厭氧氨氧化工藝處理高鹽含氮廢水的研究

摘要：厭氧氨氧化工藝處理高鹽含氮廢水,需要使用恰當的方法,在保持細菌抗鹽性的同時(shí),使其具有高的活性。 試驗研究了菊花狀無(wú)紡布載體的生物膜性能,測試了氨氮除去效果、亞硝酸氮除去效果、總氮除去效果、總氮負荷。 結果表明,在高鹽廢水的條件下,微生物的脫氮負荷可達到1.32 kg-N/m3/d。

關(guān)鍵詞：厭氧氣氨氧化;無(wú)紡布;高鹽;總氮除去率

沿海地帶是每個(gè)國家的主要工業(yè)基地。使用海水作為工業(yè)水源或天然氣開(kāi)采廢水以及城市垃圾滲濾液中,含氮廢水含有高濃度鹽分。厭氧氨氧化是除去 氮的關(guān)鍵技術(shù)之一,因為厭氧氨氧化細菌繁殖周期長(cháng),細菌量倍增速度慢,在不適宜的條件下,細菌的死 亡率高于生長(cháng)率。如何在高鹽分下保持細菌活性的同時(shí),具有高的除氮效率,是目前生物工程領(lǐng)域中重要的研究課題。試驗采用復合材料無(wú)紡布作為顆粒污泥的載體,研究了在高鹽濃度條件下,細菌保持較高的活性并且具有理想的總氮負荷除去率。

1 試驗廢水、材料及設備

本試驗研究用水取自日本千葉縣天然氣生產(chǎn)公司。 廢水中鹽度、氨氮和pH值的平均值分別為:30 g/L、 210 mg/L和6.9。該廢水經(jīng)過(guò)部分亞硝化處理后的出 水作為本試驗的進(jìn)水,試驗用水水質(zhì)見(jiàn)表1。本試驗裝置 采用上流式固定床反應器,總高度60 cm,內徑18 cm,有 效容積2.8 L,內填充無(wú)紡布填料(日本Vilene,US專(zhuān)利5,185,415;1993),形狀見(jiàn)圖1。反應器通過(guò)外層水套的加熱設施來(lái)調節溫度在27℃~33℃之間。如圖2 所示。接種污泥初始MLVSS為0.7 g/L。試驗過(guò)程中以鹽度劃分為7個(gè)階段(表2)。整個(gè)實(shí)驗過(guò)程中,保持水力停留時(shí)間2.92 h不變,通過(guò)增加進(jìn)水總氮濃度來(lái)提高負荷。在不同實(shí)驗階段鹽度的變化通過(guò)加入自來(lái)水稀釋進(jìn)行調整。

氨氮的檢測,采用石炭酸鹽分析方法(2-羥基聯(lián) 苯作為取代品,標準為Kanda,1995)。亞氮的檢測,采 用N-(1-萘基)乙二胺光度法;硝氮的檢測采用紫外分 光光度法(標準為APHA, 1995)。分析儀器為UV型號的紫外分光光度儀。DO分析儀為D-55, Horiba,光 學(xué)顯微鏡型號為Nikon ECLIPSE E600 JAPAN,立體顯微鏡型號為Nikon SMZ1500, JAPAN,電子顯微鏡型號為Nikon SMZ1500, JAPAN。

2 反應器的啟動(dòng)

試驗反應器啟動(dòng)時(shí)的總負荷0.83 kg-N/m3/d, 水力停留時(shí)間(HRT)2.92 h,鹽度15 g/L。系統在啟 動(dòng)時(shí)期的一個(gè)月中,共經(jīng)歷了15 g/L、20 g/L和23 g/ L 3個(gè)鹽度的變化。由于原水鹽度為30 g/L,啟動(dòng)初 期,把原水稀釋成15 g/L,而由于原水總氮濃度平均 為200.0 mg/L,因此稀釋后,進(jìn)水鹽度為15 g/L時(shí), 稀釋后總氮濃度只有100.0 mg/L左右,而此時(shí)氨氮、 亞硝酸氮和硝酸氮的平均濃度分別是20.6 mg/L、20.9 mg/L和52.9 mg/L�？�氮負荷隨時(shí)間的延長(cháng)而 逐漸增長(cháng),除去率整體上也處于上升趨勢。在把鹽度 增加到23 g/L后,系統運行仍較為穩定。第31天時(shí)氨 氮去除率達到75.0 %,亞硝酸氮去除率達到41.8 %, 之后能一直保持較好處理效果,此時(shí)認為系統啟動(dòng)完成。

3 反應器運行結果

系統運行時(shí)的氨氮濃度和去除效果見(jiàn)圖3。在第Ⅰ階段,鹽度15 g/L,進(jìn)水氨氮濃度平均只有20.0 mg/L,較低的濃度利于細菌的培養馴化期。第Ⅲ階段,進(jìn)水氨氮濃度逐漸增加(46.4~68.9 mg/L);出 水氨氮濃度平均11.8 mg/L;去除率平均69.0%。到 第Ⅳ階段,鹽度達到25 g/L,進(jìn)水氨氮濃度平均50.6 mg/L;出水氨氮濃度平均11.6 mg/L;去除率平均 79.4%,最高時(shí)達到98.7%。因系統運行良好,在第Ⅴ 階段,鹽度為30 g/L,進(jìn)水氨氮濃度平均值為59.8 mg/L,出水氨氮濃度平均21.6 mg/L,去除率平均 79%,效果良好。但在第Ⅴ階段末期,水浴加熱設施突然 損壞,pH值出水小于進(jìn)水。第Ⅵ階段鹽度為15 g/L,進(jìn)水氨氮濃度平均23.9 mg/L,經(jīng)過(guò)7天系統活性恢復, 反應器進(jìn)水鹽度為30 g/L,進(jìn)水氨氮濃度平均98.8 mg/L,出水氨氮濃度平均33.9 mg/L,去除率平均 65.3%,效果良好,且運行穩定。

亞硝酸氮濃度和去除效果見(jiàn)圖4所示。進(jìn)水氨氮與亞硝酸氮濃度比值控制在1∶1.2左右,系統進(jìn)水亞硝酸氮濃度平均57.1 mg/L,出水亞硝酸氮濃度平 均19.1 mg/L,去除率平均58.6%。在第Ⅶ階段,鹽度 30 g/L,進(jìn)水亞硝酸氮濃度平均92.7 mg/L,出水亞硝酸氮濃度平均27.0 mg/L,去除率平均70.7%。在 第114 d亞硝酸氮去除率陡然下降,氨氮濃度與亞硝酸氮濃度比值為1∶1.9,嚴重偏離1∶1.2。在進(jìn)水氨 氮恢復正常水平后,污泥活性逐漸恢復,達到穩定�？�氮濃度和總氮去除效果見(jiàn)圖5,類(lèi)似于氨氮和亞硝酸 氮去除率;硝酸氮不參與反應,硝酸氮的不規律性對總氮濃度的影響也很小。在鹽度30 g/L時(shí),總氮最大值為290.9 mg/L,平均212.6 mg/L,出水濃度平均值 94.5 mg/L,平均去除率55.7%。

總氮去除負荷見(jiàn)圖6。進(jìn)水中的鹽度逐漸提高,在進(jìn)水鹽度為30g/L,總氮負荷平均值為1.75kg N/m3·d;總氮去除負荷平均值為0.97 kg N/m3·d。實(shí)驗證明,淡水性厭氧氨氧化污泥經(jīng)過(guò)培養馴化,可以處理高含鹽廢水(鹽度30g/L)。另有研究表明,在鹽度高于45g/L時(shí),污泥活性就會(huì )喪失[1]。

厭氧氨氧化反應速率見(jiàn)圖7。氨氮去除負荷與亞 硝酸氮去除負荷的比值為1∶0.928,而與厭氧氨氧化 工藝處理淡水時(shí)的理論值1∶1.3相差較大。Dapena- Mora等用厭氧氨氧化工藝處理含鹽10 g/L的魚(yú)罐 頭生產(chǎn)廢水時(shí),該值為1∶1.67[2],Ahn等用厭氧氨氧 化工藝處理養豬廢水時(shí)氨氮去除負荷與亞硝酸氮去 除負荷比值為1∶1.65,而硝酸氮生成量幾乎為零[3]。 本試驗中亞硝酸氮消耗量少的原因可能是由于過(guò)高 的鹽度抑制了厭氧氨氧化菌的活性[4],并導致了細菌 的變異,培養出了能夠抗鹽的厭氧氨氧化菌,但不符合厭氧氨氧化反應規律,需進(jìn)一步的探討研究。表3列出了幾個(gè)不同反應器處理高含鹽廢水的結果。

本試驗所采用的是固定床反應器,其溫度控制在27℃~33℃,進(jìn)實(shí)際廢水,自然溶解氧,在嚴酷的條件下,取得了較高的總氮去除負荷。

4 污泥性狀

無(wú)紡布為白色,經(jīng)過(guò)130多天馴化培養后,變成淺紅色,啟動(dòng)時(shí)所用的接種污泥中紅色顆粒和黃褐色顆粒相間,有少部分好氧菌[7],導致污泥不是全部的紅色,正是這些好氧菌消耗了反應器中的溶解氧,防止了過(guò)高的溶解氧對厭氧氨氧化菌的抑制作用。污泥顆粒粒徑分布反映了污泥顆粒的大 小,進(jìn)而說(shuō)明了污泥的密實(shí)度,是污泥顆粒的一個(gè)重要待征。

污泥顆粒分布圖見(jiàn)圖9。中位粒徑為601μm,并且分布較均勻。van der Star等研究實(shí)際運行的厭氧氨氧化處理設施時(shí),檢測到污泥顆粒粒徑為1000 μm[8]。這是由于本實(shí)驗的水力停留時(shí)間較短(3 h), 對污泥顆粒的剪切力較大,形成的顆粒較為密實(shí)。在試驗后期,取出生物膜用光學(xué)顯微鏡觀(guān)察(圖10)。無(wú)紡布分散著(zhù)大量的成塊狀聚集的細菌(圖 10A),細菌之間分散有大量的小膜填料結晶體(圖 10B);厭氧氨氧化菌以無(wú)紡布為載體,聚合在周?chē)?,而無(wú)紡布獨特的性質(zhì)使得細菌更有利于保持反應器中足夠的生物量[9]。

第120 d,用掃描電子顯微鏡觀(guān)察污泥顆粒的形態(tài)和內部結構。細菌通過(guò)胞外聚合酶的作用,形成團 狀結構(圖11 C、D),緊密地附著(zhù)在無(wú)紡布上(圖11 A、B)。有研究認為,部分反硝化菌,硝化反應、反硝化 反應和厭氧氨氧化反應的協(xié)同作用,完成污染物降解 過(guò)程[10]。

5 結論

試驗過(guò)程中,溫度為(30±3)℃,pH值為7.1~ 8.0,HRT為2.92,溶解氧濃度為5~8 mg/L,鹽度為 30 g/L時(shí),進(jìn)水氨氮濃度平均為98.8 mgN/L,出水 氨氮濃度平均33.9 mgN/L,去除率平均65.3 %;進(jìn) 水亞硝酸氮濃度平均92.7 mgN/L,出水亞硝酸氮平 均濃度為27.0 mgN/L,除去率平均為70.7 %;總氮 進(jìn)水濃度平均212.6 mgN/L,出水濃度平均94.5 mgN/L,除去率平均55.7 %。試驗過(guò)程中,獲得的總 氮負荷范圍在1.34~2.39 kg-N/m3/d之間,平均 1.75 kg-N/m3/d;總氮去除負荷0.63~1.32 kg-N/ m3/d,平均0.97 kg-N/m3/d,效果良好,運行穩定。通 過(guò)一定的方法逐漸提高廢水含鹽濃度,馴化厭氧氨氧 化污泥成處理高含鹽廢水污泥,并能得到良好的效果。直接從正在運行的反應器取泥接種,能過(guò)縮短啟 動(dòng)時(shí)間,減少培養周期;進(jìn)水不除氧氣,保持廢水中原 有的溶解氧濃度,培養出能夠消耗溶解氧的細菌,使之在反應器中與厭氧氨氧化細菌共生,發(fā)生協(xié)同作用,降低了運行成本,向厭氧氨氧化工藝的推廣應用邁進(jìn)了一步。溫度對于厭氧氨氧化反應器的運行起著(zhù)非常重要的作用,在溫度陡降時(shí)會(huì )使污泥活性降低, 出水水質(zhì)變差。為此,需要保證反應器處于合適的溫度范圍。才能取得長(cháng)期的良好的運營(yíng)效果。通過(guò)對生 物膜進(jìn)行光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀(guān)察可以看 出,細菌以無(wú)紡布纖維為中心,緊密地附著(zhù),并通過(guò)胞外聚合酶的作用,形成團狀結構,有效地保證了反應器中足夠的生物量。作者: 劉成良,鄭祖芬,李春來(lái) 來(lái)源：谷騰水網(wǎng)