含高氨氮水產(chǎn)養殖廢水處理新技術(shù)

　　肆意排放的高氨氮含量的集約化水產(chǎn)養殖廢水往往會(huì )加劇鄰近水域水體富營(yíng)養化，導致養殖水體及周?chē)�水域生態(tài)嚴重失衡及環(huán)境急速惡化。集約化養殖廢水中高氨氮污染源的來(lái)源主要為養殖對象的排泄物和殘余的食料等〔1〕。目前國內針對處理集約化水產(chǎn)養殖廢水中的高氨氮一般采用傳統的污水 處理方法，這類(lèi)處理工藝流程往往占地面積較大，且能耗也較大。本課題組運用新型的處理方法——電極生物膜法〔2〕，同時(shí)利用亞硝化細菌實(shí)行短程硝化反硝化脫氮的特點(diǎn)，為高氨氮養殖廢水的處理提供參考。

　　電極生物膜法改變傳統的外部供氧供氫方式，通過(guò)反應器內部電解產(chǎn)生的氧氣和氫氣作為反應供體，大大提高了轉化效率，而且可通過(guò)調節電流控制反應速率。短程電極生物膜工藝流程簡(jiǎn)單、水力停留時(shí)間短、占地面積小、運行穩定，非常有應用價(jià)值〔3〕。

　　1 實(shí)驗裝置

　　采用圖 1所示裝置進(jìn)行實(shí)驗。

　　反應器為自主設計的雙層玻璃器皿，尺寸為D 140mm×1100mm，有效容積為12.3L，中間設一隔板將其均分為硝化區和反硝化區，底部連通。硝化區上端敞口構成好氧區，陽(yáng)極和陰極各為1根碳棒;反硝化區上端用20 mm泡沫封好密封構成缺氧區，陽(yáng)極為1根碳棒，陰極由4根碳棒并聯(lián)組成。碳棒的長(cháng)度均為1 000 mm，浸水長(cháng)度810 mm，碳棒的直徑11 mm，用0.5 cm厚的活性炭纖維(ACF)包裹。硝化和反硝化過(guò)渡區采用石英砂為填料(厚約75 cm)，阻隔氧氣進(jìn)入反硝化區，保證缺氧環(huán)境。取水口1取樣檢測pH、NO2--N、NO3--N，取水口2取樣檢測pH、NO2--N、NO3--N、氨氮。

圖 1 電極生物膜法反應器裝置
1—超級恒溫槽；2—反應器；3—燒瓶；4—TH_CS2直流數顯恒流直流電源；5—陰極；6—陽(yáng)極；7—活性炭顆粒；8—78-1型磁力攪拌器。

　　2 培養、純化及馴化

　　培養：定期加入(NH4)2SO4，使氨氮質(zhì)量濃度為400mg/L，以乙酸為碳源，C/N維持為1，并添加適量微量元素。經(jīng)過(guò)20d的培養，在硝化區陽(yáng)極碳棒的活性炭纖維周?chē)�均勻分布黃色絮體，反硝化區陰極碳棒的活性炭纖維周?chē)�均勻分布淺黃色、海綿狀絮體，認定掛膜已成功〔4, 5〕。

　　純化：純化過(guò)程控制的溫度為(30±1)℃，pH為7.5~8.5，定期加入模擬水樣，模擬水樣由自來(lái)水、(NH4)2SO4、CH3COONa、KH2PO4組成，其中氨氮質(zhì)量濃度400mg/L，C/N為1，經(jīng)過(guò)15 d培育后，得出硝化區的亞硝化率大于50%，認為純化成功。

　　馴化：在純化的基礎上，硝化區和反硝化區分別接通直流電進(jìn)行馴化，硝化區和反硝化區保持電流在40mA，并定期加入模擬水樣。經(jīng)過(guò)連續15 d的培養，檢測到氨氮的去除率達到50%，認定馴化完成〔6〕。

　　3 分析方法

　　DO：溶解氧儀法;pH：pH計測量法;氨氮：納氏試劑比色法;NO2--N：N-(1-萘基)-乙二胺光度法;NO3--N：酚二磺酸光度法;溫度：溫度計測量法。

　　4 結果與分析

　　影響本實(shí)驗的因素有pH、DO、C/N、溫度、HRT、電流和氨氮濃度等。實(shí)驗中控制水樣流量為12L/d。由于反硝化階段環(huán)境密閉，可近似認為反硝化階段DO小于0.5mg/L〔7〕，同時(shí)反應過(guò)程中pH維持在6~9，這一區間正好適宜硝化菌和反硝化菌的生長(cháng)〔8〕。硝化區的電流保持在40 mA。

　　4.1 pH對處理效果的影響

　　在正交實(shí)驗的基礎上，取氨氮初始質(zhì)量濃度為400mg/L，溫度為35℃，反硝化區的電流為100mA，C/N為1，使用1mol/L的HCl或NaOH分別調節pH為4、5、6、7、8、9、10、11、12，測定6h后的氨氮濃度，結果表明，亞硝化菌和反硝化菌對pH變化十分敏感，反硝化菌的適宜pH為7~9，亞硝化菌的適宜pH為8~10，當pH低于5和高于12時(shí)，去除率均低于30%。pH=8時(shí)，氨氮的去除率最高。

　　4.2 溫度對處理效果的影響

　　當反硝化區通以直流電流100mA，固定氨氮質(zhì)量濃度為400mg/L，C/N為1，HRT=6h，考察溫度變化對處理效果的影響。結果表明，亞硝化菌和反硝化菌對溫度的變化同樣十分敏感，在本實(shí)驗中亞硝化菌是優(yōu)勢菌，氨氮的去除率隨亞硝化菌處理能力的增加而增加，硝化反應的適宜溫度為30~40℃，低于或高于該溫度段，硝化效果均下降，在5℃時(shí)幾乎停止;反硝化反應的適宜溫度為25~35℃。這主要是因為只有在適宜的溫度范圍內，細菌體內酶的活性才得以充分發(fā)揮，代謝加快，轉化率增加。

　　4.3 反硝化區電流對處理效果的影響

　　當控制溫度為35 ℃，氨氮質(zhì)量濃度為400 mg/L，C/N為1，改變反硝化區的電流分別為0、20、40、60、80、100、120 mA，處理6 h后，考察電流對處理效果的影響，結果見(jiàn)圖 2。

 圖 2 反硝化區電流變化對處理效果的影響

　　從圖 2可以看出，亞硝化菌和反硝化菌對電流變化有一定的感應，在本實(shí)驗中電流100mA是一個(gè)界限，在100mA以?xún)认跛猁}氮和亞硝酸鹽氮的去除率隨電流的增加而明顯提高;而超過(guò)100mA時(shí)，硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的去除率均出現隨電流的增加而降低現象，其中，對硝酸鹽氮影響更明顯。產(chǎn)生界限的原因主要是反應器有個(gè)電流極限(電流極限與反應的容積有關(guān))，電流極限以?xún)鹊牡碗娏髂艽龠M(jìn)反硝化反應。造成超過(guò)極限電流時(shí)反硝化能力下降的原因有兩個(gè)方面：(1)電流越大，反硝化菌被電死的概率越大;(2)超過(guò)電流極限，陰極產(chǎn)生的氫過(guò)多，在生物膜內形成“氫抑制”現象〔4〕，抑制反硝化進(jìn)行。

　　4.4 C/N對處理效果的影響

　　當控制溫度為35 ℃，氨氮質(zhì)量濃度為400 mg/L，反硝化區的電流為100 mA時(shí)，處理6 h，考察C/N對處理效果的影響，結果見(jiàn)圖 3。

 圖 3 不同的C/N對處理效果的影響

　　從圖 3可以看出，C/N越大，硝化和反硝化的效果越好，當C/N超過(guò)1時(shí)，處理率均在90%以上，而當C/N小于0.5時(shí)，處理效果相對來(lái)說(shuō)差很多。究其原因主要是：亞硝酸菌為自養型微生物，增加碳源可促進(jìn)亞硝化細菌的生長(cháng)，進(jìn)而提高氨氮向亞硝酸鹽氮的轉化率，使反硝化段進(jìn)水中的亞硝酸鹽氮濃度增加，為反硝化過(guò)程提供了充足的底物;在反硝化區C/N增大，則增大了電子供體，促進(jìn)反硝化的順利進(jìn)行。結合處理效果和成本，C/N最佳值為1。

　　4.5 HRT對處理效果的影響

　　當控制溫度為35 ℃，反硝化區的電流為100 mA，氨氮質(zhì)量濃度為400 mg/L，C/N為1時(shí)，考察HRT對處理效果的影響，結果見(jiàn)圖 4。

 圖 4 水力停留時(shí)間對處理效果的影響

　　從圖 4可以看出，剛開(kāi)始的幾個(gè)小時(shí)內氨氮和硝酸鹽氮的去除速率增長(cháng)很快，而HRT=3 h時(shí)，亞硝酸鹽氮出現了積累，當HRT=6 h時(shí)，所有的測試項目的去除率均達到了90%以上，并且呈現隨HRT的增加，去除率增大。

　　4.6 氨氮負荷對脫氮效果的影響

　　當控制溫度為35 ℃，反硝化區的電流為100 mA，C/N為1，處理6 h后，考察氨氮負荷對脫氮效果的影響，結果見(jiàn)圖 5。

 圖 5 氨氮負荷對處理效果的影響

　　從圖 5可以看出，在進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度為500mg/L以下時(shí)，氨氮的去除率在90%以上，超過(guò)500mg/L，去除率低于90%，氨氮的去除率隨氨氮濃度的增加呈直線(xiàn)下降。主要是電解電流有限，隨著(zhù)氨氮負荷的增加，硝酸鹽氮出現了大量的積累，從而限制了脫氮能力。

　　4.7 實(shí)際水樣的處理效果

　　利用本裝置，取衡陽(yáng)市某甲魚(yú)養殖場(chǎng)的養殖廢水進(jìn)行處理，測量該廢水中的氨氮為385.6mg/L，控制溫度為35℃，反硝化區的電流為100mA，進(jìn)水的 C/N為1。處理結果見(jiàn)圖 6。

 圖 6 實(shí)際水樣的處理效果

　　從圖 6可以看出，當處理時(shí)間超過(guò)6h后氨氮的去除率達到93.5%以上，但相對于模擬水樣的98.5%有一定的差距，影響的原因是實(shí)際水樣中的螺旋藻及其他藻類(lèi)物質(zhì)對氨氮的去除有一定的影響。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　5 結束語(yǔ)

　　(1)pH是決定亞硝化菌或硝化菌成為優(yōu)勢菌的主要因素，當pH=8時(shí)，氨氮的去除率最高。

　　(2)結合亞硝化菌和反硝化菌的適宜生長(cháng)溫度特點(diǎn)，硝化與反硝化過(guò)程同容器的生物膜電極反應器的最佳溫度為35℃。

　　(3)采用短程電極生物膜法后，相對于同反應器進(jìn)行的非短程處理工藝，HRT從8h縮短至6h〔8〕，6h后的氨氮去除率分別達到98.5%。

　　本實(shí)驗沒(méi)有對水體中的螺旋藻及其他藻類(lèi)物質(zhì)的影響做進(jìn)一步研究，這將成為改善本實(shí)驗條件的一個(gè)發(fā)展方向。