内回流对厌氧氨氧化UASB反应器脱氮性能的影响

付昆明,苏雪莹,王会芳,周厚田 (北京建筑大学环境与能源工程学院,城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室,北京 100044)

内回流对厌氧氨氧化UASB反应器脱氮性能的影响

付昆明*,苏雪莹,王会芳,周厚田 (北京建筑大学环境与能源工程学院,城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室,北京 100044)

温度为 30℃±1 ℃, 厌氧氨氧化污泥为接种污泥,人工配制无机废水为进水,通过改变运行方式,研究内回流对厌氧氨氧化反应器不同运行阶段脱氮效能的影响.结果表明:厌氧氨氧化反应器经过42d启动成功,TN去除负荷为3.26kg/(m3·d),TN去除率达到76.04%;内回流对于厌氧氨氧化UASB反应器的培养初期与培养成熟后的阶段,表现出完全不同的特征:启动初期,增设内回流(回流比为92%)对反应器运行有负面影响,TN去除率由无回流时的30%下降到19%;颗粒污泥形成后,增设内回流(回流比为92%)对反应器脱氮性能有正面作用,TN去除率由无内回流时的76%提高到84%.

内回流；厌氧氨氧化；UASB；颗粒污泥；溶解氧

由氮素污染造成的水体富营养化日益严重,脱氮成为市政污水和工业废水处理的一项重要任务.传统的脱氮工艺为硝化反硝化技术,但常常面临碳源不足的困境.厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation, ANAMMOX)是一种新型自养脱氮工艺:缺氧条件下,ANAMMOX细菌以为电子受体,将氧化为N2,并产生少量相比传统脱氮工艺,厌氧氨氧化工艺不需外加碳源,污泥产量低,CO2释放量少,在处理高氨氮废水[3](如污泥消化液[4]、垃圾渗滤液[5]等)显示出低耗能、高效率的优势而受到国内外研究学者的青睐.2001年,荷兰鹿特丹污水处理厂建立了世界上首座厌氧氨氧化污水处理反应器,真正将厌氧氨氧化工艺进行了工程化应用[6],截至到2014年大约已有100座应用厌氧氨氧化技术的污水厂[7].2009 年,我国通辽梅花集团建成世界上最大的厌氧氨氧化反应器[8].目前已开发出的 ANAMMOX生物脱氮工艺主要有:CANON、PN/A等.

厌氧氨氧化技术有广泛的应用前景,但ANAMMOX细菌生长缓慢,对环境要求高,主要面临游离氨(free ammonia, FA)、亚硝酸盐、溶解氧等的抑制,以及污泥持留难等[9]问题.研究表明,NH4+对厌氧氨氧化工艺的影响较小[1],当 FA浓度达13～90mg/L时,会抑制ANAMMOX工艺的脱氮性能[10];亚硝酸盐是ANAMMOX细菌的基质,同时也是毒性物质,当亚硝酸盐浓度超过临界抑制浓度时,可阻碍ANAMMOX细菌的生长与代谢,从而影响厌氧氨氧化工艺的运行性能[11].目前,基质抑制尤其是亚硝酸盐抑制已成为厌氧氨氧化工艺脱氮效能提升的瓶颈[1,12-13].Jetten等

[14]认为当N＞280mg/L时ANAMMOX菌活性被抑制;Dapena-Mora等[15]的报道认为-N 达到 350mg/L 时抑制了一半的ANAMMOX菌活性;Lotti等[11]的研究表明亚硝酸盐的半抑制浓度为400mg/L,且能够快速恢复.不同研究者对于-N的抑制浓度不同;但是高浓度的-N会对ANAMMOX产生抑制作用这点是毋庸置疑的.因此,反应器设计和运行应尽量避免局部高基质浓度区[16].另外, ANAMMOX菌需要严格厌氧环境,在氧浓度为0.5%～2.0%的空气饱和度下[17],ANAMMOX菌的活性就被完全抑制.

ANAMMOX细菌生长缓慢,倍增时间长[18],采用生物颗粒污泥的形式可以有效避免污泥流失,保证足够的 ANAMMOX细菌数量[9].UASB反应器用于废水处理时,能利用生物凝聚和结块机能,形成具有良好性能的颗粒污泥,大大提高了污泥浓度[19].UASB反应器中,为了加快形成颗粒污泥,通常需要足够的上升流速 “洗出”絮状污泥,增强污泥的沉降性能,促进基质与污泥之间的混合程度,加速颗粒污泥的形成[20];并且出水部分内回流对进水基质具有稀释和缓冲作用,可以增强污泥系统抗冲击负荷能力[21],减小基质的抑制作用,又不影响进水负荷.因此,一般认为,增加内回流对于反应器的运行是正面的.但作者在试验中发现,增加内回流并非对于厌氧氨氧化UASB反应器一直有利,本文结合厌氧氨氧化UASB反应器的启动过程,研究了不同阶段中内回流的影响.

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置选用上流式厌氧污泥床反应器,如图 1所示.反应器由有机玻璃制成,内径为 9cm,反应区有效体积为 5.6L,沉淀区内径为 19cm,有效体积为 2.96L.原水首先经过一个上流式陶粒滤池预处理配水中存在的溶解氧,然后由反应器底部进入,由上部出水口排出,出水内回流通过回流泵由底部进入反应器.运行过程中控制参数:连续流进水,反应器内温度通过水浴调节控制在30℃±1℃.

图1 反应器装置示意Fig.1 Schematic diagram of the reactor configuration

1.2 接种污泥

接种污泥为厌氧氨氧化污泥,取自实验室长期稳定运行的无回流的厌氧氨氧化颗粒污泥反应器的排泥.

1.3 试验用水

试验用水采用人工配水.进水由 NH4Cl、 NaNO2、由 NaHCO3提供)、KH2PO410mg/L和微量元素浓缩液Ⅰ 1mL/L、微量元素浓缩液Ⅱ 1mL/L 组成.微量元素浓缩液Ⅰ:EDTA 5000mg/L,FeSO45000mg/L;微量元素浓缩液Ⅱ: EDTA 15000mg/L, ZnSO4·7H2O 430mg/L,CoCl2·6H2O 240mg/L,MnCl2·4H2O 990mg/L, CuSO4·5H2O 250mg/L,H3BO314mg/L, NaMoO4·2H2O 220mg/L, NiCl·6H2O 190mg/L, Na2SeO4·10H2O 210mg/L.原水配制完成后通过陶粒滤柱去除原水中的溶解氧,陶粒滤柱对进水基质有少量去除,造成反应器进水浓度有波动.

表1 反应器进水水质(mg/L)Table 1 Water quality of influent for reactor (mg/L)

1.4 试验分析项目及检测方法

各项指标测定方法均按照《水和废水监测分析方法》[22].-N 采用纳氏试剂分光光度法;-N采用 N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;-N 采用紫外分光光度法;pH 值采用HI931700型pH计;溶解氧:采用Multi 350i型溶解氧仪;TN=-N＋-N＋-N;温度:水银温度计.

1.5 试验方法

厌氧氨氧化反应器接种污泥取自实验室长期运行的ANAMMOX颗粒污泥反应器排泥,在温度为 30℃±1℃下启动.保持进水流量不变,通过改变运行方式(有无回流),探讨增设回流对厌氧氨氧化反应器脱氮性能的影响.试验运行工况见表2.

表2 ANAMMOX反应器的运行工况Table 2 Operating conditions of ANAMMOX reactor

2 结果与分析

图2 进出水中-N,-N 和-N变化Fig.2 Variations of-N,-N and-N concentrations in the influent and effluent

图3 TN浓度及TN去除率变化Fig.3 Variations of total nitrogen concentrations and removal efficiency

2.1 启动阶段

从图3可以看出,在反应器启动初期(1～14d), TN去除率低于40%,且在7d增设回流装置后,TN去除率在第 10d降至 15.15%,取消内回流(15d)后,TN去除率迅速上升,在第42d时,TN去除率达到76.04%.

图4 进水TN负荷和TN去除负荷变化Fig.4 Variations of TN loading in the influent and TN removal loading

从图4可以看出,TN去除负荷随着TN进水负荷的波动而波动,在第1d,TN去除负荷即达到0.65kg/(m3·d),表明接种污泥的厌氧氨氧化活性良好,但在前6d,TN去除负荷不但没有提高,反而有所降低,因此在第 7d开始添加内回流,期望提高TN去除负荷,令人惊讶的是,TN去除负荷却进一步降低,第10d时,仅有0.29kg/(m3·d).第15d起,取消内回流,同时进水负荷增加,TN去除负荷开始恢复并快速增加,并未受到进水浓度波动的影响,第42d时,TN去除负荷达到3.26kg/(m3·d),比第1d的TN去除负荷增加了4 倍,标志反应器通过接种ANAMMOX污泥启动成功.

通过对厌氧氨氧化的反应方程式式(1)[18]可知-N与-N转化量比为1.32-N生成量与-N 转化量之比为 0.26.令-N=[{-N}进水]－ [{-N}出水];-N=[{-N}进水] －[{-N }出水],启动及运行过程中,-N/-N 与-N/-N如图所示.

图5 ANAMMOX反应器中的化学计量比例Fig.5 Stoichiometric ratios of the ANAMMOX reactor

选取启动初期无回流(1～6d)、启动初期添加回流(7～14d)进行统计分析,结果如图6所示.

图6 启动阶段不同操作条件下进出水氮素平均浓度Fig.6 The average influent and effluent nitrogen compounds concentrations at different operational conditions on the start-up stage

由图 6可知,无回流时,进水 TN为159.73mg/L,出水TN为111.8mg/L,平均TN去除率为30%,去除负荷0.6kg/(m3·d).反应器添加出水内回流(7～14d),平均进水TN为158.44mg/L,出水TN为128.29mg/L,平均TN去除率下降为19%.添加回流装置,使反应器脱氮效果恶化.同样的现象也在 Zhang等[26]的试验中发现,厌氧氨氧化反应器添加内回流后,对于-N和-N的去除均有负面的影响.她认为,可能的原因是,增设回流加速了进水基质经过狭窄的通道,加剧了沟流现象,当沟流现象消失之后,增设回流对反应器处理效果具有积极作用.但通过观察,本厌氧氨氧化UASB反应器并无明显沟流存在,况且,利用回流提供水力剪切力,提高反应器升流速度,保持污泥膨胀和搅动,应可避免配水不均匀和沟流现象[27].据此,作者推测,TN去除率下降的原因很可能是由于ANAMMOX细菌是绝对厌氧菌,需要严格的厌氧的环境,当增加回流后,厌氧氨氧化 UASB中少量存在的AOB与ANAMMOX细菌之间的共生关系被破坏,少量大气中的氧气通过各种途径如出水口等部位进入反应器中,直接与ANAMMOX接触,抑制了其活性.

2.2 运行阶段

由图3可以看出,反应器启动成功后,TN去除率逐渐提高,154d TN去除率达到81.73%.155d增设出水内回流之后,TN去除率进一步提高,并于159d达到91.10%,反应器稳定运行阶段增设回流有助于TN去除率的进一步提高.

由图 4可知,当进水负荷进一步增加时,TN去除负荷也随之增加,154d进水负荷为4.90kg/(m3·d),相应的 TN 去除负荷也增加至4.00kg/(m3·d).添加出水内回流(155d),TN去除负荷达到 4.12kg/(m3·d),且之后均表现出高于未加回流时的去除负荷,虽然出现小幅度波动,但恢复迅速,总体去除效果良好.

选取启动成功后无回流(42～154d)、启动成功后添加回流(155～190d)进行统计分析,结果如图7所示.

图7 运行阶段不同操作条件下进出水氮素平均浓度Fig.7 The average influent and effluent nitrogen compounds concentrations at different operational conditions on the stable stage

如图 7所示,未加回流时进水 TN为377.81mg/L,出水TN为89.60mg/L,TN去除率为76%,氮容积去除负荷为3.98kg/(m3·d).155d起反应器重新添加出水内回流装置,进水 TN为391.98mg/L,出水TN为61.85mg/L,TN去除率提高到84%,氮容积去除负荷为4.15kg/(m3·d).虽然去除负荷低于李祥[28]在高基质浓度下增设回流时的氮容积去除负荷 7.87kg/(m3·d),也低于实际工程运用阶段脱氮效能达到 9.5kg/(m3·d)[6],但由于本厌氧氨氧化 UASB反应器中的污泥实际体积仅有负荷计算体积的1/4,因此,实际TN去除负荷与上述文献不相上下,表现出了高效的脱氮性能和巨大的潜力[29-31].此时反应器内厌氧氨氧化细菌活性较强,形成稳定的污泥系统结构,具有较强的抗冲击负荷能力.回流的增设对进水-N和-N产生稀释和缓冲作用,上升流速的增加也强化了系统内的传质作用,脱氮效能得到提高.这也得到了其他研究人员的证实,例如,李祥等[28]采用厌氧氨氧化颗粒污泥,在增设回流后,提高了TN的效果.

培养成熟后,厌氧氨氧化颗粒污泥的常规照片及显微镜照片如图所示.通过图.(a)可以看出,ANAMMOX污泥基本以颗粒状存在,整体为红褐色,这是ANAMMOX细菌的典型特征[32],粒径平均约为2mm,反应器中的污泥已经成功实现颗粒化.显微镜下(图 8.(b))污泥颗粒呈现圆形或椭圆形,中间为密实的结构,边缘部分有少量絮状的蓬松结构.

图8 ANAMMOX颗粒污泥形态结构Fig.8 The morphological structure of ANAMMOX granular sludge

综上所述,内回流对于厌氧氨氧化污泥在培养初期与培养成熟后表现出完全不同的 TN去除效果.在培养初期,絮状污泥占有相当高的比例,增加内回流后,DO随之渗入ANAMMOX污泥内部,产生抑制作用;当培养成熟后,厌氧氨氧化污泥显著颗粒化,颗粒污泥沉降性能好,可持留大量微生物,耐冲击负荷,保证反应器高效稳定运行

[33],当再次增加回流后,大部分ANAMMOX细菌受到颗粒污泥的保护,而不会因少量DO的进入而抑制活性,反而是由于内回流的增加,混合程度增加,去除效果也随之提高.

3 结论

3.1 厌氧氨氧化 UASB 反应器通过接种ANAMMOX污泥,经过42d启动成功,形成了颗粒污泥,平均直径约为 2mm.TN去除负荷为3.26kg/(m3·d),TN去除率为76.04%.

3.2 反应器启动初期,污泥系统没有形成稳定的抗冲击结构,增设出水部分回流,回流比为92%,上升流速增加使得污泥系统受到扰动,脱氮效果恶化,TN去除率从30%下降为19%.

3.3 反应器稳定运行后,增设回流有助于基质与微生物的接触,上升流速的增加强化了基质的传质作用,有利于微生物的生长,TN去除率从76%增加到84%,反应器脱氮效能由3.98kg/(m3·d)进一步提高到4.15kg/(m3·d).

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Effects of internal recycle on the nitrogen removal performance of an ANAMMOX UASB reactor.

FU Kun-ming*, SU Xue-ying, WANG Hui-fang, ZHOU Hou-tian (Key Laboratory of Urban Storm Water System and Water Environment, Ministry of Education, School of Environment and Energy Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China). China Environmental Science, 2016,36(12)：3560～3566

The effect of internal recycle on the nitrogen removal by an ANAMMOX UASB reactor at different stages was investigated by changing the operating conditions. The reactor was inoculated with ANAMMOX sludge and fed by synthetic inorganic wastewater at 30℃±1℃. The ANAMMOX reactor was successfully started up in 42days, with total nitrogen(TN) removal efficiency of 76.04% at the loading of 3.26kg/(m3·d). During the initial stage, the effects of internal recycle on the performance of ANAMMOX UASB reactor were completely different for the start-up and mature stage, where the internal recycle (at recycle ratio of 92%) had negative effect on the TN removal(the TN removal efficiency decreased from 30% to 19%)when compared with the case without internal recycle. When granular sludge was formed, the internal recycle (at recycle ratio of 92%) had positive effect on TN removal (the TN removal efficiency increased from 76% to 84%).

internal recycle；ANAMMOX；UASB；granular sludge；dissolved oxygen

X703.1

A

1000-6923(2016)12-3560-07

付昆明(1981-),男,山东莒南人,讲师,博士,主要从事水处理技术研究.发表论文20余篇.

2016-04-14

国家自然科学基金项目(51308025);北京市科研基地建设项目--“节能减排协同创新中心”(2016)

* 责任作者, 讲师, fukunming@163.com