許祥祥， 周 鵬， 王國(guó)建

(沈陽(yáng)建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110168)

厭氧氨氧化(ANAMMOX)是指氨氧化細(xì)菌在缺氧的情況下，將氨態(tài)氮和硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾纳镞^(guò)程，具有高效、經(jīng)濟(jì)、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)，是一種重要的脫氮工藝[1]。

厭氧氨氧化細(xì)菌適宜的生長(zhǎng)溫度是32～37 ℃，屬于中溫細(xì)菌。因此，大多數(shù)研究者在UASB反應(yīng)器運(yùn)行期間將溫度保持在中溫，以實(shí)現(xiàn)裝置的快速啟動(dòng)。但實(shí)際工業(yè)污水一般為常溫(25 ℃)，在某些地區(qū)甚至更低。當(dāng)溫度不足20 ℃時(shí)，氮的去除率會(huì)隨著溫度的下降迅速降低。當(dāng)溫度不足15 ℃時(shí)，會(huì)發(fā)生亞硝酸鹽的積累，影響ANAMMOX反應(yīng)的穩(wěn)定性。

包埋固定化微生物法利用不溶于水的凝膠聚合物，將微生物細(xì)菌包裹在其網(wǎng)格的空隙中。凝膠網(wǎng)格可以防止緩慢生長(zhǎng)的厭氧氨氧化細(xì)菌泄漏，同時(shí)減小氨氮負(fù)荷和有毒污染。天然合成的包埋載體材料對(duì)微生物無(wú)毒，但機(jī)械強(qiáng)度和耐久性差;人工合成的載體材料聚合物具有高機(jī)械強(qiáng)度和耐久性，但大多對(duì)微生物有毒。聚乙烯醇材料是一種很好的合成聚合物，成本低廉且對(duì)微生物沒(méi)有毒性、化學(xué)穩(wěn)定性好、物理機(jī)械強(qiáng)度高，但其缺點(diǎn)是傳質(zhì)性能差。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)包埋厭氧氨氧化菌也展開(kāi)了大量研究。Furukawa等用聚乙二醇包埋厭氧氨氧化細(xì)菌完成厭氧氨氧化過(guò)程，總氮去除率提高，總氮去除負(fù)荷達(dá)到4.0 kg N/(m3·d)，進(jìn)水中高濃度的BOD和SS未對(duì)厭氧氨氧化活性產(chǎn)生抑制[2]。王瑩等采用PVA-SA復(fù)合材料包埋同步脫硫除氮菌 B16，處理天然橡膠加工廢水，14 d 后包埋菌株對(duì)實(shí)際廢水中氨氮、總氮和硫酸鹽的去除率分別為 44.05%，46.29%和 26.06%[2]。陳光輝等以包埋厭氧氨氧化菌顆粒作為流加菌啟動(dòng)厭氧氨氧化反應(yīng)器，在 49 d 內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)了厭氧氨氧化反應(yīng)器的加速啟動(dòng)，對(duì)氨氮和亞硝態(tài)氮的去除率分別為 80.7%和 83.1%，總氮去除負(fù)荷為 0.505 kg N/(m3·d)[3]。Hsia等采用聚乙烯醇-海藻酸鈉包埋厭氧氨氧化細(xì)菌厭氧脫氮，總氮去除率達(dá)到80%[4]。

目前，對(duì)于厭氧氨氧化菌抗低溫能力的試驗(yàn)較少，筆者采用聚乙烯醇-海藻酸鈉復(fù)合材料包埋厭氧氨氧化細(xì)菌，使用上流式厭氧污泥床(UASB)裝置作為反應(yīng)器，探究了低溫環(huán)境對(duì)ANAMMOX反應(yīng)進(jìn)程的影響。

1 裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

UASB 厭氧氨氧化反應(yīng)裝置及流程見(jiàn)圖 1。

圖1 UASB厭氧氨氧化反應(yīng)裝置Fig.1 Device of UASB anaerobic ammonium oxidation reaction

UASB反應(yīng)器裝置由有機(jī)玻璃制成，總有效體積為6.2 L，其中沉淀區(qū)有效體積為4.3 L，反應(yīng)區(qū)容積為1.9 L。反應(yīng)區(qū)內(nèi)徑為6.5 cm、外徑1.5 cm厚的套管用于實(shí)現(xiàn)水浴循環(huán)，控制反應(yīng)區(qū)的溫度。投加體積分?jǐn)?shù)為15%的包埋顆粒。反應(yīng)器包裹在黑色塑料中以防止光照，采用蠕動(dòng)泵調(diào)節(jié)流入的廢水?？刂七M(jìn)水pH值在6.7～7.2，通氮?dú)庖匀コ腥芙庋酰_保溶解氧濃度低于0.5 mg/L。

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1 接種污泥

1.2.2 試驗(yàn)載體

為了改善凝膠載體的性能，添加海藻酸鈉(SA)以增加載體的比表面積，提高載體的傳質(zhì)效率和載體材料包埋菌對(duì)污染物的處理能力。SA會(huì)與CaCl2反應(yīng)生成海藻酸鈣不溶物，促使PVA分子中形成氫鍵，產(chǎn)生互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此外，隨著反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，海藻酸鈣會(huì)在凝膠網(wǎng)絡(luò)中擴(kuò)散，使載體結(jié)構(gòu)更加完善，以促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)，加大載體內(nèi)底物和產(chǎn)物的傳遞。因此，試驗(yàn)中使用聚乙烯醇-海藻酸鈉混合載體。

混合載體由8%聚乙烯醇(PVA)、0.15%海藻酸鈉、2%Fe粉、0.3%碳酸鈣、4%二氧化硅粉末和0.5%活性炭組成。交聯(lián)劑由10%氯化鈣、4%硼酸組成。

1.2.3 試驗(yàn)進(jìn)水

采用人工配水，通過(guò)提高進(jìn)水中和NaNO2的濃度或縮短水力停留時(shí)間(HRT)來(lái)提高進(jìn)水氮負(fù)荷。進(jìn)水NH4Cl和NaNO2濃度控制在40～75 mg/L，采用2 mol/L HCl或者2 mol/L NaOH調(diào)節(jié)進(jìn)水pH值為7.2。

其他物質(zhì)及質(zhì)量濃度分別為：NaHCO3，1 g/L；KH2PO4，27.2 mg/L；MgSO4·7H2O，200 mg/L；CaCl2，300 mg/L。微量元素I及其質(zhì)量濃度：EDTA，5 g/L；FeSO4·7H2O，5 g/L；微量元素II及其質(zhì)量濃度：EDTA，5 g/L；ZnSO4·7H2O，430 mg/L；NiCl2·6H2O，190 mg/L,COCl2，240 mg/L；MnCl2·4H2O，990 mg/L；CuSO4·5H2O，250 mg/L；Na2SeO4·2H2O，210 mg/L；Na2MoO4·2H2O，220 mg/L；H3BO4，14 mg/L。微量元素Ⅰ和Ⅱ各1 mL/L。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)方案

① 包埋固定化厭氧氨氧化菌的前期馴化

將包埋細(xì)菌以15%的投配率加入到UASB反應(yīng)器中，連續(xù)性試驗(yàn)的進(jìn)水采用氨氮質(zhì)量濃度為50 mg/L的人工模擬廢水，控制反應(yīng)器溫度在30 ℃，水力停留時(shí)間為10 h，連續(xù)運(yùn)行20 d。逐漸縮短HRT，對(duì)包埋顆粒進(jìn)行馴化直至氨氮去除率在80%以上。

② 階段降溫進(jìn)程

采用提前馴化好的ANAMMOX和馴化期最佳水力停留時(shí)間(HRT)，通過(guò)加熱棒和制冷器控制UASB反應(yīng)器的溫度。根據(jù)整個(gè)試驗(yàn)中溫度的變化規(guī)律，反應(yīng)分為5個(gè)階段進(jìn)行：階段Ⅰ(第1～9 d)，30 ℃；階段Ⅱ(第10～19 d)，25 ℃；階段Ⅲ(第20～34 d)，20 ℃；階段IV(第35～46 d)，15 ℃；階段V(第47～60 d)，14 ℃。

1.3.2 化學(xué)分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 馴化期間反應(yīng)器的脫氮效能

圖2 HRT對(duì)包埋菌去除氨氮效果的影響Fig.2 Effect of HRT on the removal of ammonia nitrogen by embedded bacteria

圖3 HRT對(duì)包埋菌去除亞硝態(tài)氮效果的影響Fig.3 Effect of HRT on the removal of nitrite nitrogen by embedded bacteria

2.2 階梯降溫條件下反應(yīng)器的脫氮效能

圖去除率隨階梯降溫的變化Fig.4 Variation of removal rate of with stepped temperature drop

圖去除率隨階梯降溫的變化Fig.5 Variation of removal rate of with stepped temperature drop

2.3 14 ℃下反應(yīng)器的脫氮效能

調(diào)整14 ℃運(yùn)行時(shí)的HRT分別為7，8，9，10和11 h，當(dāng)HRT為11 h時(shí)，脫氮效果有了大幅度提高，氨氮和亞硝態(tài)氮去除率分別為85%和79%，如圖6、圖7所示。

圖6 14 ℃下HRT對(duì)包埋菌去除氨氮效果的影響Fig.6 Effect of HRT on the removal of ammonia nitrogen by embedded bacteria at 14 ℃

圖7 14 ℃下HRT對(duì)包埋菌去除亞硝態(tài)氮效果的影響Fig.7 Effect of HRT on the removal of ammonia nitrogen by embedded bacteria at 14 ℃

3 結(jié)論