低基質(zhì)條件下厭氧氨氧化生物膜和顆粒污泥脫氮性能對比研究

王俊敏，王淑瑩，張樹軍，馬斌 ，念東，甘一萍，彭永臻,

(1. 北京工業(yè)大學 北京市水質(zhì)科學與水環(huán)境恢復(fù)工程重點實驗室，北京，100124；2. 北京城市排水集團有限責任公司，北京，100022;3. 哈爾濱工業(yè)大學 市政環(huán)境工程學院，黑龍江 哈爾濱，750090)

厭氧氨氧化是近年來發(fā)現(xiàn)的一種新型生物脫氮工藝[1]。厭氧氨氧化菌利用 NO2--N替代氧作為電子受體，將NH4+-N轉(zhuǎn)化為N2[2]。與傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比，厭氧氨氧化具有節(jié)省能源、碳源，減少剩余污泥產(chǎn)量及減少溫室氣體排放等優(yōu)點[2-4]。由于厭氧氨氧化菌生長緩慢(倍增時間為11 d)，細胞產(chǎn)率低[2]，這限制了厭氧氨氧化工藝在實際工程中的應(yīng)用。因此，盡量減少反應(yīng)器中厭氧氨氧化菌的流失成為關(guān)鍵性問題[5]。為了縮短厭氧氨氧化反應(yīng)啟動所需的時間并提高脫氮效率，應(yīng)該改善污泥在反應(yīng)器中的持留效果。Star等[6]在膜生物反應(yīng)器中實現(xiàn)了厭氧氨氧化細菌的快速生長，其倍增時間小于10 d，并得到厭氧氨氧化菌的純度為 97.6%。而顆粒污泥由于生物體間結(jié)構(gòu)緊湊可以增加污泥的沉降性，同時還能夠減少污泥流失，提高反應(yīng)器中的生物持留率[7-8]，因此，生物膜和顆粒污泥目前被認為是實現(xiàn)厭氧氨氧化反應(yīng)的較好形式[7,9]。本試驗采用2個結(jié)構(gòu)相同的柱狀反應(yīng)器：一個以海綿填料為載體，稱為生物膜反應(yīng)器；另一個以顆粒污泥的形式運行，稱為顆粒污泥反應(yīng)器。通過生物膜和顆粒化這2種形式考察厭氧氨氧化反應(yīng)在低基質(zhì)條件下的脫氮特性，并對兩者的脫氮性能進行比較。

1 材料與方法

1.1 試驗廢水

試驗用水采用北京某城市污水廠二沉池出水投加NaNO2和NH4Cl配制，進水主要指標如表1所示。

表1 厭氧氨氧化反應(yīng)器進水水質(zhì)(質(zhì)量濃度)Table 1 Characteristics of influent in anammox reactor mg/L

1.2 試驗裝置

試驗采用2個完全相同的柱狀反應(yīng)器，如圖1所示。反應(yīng)器由有機玻璃制成，高170 cm，內(nèi)徑8 cm，有效容積約 8 L，外裹黑色橡膠保溫材料，以避免光對厭氧氨氧化菌的負面影響[6]并對柱體進行保溫。通過對柱體進行水浴加熱將反應(yīng)器溫度控制在(30±1)℃。反應(yīng)器進水通過蠕動泵控制。1號反應(yīng)器中裝有海綿填料(長×寬×高為1.5 cm×1.5 cm×1.5 cm)，其填充比為80%；2號反應(yīng)器裝載的是厭氧氨氧化絮體污泥，在運行過程中實現(xiàn)顆粒化。

圖1 厭氧氨氧化反應(yīng)器裝置圖Fig.1 Schematic diagram of anammox reactor

1.3 試驗污泥

在開始本試驗前，2個反應(yīng)器均已成功啟動，其中生物膜反應(yīng)器以城市污水A/O半短程硝化反應(yīng)器出水為進水，在NH4+-N和NO2--N的進水質(zhì)量濃度分別為(14.70±4.27) mg/L和(11.60±4.11) mg/L時，容積氮去除速率平均為0.19 kg·N/(m3·d)；顆粒污泥反應(yīng)器以城市污水廠二沉池出水再投加 NaNO2和 NH4Cl為進水，在 NH4+-N和 NO2--N的進水質(zhì)量濃度分別為(105.57±11.18) mg/L和(117.56±18.73) mg/L時，容積氮去除速率平均為1.15 kg·N/(m3·d)。通過DNA提取和基因測序，得知生物膜反應(yīng)器內(nèi)和顆粒污泥反應(yīng)器內(nèi)的厭氧氨氧化菌都主要為 Candidatus Kuenenia stuttgartiensis。

1.4 試驗方法

生物膜反應(yīng)器與顆粒污泥反應(yīng)器采用相同的試驗用水。試驗期間，保持進水水質(zhì)穩(wěn)定，通過逐步增加進水流量來提高反應(yīng)器的氮負荷。在負荷提高過程中，以出水NH4+-N或NO2--N質(zhì)量濃度作為控制指標，當出水NH4+-N或NO2--N質(zhì)量濃度小于1 mg/L時，證明反應(yīng)器中基質(zhì)基本被消耗完，可提高進水流量。

1.5 測定參數(shù)與方法

采用納氏試劑分光光度法測定NH4+-N的質(zhì)量濃度；采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法測定NO2--N質(zhì)量濃度：采用麝香草酚分光光度法測定NO3--N質(zhì)量濃度；采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法[10]測定 TN質(zhì)量濃度：采用5B-3C型快速測定儀測定COD質(zhì)量濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物膜與顆粒污泥反應(yīng)器的厭氧氨氧化脫氮性能

圖2 生物膜與顆粒污泥反應(yīng)器中與N進出水質(zhì)量濃度變化Fig.2 Variation of concentrations in bio-film and granular reactor

圖3 生物膜與顆粒污泥反應(yīng)器中-N與去除率變化情況Fig.3 Variation ofmoval efficiency in bio-film and granular reactor

圖2和圖3所示為試驗期間生物膜反應(yīng)器與顆粒污泥反應(yīng)器中NH4+-N與NO2--N的進出水質(zhì)量濃度以及去除率變化圖。從圖 2和圖 3可以看出：在進水N質(zhì)量濃度分別為(17.03±2.16) mg/L和(19.17±2.33) mg/L時，生物膜反應(yīng)器對的去除率分別為(69.69±14.10)%和(71.88±8.98)%，對應(yīng)的出水質(zhì)量濃度分別為(5.23±2.61) mg/L和(5.34±1.78) mg/L。而顆粒污泥反應(yīng)器中的出水質(zhì)量濃度較低，分別為(1.43±1.31) mg/L和(1.00±1.43) mg/L，對應(yīng)的去除率也高達(92.09±6.78)%和(95.08±6.71)%。

在試驗過程中，保持進水基質(zhì)質(zhì)量濃度基本穩(wěn)定，通過增大進水流量來提高反應(yīng)器的容積負荷。圖4所示為運行期間生物膜與顆粒污泥反應(yīng)器中容積氮去除速率與水乎停留時間(HRT)的變化圖。從圖 4可以看出：隨著進水流量的增加，HRT逐漸縮短，反應(yīng)器的容積氮去除速率逐漸增大；生物膜反應(yīng)器中的HRT由2.34 h縮短到0.67 h，其中從第1 d到第26 d ，HRT是一個逐漸降低的過程；而從第27 d到第49 d，由于出水中N的質(zhì)量濃度一直較高，不再提高進水流量，HRT就穩(wěn)定在0.67 h左右；容積氮去除速率由起始的0.37 kg·N/(m3·d)增加到第40 d的0.94 kg·N/(m3·d)，在隨后的運行中稍有下降，這說明該生物膜反應(yīng)器的處理能力在此運行條件下已經(jīng)達到最大。而顆粒污泥反應(yīng)器中的HRT由起始的1.26 h逐步縮短到最后的0.21 h，在保持對N的平均去除率為90%以上的條件下，容積氮去除速率由0.57 kg·N/(m3·d)增加到最高的 3.55 kg·N/(m3·d)，并且從其變化趨勢看，該反應(yīng)器的容積氮去除速率還有較大的上升空間，這說明顆粒污泥反應(yīng)器內(nèi)厭氧氨氧化菌的數(shù)量較多，活性較高。

圖4 生物膜與顆粒污泥反應(yīng)器中容積氮去除速率與HRT的變化Fig.4 Variation of nitrogen removal rate and HRT in bio-film and granular reactor

2.2 生物膜與顆粒污泥反應(yīng)器脫氮性能差異分析

由上述實驗結(jié)果可以看出：在進水基質(zhì)質(zhì)量濃度相同的情況下，顆粒污泥反應(yīng)器的容積氮去除速率是生物膜反應(yīng)器的3.8倍，而HRT只有生物膜反應(yīng)器的1/3。由此可知：在這種運行條件下，顆粒污泥反應(yīng)器的脫氮性能優(yōu)于生物膜反應(yīng)器。其原因主要有以下幾個方面。

(1) 生物膜反應(yīng)器內(nèi)海綿填充比過大，填料擠壓在一起，導致傳質(zhì)作用減弱。本實驗中的海綿填充比為80%，用肉眼觀察發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)海綿填料擁堵在一起，沒有處于良好的分散狀態(tài)。呂鑑等[11]在海綿填充比為37%的上流式固定床反應(yīng)器中，利用人工配水為試驗用水，HRT 為 3.1 h，容積氮負荷為 3.5 kg·N/(m3·d)時，TN去除率可達到 75%，可見合適的海綿填充比對于反應(yīng)器的處理性能有較大的影響。海綿填料填充過多就不能在反應(yīng)器中處于良好的分散狀態(tài)，阻礙了生物膜與水的充分接觸，在某些區(qū)域可能還會形成短流或死角，不利于傳質(zhì)的進行；若海綿填料過少，則沒有足夠的載體提供給厭氧氨氧化菌附著，游離的厭氧氨氧化菌會被沖出反應(yīng)器，引起反應(yīng)器性能降低。

此外，該生物膜反應(yīng)器在運行過程中一直未進行反沖洗，導致填料上雜質(zhì)過多，傳質(zhì)阻力增大，并且反應(yīng)器中還會累積一些有害的抑制性物質(zhì)，使厭氧氨氧化菌的活性降低。

(2) 顆粒污泥反應(yīng)器中進水流量的增大與氮去除負荷的提高是一個相互促進的過程。對于顆粒污泥反應(yīng)器，在進水基質(zhì)質(zhì)量濃度穩(wěn)定的條件下，負荷提高的過程就是水力負荷增大的過程，當水力負荷提高到一定值時，可沖走大部分的絮狀污泥，使密度較大的污泥積累在反應(yīng)器底部，形成顆粒污泥。顆粒污泥沉降性能好，易于通過沉降而持留在反應(yīng)器內(nèi)，可增加反應(yīng)器內(nèi)生物量的質(zhì)量濃度[12]，減少厭氧氨氧化菌的流失。同時，水力負荷的提高還能使反應(yīng)器中的污泥處于流化狀態(tài)，有利于泥水的充分混合，增強了傳質(zhì)，從而進一步提高反應(yīng)器的容積氮去除負荷。

(3) 顆粒污泥具有更大的比表面積。在一般情況下，顆粒污泥的比表面積要高于填料的比表面積[9]。由于本實驗中采用的海綿填料的長×寬×高為 1.5 cm×1.5 cm×1.5 cm，屬于大填料；而培養(yǎng)出的厭氧氨氧化顆粒污泥的粒徑范圍為0.5～0.9 mm，屬于微顆粒。由此可以推算出：單位容積內(nèi)的顆粒污泥比海綿填料具有更大的表面積；比表面積越大，所提供的傳質(zhì)面積也就越大，傳質(zhì)作用越強。傳質(zhì)作用的增強有利于反應(yīng)器的容積轉(zhuǎn)換速率的提高，因此，顆粒污泥反應(yīng)器具有較高的容積轉(zhuǎn)換速率。

2.3 生物膜與顆粒污泥反應(yīng)器中的化學計量學特性分析

圖5所示為本次實驗生物膜與顆粒污泥反應(yīng)器中的化學計量關(guān)系，其中生物膜反應(yīng)器的顆粒污泥反應(yīng)器的，與理論值1.32相比都偏低。生物膜反應(yīng)器與顆粒污泥反應(yīng)器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不同，微生物的生長形式也不同，但反應(yīng)過程中消耗的 n(NO2--N)與 n(NH4+-N)的比值卻有相同的趨勢，即比理論值偏低，這可能與進水中由于進水中低于反應(yīng)所需的理論值1.32，即進水不足對過量。當進水中對過量時，反應(yīng)除的絕對量和相對量都增加[15]，導致反應(yīng)中n偏小。

圖5 生物膜與顆粒污泥反應(yīng)器中的化學計量學關(guān)系Fig.5 Stoichiometric ratio of Anammox in bio-film and granular reactor

3 結(jié)論

(1) 本實驗中，顆粒污泥反應(yīng)器的厭氧氨氧化脫氮性能優(yōu)于生物膜反應(yīng)器。在低基質(zhì)質(zhì)量濃N質(zhì)量濃度為(17.03±2.16) mg/L質(zhì)量濃度為(19.17±2.33)mg/L)條件下，保持對的平均去除率在90%以上；通過逐步增加進水流量，顆粒污泥厭氧氨氧化反應(yīng)器的容積氮去除速率可達3.55 kg·N/(m3·d)，是生物膜反應(yīng)器的 3.8 倍。

(2) 生物膜反應(yīng)器中的海綿填充比過大、顆粒污泥反應(yīng)器中泥水混合狀態(tài)較好以及顆粒污泥具有更大的比表面積是導致顆粒污泥反應(yīng)器厭氧氨氧化脫氮效果優(yōu)于生物膜反應(yīng)器的主要原因。

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