蘇慧，周鐸，賈蘭，呂美婷，魏恒彬，蘇林

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新型填料厭氧氨氧化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與啟動(dòng)

蘇慧，周鐸*，賈蘭，呂美婷，魏恒彬，蘇林

（遼寧工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 遼寧 錦州 121001）

為了提高厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動(dòng)速度和水處理效率，自主研發(fā)一種新型的摻雜電氣石的陶粒填料，附加聚氨酯軟性填料，設(shè)計(jì)一種適合該復(fù)合式填料的一體化厭氧氨氧化反應(yīng)器，并進(jìn)行啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，在進(jìn)行污泥回流的情況下，該新型載體厭氧氨氧化反應(yīng)器對(duì)廢水的脫氮效果較好，NH3-N 和TN去除率約為95 %以上，出現(xiàn)比較明顯的污泥分層現(xiàn)象。因此，電氣石陶粒+聚氨酯組合填料可作為一體化厭氧氨氧化反應(yīng)器的載體并對(duì)反應(yīng)器的快速啟動(dòng)具有促進(jìn)作用。

厭氧氨氧化； 反應(yīng)器； 生物脫氮

厭氧氨氧化是指在厭氧或缺氧條件下，微生物將氨氮有機(jī)物直接轉(zhuǎn)變成的氮?dú)獾纳镅趸^(guò)程。它的發(fā)現(xiàn)也豐富了人們對(duì)自然界氮素的轉(zhuǎn)化路徑的認(rèn)識(shí)。厭氧氨氧化工藝在環(huán)境工程領(lǐng)域己被廣泛報(bào)道，并已有實(shí)際工程運(yùn)用[1]?；谖⑸锏幕|(zhì)多樣性和代謝多樣性，自厭氧氨氧化菌種被發(fā)現(xiàn)以來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用各種各樣的反應(yīng)器和不同的接種污泥在實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)了厭氧氨氧化反應(yīng)器。考慮到厭氧氨氧化菌倍增時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)率系數(shù)低以及它自養(yǎng)生物的特點(diǎn)，采用能有效截留微生物的工藝可以為順利啟動(dòng)該工藝打下良好基礎(chǔ)[2-3]。

電氣石是一種環(huán)狀硅酸鹽晶體礦物。大量的科學(xué)研究證明，電氣石能自發(fā)調(diào)節(jié)水體的氧化還原電位和pH值，具有減少水分子簇團(tuán)，改善微循環(huán)，提高脫氫酶活性和促進(jìn)微生物的新陳代謝等功能，且電氣石的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，價(jià)格低廉。筆者試圖將具有特殊功效的電氣石及多種添加劑摻雜在一起燒制成一種具有電氣石特殊功能的新型陶粒，為生物膜水處理系統(tǒng)提供一種能夠提高載體的掛膜效率和污水處理效率的功能性載體[4-5]。

當(dāng)前，在生物膜工藝中常用的微生物載體的生物親和性、穩(wěn)定性、力學(xué)性能、掛膜效果方面還存在很多不足，使水處理效率難以提高。因此，筆者研制出一種特殊功能性生物膜載體電氣石陶粒，試圖將電氣石陶粒與聚氨酯軟性填料有機(jī)結(jié)合，既保持了軟性填料比表面積大，掛膜速度快的特性，又保持了陶?？障犊勺?，長(zhǎng)期運(yùn)行不堵塞的特點(diǎn)；既避免了軟性填料在長(zhǎng)期使用中出現(xiàn)的結(jié)團(tuán)厭氧，產(chǎn)生短流動(dòng)力消耗大，氧利用率低等弊病，又避免了陶粒填料比表面積小且光滑，開(kāi)始階段難以掛膜的缺點(diǎn)。電氣石陶粒+聚氨酯組合填料不僅具備了軟硬填料的特征優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又增添了電氣石的特殊功效，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)一種新型的以電氣石陶粒+聚氨酯為填料的厭氧氨氧化反應(yīng)器并進(jìn)行啟動(dòng)過(guò)程研究，對(duì)于提高載體的掛膜速度和反應(yīng)器的水處理效率具有著重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 電氣石陶粒制備

將電氣石、干污泥、粉煤灰、秸稈、助熔劑、粘合劑等原料經(jīng)過(guò)干燥、粉碎后按一定配比混合均勻，放入成球機(jī)中，造成約直徑為2 cm的球粒，將球粒生料自然干燥、溫養(yǎng)、烘干處理，至含水率降低到30%以下，最后將顆粒生料放在馬弗爐中燒制成為陶粒[6-7]，制備流程如圖1所示。

圖1 陶粒制備流程

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的厭氧氨氧化反應(yīng)器，主要包括主反應(yīng)器、進(jìn)水池、溫控系統(tǒng)和氣體收集系統(tǒng)等。反應(yīng)器材料采用有機(jī)玻璃，反應(yīng)器內(nèi)徑190 mm，高1 000 mm，有效容積31 L，內(nèi)置固定式球形摻雜電氣石陶粒與聚氨酯軟體載體，為了保證水質(zhì)以及溶解氧的分布均勻，將填料均勻分布在反應(yīng)器中，設(shè)計(jì)了三層填料固定層，如圖2所示。主反應(yīng)器側(cè)面設(shè)置4個(gè)取樣口，主反應(yīng)器外層設(shè)置保溫夾層，由溫控系統(tǒng)為反應(yīng)器持續(xù)提供熱源。反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水泵將配水桶廢水打入反應(yīng)器中，反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置 pH 在線、溫度在線檢查系統(tǒng)。底部向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，與生物填料上的生物膜充分接觸，從而發(fā)揮降解污水中有機(jī)污染物的作用。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

1.3 實(shí)驗(yàn)用水和接種污泥

試驗(yàn)用污水采用人工配水，由營(yíng)養(yǎng)微量和微生物所需的微量金屬元素配，pH控制在7.5~7.6。如表1，溫度32 ℃，溶解氧1.8 mg/L[8]。

表1 試驗(yàn)用水

表2 主要指標(biāo)檢測(cè)方法

1.4 試驗(yàn)方法

根據(jù)國(guó)家《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[9]規(guī)定的水質(zhì)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指標(biāo)測(cè)試，主要檢測(cè)指標(biāo)包括：COD、TP、NH3-N，分析檢測(cè)方法見(jiàn)表2所示。

2 啟動(dòng)運(yùn)行結(jié)果與分析

分別以陶粒、聚氨酯、電氣石陶粒+聚氨酯為載體，反應(yīng)器啟動(dòng)運(yùn)行期間，進(jìn)水NH3-N 的質(zhì)量濃度為 130～190 mg/L，進(jìn)水TN的質(zhì)量濃度在140~200 mg/L，溫度控制為32 ℃。系統(tǒng)分別運(yùn)行30 d左右，情況如圖 3、4、5 所示。

圖3 以陶粒為載體的反應(yīng)器運(yùn)行情況

由圖3可知，陶粒為載體的反應(yīng)器NH3-N 去除率均在85%左右，最高達(dá)87.5%；TN 去除率均在87%左右，最高達(dá)88.5%。以陶粒為載體時(shí)，啟動(dòng)掛膜時(shí)間較長(zhǎng)，去除率略低于其它兩個(gè)載體。

由圖4 可知，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行3 d 后，NH3-N 的質(zhì)量濃度穩(wěn)定于11～15 mg/L，NH3-N去除率長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在94%左右。反應(yīng)器表現(xiàn)出較高的去除率，但后期由于軟性填料容易結(jié)團(tuán)，剩余污泥不易脫落，從而性質(zhì)不夠穩(wěn)定。聚氨酯塊降低反應(yīng)器內(nèi)水體的流動(dòng)性，部分短程硝化污泥附著于聚氨酯塊之后無(wú)法及時(shí)獲得DO，進(jìn)而降低了系統(tǒng)對(duì)NH3-N 的去除效果。

圖4 以聚氨酯為載體的反應(yīng)器運(yùn)行情況

圖5 以電氣石陶粒+聚氨酯的反應(yīng)器運(yùn)行情況

3 結(jié)論

本論文將電氣石陶粒與聚氨酯填料有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)一種新型填料的厭氧氨氧化反應(yīng)器，通過(guò)人工配水模擬高氨氮污水，考察此新型反應(yīng)器的脫氮效能。通過(guò)對(duì)比陶粒填料、聚氨酯填料和電氣石陶粒+聚氨酯填料的脫氮效果，得出以下結(jié)論：

（1）陶粒填料、聚氨酯填料和電氣石陶粒+聚氨酯填料的厭氧氨氧化反應(yīng)器氨氮的去除率分別為85%，94%和95%左右。

（2）新型填料的厭氧氨氧化反應(yīng)器表現(xiàn)出有較高的脫氮效率，且運(yùn)行穩(wěn)定。

[1] 王淑瑩, 王曉霞, 彭永臻,等. 一體化厭氧氨氧化反硝化除磷并聯(lián)短程硝化處理低碳城市污水的裝置和方法:, CN104817177A[P]. 2015.

[2] 程軍, 張亮, 楊延棟,等. 一體化厭氧氨氧化反應(yīng)器的優(yōu)化及其穩(wěn)定性研究[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2016, 36(4):1027-1032.

[3]曹天昊，土淑榮，苗蕾，等.不同基質(zhì)濃度下SBR進(jìn)水方式對(duì)厭氧氨氧化的影響[J].中國(guó)環(huán)境利學(xué)，2015,35(8):2334-2341.

[4] Ali M, Chai LYTang C J, et al. The increasing interest of ANAMMOX research in China: Bacteria, process development,and application [J]. Biomed Research International, 2013.

[5] 譚發(fā), 王敦球, 金樾,等. 新型一體化厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動(dòng)研究[J]. 水處理技術(shù), 2016(7):110-113.

[6] 鄭盼,趙光,賈蘭等,一種利用污水污泥、粉煤灰燒輕質(zhì)電氣石陶粒的制備方法，發(fā)明公開(kāi)號(hào)：105036709A.

[7] 賈蘭, 童歡歡, 周繼梅,等. 新型功能性陶粒制備及水處理效能研究[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2016(10):74-82.

[8] 賈蘭,趙光,張婷婷等.新型陶粒載體——序批式生物膜反應(yīng)器系統(tǒng)工藝參數(shù)優(yōu)化[J].水處理技術(shù)43（1）：111-115.

[9] 《水和廢水檢測(cè)分析方法》(2002年12月第四版)[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2002.

Design and Startup of a New Type of Anaerobic Ammonium Oxidation Reactor

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（Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001, China）

In order to improve the starting speed and water treatment efficiency of anaerobic ammonium oxidation reactor, a new type of tourmaline-doped ceramic filler was developed, polyurethane soft filler was also used. An integrated anaerobic ammonium oxidation reactor suitable for the composite packing was designed, and startup experiment was carried out. The results showed that the removal efficiency of NH3-N and TN was about 95%. Therefore, the tourmaline ceramic + polyurethane composite filler can be used as a carrier for the integrated anaerobic ammonium oxidation reactor and has a catalytic effect on the rapid start-up of the reactor.

anaerobic ammonia oxidation; reactor; biological denitrification

X 522

A

1004-0935（2017）04-0337-04

2017-02-17

遼寧工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201601060）。

蘇慧（1993-），男，甘肅省蘭州市人，2017年畢業(yè)于遼寧工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)專業(yè)。

周鐸（1982-），男，實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向：微生物水處理技術(shù)。