張彥江，姚俊芹

(新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830046)

水體氮污染引起的富營(yíng)養(yǎng)化已經(jīng)引起人們廣泛關(guān)注，污水排入水體前進(jìn)行由微生物完成的脫氮處理，是目前城鎮(zhèn)污水處理廠的基本要求。硝化-反硝化是目前運(yùn)用最廣泛的傳統(tǒng)生物脫氨途徑，實(shí)際運(yùn)行中具有流程長(zhǎng)、工藝操作運(yùn)行復(fù)雜的缺點(diǎn)[1]。人們開始探討高效經(jīng)濟(jì)的生物脫氮新技術(shù)。1995年，荷蘭Delft大學(xué)一個(gè)生物脫氮流化床反應(yīng)器中發(fā)現(xiàn)在厭氧條件下，氨氮和亞硝酸鹽氮的同時(shí)消失，并同時(shí)有氮?dú)夂蜕倭肯跛猁}氮的生成，這種現(xiàn)象被稱作厭氧氨氧化[2]。隨后，研究表明厭氧氨氧化是一種生化反應(yīng)[3]，且厭氧氨氧化菌廣泛存在于自然界中[4-5]。厭氧氨氧化現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，打破了對(duì)自然界氮循環(huán)的認(rèn)識(shí)，開辟了一條全新的生物脫氮途徑，成為近年來(lái)污水處理生物脫氮新工藝研究的熱點(diǎn)[6-7]。研究表明，溫度是影響厭氧氨氧化反應(yīng)的主要因素之一[4,8]，(32±1) ℃被證明是厭氧氨氧化反應(yīng)的最佳反應(yīng)器溫度[9]。如果能實(shí)現(xiàn)不加熱污水，常溫下厭氧氨氧化生物脫氮，將大大減少污水加熱的成本。該試驗(yàn)考察接種普通污水廠活性污泥，常溫下(22～29 ℃)能否實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化生物脫氮，以期為厭氧氨氧化工藝的早日工程應(yīng)用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置采用如圖1所示UASB反應(yīng)器，反應(yīng)器由有機(jī)玻璃加工制成，總?cè)莘e為3.20 L，其中反應(yīng)區(qū)2.28 L，沉淀區(qū)0.92 L。進(jìn)水由UASB反應(yīng)器底部泵入，出水從反應(yīng)器上部出水口流出。以防光對(duì)厭氧氨氧化菌的損害，反應(yīng)器用黑紙包裹。

注：1.進(jìn)水隔膜泵；2.配水桶；3.溫度計(jì)；4.排氣；5.出水；6.取樣口Note:1.Inlet diaphragm pump; 2. With bucket; 3. Thermometer; 4. Exhaust; 5. Outlet; 6. Sample port圖1 試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Diagram of experimental reactor

1.2接種污泥與試驗(yàn)用水接種污泥取自于烏魯木齊市某污水處理廠氧化溝，接種量為2.30 L。試驗(yàn)用水為自來(lái)水配制，氨氮和亞硝酸鹽氮分別由NH4Cl和NaNO2提供，由于自來(lái)水中存在少量的硝酸鹽氮，因此試驗(yàn)用水中存在少量的硝酸鹽氮。

主要元素為NaHCO3(500 mg/L)、MgSO4(300 mg/L)、CaCl2(126 mg/L)、KH2PO4(30 mg/L)。同時(shí)投加微生物生長(zhǎng)必需的微量元素溶液，以滿足微生物正常生長(zhǎng)所需微量元素Ⅰ：FeSO4(5 000 mg/L)；微量元素Ⅱ：ZnSO4·7H2O(430 mg/L)、CoCl2·6H2O(240 mg/L)、MnCl2·H2O(990 mg/L)、CuSO4·H2O (250 mg/L)、NiCl2·6H2O(190 mg/L)，H3BO4(14 mg/L)[10]。

1.3監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及方法NH4+-N，納氏試劑光度法；NO2--N，N-(1-萘基)-乙二胺光度法；NO3--N，紫外分光光度法；溫度，水銀溫度計(jì)。

1.4試驗(yàn)方法試驗(yàn)期間(2016年1—10月)進(jìn)水氨氮和亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度分別為50和70 mg/L(濃度比為1.0∶1.4)，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)水量調(diào)整反應(yīng)器的容積負(fù)荷。研究表明，普通污水處理廠活性污泥中具有厭氧氨氧化菌活性的菌數(shù)量較少，反應(yīng)器所能承受的負(fù)荷較低[10]。因此，第1～17天流量為4.0 L/d，氨氮容積負(fù)荷為0.063 kg/(m3·d)，目的是為加快反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)物的消耗，減少有機(jī)物對(duì)厭氧氨氧化的影響。當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)表現(xiàn)出厭氧氨氧化活性后，第18～43天流量，降為3.4 L/d，氨氮容積負(fù)荷下調(diào)為0.053 kg/(m3·d)，目的是提高厭氧氨氧生物脫氮去除率。當(dāng)去除率達(dá)到70%以上，但是一直徘徊不前，第44～85天再進(jìn)一步降低流量,降為2.6 L/d，氨氮容積負(fù)荷為0.041 kg/(m3·d)，以提高反應(yīng)器的脫氮效果。暑假期間，反應(yīng)器停止運(yùn)行3個(gè)月。10月開始進(jìn)行二次啟動(dòng)的試驗(yàn)，第1～36天流量為2.6 L/d。

2 結(jié)果與分析

2.1氨氮的去除水體中氨氮的生物去除，好氧條件下，經(jīng)亞硝化菌和硝化菌的作用，通過(guò)硝化作用轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮；另一種就是在厭氧條件下，在厭氧氨氧化菌的作用下，與亞硝酸鹽氮經(jīng)厭氧氨氧化生化反應(yīng)去除。圖2顯示，接種污泥從第7天開始有氨氮的去除，隨后去除率逐漸提高，到第75天以后去除率均在90.0%以上。第75～85天，氨氮的平均去除率為93.5%。

圖2 進(jìn)、出水氨氮濃度和去除率變化Fig.2 Variation of concentration and removal rate of NH4+-N in influent and effluent

2.2亞硝酸氮的去除水體中亞硝酸鹽氮在厭氧條件下的生物去除通常有2種途徑：一是有機(jī)物存在時(shí)，在反硝化菌作用下，經(jīng)反硝化作用生成氮?dú)舛コ?；另一種就是厭氧氨氧化途徑。研究表明，厭氧氨氧化菌是一種自養(yǎng)菌，較高有機(jī)物濃度會(huì)抑制厭氧氨氧化菌的活性[11]。圖3顯示，反應(yīng)器對(duì)亞硝酸氮的去除規(guī)律相對(duì)復(fù)雜。接種污泥來(lái)自城市污水處理廠，污泥中含有大量的有機(jī)物和微生物。試驗(yàn)初期第1～12天，在污泥中反硝化菌作用下，進(jìn)水亞硝酸鹽氮經(jīng)反硝化作用被去除，表現(xiàn)為對(duì)亞硝酸鹽氮的去除率逐漸提高，達(dá)96.9%。隨著有機(jī)物的消耗，厭氧氨氧化菌開始表現(xiàn)出活性，結(jié)合圖2中第13～20天氨氮的去除分析，有氨氮的去除，表明厭氧氨氧化作用去除了部分亞硝酸鹽氮，且亞硝酸鹽氮去除率很高，說(shuō)明亞硝酸鹽氮是通過(guò)反硝化和厭氧氨氧化2種途徑去除，但仍然是反硝化途徑去除為主。隨著有機(jī)物的消耗，反硝化途徑減弱，第21～44天厭氧氨氧化途徑還沒有成為主要途徑，因此表現(xiàn)出亞硝酸鹽氮的去除率反而下降。在第44天以后，當(dāng)有機(jī)物完全消耗殆盡后，亞硝酸鹽氮的去除率又開始穩(wěn)步提高，表明反應(yīng)器內(nèi)厭氧氨氧化反應(yīng)成為反應(yīng)器內(nèi)的主導(dǎo)反應(yīng)。第75～85天亞硝酸鹽氮平均去除率為86.1%。

圖3 進(jìn)、出水亞硝酸鹽氮濃度和去除率變化Fig.3 Variation of concentration and removal rate of NO2--N in influent and effluent

2.3硝酸鹽氮的生成厭氧氨氧化是生化反應(yīng)，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)，得出厭氧氨氧化的生化反應(yīng)式為[4]：

NH4++1.32NO2-+0.066HCO3-+ 0.13H+→1.02N2+0.26NO3-+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O

(1)

式(1)顯示，厭氧氨氧化生物脫氮的特點(diǎn)是氨氮和亞硝酸鹽氮的去除，同時(shí)會(huì)有少量的硝酸鹽氮生成。由圖4可知，反應(yīng)器在第9天開始有硝酸鹽的生成，表明第9天反應(yīng)器內(nèi)就開始出現(xiàn)厭氧氨氧化現(xiàn)象。

圖4 進(jìn)、出水硝酸鹽氮濃度變化Fig.4 Variation of NO3--N concentration in influent and effluent

2.4厭氧氨氧化反應(yīng)的三氮比由式(1)可以看出，去除的氨氮、去除的亞硝酸鹽氮和生成的硝酸鹽氮的比(簡(jiǎn)稱三氮比)為1.00∶1.32∶0.26。厭氧氨氧化菌在20～43 ℃均具有活性[4]，在31 ℃左右活性最高[9]。

從圖5可以看出，第1次啟動(dòng)溫度為22～29 ℃，平均為25 ℃，前47 d三氮比值波動(dòng)較大，之后出水氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮含量穩(wěn)定，反應(yīng)器三氮比趨于穩(wěn)定，表明反應(yīng)器中厭氧氨氧化是反應(yīng)內(nèi)的主要生物脫氮途徑，反應(yīng)器在22～29 ℃順利啟動(dòng)。

圖5 第1次啟動(dòng)溫度和三氮比的變化Fig.5 Variation of temperature and the ratio of removed NH4+-N,removed NO2--N and produced NO3--N at the first time

圖6 第2次啟動(dòng)溫度和三氮比的變化Fig.6 Variation of temperature and the ratio of removed NH4+-N,removed NO2--N and produced NO3--N at the second time

2.5厭氧氨氧化反應(yīng)器的二次啟動(dòng)及運(yùn)行第2次啟動(dòng)厭氧氨氧化反應(yīng)器，溫度為17～25 ℃，平均溫度為22 ℃，圖6顯示厭氧氨氧化菌活性低，造成反應(yīng)器氨氮和亞硝酸鹽氮去除率低，溫度逐漸上升后其活性也隨之逐漸增強(qiáng)，反應(yīng)器僅用16 d就恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，氨氮和亞硝酸鹽氮平均去除率分別為96.6%和90.1%，第16～36天三氮比平均為1.00∶1.32∶0.21，成功恢復(fù)了厭氧氨氧化菌活性，表明厭氧氨氧化菌可以在17～25 ℃表現(xiàn)出活性。

3 結(jié)論

(1)接種普通活性污泥經(jīng)過(guò)75 d運(yùn)行，在常溫22～29 ℃下可以成功啟動(dòng)UASB厭氧氨氧化反應(yīng)器，氨氮和亞硝酸鹽氮的平均去除率分別達(dá)93.5%和86.1%。

(2)在17～25 ℃下二次啟動(dòng)反應(yīng)器，運(yùn)行16 d可快速恢復(fù)厭氧氨氧化菌活性，氨氮和亞硝酸鹽氮的平均去除率分別達(dá)96.6%和90.1%。

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