摘要:采用缺氧下向流生物膜濾池研究ANAMMOX工藝在城市生活污水深度處理中的效能,結果表明,ANAMMOX工藝不僅適用于處理高氨廢水,也可用于城市生活污水深度處理中.實(shí)驗過(guò)程中,氨氮、亞氮的消耗量及硝態(tài)氮的生成量三者之間的關(guān)系為:m(ΔNH4-N)∶m(ΔNO2-N)∶m(ΔNO3-N)=1∶(1~1.5):(0.17~0.27),ρ/(ΔTC)=0.3~1.3 mg/L.從總體脫氮效果考慮,進(jìn)水中m(NO2-N):m(NH4-N)=1.3∶1是獲得良好脫氮效果的適宜配比.NO2-N在一定程度上的提高,有利于加快ANAMMOX反應的進(jìn)程,當亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度超過(guò)118.4 mg/L時(shí),就已不是ANAMMOX的理想狀態(tài),但此時(shí)ANAMMOX反應并沒(méi)有停止,厭氧氨氧化菌仍保持較高的活性.pH可以用來(lái)判斷ANAMMOX反應的進(jìn)程,隨著(zhù)ANAMMOX反應的進(jìn)行,pH升高,但當ANAMMOX反應停止時(shí),pH趨于平穩.
關(guān)鍵詞:ANAMMOX,生物膜濾池,生活污水,深度處理,脫氮,亞硝酸鹽
隨著(zhù)生活水平的提高,城市污水中C/N的降低越來(lái)越不利于氮的去除,而外加碳源的高費用迫使尋求高效低耗的脫氮新工藝.近年來(lái),厭氧氨氧化菌的發(fā)現給傳統營(yíng)養鹽去除工藝的改善提供了一個(gè)契機.自從Mulder等[1-2]發(fā)現氨氮的厭氧生物氧化現象,證實(shí)了Broda[3]的預言之后,國內外學(xué)者對這一新型生物脫氮技術(shù)進(jìn)行了大量的研究,各種不同類(lèi)型的反應器應運而生[4-7],其目的均是為了富集世代時(shí)間長(cháng)達3周[8]的厭氧氨氧化菌.但迄今為止,對厭氧氨氧化的研究大都集中于高氨廢水的處理,如污泥消化液、垃圾滲濾液等;若能將厭氧氨氧化技術(shù)開(kāi)發(fā)應用于生活污水的深度處理之中,以其低耗氧、無(wú)需外加碳源、無(wú)需中和劑等諸多優(yōu)點(diǎn),必將會(huì )有很好的應用前景.本文以城市生活污水的二沉池出水為原水,展開(kāi)了ANAMMOX在低氨廢水處理中的應用研究,對ANAMMOX反應的影響因素進(jìn)行了探討,有助于進(jìn)一步探明該反應機理.
1材料與方法
1·1實(shí)驗裝置本實(shí)驗裝置為一下向流生物膜濾池,材質(zhì)為有機玻璃,內徑7 cm、高2 m.填料采用頁(yè)巖顆粒(粒徑2·5~5 mm),填料高度1·6 m,詳見(jiàn)圖1.
以城市生活污水的二沉池出水為研究對象,二沉池出水(即本實(shí)驗的原水)水質(zhì)為COD25~ 45 mg /L, TOC9~ 12mg /L, NH4 - N15~ 40mg /L, pH7.40~ 7.85, 水溫25~ 28 度 .時(shí), ANAMMOX 濾池中的NH4 - N 去除率穩定在98%以上. 證實(shí)厭氧氨氧化技術(shù)不僅適用于高氨高溫廢水的處理, 也可用于城市污水的深度處理之中.
1.2 檢測方法
所有的監測項目均在北京工業(yè)大學(xué)水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復工程實(shí)驗室中完成, 具體檢測方法與儀器見(jiàn)表1.
2 結果與討論
2.1 3種無(wú)機氮的轉變關(guān)系
根據Van de G raaf的結論[ 9 ] , 厭氧氨氧化過(guò)程中, 氨氮、亞硝態(tài)氮的消耗與硝態(tài)氮的生成之間關(guān)系為1B1131B0122. 本實(shí)驗中這3種無(wú)機氮之間的關(guān)系見(jiàn)圖2.
m( $NH4 - N ) Bm ( $NO2 - N ) Bm ($NO3-N) = 1 B( 1 ~ 11 5 ) B(01 17 ~ 01 27 ) ,反應過(guò)程中Q( $TC ) = 013~ 113 mg /L. 說(shuō)明此濾池中氨氮的去除主要依賴(lài)于厭氧氨氧化菌的作用, 厭氧氨氧化菌并非僅局限于高氨高溫廢水的處理, 還可用于城市生活污水的深度處理中, 可以作為污水生物處理的最后一道工序.
2.2 NO2 - N對ANAMMOX反應的影響厭氧氨氧化反應的基質(zhì)是氨氮和亞硝酸鹽氮, 對于許多微生物, NO2- 是有毒害作用的; 國內外研究結果顯示, 亞硝酸鹽氮和氨氮的質(zhì)量濃度過(guò)高均會(huì )對厭氧氨氧化過(guò)程產(chǎn)生抑制. ChristianFux[ 10] 、S trous[ 11 ] 認為, 當NO2 - N 的質(zhì)量濃度大于100 mg /L時(shí), 就能完全抑制厭氧氨氧化活性;而Jetten 等[ 12] 認為, 當NO2 - N 質(zhì)量濃度高于280mg /L時(shí), Anammox過(guò)程才會(huì )被NO2- 所抑制,但是當Q( NO2 - N ) > 140mg /L, 就己經(jīng)不是最理想的狀態(tài)了. 對于NO2 - N 的抑制質(zhì)量濃度各研究者的結論不同, 這可能與實(shí)驗水質(zhì)及所采用的具體工藝形式有關(guān), 但有一點(diǎn)是都認同的, 即高質(zhì)量濃度的NO2 - N 會(huì )對ANAMMOX 過(guò)程產(chǎn)生抑制作用.以上報道均是針對高氨氮廢水的研究結果,為進(jìn)一步探明ANAMMOX 工藝在處理低氨氮廢水時(shí)NO2 - N 的抑制作用, 盡量維持進(jìn)水氨氮不變( Q(NH4 - N ) = 36~ 40 mg /L) , 向進(jìn)水中投加不同量的亞硝酸鹽, 考察ANAMMOX 濾池運行效果, 結果見(jiàn)圖3.
此外, 由于A(yíng)NAMMOX 生物膜濾池中的生物量由懸浮生長(cháng)的活性污泥絮體和固著(zhù)生長(cháng)的生物膜兩部分組成, 均難以精確計量污泥負荷率; 同時(shí)ANAMMOX反應沿濾層不斷進(jìn)行, 參加反應的基質(zhì)質(zhì)量濃度也隨之降低, 而反應進(jìn)行的快慢與反應物質(zhì)量濃度有關(guān), 為統一考察NO2 - N 對ANAMMOX反應的影響情況, 以濾池沿水流方向0 ~20 cm 段濾層的氨氮平均去除速率來(lái)表示NO2 -N 的抑制作用.
從圖3可以看出, 隨著(zhù)進(jìn)水中NO2 - N 質(zhì)量濃度的提高, 氨氮的最大去除速率也隨之增大, 當進(jìn)水Q(NO2 - N ) = 11814 mg /L時(shí), 氨氮最大去除速率達最高值3128mg / ( L# m in); 但當進(jìn)一步提高進(jìn)水中NO2 - N 質(zhì)量濃度時(shí), 氨氮最大去除速率反而隨之降低. 這說(shuō)明高質(zhì)量濃度的NO2 -N (本實(shí)驗的結果為> 11814 mg /L)對ANAMMOX反應產(chǎn)生了抑制作用.
可見(jiàn)在用ANAMMOX 深度處理生活污水(低氨廢水)時(shí), NO2 - N 在一定程度上的提高有利于加快ANAMMOX 反應的進(jìn)程, 但同時(shí)也存在亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度過(guò)高引起的抑制效應. 在本實(shí)驗中, 當亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度超過(guò)11814 mg /L 時(shí),就已不是ANAMMOX 的理想狀態(tài), 亞硝酸鹽對厭氧氨氧化過(guò)程產(chǎn)生明顯的抑制作用, 氨氮去除速率下降. 當NO2 - N 質(zhì)量濃度高達13610 mg /L時(shí), 氨氮最大去除速率與Q ( NO2 - N ) =11814mg /L時(shí)相比, 下降了約2315%, 但高于Q(NO2 - N) < 60mg /L時(shí)的去除速率. 這說(shuō)明當NO2 - N 質(zhì)量濃度過(guò)高時(shí), ANAMMOX 反應并沒(méi)有停止, 厭氧氨氧化菌仍保持較高的活性. 可見(jiàn),在用ANAMMOX 深度處理生活污水(低氨廢水)時(shí), NO2 - N 的抑制作用具有自身的特點(diǎn), 與Christian Fux[ 10 ] 、Strous[ 11] 在處理高氨廢水時(shí)所得的結果有明顯的差別.
2.3 適宜m(NO2 - N)Bm(NH4 - N)配比的確定為了考察ANAMMOX 濾池總體脫氮效果, 跟蹤監測NO2 - N 和NH4 - N 的變化情況, 現僅列出m (NO2 - N ) Bm ( NH4 - N ) = 110: 1、113: 1、114: 1時(shí)的3組數據, 見(jiàn)圖4所示.具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
從圖4 ( a) 可以看出, 當進(jìn)水中m ( NO2 -N ) Bm (NH4 - N ) = 110B1時(shí), 在沿水流方向濾層60 cm 高度處, ANAMMOX 反應即已停止, 此時(shí),雖然還殘留有NH4 - N, 但是由于NO2 - N 不足,厭氧氨氧化菌得不到充足的電子受體, 反應停止,從而導致NH4 - N未得到完全去除.當進(jìn)水中m (NO2 - N ) Bm (NH4 - N) = 115B1時(shí)(圖4( c) ), 電子受體NO2 - N 充足, 氨氮去除速率較高, 高于m (NO2 - N ) Bm (NH4 - N) [ 113B1時(shí)的速率(圖4中擬合直線(xiàn)段的斜率即為氨氮去除速率), 但是NH4 - N 完全去除后, 出水中仍有多余的NO2 - N; 而當m (NO2 - N ) Bm ( NH4 - N) = 113B1時(shí)(圖4 ( b) ), 電子受體與電子供體完全反應,ANAMMOX濾池出水中NO2 - N 和NH4 - N 趨于0. 從以上數據分析可見(jiàn), 在將ANAMMOX應用于生活污水( 低氨廢水) 深度處理時(shí), 進(jìn)水中m( NO2 - N ) Bm ( NH4 - N ) = 113B1是獲得良好脫氮效果的適宜配比, 而這也進(jìn)一步證明了MarcS trous[ 13 ] 通過(guò)元素平衡做出的厭氧氨氧化化學(xué)計量關(guān)系的推斷.
2.4 pH的變化
周少奇[ 14] 從生化反應電子流守衡原理出發(fā),推導了厭氧氨氧化反應的生化反應計量方程式,從理論上證明ANAMMOX反應以NH4+ 作為細胞合成的氮源, 需要消耗一定的堿度, 并指出, 所有的ANAMMOX反應都有H+ 產(chǎn)生, 所以, 反應過(guò)程中會(huì )有pH 下降的現象. 諸多文獻也指出, ANAMMOX工藝無(wú)需供氧、無(wú)需外加有機碳源維持反硝化、亦無(wú)需額外投加酸堿中和試劑. 但是, ANAMMOX反應過(guò)程中pH 是否確無(wú)變化, 其變化趨勢如何, 迄今仍未見(jiàn)報道. 本實(shí)驗中以濾速2174m /h運轉ANAMMOX濾池, 當其運行穩定后, 使進(jìn)水組分中m ( NO2 - N ) Bm ( NH4 - N )分別為1. 0、115、113 時(shí), 考察隨厭氧氨氧化反應的進(jìn)行, pH沿程變化情況. 其中m ( NO2 - N ) Bm ( NH4 - N )= 113B1的結果見(jiàn)圖4. (哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院)
詳情請點(diǎn)擊下載附件：生活污水脫氮新技術(shù)
