田曉燕，謝青松，郭桐羽，郝心瑞

吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118

0 引言

隨著近代生物科技的不斷發(fā)展,生物脫氮新理論和新技術(shù)層出不窮,如短程硝化反硝化(shortcut nitrification and denitrification,英文縮寫為SND)脫氮工藝、同步硝化反硝化(simultaneous nitrification and denitrification,英文縮寫為SND)脫氮工藝、缺氧氨氧化(Anammox)脫氮工藝、A2O脫氮工藝、SBR脫氮工藝等[1].縱觀國(guó)內(nèi)外多種形式的污水處理工藝流程,依據(jù)微生物的脫氮原理,最終若有理想的脫氮效果,都與很多運(yùn)行因素的影響密切相關(guān),即進(jìn)水方式、運(yùn)行工況、反應(yīng)溫度、DO、泥齡、NO2--N濃度、進(jìn)水營(yíng)養(yǎng)比等[2-7]. 缺氧氨氧化污水處理技術(shù)是由荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)Kluyver生物研究技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)展的一類新型微生物脫氮污水處理技術(shù)[8-10],本文基于缺氧氨氧化生物濾池脫氮工藝對(duì)其中亞硝態(tài)氮濃度、反應(yīng)溫度、DO和pH值對(duì)缺氧氨氧化菌活性的影響進(jìn)行探討.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置生物濾池污水處理反應(yīng)器見圖1.生物濾池反應(yīng)器由有機(jī)玻璃材料制作而成,高39.4 cm,直徑9.8 cm,反應(yīng)器底部排泥斗為圓錐形,總有效容積為14 L.該運(yùn)行裝置外壁的每隔12 cm設(shè)有一個(gè)檢測(cè)取樣口(同時(shí)具有排水作用),反應(yīng)器底部圓錐體部分安裝排泥管,運(yùn)行裝置反應(yīng)容器中安裝有攪拌裝置,使運(yùn)行過程中使泥水充分混合均勻.采用溫控儀控制溫度.在反應(yīng)裝置中裝有DO,ORP和pH傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)運(yùn)行過程中溶解氧、ORP和pH值的運(yùn)行情況.通過排泥口向系統(tǒng)外部排放老化的剩余污泥,從而將反應(yīng)器中污泥的污泥齡θc有效地控制在12 d左右.反應(yīng)器內(nèi)MLSS維持在2 500 mg/L左右.

圖1 生物濾池工藝試驗(yàn)裝置圖Fig.1 The configuration of SBR process1-反應(yīng)器;2-pH傳感器;3-DO傳感器;4-ORP傳感器;5-溫度傳感器;6-pH值測(cè)定儀;7-DO測(cè)定儀;8-ORP測(cè)定儀;9-溫度控制儀;10-曝氣砂頭;11-空壓機(jī);12-轉(zhuǎn)子流量計(jì);13-攪拌器;14-取樣口;15-排泥口1-reactor;2-ph sensor;3-do sensor;4-orp sensor;5-temperature sensor;6-pH value tester;7-do tester;8-orp tester;9-temperature controller;10 aeration sand head;11 air compressor;12 rotor flowmeter;13 agitator;14 sampling port;15 sludge discharge port

1.2 試驗(yàn)污水與試驗(yàn)接種污泥

缺氧氨氧化反應(yīng)器啟動(dòng)階段,試驗(yàn)用水采用自配水.首先采用無機(jī)碳化物NaHCO3作為反應(yīng)過程中唯一的碳素來源,NaHCO3弱堿性無機(jī)物,還可以起到調(diào)節(jié)以運(yùn)行過程中反應(yīng)器pH值的作用,隨著缺氧氨氧化的不斷富集再投以葡萄糖逐步提高進(jìn)水COD;NH4C,NaNO2,KH2PO4分別作為反應(yīng)器運(yùn)行過程中氨態(tài)氮的氮素來源、亞硝態(tài)氮的氮素來源、磷素來源;另外,還需要加入無機(jī)物MgSO4和CaCl來滿足反應(yīng)器運(yùn)行中缺氧氨氧化菌對(duì)無機(jī)離子Mg2+和Ca2+等的要求;投加配制好的微量元素液來充分滿足反應(yīng)器中污泥顆粒微生物生長(zhǎng)代謝的營(yíng)養(yǎng)需要.模擬廢水成份及水質(zhì)特性見表1.

反應(yīng)器試驗(yàn)開始階段接種的污泥為本市西郊污水廠二沉池分離的回流污泥.自2018年9月啟動(dòng)運(yùn)行,以配置的模擬生活污水污染物為處理對(duì)象進(jìn)行反應(yīng)器啟動(dòng).運(yùn)行8個(gè)周期后,反應(yīng)器脫氮效果達(dá)到基本穩(wěn)定的狀態(tài),開始定期取樣進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定.

表1 試驗(yàn)?zāi)M廢水成分及水質(zhì)特性Table 1 The ingredient and the characteristic of the experimental wast wate

1.3 檢測(cè)項(xiàng)目和分析方法

反應(yīng)器內(nèi)取出的污水水樣經(jīng)過沉降后再離心,取上清液進(jìn)行檢測(cè).化學(xué)需氧量應(yīng)用5 B-1型快速測(cè)定儀檢測(cè);總氮檢測(cè)方法采用過硫酸鉀氧化后,經(jīng)紫外分光光度法測(cè)定;氨氮采用納氏試劑分光光度法;硝態(tài)氮采用麝香草酚分光光度法;亞硝態(tài)氮采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法;MLSS采用濾紙重量法測(cè)定;SVI污泥指數(shù)應(yīng)用基本方法檢測(cè)(SV30/MLSS).

2 結(jié)果與討論

由圖2可知,缺氧氨氧化菌對(duì)反應(yīng)器內(nèi)亞硝酸鹽濃度變化非常敏感,亞硝態(tài)氮濃度較低時(shí)對(duì)缺氧氨氧化菌的活性影響不明顯,隨著亞硝態(tài)氮濃度的不斷增加,缺氧氨氧化菌的活性變化大體可以分為兩個(gè)階段：

首先是隨著亞硝酸鹽濃度的不斷增加缺氧氨氧化菌的活性不斷提高,隨著缺氧氨氧化菌的活性提高從而使得反應(yīng)速率不斷增加,直至達(dá)到最大反應(yīng)速率值后,開始緩慢下降,顯示出亞硝酸鹽對(duì)缺氧氨氧化自養(yǎng)菌活性明顯抑制現(xiàn)象.原因可能由于缺氧氨氧化菌是自養(yǎng)菌、代時(shí)長(zhǎng)、過高的亞硝酸鹽基質(zhì)濃度,干擾缺氧氨氧化菌的正常代謝,從而降低微生物活性.

當(dāng)亞硝態(tài)氮濃度達(dá)到90 mg/L時(shí),厭氧氨氧化自養(yǎng)菌的活性表現(xiàn)出明顯的抑制現(xiàn)象,抑制缺氧氨氧化菌的生長(zhǎng)并干擾菌體的代謝;

當(dāng)亞硝態(tài)氮濃度達(dá)到200 mg/L時(shí),厭氧氨氧化菌的活性幾乎喪失.分析原因可能是隨著亞硝態(tài)氮濃度的增加使脫氮反應(yīng)的中間體物質(zhì)減少,進(jìn)而使厭氧氨氧 化菌活性降低.

由圖3可看出,當(dāng)溫度從10 ℃上升至45 ℃時(shí),缺氧氨氧化TN去除率呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì).當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)溫度由10 ℃上升至30 ℃時(shí),相應(yīng)的厭氧氨氧化反應(yīng)速率也在不斷提高；當(dāng)溫度為30 ℃時(shí),達(dá)到最大轉(zhuǎn)化速率；當(dāng)溫度高于30 ℃時(shí),相應(yīng)的厭氧氨氧化反應(yīng)速率出現(xiàn)下降現(xiàn)象；當(dāng)溫度提高45 ℃時(shí)厭氧氨氧化反應(yīng)速率喪失.

圖2 亞硝態(tài)氮濃度與缺氧氨氧化速率關(guān)系曲線Fig.2 The curve of the relation of the sub-nitrate concentration and the ammonia oxidation rate

圖3 不同溫度下厭氧氨氧化速率的變化曲線與去除率Fig.3 variation curve and removal rate of anammox at different temperatures

厭氧氨氧化菌是一種厭氧菌,氧氣對(duì)菌的活性產(chǎn)生明顯的抑制作用,由于采用生物濾池反應(yīng)器考察缺氧氨氧化菌的活性.由圖4可看出,當(dāng)DO大于0.5 mg/L時(shí)厭氧氨氧化自養(yǎng)菌的活性將被完全抑制.但是,隨著DO減少厭氧氨氧化自養(yǎng)菌的活性將逐漸恢復(fù).DO的逐漸減少主要是兼性菌在代謝有機(jī)物時(shí)所消耗,為缺氧氨氧化反應(yīng)創(chuàng)造有利條件.

圖4 不同氧氣含量下厭氧氨氧化速率的變化曲線與去除率Fig.4 Variation curve and removal rate of anammox under different oxygen content

圖5 不同酸堿度下厭氧氨氧化速率的變化曲線與去除率關(guān)系Fig.5 Relationship between anammox rate and removal rate under different pH values

由圖5可看出,當(dāng)pH值從5.0上升至9.0時(shí),缺氧氨氧化TN去除率呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)；當(dāng)pH值從6.5上升至8.0時(shí),厭氧氨氧化速率不斷提高；當(dāng)pH值上升到8.0時(shí),達(dá)到最大轉(zhuǎn)化速率；當(dāng)pH值大于到8.0時(shí),厭氧氨氧化速率不斷下降,而當(dāng)溫度達(dá)到9.0時(shí),厭氧氨氧化速率喪失.

3 結(jié)論

(1) 隨著亞硝態(tài)氮濃度的增加,缺氧氨氧化反應(yīng)速率出現(xiàn)一定的變化規(guī)律,當(dāng)亞硝態(tài)氮濃度由50 mg/L達(dá)到90 mg/L時(shí),最初亞硝酸鹽濃度的不斷增加能提高缺氧氨氧菌的活性,加快反應(yīng)速率；在亞硝態(tài)氮濃度90 mg/L反應(yīng)速率提高到最大值，而后,隨著亞硝酸鹽濃度的不斷增加,反應(yīng)器內(nèi)缺氧氨氧化反應(yīng)速率出現(xiàn)下降現(xiàn)象,出現(xiàn)了明顯的抑制作用.

(2) 溫度是影響缺氧氨氧化菌的重要因素之一.在低溫情況下,缺氧氨氧化菌的活性降低,影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主動(dòng)運(yùn)輸速率;在高溫情況下,缺氧氨氧化菌的結(jié)構(gòu)物質(zhì)會(huì)發(fā)生變性,甚至導(dǎo)致缺氧氨氧化菌的死亡.最適溫度為30℃時(shí),達(dá)到最大轉(zhuǎn)化速率.

(3) 厭氧氨氧化菌是一種自養(yǎng)厭氧菌,缺氧環(huán)境DO在0.5 mg/L以下是缺氧氨氧化反應(yīng)的適宜條件,所以,在厭氧氨氧化菌的富集和運(yùn)行過程中盡量保持厭氧狀態(tài),以免影響缺氧氨氧化自養(yǎng)菌的活性.

(4) pH值是影響缺氧氨氧化菌的重要因素之一.一方面是影響厭氧氨氧化菌的耐受程度,酸性和堿性過強(qiáng)導(dǎo)致菌的活性喪失;另一方面也影響系統(tǒng)基質(zhì)的平衡狀態(tài).研究表明厭氧氨氧化菌的最適pH在6.5～8.5之間,在pH為8.0時(shí)達(dá)到最大轉(zhuǎn)化速率.