升流式厭氧氨氧化流化床反應(yīng)器脫氮效能研究

水處理網(wǎng)訊:相比于傳統(tǒng)的硝化反硝化技術(shù)，厭氧氨氧化技術(shù)在處理低碳氮比、高氨氮廢水時，具有無需外加碳源、節(jié)能等優(yōu)勢，日益受到關(guān)注。目前，厭氧氨氧化技術(shù)主要用于污泥消化液和含高氨氮工業(yè)廢水的處理，且技術(shù)發(fā)展已較為成熟，在美國、德國、瑞士等有成功的應(yīng)用案例。

根據(jù)厭氧氨氧化污泥形態(tài)的不同，可分為以絮體為主、以生物膜為主和以顆粒為主3種工藝形式；其中，以生物膜為主的厭氧氨氧化工藝因穩(wěn)定、高效的脫氮性能而備受關(guān)注，其核心技術(shù)是借助填料富集、長期持有厭氧氨氧化細菌，有效提升反應(yīng)器內(nèi)厭氧氨氧化菌的豐度和反應(yīng)器的脫氮效能。

基于移動床生物膜反應(yīng)器（MBBR）開發(fā)的厭氧氨氧化技術(shù)已有成功的應(yīng)用案例。厭氧氨氧化MBBR工藝的總氮去除負荷高達8 kg/（m³·d），脫氮優(yōu)勢顯著。

填料是厭氧氨氧化菌生長的載體，厭氧氨氧化反應(yīng)器的脫氮效能也與填料的種類緊密相關(guān)。高大文等以組合填料、聚氨酯泡綿、立體彈性纖維為載體，啟動上流式固定床厭氧氨氧化反應(yīng)器，結(jié)果顯示組合填料具有較高的比表面積和較好的親水性能，微生物易于附著生長且不易脫落，總氮去除負荷可達1.32 kg/（m³·d），抗負荷沖擊能力顯著優(yōu)于以聚氨酯泡綿和立體彈性填料啟動的反應(yīng)器。

此外，亞硝酸鹽和游離氨對厭氧氨氧化菌活性有一定抑制，高濃度進水基質(zhì)引發(fā)的高負荷沖擊也是影響厭氧氨氧化反應(yīng)器運行穩(wěn)定性和脫氮效能的重要因素，如何規(guī)避基質(zhì)對厭氧氨氧化菌的抑制已成為研究重點。

本研究以懸浮生物填料為載體，啟動、構(gòu)建了升流式厭氧氨氧化流化床反應(yīng)器（UAFB-anammox），以人工配水為研究對象，研究進水基質(zhì)濃度和回流對UAFB-anammox脫氮效能的影響，為厭氧氨氧化工藝效能提升提供一定理論基礎(chǔ)。

01 試驗材料和方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置采用升流式厭氧流化床反應(yīng)器（UAFB），如圖 1所示。

UAFB反應(yīng)器工作體積為5 L，高度為1 m，內(nèi)徑0.08 m，有機玻璃材質(zhì)；使用市售流化床填料（直徑25 mm，厚度12 mm，容重100 kg/m³，比表面積500 ㎡/m³）作為掛膜載體，填料在反應(yīng)區(qū)的填充率為30%。通過加熱帶將反應(yīng)器溫度控制在（30±1）℃。原水未經(jīng)脫氣處理，經(jīng)過蠕動泵從反應(yīng)器底部連續(xù)進入UAFB反應(yīng)器，通過回流泵從反應(yīng)器上端抽出回流到反應(yīng)器底部，出水從反應(yīng)器溢流堰排出，產(chǎn)生的氣體從三相分離器排至空氣中。

1.2 接種污泥和模擬廢水

接種污泥為普通好氧活性污泥，取自深圳市鹽田污水處理廠序批式生化池，污泥整體呈黃褐色，懸浮固體質(zhì)量濃度（MLSS）為4 500 mg/L，揮發(fā)性懸浮固體質(zhì)量濃度（MLVSS）為3 500 mg/L。

反應(yīng)器進水采用人工模擬廢水，不添加有機碳源，模擬廢水組成：NH4Cl（按需配制），NaNO2（按需配制），NaHCO3 0.6 g/L，維氏鹽0.2 mL/L，微量元素Ⅰ和微量元素Ⅱ各1 mL/L，用NaOH或HCl調(diào)節(jié)進水pH約7.7。維氏鹽溶液組成：KH2PO4 5 g/L，MgSO4·7H2O 2.5 g/L，NaCl 2.5 g/L，F(xiàn)eSO4·7H2O 0.05 g/L，MnSO4·7H2O 0.05 g/L。微量元素Ⅰ：EDTA 5 g/L，F(xiàn)eSO4·7H2O 5 g/L。微量元素Ⅱ：MnCl2·4H2O 0.99 g/L，CuSO4·5H2O 0.25 g/L，EDTA 15 g/L，H3BO4 0.014 g/L，ZnSO4·7H2O 0.43 g/L，NiCl2·6H2O 0.19 g/L，Na2MoO4·2H2O 0.22 g/L，Na2SeO4·10H2O 0.21 g/L。

1.3 試驗方法

反應(yīng)器啟動階段，污泥馴化期采用低基質(zhì)濃度進水的方式運行，馴化第一階段（0~130 d）進水NH4+-N和NO2--N分別為60 mg/L和50 mg/L，馴化第二階段（131~208 d）進水NH4+-N和NO2--N分別調(diào)整為100、140 mg/L，待NH4+-N和NO2--N去除率高于85%、反應(yīng)器穩(wěn)定后，開始考察負荷沖擊和回流對反應(yīng)器脫氮效能的影響。

負荷沖擊研究中，進水量控制在19.2 L/d，水力停留時間為6.25 h，初始進水NH4+-N和NO2--N分別為60、90 mg/L，逐步提升至400、450 mg/L。待反應(yīng)器脫氮效能開始降低時，開啟回流，采用150%回流比運行，研究回流對UAFB-anammox反應(yīng)器運行效能的影響。

1.4 分析方法

各項指標(biāo)參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》進行測定：NH4+-N采用納氏分光光度法測定；NO2--N采用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法測定；NO3--N采用酚二磺酸分光光度法測定；pH使用Sartorius Y31-038酸度計測定。定期取進、出水，測定水樣的pH、NH4+-N、NO2--N和NO3--N。

02 結(jié)果與分析

2.1 厭氧氨氧化菌馴化與反應(yīng)器啟動

UAFB-anammox反應(yīng)器啟動過程中，進出水NH4+-N和NO2--N的變化趨勢及去除率見圖 2。

UAFB-anammox反應(yīng)器啟動歷時150 d，啟動過程經(jīng)歷了溶胞遲滯、活性提升和活性穩(wěn)定3個階段。0~35 d為溶胞遲滯階段，出水NH4+-N高于進水NH4+-N，出水NO2--N低于進水NO2--N，去除率約為15%；污泥馴化初期，由于反應(yīng)器中的微生物對厭氧和無機營養(yǎng)條件的不適應(yīng)，菌體發(fā)生溶胞現(xiàn)象，釋放出氨氮和有機物，內(nèi)源反硝化作用以有機物為碳源將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮氣，因此出水NH4+-N高于進水NH4+-N、出水NO2--N低于進水NO2--N。

36~150 d為活性提升階段，氨氮和亞硝酸鹽氮同步穩(wěn)定去除，活性提升后期，NH4+-N和NO2--N去除率約為60%，化學(xué)計量比NO2--N/NH4+-N穩(wěn)定在1.2~1.5（見圖 3），反應(yīng)器底部污泥顏色從棕黃色轉(zhuǎn)變?yōu)榇u紅色，填料上開始出現(xiàn)磚紅色絮體。

151~208 d為活性穩(wěn)定階段，提高進水氨氮和亞硝酸鹽濃度，UAFB-anammox反應(yīng)器穩(wěn)定運行，NH4+-N和NO2--N去除率約為80%~100%，NO2--N/NH4+-N穩(wěn)定在1.2~1.5，NO3--N/NH4+-N穩(wěn)定在0.3~0.5。

經(jīng)150 d的培養(yǎng)馴化，UAFB-anammox反應(yīng)器成功啟動。在UAFB-anammox反應(yīng)器啟動、穩(wěn)定階段，反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)明顯的氣泡，將底部污泥托起，部分污泥隨水流從反應(yīng)器堰口流出，部分污泥附著于反應(yīng)區(qū)的填料上，懸浮填料的磚紅色逐步加深，填料表面和內(nèi)部形成致密的生物膜。

2.2 進水負荷沖擊和回流影響研究

通過逐步提升進水氨氮和亞硝酸鹽氮濃度的方式，提升進水負荷，研究負荷沖擊對UAFB-anammox反應(yīng)器運行效能的影響。

在低基質(zhì)濃度范圍內(nèi)（NH4+-N61.54~297.35 mg/L，NO2--N 96.01~355.70 mg/L），總氮容積負荷從0.61升至2.52 kg/（m³·d），總氮去除負荷從0.39 kg/（m³·d）穩(wěn)步提升至1.29 kg/（m³·d），NH4+-N和NO2--N去除率最高約90%；當(dāng)進水NH4+-N和NO2--N分別提升至390、446 mg/L，總氮容積負荷提升至3.22 kg/（m³·d）時，總氮去除負荷降低至1.08 kg/（m³·d），NH4+-N和NO2--N去除率降至31.91%、44.51%（見圖 4），說明此時反應(yīng)器脫氮性能開始惡化。

在低基質(zhì)濃度范圍內(nèi)，隨著進水基質(zhì)濃度和容積負荷的增加，UAFB-anammox反應(yīng)器的總氮去除負荷穩(wěn)步提升，NH4+-N和NO2--N去除率保持穩(wěn)定，說明反應(yīng)器內(nèi)厭氧氨氧化菌具有較高活性，能快速適應(yīng)基質(zhì)濃度適當(dāng)升高帶來的環(huán)境變化，UAFB-anammox反應(yīng)器具備一定耐負荷沖擊能力。NH4+-N和NO2--N是厭氧氨氧化菌的主要營養(yǎng)物質(zhì)，但當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)NO2--N達到100 mg/L、游離氨達到13~90 mg/L時，會對厭氧氨氧化菌的活性產(chǎn)生抑制。

試驗結(jié)果顯示，進水NH4+-N和NO2--N分別為297.35、355.7 mg/L時，反應(yīng)器內(nèi)的NO2--N達到147.55 mg/L、游離氨達到21.37 mg/L（見圖 5），已超出NO2--N和游離氨對厭氧氨氧化菌的抑制濃度，反應(yīng)器的總氮容積去除負荷仍保持在1.29 kg/（m³·d），NH4+-N和NO2--N的去除率已降至約60%；隨著進水NH4+-N和NO2--N分別提升至390.18、446.23 mg/L，反應(yīng)器內(nèi)的NO2--N達到247.49 mg/L、游離氨為26.45 mg/L，此時厭氧氨氧化菌的活性受到比較強烈的抑制。因此，NO2--N和游離氨的雙重抑制是反應(yīng)器總氮去除負荷降低、脫氮效能降低的主要原因。

進水基質(zhì)對厭氧氨氧化菌的活性抑制已成為限制反應(yīng)器效能提升的主要原因。因此，目前眾多厭氧氨氧化反應(yīng)器在啟動及脫氮效能提高的研究過程中，將進水NH4+-N和NO2--N控制在200~300 mg/L，一定程度上限制了厭氧氨氧化工藝處理高氨氮廢水的獨特優(yōu)勢。

本研究在UAFB-anammox反應(yīng)器高基質(zhì)濃度進水（NH4+-N 390 mg/L，NO2--N 446 mg/L）運行20 d后開啟回流，按150%回流比運行，經(jīng)過約10 d的恢復(fù)期，反應(yīng)器出水NH4+-N和NO2--N去除率開始穩(wěn)步升高，平均去除率分別約62.49%、60.50%，同時反應(yīng)器的總氮去除容積負荷提升至1.76 kg/（m³·d），相比于回流前提升了60%。

150%回流有效降低了反應(yīng)器內(nèi)NO2--N和游離氨的濃度，NO2--N從247.49 mg/L降至175.43 mg/L、游離氨從26.45 mg/L降至10.57 mg/L（見圖 5）。

NO2--N和游離氨的濃度雖仍高于抑制濃度，但已有效緩解了對厭氧氨氧化菌活性的抑制，使UAFB-anammox反應(yīng)器的脫氮效能提升63%，回流取得的效果顯著。

03 結(jié) 論

（1）以懸浮填料作為升流式厭氧流化床反應(yīng)器的掛膜載體培養(yǎng)厭氧氨氧化菌，經(jīng)36 d的馴化，可同步去除NH4+-N和NO2--N。經(jīng)150 d的培養(yǎng)，NH4+-N和NO2--N同步去除率穩(wěn)定在80%以上，升流式厭氧氨氧化流化床反應(yīng)器成功啟動，懸浮填料表面及內(nèi)部空隙均附著致密的磚紅色生物膜。

（2）低基質(zhì)濃度進水運行時，升流式厭氧氨氧化流化床反應(yīng)器具備一定的抗負荷沖擊能力，總氮容積負荷在0.61~2.52 kg/（m³·d）范圍內(nèi)升高時，總氮去除負荷從0.39 kg/（m³·d）提升至1.29 kg/（m³·d）；當(dāng)總氮容積負荷增加到3.2 kg/（m³·d）時，總氮去除負荷降至1.08 kg/（m³·d）。

（3）150%的回流比可有效緩解基質(zhì)對厭氧氨氧化菌的活性抑制，提升反應(yīng)器的脫氮效能，總氮去除負荷可提升至1.76 kg/（m³·d），脫氮效能提高63%。

原標(biāo)題:工業(yè)水處理｜升流式厭氧氨氧化流化床反應(yīng)器脫氮效能研究