NA濃度變化(c)和pH變化情況(d)Fig.3 Changes in concentration and removal rateof ammonia nitrogen (a), changesin concentration and removal rate of nitrite nitrogen (b), changes of FA, FNA concentration (c) and pH change (d) in the instability andrecoveryprocessesduring operation

3 結(jié)論

1) 利用價(jià)格低廉的頁巖陶粒搭載UASB反應(yīng)器經(jīng)過116 d成功的快速啟動(dòng)了厭氧氨氧化系統(tǒng)。

2) 厭氧氨氧化生物膜過濾系統(tǒng)較常規(guī)的顆粒污泥厭氧氨氧化系統(tǒng)具有較高的耐FA、FNA能力，在FA質(zhì)量濃度為5 mg/L和FNA質(zhì)量濃度達(dá)到360 μg/L時(shí)該系統(tǒng)仍然可以保持穩(wěn)定運(yùn)行；更高的進(jìn)水基質(zhì)濃度下，導(dǎo)致系統(tǒng)FA、FNA濃度過高，是導(dǎo)致厭氧氨氧化系統(tǒng)失穩(wěn)的原因，而且失穩(wěn)后的厭氧氨氧化系統(tǒng)對(duì)FA、FNA的耐受能力降低。

3) 對(duì)比HRT在10 h和12 h的條件下系統(tǒng)的恢復(fù)性能表明，更高的HRT有利于失穩(wěn)系統(tǒng)的快速恢復(fù)。

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