張典典,汪 濤,邵敬敬,李 琳,王志強(qiáng) (河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院,天津 300401)

隨著人類社會的發(fā)展,大量含有氮、磷的廢水排入天然水體,使水體富營養(yǎng)化問題日益嚴(yán)重,赤潮和水華等水生態(tài)失衡現(xiàn)象頻頻出現(xiàn).氮素污染源中的主要污染物是氨態(tài)氮,因此加強(qiáng)高氨氮污水的處理對防治水體富營養(yǎng)化至關(guān)重要.但是,傳統(tǒng)的硝化反硝化脫氮工藝在處理高濃度氨氮廢水時(shí),往往需要在反硝化階段投加有機(jī)碳源作為電子受體,在硝化階段進(jìn)行曝氧,同時(shí)需要進(jìn)行酸堿性調(diào)節(jié),這就大大增加了工藝的運(yùn)行成本;剩余污泥產(chǎn)量高,進(jìn)一步增加了污泥處置費(fèi)用[1].

厭氧氨氧化(Anammox)是一種適合處理高氨氮、低C/N廢水的新型污水生物脫氮工藝.它的基本原理是 Anammox菌在厭氧環(huán)境中以NO2--N為電子受體,氧化 NH4+-N同時(shí)生成 N2的生物反應(yīng)過程[2].功能菌種為自養(yǎng)厭氧型,生長緩慢,與傳統(tǒng)的脫氮工藝相比,可大幅節(jié)約有機(jī)碳源和曝氧的成本[3],減少剩余污泥量.該工藝因其操作簡單、脫氮效率高、無二次污染等諸多優(yōu)點(diǎn)受到了水處理領(lǐng)域研究學(xué)者的青睞.然而,Anammox菌的生長代謝極其緩慢(生長速率為0.0003h-1)[2],世代時(shí)間長達(dá)11d,致使Anammox工藝的啟動周期冗長,而且啟動過程中對外界環(huán)境如溶解氧(DO)、有機(jī)物、pH值和溫度等因素的變化敏感度高[4-5],如何實(shí)現(xiàn)Anammox工藝的快速啟動和穩(wěn)定運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)Anammox工業(yè)化應(yīng)用需要克服的重要難題.

為解決上述問題,研究學(xué)者試圖從添加化學(xué)藥劑、施加物理能場等方面提高Anammox菌活性,加快Anammox啟動進(jìn)程.Yin等[6]向上升流固定床反應(yīng)器接種傳統(tǒng)活性污泥和石墨烯的混合物,石墨烯濃度為 100mg/L,運(yùn)行溫度為 35℃,pH值為7.0左右,DO低于0.5mg/L,在進(jìn)水氮負(fù)荷為460gN/(m3?d)的情況下,Anammox 啟動耗時(shí)由67d縮短至 49d.Liu等[7]在填有無紡布填料的固定床反應(yīng)器外設(shè)置永久磁場,磁場強(qiáng)度為 60mT,操作溫度為 35℃,pH 值為(8.0±0.1),DO 小于0.05mg/L,結(jié)果發(fā)現(xiàn),永磁場的施加能使Anammox啟動周期縮短 1/4,當(dāng)啟動階段的總氮容積負(fù)荷為 2000mgN/(L?d)時(shí),總氮去除負(fù)荷由無 磁 場 添 加 的 1200～1482mgN/(L?d)提 高 至1600～1780mgN/(L?d),提高了 30%.

超聲波是一種聲能場,具有作用條件溫和、無二次污染、適用范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn).低強(qiáng)度、低頻率超聲波能產(chǎn)生和緩的空化作用,可通過改善微生物細(xì)胞膜的通透性、提高生物酶活性和加快電子傳遞速率等來增強(qiáng)目標(biāo)微生物的生長活性和菌群競爭力[8].基于此,本研究利用超聲波強(qiáng)化 Anammox菌活性,通過超聲波批式實(shí)驗(yàn)篩選出最優(yōu)的超聲參數(shù),在最優(yōu)的超聲輻照條件下采用固定床反應(yīng)器接種傳統(tǒng)活性污泥啟動Anammox工藝,從Anammox啟動周期和脫氮性能等方面考察超聲強(qiáng)化 Anammox啟動和運(yùn)行過程.

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和接種污泥

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 The diagram of experimental device

本實(shí)驗(yàn)采用有機(jī)玻璃材質(zhì)的固定床反應(yīng)器,有效容積為 2.6L,見圖1.反應(yīng)器外部設(shè)置超聲波發(fā)生器,超聲波振子沒入反應(yīng)器內(nèi)液面以下.反應(yīng)器設(shè)有有機(jī)玻璃外管套,恒溫?zé)崴谕夤芴字醒h(huán),維持反應(yīng)器溫度在 35℃左右.恒溫?zé)崴畞碜院銣厮?通過恒溫加熱棒實(shí)現(xiàn)溫度控制.恒溫水箱內(nèi)的水溫由溫度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)控,避免溫度波動對Anammox反應(yīng)性能帶來的干擾.反應(yīng)器內(nèi)部隨機(jī)填滿蜂窩狀聚丙烯填料,該填料外形為高1.2cm,直徑為 2.5cm 的柱體,密度與水相近,圓形斷面呈輻射狀分布有大小近似的19孔,邊緣呈現(xiàn)鋸齒狀凸起.這種載體填料的優(yōu)勢在于:作為支撐骨架,承托上部重力沉降至下部的污泥,促進(jìn)菌群富集,多孔結(jié)構(gòu)和凸起增大了其比表面積,進(jìn)一步增加了細(xì)菌截留能力;形成排氣通路,及時(shí)排出產(chǎn)物氮?dú)?避免氣壓過大對生物膜產(chǎn)生不利影響;氣泡排出的過程中對載體上生物膜有一定沖刷作用,能促進(jìn)生物膜的動態(tài)更新與底物和產(chǎn)物的傳質(zhì)作用.反應(yīng)器及管路的各個(gè)接口和連接處密封完好,保證系統(tǒng)的厭氧環(huán)境.主體裝置用黑布包裹,避免光照對Anammox菌的不利影響.

實(shí)驗(yàn)接種污泥為天津某污水處理廠的好氧活性污泥,混合液懸浮固定濃度(MLSS)為2317mg/L,混合液揮發(fā)性懸浮固定濃度(MLVSS)為1853mg/L,MLVSS/MLSS為79.97%.

1.2 超聲波批式實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行 Anammox啟動實(shí)驗(yàn)前,首先進(jìn)行了批式實(shí)驗(yàn),摸索超聲波強(qiáng)化 Anammox菌活性最優(yōu)的超聲輻照條件.實(shí)驗(yàn)所用污泥為成功馴化的Anammox污泥.取 6個(gè) 100mL錐形瓶,初始Anammox污泥濃度為0.1gVSS/L.超聲波頻率為25kHz.超聲輻射強(qiáng)度范圍為 0～0.5W/cm,強(qiáng)度梯度為0.1W/cm.超聲波作用時(shí)長為1,3,5min.

1.3 實(shí)驗(yàn)用水和運(yùn)行方式

根據(jù) Van de Graaf[9]和 Strous[10]提供的配方,Anammox培養(yǎng)基成分見表1.實(shí)驗(yàn)中每2d更新一次實(shí)驗(yàn)進(jìn)水,避免進(jìn)水瓶中雜菌的干擾.

表1 厭氧氨氧化培養(yǎng)基Table 1 Anammox nutrient medium

模擬廢水從反應(yīng)器底部進(jìn)入,經(jīng)短暫混勻后自下而上流經(jīng)反應(yīng)器,在接近頂部的出水口處溢流出水.在啟動過程中,進(jìn)水 NH4+-N 和 NO2--N濃度維持在 70mg/L.水力停留時(shí)間(HRT)固定為2d,始終控制pH值在8.0左右,溫度維持在最適溫度 35℃.在負(fù)荷提高階段,根據(jù)反應(yīng)器的去氮性能,通過逐步將進(jìn)水 NH4+-N和 NO2--N濃度由70mg/L提升至 380mg/L的方法加大進(jìn)水負(fù)荷.整個(gè)運(yùn)行期間,每周對馴化污泥進(jìn)行 1次超聲波輻照,輻照條件以超聲波批式實(shí)驗(yàn)得出的最優(yōu)條件為準(zhǔn).

1.4 分析項(xiàng)目及方法

NH4+-N:納氏試劑分光光度計(jì)法(721E型可見分光光度計(jì));NO2--N:N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法(721E型可見分光光度計(jì));NO3--N:酚二磺酸光度法(紫外可見分光光度計(jì));pH值和溫度:玻璃電極法(MIK-PH100型便攜式pH計(jì)).

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲波批式實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過 Design-Expert響應(yīng)曲面法作出Anammox活性隨超聲作用時(shí)間和超聲強(qiáng)度的變化關(guān)系圖,如圖 2所示.響應(yīng)曲面擬合出Anammox活性公式,見公式1.模型的F值為4.56,說明該模型的顯著性較好;p值為 1.46%,意味著僅有1.46%的變異不能由該模型解釋.

式中:Ut為超聲時(shí)間;Ui為超聲強(qiáng)度.

實(shí)驗(yàn)中,超聲頻率為固定值 25kHz.當(dāng) Ut為1,3,5min時(shí),隨著 Ui由 0增大至 0.5W/cm,Anammox活性都呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢.過長的Ut和過大的Ui會降低Anammox活性,如在0.5W/cm的超聲強(qiáng)度下超聲5min,Anammox活性為29.73chongc,與對照組相比,Anammox活性降低了 7.26%.當(dāng) Ut為 3min,Ui為 0.2W/cm時(shí),Anammox活性達(dá)到最大值,其值為 38.80mgN/(gVSS?d),與不加超聲波的對照組相比,此時(shí)Anammox活性提高率為最大值20.95%.因此,通過批式實(shí)驗(yàn)篩選出的最優(yōu)超聲參數(shù)為:超聲頻率25kHz,Ut 3min,Ui 0.2W/cm.而通過響應(yīng)曲面預(yù)測的最優(yōu)值為 36.33mgN/(gVSS?d),Ut 2.86min,Ui 0.22W/cm,與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果近似.后續(xù)Anammox啟動實(shí)驗(yàn)是在實(shí)測的最優(yōu)超聲工作條件(超聲頻率為 25kHz、Ut為 3min、Ui為0.2W/cm)下進(jìn)行.

圖2 厭氧氨氧化活性隨超聲時(shí)間和超聲強(qiáng)度的變化關(guān)系Fig.2 Variations relationship of Anammox activity along with time and intense of ultrasonic

2.2 Anammox啟動進(jìn)程

2.2.1 氮素濃度變化 進(jìn)水NH4+-N和NO2--N濃度為70mg/L,HRT為2d,控制溫度條件為35℃,pH8.0左右.經(jīng)過53d的運(yùn)行,成功啟動Anammox工藝.整個(gè)啟動過程可分為3個(gè)時(shí)期,分別為污泥轉(zhuǎn)換期(1～23d)、停滯期(24～37d)和活性表現(xiàn)期(38～53d),如圖 3 所示.

圖3 啟動階段氮濃度隨時(shí)間的變化Fig.3 Variations of nitrogen concentration with time during the start-up stage

污泥轉(zhuǎn)換期,出水NH4+-N極不穩(wěn)定,但始終高于進(jìn)水 NH4+-N,最高出水 NH4+-N濃度為108.73mg/L,比進(jìn)水 NH4+-N濃度高 38.73mg/L.出水NO2--N濃度在運(yùn)行第3d時(shí)急劇降低,至第9d時(shí),出水NO2--N已經(jīng)基本上完全去除.出水基本不含NO3--N.在運(yùn)行第一周,反應(yīng)器COD濃度較高,其范圍在 132～238mg/L.考慮到進(jìn)水為無機(jī)配水,其中基本不含有機(jī)物,如此高的 COD 可能來源于不適應(yīng)環(huán)境條件的好氧異養(yǎng)細(xì)菌細(xì)胞自溶產(chǎn)物.上述現(xiàn)象在其他文獻(xiàn)中也有報(bào)道,且細(xì)胞自溶產(chǎn)生 COD這一過程也已得到證實(shí)[11].究其原因,主要?dú)w結(jié)于以下幾個(gè)方面:(1)本實(shí)驗(yàn)接種污泥為好氧活性污泥,厭氧馴化條件嚴(yán)重抑制了好氧菌的生長,致使大多數(shù)好氧菌自溶,有機(jī)物質(zhì)被分解代謝并以 NH4+-N的形式隨出水流出,從而出現(xiàn)出水NH4+-N高于進(jìn)水NH4+-N的情況;(2)厭氧條件為反硝化菌的生長提供了保障,它們利用好氧菌自溶產(chǎn)生的有機(jī)物作為電子供體,將NO2--N還原為 N2,實(shí)現(xiàn) NO2--N的去除.在這一時(shí)期,反應(yīng)器內(nèi)以反硝化脫氮為主,并未觀察到Anammox過程的跡象.

停滯期主要表現(xiàn)在進(jìn)出水 NH4+-N濃度近似相等,出水NO2--N明顯升高,運(yùn)行第31d時(shí)出水NO2--N濃度達(dá)到最大值,最大值為34.23mg/L,一周之后NO2--N濃度穩(wěn)定在30mg/L左右,出水中有少量的 NO3--N.隨著時(shí)間的推移,進(jìn)水不斷向反應(yīng)器內(nèi)提供不含有機(jī)碳源的底物,可供反硝化菌利用的有機(jī)電子供體越來越少,部分反硝化菌進(jìn)行內(nèi)源代謝以維持自身活性,宏觀上表現(xiàn)為NO2--N 去除性能變差.同時(shí),反應(yīng)器內(nèi)有少量Anammox菌得以生長,因此出水中含NO3--N.這一時(shí)期,反硝化作用逐漸減弱,Anammox活性還很小.宋雨夏等[12]報(bào)道的 Anammox啟動停滯期為83d,而本研究停滯期持續(xù)時(shí)間僅為14d.

反應(yīng)器運(yùn)行至第38d進(jìn)入活性表現(xiàn)期.該時(shí)期內(nèi),NH4+-N和NO2--N同時(shí)去除,伴有NO3--N的產(chǎn)生,這是Anammox活性表現(xiàn)的典型標(biāo)志.由圖3可知,在活性表現(xiàn)期,進(jìn)水NH4+-N和NO2--N濃度保持恒定,出水NH4+-N和NO2--N濃度迅速降低,最終分別趨于10mg/L和0mg/L,出水NO3--N穩(wěn)定在11mg/L.Anammox菌已經(jīng)成功得到富集,Anammox反應(yīng)成為反應(yīng)器內(nèi)的主要脫氮途徑.Anammox工藝啟動耗時(shí)53d,而其他文獻(xiàn)所報(bào)道的Anammox啟動用時(shí)則在 60d以上[13-14],體現(xiàn)出本實(shí)驗(yàn)啟動Anammox工藝的時(shí)間優(yōu)勢.Anammox菌具有一種特殊的膜結(jié)構(gòu)細(xì)胞器-厭氧氨氧化體,它為Anammox菌所特有,主要功能是完成 NH4+-N 和NO2--N 的生物轉(zhuǎn)化[15].在本實(shí)驗(yàn)中,每周對培養(yǎng)污泥進(jìn)行一次超聲輻照,超聲波產(chǎn)生的局部空化作用能在一定程度上改善 Anammox菌細(xì)胞膜和厭氧氨氧化體膜的通透性能,增強(qiáng) Anammox菌的內(nèi)外傳質(zhì)作用,從而提高Anammox菌的活性[16],大大縮短Anammox啟動周期.

2.2.2 氮素去除情況變化 圖 4反映了各氮素去除情況隨時(shí)間的變化關(guān)系.運(yùn)行過程中,進(jìn)水NH4+-N和NO2--N濃度負(fù)荷維持在 35mgN/(L?d),HRT 恒為 2d.圖 4a 顯示,在污泥轉(zhuǎn)換期,NH4+-N去除速率極不穩(wěn)定,最低去除速率為第7d 的-19.37mgN/(L?d),而 NO2--N去除速率則迅速提高,并穩(wěn)定在 34.97mgN/(L?d),最大 NO2--N去除率為 100%,這與圖 3的分析結(jié)果保持一致.在停滯期,NH4+-N去除速率基本為 0mgN/(L?d),但NO2--N去除速率呈下降趨勢,說明反硝化菌群的脫氮能力在逐漸下降.活性表現(xiàn)期,NH4+-N去除速率明顯提高,最終穩(wěn)定在 30mgN/(L?d)左右,NO2--N去除速率也回升至35mgN/(L?d)左右.第53d時(shí),NH4+-N去除率為88.03%,NO2--N去除率為99.91%,實(shí)現(xiàn)了NH4+-N和NO2--N的同步高效去除.圖4b中進(jìn)水總氮負(fù)荷維持在70mgN/(L?d),總氮去除速率和總氮去除率的變化趨勢相似,都是先逐漸升高,在停滯期短暫下降,后又回升.啟動期末(運(yùn)行第53d)的總氮去除速率和總氮去除率達(dá)到了60.34mgN/(L?d)和86.20%.

2.2.3 化學(xué)計(jì)量比變化 化學(xué)計(jì)量比可用于指示 Anammox反應(yīng)進(jìn)程.活性表現(xiàn)期內(nèi)參加反應(yīng)的各氮素化學(xué)計(jì)量比變化關(guān)系如圖 5所示.其中,R1表示參加反應(yīng)的 NO2--N與NH4+-N之比,R2表示反應(yīng)生成的 NO3--N與參加反應(yīng)的NH4+-N之比.

圖4 啟動階段氮素去除情況隨時(shí)間的變化Fig.4 Variations of nitrogen removal rates with time in the Anammox start-up stage

在運(yùn)行第39～43d,R1在2.8左右波動,之后在4d內(nèi)迅速降低至1.3左右,后續(xù)幾天的運(yùn)行中,R1穩(wěn)定在 1.14,接近于 van de Graff等[9]報(bào)道的理論值1.32.R2變化較為平緩,先逐漸升高至0.5左右后緩慢下降,最后逐漸趨于0.18,低于理論值0.26[9].R1和R2都比理論值小,可能是由反應(yīng)器內(nèi)存在硝化細(xì)菌所致.運(yùn)行過程中,水封口倒吸或操作不規(guī)范使反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)氧,缺氧環(huán)境下硝化菌得以生存,并與Anammox菌競爭底物NH4+-N,同時(shí)生成NO3--N產(chǎn)物,導(dǎo)致 NO3--N 的產(chǎn)量偏高.Lu等[14]也曾報(bào)道過典型化學(xué)計(jì)量比偏低的現(xiàn)象.本實(shí)驗(yàn)中,僅經(jīng)過2周的運(yùn)行化學(xué)計(jì)量比就基本穩(wěn)定于 Anammox反應(yīng)系數(shù)比,這得益于外施加的超聲波作用.超聲波溫和的空化作用能改善Anammox菌細(xì)胞內(nèi)各種膜的通透性能,促進(jìn)代謝底物吸收和代謝產(chǎn)物釋放,并且能加快電子傳遞速率,提高 Anammox菌活性,從而能使反應(yīng)器在短期內(nèi)啟動Anammox工藝[16].

圖5 活性提高期化學(xué)計(jì)量比隨時(shí)間的變化Fig.5 Variations of the stoichiometric ratios with time during the activity improvement period

2.3 Anammox負(fù)荷提高過程

2.3.1 負(fù)荷提高期氮素濃度變化 Anammox工藝成功啟動后,進(jìn)行 Anammox負(fù)荷提高,以期獲得穩(wěn)定高效的脫氮功能.第 54～135d為Anammox負(fù)荷提升階段,期間氮素濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系見圖6.由圖6可知,進(jìn)水NH4+-N和NO2--N濃度經(jīng)歷了70,100,150,230,330mg/L及380mg/L.每次加大進(jìn)水氮濃度負(fù)荷,出水NH4+-N和NO2--N濃度都會明顯升高,但經(jīng)過短暫時(shí)間(5d左右)恢復(fù),出水NH4+-N和NO2--N濃度都能重新維持一個(gè)穩(wěn)定的出水濃度,分別60mg/L和 0mg/L左右.氨鹽和亞硝酸鹽既是Anammox反應(yīng)基質(zhì),亦是該反應(yīng)的自抑制劑.有文獻(xiàn)報(bào)道,Anammox反應(yīng)對亞硝酸鹽抑制更為敏感[10].NO2--N 抑制濃度為 100mg/L,高于此值將會出現(xiàn)嚴(yán)重的 Anammox自抑制現(xiàn)象,出水水質(zhì)較差.因此,應(yīng)留意負(fù)荷提高過程中出水NO2--N濃度變化.從圖6可以發(fā)現(xiàn),出水NO2--N濃度最大達(dá) 38.92mg/L,低于自抑制閾值,反應(yīng)器仍能運(yùn)行良好.根據(jù) Anammox反應(yīng)式,1mol NH4+-N產(chǎn)生0.26mol NO3--N,出水硝酸鹽濃度能夠反映反應(yīng)器內(nèi) Anammox菌種生長狀況.負(fù)荷提升階段,出水 NO3--N濃度輕微波動,并有降低趨勢,但仍在10mg/L以上.究其根源,可能是因?yàn)榉磻?yīng)器內(nèi)主要脫氮功能菌是 Anammox菌,存在一定數(shù)量的反硝化菌與之共存,反硝化菌以Anammox反應(yīng)生成的NO3--N為電子受體,并依賴自身內(nèi)源代謝物為有機(jī)電子供體維持生存.Anammox菌和反硝化菌組成了共生系統(tǒng),Anammox菌為優(yōu)勢菌種,反硝化菌能夠作為一種強(qiáng)化脫氮的存在,降低出水總氮濃度,彌補(bǔ)了單獨(dú)Anammox脫氮過程產(chǎn)生硝酸氮而提高出水總氮這一不足.

圖6 負(fù)荷提高階段氮素濃度變化Fig.6 Variations of nitrogen concentrations with time in the nitrogen loading enhancement stage

2.3.2 負(fù)荷提高期氮素去除情況 負(fù)荷提升階段氮素去除速率和去除效率的變化趨勢見圖 7.由圖7a可以得出,NH4+-N和NO2--N負(fù)荷率同步提升 7次,由 35mgN/(L?d)階梯式提高至380mgN/(L?d),每次提升氮濃度負(fù)荷,氮素去除速率都會出現(xiàn)波動,后又趨于穩(wěn)定,但 NH4+-N 和NO2--N去除速率整體仍然是提高的.而NH4+-N和NO2--N去除率變化不盡相同,NH4+-N去除率先由 88.03%增大至最大值 94.45%,然后急劇降低,但仍維持在76.90%以上;NO2--N去除率則是在每次提高NO2--N進(jìn)水負(fù)荷時(shí)先短時(shí)間急劇降低,后又迅速回升至 95%以上.當(dāng) NH4+-N 和NO2--N負(fù)荷率分別維持在最高值380mgN/(L?d)時(shí),NH4+-N和 NO2--N去除速率分別在 303.64～320.67mgN/(L?d)和 356.82 ～379.85mgN/(L?d)之間波動,NH4+-N和 NO2--N平均去除率分別為82.74%和 97.89%.圖 7b中,總氮負(fù)荷率由70mgN/(L?d)階梯式逐級提升至 760mgN/(L?d),總氮去除速率也隨之梯式變化,由 65.78mgN/(L?d)增大至696.95mgN/(L?d).反應(yīng)器達(dá)最大總氮負(fù)荷率 760mgN/(L?d)時(shí),總氮平均去除率為 90.31%, 平均總氮去除速率為686.39mgN/(L?d).

圖7 負(fù)荷提升階段氮素去除情況Fig.7 Variations of nitrogen removal rates with time in the nitrogen enhancement stage

表2 厭氧氨氧化固定床反應(yīng)器總氮去除性能匯總Table 2 The summary of total nitrogen removal performances of Anammox FBR reactors

圖8 負(fù)荷提升階段化學(xué)計(jì)量比變化趨勢Fig.8 Variations of stoichiometric ratio with time in the nitrogen enhancement period

表2對文獻(xiàn)報(bào)道的不同Anammox固定床反應(yīng)器總氮去除情況進(jìn)行了匯總.本研究采用超聲波強(qiáng)化的反應(yīng)器表現(xiàn)出更高的最大進(jìn)水總氮負(fù)荷和此最大負(fù)荷下平均總氮去除速率.超聲波的生物強(qiáng)化作用能夠進(jìn)一步增強(qiáng)Anammox菌活性,提高其高氮負(fù)荷作用下的基質(zhì)傳遞效率,進(jìn)而加快菌體代謝過程,宏觀上表現(xiàn)為反應(yīng)器獲得更高的除氮效能.低強(qiáng)低頻超聲波在一定程度上可縮短厭氧氨氧化啟動周期且能強(qiáng)化其脫氮性能,這一發(fā)現(xiàn)為強(qiáng)化Anammox工藝啟動和運(yùn)行性能提供了新思路,有利于推進(jìn)其工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程.

2.3.3 負(fù)荷提升階段化學(xué)計(jì)量比變化 圖 8給出了負(fù)荷提升階段化學(xué)計(jì)量比的變化趨勢.參加反應(yīng)的NO2--N和NH4+-N之比先輕微波動,然后逐漸平穩(wěn).當(dāng)進(jìn)水總氮濃度穩(wěn)定在最大濃度380mg/L時(shí),R1平均值為1.18.而產(chǎn)物NO3--N與反應(yīng)物 NH4+-N的比值則是隨著進(jìn)水濃度負(fù)荷的提升逐漸降低,最小值為 0.02.這與理論上的Anammox反應(yīng)化學(xué)計(jì)量比R1與R2(1.32和0.26)偏差較大.R2過低,說明出水中 NO3--N非常少,NO3--N作為Anammox反應(yīng)產(chǎn)物,其產(chǎn)量間接反映Anammox菌的生長代謝能力,而R1為1.18,說明反應(yīng)器中仍以Anammox反應(yīng)為主要脫氮途徑,Anammox菌占主導(dǎo).因此,出水 NO3--N含量少,是因?yàn)榉磻?yīng)器中存在反硝化菌.R2的變化與圖6的分析結(jié)果一致.

3 結(jié)論

3.1 通過批式實(shí)驗(yàn)得到超聲波強(qiáng)化厭氧氨氧化菌活性的最優(yōu)超聲作用參數(shù)為:超聲頻率25kHz,超聲作用時(shí)間 3min,超聲強(qiáng)度 0.2W/cm2.在此參數(shù)下,Anammox最大活性為 38.8mgN/(gVSS?d),較對照組提高了20.95%.

3.2 填有蜂窩狀聚丙烯填料的FBR在最優(yōu)超聲波工作參數(shù)條件下快速啟動Anammox工藝,超聲波作用頻次為每周1次.此反應(yīng)器運(yùn)行至第38d時(shí)首次表現(xiàn)Anammox活性,且經(jīng)53d運(yùn)行成功實(shí)現(xiàn)Anammox工藝啟動.啟動階段末, NH4+-N、NO2--N 和總氮的去除速率為 30.81mgN/(L?d)、34.97mgN/(L?d)和 60.34mgN/ (L?d),去除率分別達(dá)到了88.03%、99.91%和86.20%.典型化學(xué)計(jì)量比R1和R2分別為1.14和0.18.

3.3 在負(fù)荷提升階段,反應(yīng)器在運(yùn)行至第 127d,進(jìn)水NH4+-N和NO2--N負(fù)荷率分別達(dá)最大值380mgN/(L?d),在此高負(fù)荷條件下 NH4+-N 和NO2--N 最大去除速率為 320.67mgN/(L?d)和379.85mgN/(L?d),最大去除率為 84.39%和99.96%.化學(xué)計(jì)量比R1和R2分別穩(wěn)定在1.18和0.03左右.此時(shí),反應(yīng)器中Anammox菌占優(yōu),而存在的少量反硝化菌有助于強(qiáng)化總氮去除.

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