比對煤氣化廢水厭氧段處理效能影響

楊世東，廖路花

(1.東北電力大學建筑工程學院，吉林 132012；2.廣西建設職業技術學院，南寧 530007)

?

楊世東1，廖路花2

(1.東北電力大學建筑工程學院，吉林 132012；2.廣西建設職業技術學院，南寧 530007)

進水稀釋配比R為75%的條件下，研究了厭氧氨氧化與反硝化的耦合作用。進水氨氮為(140±5) mg/L，COD為(900±5) mg/L，通過改變厭氧反應器中亞硝酸鹽氮與氨氮的質量濃度比(化學計量比)，以考察不同亞硝態氮濃度對厭氧段總氮與有機物的去除效果。實驗結果表明，在化學計量比為1.6的條件下，TN去除率高達73.58%，COD去除率為81.61%。結果表明，合適的化學計量比，可以強化厭氧氨氧化與反硝化的協同作用，提高系統的脫氮除碳效能。

煤氣化廢水； 厭氧氨氧化； 反硝化； 化學計量比； 脫氮除碳

1 引 言

煤氣化廢水是∶一種典型的高氨高酚難降解的有機廢水[1-3]。厭氧技術在處理難降解廢水時具有明顯的優勢，如處理能力強(有機負荷高)、提高廢水的可生化性、剩余污泥少、節能、運行成本低、處理效果好等[4-6]。傳統的厭氧技術也存在缺點，最顯著的不足為出水氨氮含量高。新型的生物脫氮技術-厭氧氨氧化工藝(ANAMMOX)的出現正好解決了這一問題。該工藝是在厭氧或缺氧的條件下，以亞硝酸鹽為電子受體，由自養菌直接將氨氮轉化為氮氣，同時生成少量硝酸鹽的生物過程[7-9]。由于厭氧氨氧化菌為自養菌，在高濃度有機碳源條件下，厭氧氨氧化菌活性會受到抑制，嚴重影響脫氮效果[10]。所以可以考慮在厭氧除碳的同時，實現反硝化與厭氧氨氧化的耦合。

鑒于此，本試驗在最佳進水配比75%的條件下[17]，通過改變亞硝態氮與氨氮的化學計量比來改變厭氧反應器中亞硝態氮的含量，以考察不同亞硝態氮與氨氮化學計量比對厭氧段總氮與有機物的去除效果，分析厭氧氨氧化和異養反硝化各自對氮的去除貢獻，同時考察化學計量比的改變對有機物去除影響。最終確定高酚高濃度COD條件下厭氧段進水的亞硝態氮與氨氮的最佳化學計量比。

2 試 驗

2.1 試驗裝置

厭氧反應器有效容積為2.5 L，高40 cm，直徑10 cm。采用蠕動泵控制流量。反應器避光置于恒溫水浴箱內，溫度維持在35 ℃左右，HRT為30 h，進水pH值用NaOH和HCl調節控制在7.0左右。

2.2 接種污泥

本試驗從吉林市污水廠引入剩余污泥，作為種泥進行培養馴化，在培養馴化的開始，主要以生活污水為主，同時加入少量的模擬煤氣化廢水，在培養馴化過程中逐步加大廢水比重減少生活污水的比例，使活性污泥在增長的過程中，能逐漸適應這種廢水并具有處理它的能力即使微生物逐漸適應新的生活環境下得到馴化。成功接種后的污泥濃度達5000 mg/L左右。

2.3 模擬廢水組成

試驗采用人工配水，厭氧反應器進水組成：葡萄糖230～250 mg/L，揮發酚150～250 mg/L，氨氮140～145 mg/L，硫氰酸鹽20～50 mg/L，硫化物20～50 mg/L，吡啶類化合物20～40 mg/L，呋喃類化合物20～40 mg/L，吲哚類化合物20～30 mg/L，苯類化合物100～150 mg/L；KH2PO427 mg/L，CaCl2·2H2O 180 mg/L，MgSO4·7H2O 300 mg/L，NaHCO30.5 g/L，微量元素濃縮液Ⅰ和微量元素濃縮液Ⅱ各1 ml/L[18]。

2.4 分析項目與方法

2.5 試驗方法

其中進水稀釋配比R為含亞硝態氮、硝態氮的人工配水和進入厭氧段的進水流量比。人工配水中的亞硝酸鹽和硝酸鹽分別由亞硝酸鈉和硝酸鈉提供，然后采用用自來水溶解稀釋而成，通過蠕動泵泵入厭氧反應器底部。

3 結果與討論

3.1 不同化學計量比對氮去除效果

從圖1可看出，在0.8～1.6之間的化學計量比下，出水氨氮基本較穩定，維持在32 mg/L左右，而在兩端時，出水氨氮較高，含量大約為40 mg/L。亞硝態氮與總氮出水規律相似，進水氮負荷較小時，即化學計量比為0.5和0.8時，出水亞硝態氮含量可維持在10 mg/L以下，出水總氮含量為(48±5.0) mg/L。隨著進水氮負荷的增加，亞硝態氮與總氮出水濃度基本上呈上升趨勢，但在化學計量比為1.6時，亞硝態氮和總氮去除量是最大的。出水硝態氮含量呈無規律變化。

圖1 進出水含量變化曲線Fig.in influent and effluent

圖2 化學計量比對去除影響Fig.2 Stoichiometric ratio on -N removal

圖3 化學計量比對去除影響Fig.3 Stoichiometric ratio on -N removal

圖4 化學計量比對去除影響Fig.4 Stoichiometric ratio on -N removal

圖5 化學計量比對TN去除影響Fig.5 Stoichiometric ratio on TN removal

圖6 化學計量比對厭氧氨氧化與異養 反硝化對氮去除影響Fig.6 Effect of stoichiometric ratio on nitrogen removal by anaerobic ammonium oxidation and heterotrophic denitrification

3.2 不同化學計量比對氮去除效果分析

從圖6可看出，隨著化學計量比的增加，總氮去除量基本上是呈上升趨勢的。與計量比為1.6時相比，計量比為2.0時，總氮去除量相對減少了23 mg/L。但是較其他計量比下的總氮去除量，計量比為2.0時的總氮去除量還是最高的。

通過分析理論所需亞硝態氮量與實際去除的亞硝態氮可知，化學計量比<1.32情況下，進水亞硝態氮濃度表現為不足，不足部分的補償通過硝態氮部分反硝化實現。由此得知，硝態氮的引入可彌補進水亞硝態氮不足帶來的負面影響?；瘜W計量比≥1.32情況下，進水亞硝態氮濃度能夠滿足厭氧氨氧化與異養反硝化的基質競爭需求。且在化學計量比為1.6時，總氮的去除量達到最大值，此時厭氧氨氧化對總氮的去除貢獻與異氧反硝化的相當，兩者去除貢獻在50%左右。實現較好的競爭與協同效果。同時，該計量比與進水配比為75%條件下的氨氮/亞硝態氮的去除量比值1.51接近，進一步證實了進水配比選定為75%的合理性。

表1 厭氧氨氧化與反硝化對氮去除計算結果Tab.1 Calculation results of anaerobic ammonium oxidation and denitrification on nitrogen removal /mg·L-1

3.3 不同化學計量比對有機物去除效果

圖7、8中53～59 d、61～66 d、43～51 d、23～29 d、67～72 d、74～79 d的化學計量比分別為0.5、0.8、1.0、1.32、1.6、2.0，進出水濃度取其測定數據平均值。進出水揮發酚、總酚、COD含量及變化趨勢見圖7、8。

從圖7、8可看出，在相同的化學計量比下揮發酚、總酚、COD去除特性大致相同。相對其他計量比下的出水情況，計量比為0.5時，出水揮發酚、總酚及COD濃度波動幅度較大，且在化學計量比1.6時，揮發酚、總酚、COD出水濃度最小，分別為19.89 mg/L、36.71 mg/L、165.89 mg/L。

圖7 進出水酚變化曲線Fig.7 Content change curve of influent and effluent phenol

圖8 不同化學計量比下酚及COD去除特性Fig.8 Phenol & COD removal characteristics under different stoichiometric ratio

3.4 不同化學計量比對厭氧段有機物去除效果分析

從圖9、10、11看出，揮發酚、總酚、COD的去除規律基本一致?；瘜W計量比從0.5增加到0.8和從1.6增加到2.0兩個區間，去除率都是呈現下降趨勢?；瘜W計量比在0.8～1.32條件下，有機物去除增長較平穩，去除率僅從79.3%增加到81.61%。當計量比增加到1.6時，去除率增長相對較大，此時總酚去除率最大，達83.4%。

表2 反硝化COD去除結果Tab.2 Denitrification COD removal results /mg·L-1

圖9 化學計量比對揮發酚去除影響Fig.9 Stoichiometric ratio on volatiel phenol removal

圖10 化學計量比對總酚去除影響Fig.10 Stoichiometric ratio on total phenol removal

圖11 化學計量比對COD去除影響Fig.11 Stoichiometric ratio on COD removal

從表2可看出，異養反硝化去除的COD基本上是隨化學計量比的增加而增加的，從0.8增加到1.0時，出現反?，F象，經反硝化去除的COD量減少了7.97 mg/L。在1.6的化學計量比下，反硝化去除的COD量最大。從實驗測得，在化學計量比0.5、0.8、1.0、1.32、1.6、2.0下COD的總去除量分別為769.08 mg/L、714.76 mg/L、719.22 mg/L、721.29 mg/L、734.7 mg/L、696.43 mg/L。從對于化學計量比下COD去除量分析知，在化學計量比為0.5時，由于進水的亞硝態氮濃度僅為40 mg/L，所以對甲烷菌的影響很小，所以COD的去除量是最大的。隨著化學計量比的增加，甲烷菌受到的影響程度基本上是逐漸增加的，其COD去除量分別為732.23 mg/L、631.8 mg/L、644.33 mg/L、609.63 mg/L、573.4 mg/L、567.3 mg/L。故在各化學計量比下異養反硝化對COD去除量貢獻率分別為4.8%、11.61%、10.41%、15.48%、21.96%、18.54%。結果表明，在化學計量比為1.6時，異養反硝化對COD的去除貢獻最大。且化學計量比為1.6時，C/N比為4.18，這與75%進水配比下的C/N 4.21很接近，故也有較好的脫氮除碳效果，且效能較其也高一些。

4 結 論

(1)化學計量比小于1.32情況下，進水亞硝態氮濃度表現為不足，不足部分的補償通過硝態氮部分反硝化實現，表明硝態氮的引入可強化厭氧氨氧化作用，實現厭氧氨氧化與異養反硝化較好的耦合效果；當化學計量比大于等于1.32時，進水亞硝態氮濃度能夠滿足厭氧氨氧化與異養反硝化的基質競爭需求;

(2)隨著化學計量比的增加，異養厭氧菌受影響程度逐漸增加，但在合適的計量比1.6下，反硝化和異養厭氧菌亦能實現較好的耦合作用，TN、COD去除率分別為73.58%、80.1%。且異養厭氧菌在與反硝化耦合中占主導，對COD去除貢獻率為78.04%;

[1] Wang W, Han H J. Recovery strategies for tackling the impact of phenolic compounds in a UASB reactor treating coal gasification wastewater[J].BioresourceTechnology, 2012, 103: 95-100.

[2] Wang Z X, Xu X C, Gong Z, et al. Removal of COD, phenols and ammonium from Lurgi coal gasification wastewater using A2O-MBR system[J].JournalofHazardousMaterials, 2012, 235: 78-84.

[3] Guo X L, Wang J, Wang Y, et al. Research of phenols adsorption from simulated coal gasification wastewater by resin[J].ProcediaEnvironmentalSciences, 2012, 12: 152-158.

[4] 肖本益, 曲久輝, 林信侃. 常溫厭氧生物處理技術[J].給水排水, 2007, 33: 174-177.

[5] 呂建國. 廢水厭氧生物處理技術的發展與最新現狀[J].環境科學與管理, 2012, 37(12): 87-92.

[6] 趙立軍, 滕登用, 劉金玲, 等. 廢水厭氧生物處理技術綜述與研究進展[J].環境污染治理技術與設備, 2001, 2(5): 59-65.

[7] Xu X C, Xue Y, Wang D, et al. The development of a reverse anammox sequencing partial nitrification process for simultaneous nitrogen and COD removal from wastewater[J].BioresourceTechnology, 2014, 155: 427-431.

[8] Wu X, Liu S T, Dong G L, et al. The starvation tolerance of anammox bacteria culture at 35 ℃[J].JournalofBioscienceandBioengineering, 2015, 120(4):450-455.

[9] Catarina T, Catarina M, Samantha B J, et al. The contribution of anaerobic ammonium oxidation to nitrogen loss in two temperate eutrophic estuaries[J].Estuarine,CoastalandShelfScience, 2014, (143): 41-47.

[10] 操沈彬, 王淑瑩, 吳程程, 等. 有機物對厭氧氨氧化系統的沖擊影響[J].中國環境科學, 2013, 33(12): 2164-2169.

[11] 劉常敬, 李澤兵, 鄭照明, 等. 不同有機物對厭氧氨氧化耦合反硝化的影響[J].中國環境科學, 2015, 35(1): 87-94.

[12] 王春香, 劉常敬, 鄭林雪, 等. 厭氧氨氧化耦合脫氮系統中反硝化細菌研究[J].中國環境科學, 2014, 34(7): 1878-1883.

[13] 周少奇. 厭氧氨氧化與反硝化協同作用化學計量學分析[J].華南理工大學學報(自然科學版), 2006, 34(5): 1-4.

[14] 黃孝肖, 陳重軍, 張 蕊, 等. 厭氧氨氧化與反硝化耦合反應研究進展[J].應用生態學報, 2012, 23(3): 849-856.

[15] 呂永濤, 陳 禎, 吳亞紅, 等. 有機物濃度對厭氧氨氧化脫氮性能影響試驗研究[J].環境工程學報, 2009, 3(7): 1189-1192.

[16] 傅金祥, 童 穎, 于鵬飛, 等. 有機物對厭氧氨氧化的雙向影響及抑制解[J].工業水處理, 2014, 34(7): 19-23.

[17] 楊世東, 廖路花. 進水配比對煤氣化廢水厭氧段處理效能影響[J].硅酸鹽通報，2016, 35(2): 379-385.

[18] Jin R C, Ma C, Yu J J. Performance of an anammox UASB reactor at high load and low ambient temperature[J].ChemicalEngineeringJournal, 2013, (232): 17-25.

YANGShi-dong1，LIAOLu-hua2

(1.School of Civil Engineering and ArchitectureNortheast Dianli University,Jilin 132012,China;2.Guangxi Polytechnic of Construction,Nanning 530007,China)

coal gasification wastewater;anaerobic ammonium oxidation;denitrification;stoichiometric ratio;removal of carbon and nitrogen

吉林省科技廳自然科學基金項目(2015010190JC)；吉林省科技發展計劃項目(20130206006SF)

楊世東(1978-)，男，博士，碩導.主要從事污水生物處理.

廖路花，講師.

X703

A

1001-1625(2016)08-2647-07