廢水污泥中微生物脫氮技術(shù)研究
中國污水處理工程網(wǎng) 時(shí)間：2017-4-9 9:27:55
污水處理技術(shù) | 匯聚全球環(huán)保力量，降低企業(yè)治污成本
厭氧氨氧化直接利用亞硝酸鹽氧化氨，整個(gè)過(guò)程無(wú)需額外投加碳源，并且僅有部分氨氧化為亞硝酸鹽. 與傳統的硝化-反硝化處理氨氮廢水相比，短程硝化-厭氧氨氧化技術(shù)可節省100%的碳源投加和約60%的曝氣量. 厭氧氨氧化技術(shù)不僅在國外得到廣泛的應用，而且現階段國內也有許多的高氨氮廢水處理工程應用該項技術(shù)，主要包括了污泥消化液、 味精生產(chǎn)廢水、 玉米淀粉生產(chǎn)廢水、 發(fā)酵廢水等.
近年來(lái)許多研究表明，厭氧氨氧化菌具有多種底物利用的能力. 有報道顯示厭氧氨氧化微生物可以利用SO42-和NH+4、 Fe3+和NH+4、 Mn4+和NH+4、 NO3-和丙酸鹽、 NO3-和Fe2+等物質(zhì)獲得生命活動(dòng)所必需的能量. 厭氧氨氧化微生物具有200多種催化酶(好氧氨氧化菌僅有50多種)，多樣的代謝酶系統支持其多種底物利用的能力.
零價(jià)鐵(ZVI)具有較強的還原能力，在作為硝酸鹽還原材料的同時(shí)，還能修復高毒性有機物污染、 重金屬污染，是較為理想的水處理材料. 采用零價(jià)鐵修復地下水中的硝酸鹽在20世紀90年代早已被實(shí)際應用. 以零價(jià)鐵作為電子供體的氧化還原反應中，NO3-首先被還原為NO2-，并繼續還原為NH4+. 其中小部分的NO3-也可能被還原成N2. 零價(jià)鐵還原硝酸鹽反應過(guò)程中，轉化1 mol NO3-需要10 mol H+，因此這種硝酸鹽轉化難以在酸度貧乏的體系中持續進(jìn)行. 零價(jià)鐵化學(xué)還原硝酸鹽的主要產(chǎn)物為氨，易形成二次污染. 這嚴重制約了零價(jià)鐵還原硝酸鹽的技術(shù)開(kāi)發(fā)與應用.
厭氧氨氧化微生物已被證明是一種具有多底物利用能力的微生物. 在零價(jià)鐵還原硝酸鹽的反應過(guò)程中，硝酸鹽首先被還原為亞硝酸鹽，隨后被進(jìn)一步還原為氨. 該反應先后生成了亞硝酸鹽和氨兩種物質(zhì)，厭氧氨氧化微生物能生物轉化這兩種底物. 由此推測，當零價(jià)鐵-硝酸鹽體系中存在厭氧氨氧化污泥時(shí)，硝酸鹽就能夠轉化為氮氣. 當這種微生物對亞硝酸鹽和氨的競爭力比零價(jià)鐵更強時(shí)，硝酸鹽轉化為氮氣的效率更高. 本課題組前期已證明ANAMMOX 菌能夠利用該體系中硝酸鹽轉化的亞硝酸鹽和氨，說(shuō)明該體系中厭氧氨氧化對氨的競爭能力更強. 本研究探究了零價(jià)鐵還原硝酸鹽和厭氧氨氧化耦合反應的可行性，以期為開(kāi)發(fā)這種新型脫氮脫氮技術(shù)提供一定經(jīng)驗.
1 材料與方法
1.1 連續流實(shí)驗裝置
連續流實(shí)驗采用全混式厭氧攪拌器，其有效體積約為0.7 L，截面尺寸為60 mm×60 mm，有效高度為200 mm，設置三相分離器. 由蠕動(dòng)泵從反應區底部進(jìn)水，在反應區鐵屑、 污泥有效接觸反應后，經(jīng)頂部三相分離器進(jìn)行固、 液、 氣分離，最后經(jīng)出水堰排水. 反應器內加裝50 g的14~18目鐵屑，并接種厭氧氨氧化顆粒污泥30 g. 設定固定停留時(shí)間10 h，采用雙葉攪拌，攪拌速度為150 r·min-1. 設定溫度為33.0℃±0.5℃. 為避免光照影響，反應前外部用黑色遮光布覆蓋避光. 反應接種30 g(濕重)厭氧氨氧化顆粒污泥，并添加50 g粒徑為14~18目的鐵屑. 實(shí)驗裝置如圖 1 所示.
1.進(jìn)水泵;2.反應區;3.三相分離區;4.沉淀區;5.出水泵;6.洗氣瓶;7.攪拌機;8.溫控器
圖 1 連續流裝置示意
反應器進(jìn)水硝酸鹽濃度穩定在60 mg·L-1左右，HRT為10 h，pH值保持7~8. 對于整個(gè)反應而言pH值是最為關(guān)鍵的和可控的因素之一，pH值的高低不僅影響鐵與硝酸鹽的反應，而且調節厭氧氨氧化反應的活性. 因此在連續流實(shí)驗中對pH值進(jìn)行調節，初步探索了反應的影響因素. 在連續流反應器運行40 d時(shí)間內，對進(jìn)水pH值進(jìn)行調整. 考察反應體系脫氮效率、 轉化產(chǎn)物的穩定性、 pH值對反應的影響.
1.2 批試實(shí)驗
取1.0 g厭氧氨氧化污泥于50 mL已滅菌的血清瓶中，加入2.0 g的顆粒大小為14~18目的鐵屑和含60 mg·L-1NO3--N的營(yíng)養液，用高純氮吹脫30 min以去除瓶?jì)壬喜靠諝饧耙合嗳芙庋�，并迅速加蓋密封，反應10 h. 采用恒溫培養箱進(jìn)行培養，反應攪拌轉速為150r·min-1，控制培養溫度為20、 28、 35、 45℃，通過(guò)HCl和NaOH調節pH值為2.2、 4.1、 5.14、 5.5、 6.36、 6.7、 7.49，分別考察反應溫度和pH值對耦合反應脫除硝酸鹽反應的影響.
1.3 接種污泥及配水
實(shí)驗用鐵屑為14~18目，鐵含量≥98%，先用0.5 mmol·L-1的HCl清洗10 min，去除表面氧化物，再以脫氧一級水淘洗10次以去除懸浮細小鐵顆粒及表面二價(jià)鐵附著(zhù)物. 厭氧氨氧化污泥使用前先用基本培養液培養12 h，以去除原基質(zhì). 實(shí)驗均以基本培養液+氮素(硝酸鹽、 亞硝酸鹽或氨)為液相環(huán)境，基本培養液成分為(mg·L-1): KH2PO4 5,CaCl2·2H2O 136,MgCl2·7H2O 200,NaHCO3 400，KHCO3 400，微量元素Ⅰ1 mL·L-1，微量元素Ⅱ1.25 mL·L-1. 微量元素Ⅰ組成: EDTA 5 000 mg·L-1，硫酸亞鐵5 000 mg·L-1. 微量元素Ⅱ的組成如表 1所示.
表 1 微量元素Ⅱ 的組成
1.4 測定方法
實(shí)驗中各污染物指標的監測方法均參照文獻進(jìn)行: NH4+-N采用納氏試劑分光光度法，NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法、 NO3--N采用紫外分光光度法、 水中鐵采用鄰菲啰啉分光光度法、 pH值采用pHS-3TC型酸度計測定、 TOC/IC采用Multi NIC 3100分析儀.
2 結果與分析
2.1 ANAMMOX菌零價(jià)鐵還原硝酸鹽為氮氣的性能
為了更直觀(guān)地觀(guān)察反應過(guò)程中硝酸鹽轉化的狀態(tài)，將運行時(shí)間劃分為Ⅰ~Ⅴ階段. 由圖 2可見(jiàn)，0~5 d(第Ⅰ階段)該反應器完成快速啟動(dòng)，進(jìn)水硝態(tài)氮為50 mg·L-1，出水迅速從20 mg·L-1降低至5 mg·L-1，此時(shí)進(jìn)水pH值維持在7.5左右. 6~10 d(第Ⅱ階段)，調整進(jìn)水pH值為8.0左右，相同的進(jìn)水硝態(tài)氮濃度下，硝酸鹽轉化率降低至75%; 11~17 d(第Ⅲ階段)，將pH值降低至7.5左右，反應過(guò)程中硝酸鹽轉化率回升至90%~100%; 18~21 d(第Ⅲ階段)，將進(jìn)水pH值控制為7.8左右，反應出水硝態(tài)氮濃度變?yōu)?0~20 mg·L-1; 22~27 d(第Ⅳ階段)，將進(jìn)水硝酸鹽濃度降至40 mg·L-1，并且將pH值調整為7.5左右，出水硝態(tài)氮為0~3 mg·L-1; 28~32 d(第Ⅴ階段)，將進(jìn)水硝態(tài)氮濃度提高至50 mg·L-1，pH值調整值7.5左右，出水硝態(tài)氮保持在5~10 mg·L-1; 33~40 d(第Ⅴ階段)，將進(jìn)水pH濃度調整至7.0左右，出水硝酸鹽濃度接近于0. 由圖 2可見(jiàn)，整個(gè)運行過(guò)程中亞硝酸鹽和氨的濃度始終小于2 mg·L-1，并且反應出水中溶解性鐵濃度也處于較低的水平(1.5~7.3 mg·L-1，圖 2)，以固體析出(圖 3).
接種30 g的厭氧顆粒污泥(VSS約為200 mg·L-1)，14~18目的鐵屑50 g(約為71g·L-1)，水力停留時(shí)間10 h，攪拌速度為150 r·min-1，溫度為35℃±0.5℃，進(jìn)水pH 7~8
圖 2 零價(jià)鐵供亞硝酸鹽和氨的厭氧氨氧化脫氮連續流反應器基質(zhì)濃度變化
(a)反應器壁面附著(zhù)大量絮狀物;(b)出水含大量絮狀物
圖3 零價(jià)鐵耦合厭氧氨氧化反應器及出水實(shí)物
由圖 4可見(jiàn)，0~5 d(第Ⅰ階段)啟動(dòng)反應器，當進(jìn)水pH值為7.5，硝態(tài)氮負荷為0.126kg·(m3·d)-1. 此時(shí)去除負荷迅速從0.077 kg·(m3·d)-1提高至0.121 kg·(m3·d)-1，去除率也從60.8%提高至98.1%; 此后6~10 d(第Ⅱ階段)，將進(jìn)水pH值調整為8.0時(shí)，負荷仍維持0.114~0.137 kg·(m3·d)-1，硝態(tài)氮去除率為66.1%~72.8%，硝態(tài)氮去除負荷降低至0.078~0.098 5 kg·(m3·d)-1. 11~17 d(第Ⅲ階段)，進(jìn)水負荷上升至0.143~0.156 kg·(m3·d)-1，并降低pH值為7.5，去除率提高至85.6%~99.7%，硝態(tài)氮去除負荷上升至0.114~0.155 kg·(m3·d)-1. 18~21 d(第Ⅲ階段)保持進(jìn)水氮負荷水平不變，將進(jìn)水pH值提高至7.8，去除率降低至74.6%~75.7%，脫氮負荷降低至0.110~0.119 kg·(m3·d)-1(表 2); 第22 d~27 d，進(jìn)水pH值降低至7.5，并降低進(jìn)水負荷為0.098 0~0.102 kg·(m3·d)-1，此階段去除率穩定在98.8%~99.9%，相應的脫氮負荷也接近于進(jìn)水負荷. 28~32 d(第Ⅴ階段)保持pH為7.5，提高進(jìn)水硝態(tài)氮負荷為0.121~0.126 kg·(m3·d)-1，硝態(tài)氮去除率仍然為78.0%~85.4%，脫氮負荷為0.098~0.108 kg·(m3·d)-1; 隨后33~40 d(第Ⅴ階段)將進(jìn)水pH調節至7.0，保持進(jìn)水氮負荷水平不變時(shí)，去除率迅速提升至98.2%~99.9%，脫氮負荷也提高至0.119~0.135 kg·(m3·d)-1. 如圖 4(b)所示，整個(gè)連續反應器運行過(guò)程中進(jìn)水pH維持在8.0以下，出水pH始終保持在8.3~8.5范圍內，出水pH較進(jìn)水明顯增加.
接種30 g的厭氧顆粒污泥(約為200 mg·L-1)，14~18目的鐵屑50 g(約為71g·L-1)，水力停留時(shí)間10 h，攪拌速度為150 r·min-1，溫度為35℃±0.5℃，進(jìn)水pH 7~8
圖 4 零價(jià)鐵供亞硝酸鹽和氨的厭氧氨氧化脫氮能力及pH值變化
表 2 連續流實(shí)驗硝酸鹽轉化情況
由圖 5可知，監測整個(gè)反應過(guò)程進(jìn)出水溶解性有機碳(TOC)和無(wú)機碳(IC)，進(jìn)水IC為85.1~95.9 mg·L-1，出水IC為32.2~46.7 mg·L-1. 與此同時(shí)，整個(gè)反應過(guò)程中出水TOC始終小于3 mg·L-1.
接種30 g的厭氧顆粒污泥(約為200 mg·L-1)，14~18目的鐵屑50 g(約為71 g·L-1)，水力停留時(shí)間10 h，攪拌速度為150 r·min-1，溫度為35℃±0.5℃，進(jìn)水pH 7~8
圖 5 零價(jià)鐵供亞硝酸鹽和氨的厭氧氨氧化脫氮TOC及IC變化
2.2 溫度及pH值對反應的影響
在pH值為2.2~7.5的范圍內，厭氧氨氧化污泥對零價(jià)鐵還原硝酸的產(chǎn)物的影響情況如圖 6所示. 從中可知，當pH值為7.49、 6.70、 6.36、 5.50、 5.14、 4.1、 2.2時(shí)，硝酸鹽的轉化量分別為46.61、 39.73、 38.89、 33.01、 36.24、 33.94、 33.91 mg·L-1. 隨著(zhù)pH值由7.49降低至5.14，反應體系中液相總氮損失呈現出先緩慢降低. 而從5.14降低至2.2過(guò)程中，液相總氮損失率從89.41%快速降低至1.01%，此時(shí)隨著(zhù)pH值的降低，液相逐漸出現氨氮，其轉化率從0%上升至97.44%.
接種厭氧氨氧化污泥100 mg·L-1，溫度為33℃±0.5℃， 振蕩轉速150 r·min-1，反應10 h
圖 6 不同初始pH值下添加厭氧氨氧化污泥的硝酸鹽反應體系中產(chǎn)物生成情況
圖 7所示，在20~45℃條件下，厭氧氨氧化污泥對零價(jià)鐵還原硝酸鹽反應中產(chǎn)物的影響. 當溫度為20~35℃時(shí)，添加了厭氧氨氧化的零價(jià)鐵還原硝酸鹽體系中液相總氮損失的效率逐步升高，并且始終保持較高的水平(76.17%~94.84%). 當溫度為45℃時(shí)，液相總氮損失的效率急劇降低至18.12%. 厭氧氨氧化污泥對零價(jià)鐵還原硝酸鹽反應產(chǎn)物的影響在溫度為20~45℃時(shí)較大，而溫度超過(guò)其最適的生存范圍，并且化學(xué)反應更為強烈時(shí)，其還原產(chǎn)物主要為氨.
接種厭氧氨氧化污泥100 mg·L-1，溫度為33℃±0.5℃，振蕩轉速150r·min-1，反應10 h
圖 7 不同溫度下添加厭氧氨氧化污泥的硝酸鹽還原體系中產(chǎn)物生成情況
3 討論3.1 ANAMMOX菌利用零價(jià)鐵還原硝酸鹽為氮氣效果
由圖 2~4可見(jiàn)，ANAMMOX菌能夠利用零價(jià)鐵將硝酸鹽轉化為氮氣. 連續運行40 d內，硝酸鹽得到大量的轉化，而出水氨和亞硝酸鹽幾乎檢測不到，因此推測硝酸鹽以氮氣形式損失. 進(jìn)水氮負荷為0.09~0.16kg·(m3·d)-1，脫氮負荷為0.08~0.15kg·(m3·d)-1. 由于該反應為消耗堿度的過(guò)程，出水pH值保持較高水平，這導致了液相中可溶性總鐵小于6 mg·L-1.
有研究報道該體系中零價(jià)鐵在中性條件下能釋放出氫氣，氫自養反硝化微生物利用氫氣和硝酸鹽反應生成氮氣. 析氫腐蝕耦合氫自養反硝化反應中氫自養反硝化作用如[公式(2)]所示，氫自養反硝化菌轉化30 mg·L-1硝態(tài)氮僅同化0.85 mg·L-1氮，零價(jià)鐵還原硝酸鹽化學(xué)反應不可避免地發(fā)生，該反應會(huì )積累一定量的氨. 而在本反應體系中并沒(méi)有氨的積累，并且所用厭氧氨氧化污泥取自只含亞硝酸鹽和氨的人工配水連續培養2 500 d的種泥反應器內，其污泥中主要微生物為厭氧氨氧化微生物，故排除該反應機制的可能.
圖 8 厭氧氨氧化微生物利用零價(jià)鐵還原硝酸鹽為氮氣體系元素轉化推測
通常情況下，硝酸鹽被零價(jià)鐵還原的產(chǎn)物以氨為主，而本實(shí)驗通過(guò)添加厭氧氨氧化微生物能有效解決該問(wèn)題. 由于零價(jià)鐵還原硝酸鹽過(guò)程中，硝酸鹽逐步轉化為亞硝酸鹽和氨，而厭氧氨氧化微生物能夠利用這兩種底物產(chǎn)生氮氣(圖 8). 當體系中的硝酸鹽被還原為亞硝酸鹽時(shí)，便形成了零價(jià)鐵還原亞硝酸鹽化學(xué)反應和厭氧氨氧化菌利用生成的氨還原亞硝酸鹽生物反應兩種反應對亞硝酸鹽底物進(jìn)行的競爭. 長(cháng)期實(shí)驗表明，在對這種底物的競爭中，厭氧氨氧化微生物的生物轉化作用始終占優(yōu)勢，并且反應速率較快，這使得運行期間整個(gè)反應過(guò)程中始終監測不到亞硝酸鹽和氨的積累. 從轉化硝酸鹽及產(chǎn)物角度考察(圖 2)，ANAMMOX菌利用零價(jià)鐵轉化硝酸鹽為氮氣是可行的，從厭氧氨氧化微生物本身的角度來(lái)看，長(cháng)期運行期間IC始終降低而TOC監測不到，因此判斷厭氧氨氧化微生物能夠利用零價(jià)鐵還原硝酸鹽生成的亞硝酸鹽和氨進(jìn)行生命活動(dòng).
通常鐵屑長(cháng)期浸泡在氧化還原電位較高的水體中容易氧化而失活，但本實(shí)驗中零價(jià)鐵在反應器啟動(dòng)時(shí)一次性投加，連續運行中并未出現反應效率大幅降低的情況. 因此，零價(jià)鐵耦合厭氧氨氧化有利于零價(jià)鐵還原硝酸鹽的反應. 由于鐵屑密度較大，采用全混式攪拌罐作為反應器時(shí)，其常沉于底部，導致與液相及污泥混合效果較差，因此該反應脫氮效果仍有較大提升空間. 接下來(lái)的研究中，課題組將開(kāi)展厭氧氨氧化微生物促進(jìn)零價(jià)鐵還原硝酸鹽機制和反應器形式對ANAMMOX菌利用零價(jià)鐵轉化硝酸鹽為氮氣的相關(guān)研究.
3.2 ANAMMOX菌利用零價(jià)鐵還原硝酸鹽為氮氣的最佳條件
實(shí)驗表明，厭氧氨氧化微生物對零價(jià)鐵還原硝酸鹽的產(chǎn)物的作用隨著(zhù)pH值改變. 當pH值在7.5~5.14之間時(shí)，厭氧氨氧化污泥能夠將零價(jià)鐵還原體系中89%以上的硝酸鹽以總氮形式損失，而當pH值小于5時(shí)，反應體系以化學(xué)反應為主. 當pH值較低時(shí)，微生物活性隨之喪失，無(wú)法作用于零價(jià)鐵和硝酸鹽反應體系，而化學(xué)反應卻逐步強化，因此低pH值環(huán)境下硝酸鹽大部分轉化為氨. 而當中性條件下，由于在添加厭氧氨氧化污泥后，反應體系中存在較少的亞硝酸鹽和氨，此時(shí)不存在足夠的游離氨、 游離亞硝酸鹽對微生物反應進(jìn)行抑制. 溫度對厭氧氨氧化微生物作用于零價(jià)鐵還原硝酸鹽的影響也呈現與微生物條件相一致的相應變化，其最佳溫度為35℃. 厭氧氨氧化污泥對零價(jià)鐵還原硝酸鹽反應的最終產(chǎn)物的類(lèi)型有決定性作用，當條件適合時(shí)，其液相總氮損失可達到98%，而活性污泥只能達到32.26%. 但這種對硝酸鹽還原產(chǎn)物的影響受環(huán)境條件所限制.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4 結論
(1) 厭氧氨氧化微生物對零價(jià)鐵還原硝酸鹽作用是持續有效的. 在中性條件下，添加厭氧氨氧化微生物的零價(jià)鐵還原硝酸鹽體系中持續供給零價(jià)鐵和硝酸鹽，0~5 d硝酸鹽脫氮負荷達到0.12 kg·(m3·d)-1. 反應出水氨和亞硝酸鹽始終小于2.0 mg·L-1，以液相總氮形式損失，出水pH較進(jìn)水高值超過(guò)8.0并且可溶性鐵含量始終小于7 mg·L-1.
(2) 零價(jià)鐵還原硝酸鹽供亞硝酸鹽和氨的厭氧氨氧化脫氮反應為耗酸過(guò)程，在偏酸性條件下(pH值為4~6)反應速度加快，并且液相總氮損失率大于89%. pH值小于4時(shí)，硝酸鹽還原以化學(xué)反應為主導，最終產(chǎn)物為氨; pH值大于7時(shí)，硝酸鹽還原速率大幅降低;
(3) 中性條件下，反應溫度在30~40℃時(shí)，液相總氮損失率大于89%. 過(guò)低溫度(低于20℃)使得硝酸鹽轉化速率變慢，過(guò)高溫度(高于40℃)使得生物作用減弱，硝酸鹽最終轉化為氨.
