ANAMMOX与反硝化协同脱氮反应器启动及有机负荷对其运行性能的影响

书书书　第６０卷　第１０期　　化　工　学　报　　　　　　　Ｖｏｌ．６０　Ｎｏ．１０　２００９年１０月　　ＣＩＥＳＣ　Ｊｏｕｒｎａｌ　　　Ｏｃｔｏｂｅｒ　２００９檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐研究论文犃犖犃犕犕犗犡与反硝化协同脱氮反应器启动及有机负荷对其运行性能的影响孙艳波，周少奇，李伙生，覃芳慧（华南理工大学环境科学与工程学院，广东广州５１０００６）摘要：控制已稳定运行的ＵＡＳＢＡＮＡＭＭＯＸ反应器进水ＴＮ容积负荷为０．２６ｋｇ·ｍ－３·ｄ－１，通过连续添加有机物（葡萄糖），在进水有机负荷与ＴＮ负荷比值为１的情况下，仅用３５ｄ就成功启动了ＡＮＡＭＭＯＸ与反硝化协同脱氮反应器，稳定阶段反应器对氨氮、亚硝氮、ＴＮ和ＣＯＤ的去除率分别高达９５．３％、９９．１％、９４．０％和９３．２％，三氮比即去除的氨氮∶去除的亚硝氮∶生成的硝氮为１∶１．３４∶０．０３。研究了有机负荷冲击对ＡＮＡＭＭＯＸ与反硝化协同脱氮反应器运行性能的影响。结果表明，进水有机负荷的突降对反应器的运行性能影响不大；有机负荷的突增会显著影响反应器脱除氨氮的能力，经驯化后仍能实现协同脱氮作用，但会恶化反应器的出水水质，大幅降低进水有机负荷可显著改善出水水质。协同脱氮反应器对有机负荷冲击有较强的抵抗力。关键词：厌氧氨氧化；反硝化；协同脱氮；有机负荷；运行性能中图分类号：Ｘ７０３　　　　　　文献标识码：Ａ文章编号：０４３８－１１５７（２００９）１０－２５９６－０７犛狋犪狉狋狌狆狅犳犃犖犃犕犕犗犡犱犲狀犻狋狉犻犳犻犮犪狋犻狅狀狉犲犪犮狋狅狉犪狀犱犲犳犳犲犮狋狅犳狅狉犵犪狀犻犮犾狅犪犱犻狀犵狅狀犻狋狊狆犲狉犳狅狉犿犪狀犮犲狅犳狊狔狀犲狉犵犻狊狋犻犮犻狀狋犲狉犪犮狋犻狅狀犛犝犖犢犪狀犫狅，犣犎犗犝犛犺犪狅狇犻，犔犐犎狌狅狊犺犲狀犵，犙犐犖犉犪狀犵犺狌犻（犛犮犺狅狅犾狅犳犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犛狅狌狋犺犆犺犻狀犪犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犌狌犪狀犵狕犺狅狌５１０００６，犌狌犪狀犵犱狅狀犵，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓａｄｄｉｔｉｏｎｏｆｏｒｇａｎｉｃｍａｔｔｅｒ（ｇｌｕｃｏｓｅ），ａｔａｎｏｒｇａｎｉｃｌｏａｄｉｎｇｔｏｔｏｔａｌｎｉｔｒｏｇｅｎ（ＴＮ）ｒａｔｉｏｏｆ１，ｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄａｆｔｅｒｔｈｅＵＡＳＢＡＮＡＭＭＯＸｒｅａｃｔｏｒｈａｄｒｅａｃｈｅｄｔｈｅｓｔａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｐｈａｓｅ．ＴｈｅＡＮＡＭＭＯＸｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｒｅａｃｔｏｒｗａｓｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｓｔａｒｔｅｄｗｉｔｈｉｎ３５ｄｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｉｎｆｌｕｅｎｔｎｉｔｒｏｇｅｎｌｏａｄｉｎｇｓｔａｂｌｙａｔ０．２６ｋｇ·ｍ－３·ｄ－１．Ｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｏｆａｍｍｏｎｉａ，ｎｉｔｒｉｔｅ，ＴＮａｎｄＣＯＤｗｅｒｅｕｐｔｏ９５．３％，９９．１％，９４．０％ａｎｄ９３．２％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅａｖｅｒａｇｅｒａｔｉｏｏｆｒｅｍｏｖｅｄａｍｍｏｎｉａ，ｒｅｍｏｖｅｄｎｉｔｒｉｔｅａｎｄｇｅｎｅｒａｔｅｄｎｉｔｒａｔｅｗａｓ１∶１．３４∶０．０３ａｔｔｈｅｓｔａｂｌｅｐｈａｓｅ．ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｏｒｇａｎｉｃｌｏａｄｉｎｇｓｈｏｃｋｏｎｔｈｅＡＮＡＭＭＯＸｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｒｅａｃｔｏｒｗａｓａｌｓｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｈａｒｐｄｅｃｒｅａｓｅｉｎｏｒｇａｎｉｃｌｏａｄｉｎｇｈａｄｌｉｔｔｌｅｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｒｅａｃｔｏｒ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｓｈａｒｐｉｎｃｒｅａｓｅｉｎｏｒｇａｎｉｃｌｏａｄｉｎｇｐｏｓｅｄｎｏｔａｂｌｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｒｅａｃｔｏｒ．Ｓｔａｂｌｅｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌｗａｓａｃｈｉｅｖｅｄａｆｔｅｒａｃｃｌｉｍａｔｉｚａｔｉｏｎ，ａｌｔｈｏｕｇｈｔｈｅｅｆｆｌｕｅｎｔｑｕａｌｉｔｙｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｅｄ．Ｔｈｅｅｆｆｌｕｅｎｔｑｕａｌｉｔｙｃｏｕｌｄｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｔｏｒｇａｎｉｃｌｏａｄｉｎｇ．ＴｈｅＡＮＡＭＭＯＸｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｒｅａｃｔｏｒｈａｄｓｔｒｏｎｇｏｒｇａｎｉｃｌｏａｄｉｎｇｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ａｎａｅｒｏｂｉｃａｍｍｏｎｉｕｍｏｘｉｄａｔｉｏｎ；ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｓｙｎｅｒｇｉｓｔｉｃｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ；ｏｒｇａｎｉｃｌｏａｄｉｎｇ；ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　　２００９－０４－２０收到初稿，２００９－０５－０７收到修改稿。联系人：周少奇。第一作者：孙艳波（１９８４—），男，硕士研究生。基金项目：国家自然科学基金项目（２０３７７０１３）；广东省科技攻关项目（２００６Ｂ３６７０３００２）；广东省自然科学基金重点项目（０２０９５９）。　　　犚犲犮犲犻狏犲犱犱犪狋犲：２００９－０４－２０．犆狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犪狌狋犺狅狉：Ｐｒｏｆ．ＺＨＯＵＳｈａｏｑｉ，[e-mail]犉狅狌狀犱犪狋犻狅狀犻狋犲犿：ｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（２０３７７０１３），ｔｈｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＫｅｙＰｒｏｊｅｃｔｏｆＧｕａｎｇｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅ（２００６Ｂ３６７０３００２）ａｎｄｔｈｅＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＧｕａｎｇｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅ（０２０９５９）．　引　言厌氧氨氧化（ＡＮＡＭＭＯＸ）是指在厌氧条件下，微生物以ＮＨ＋４为电子供体，ＮＯ－２或ＮＯ－３为电子受体，将ＮＨ＋４、ＮＯ－２或ＮＯ－３转化成Ｎ２的生物氧化过程［１］。由于ＡＮＡＭＭＯＸ工艺具有能耗低、不需外加碳源等优点［２］，引起国内外研究者的广泛关注［３１３］。但ＡＮＡＭＭＯＸ菌属于自养厌氧菌，生长速率缓慢，倍增时间长［３］，实际含氮废水中的有机污染物会对ＡＮＡＭＭＯＸ菌产生较大的抑制作用［４］，因此，如能实现ＡＮＡＭＭＯＸ对含氮有机废水的高效脱氮，则对生物脱氮技术的发展具有重要意义。研究［４９］表明，ＡＮＡＭＭＯＸ能与反硝化共存于同一反应器中，甚至能形成一定的协同作用，为含氮有机废水同时脱氮除碳另辟新径。然而有关ＡＮＡＭＭＯＸ与反硝化的协同脱氮作用多见于理论研究和批式试验研究［７９］，有关ＡＮＡＭＭＯＸ与反硝化协同脱氮反应器的启动及其稳定性能与优化还未见报道。本文拟通过向ＡＮＡＭＭＯＸ反应器中连续添加有机物，实现ＡＮＡＭＭＯＸ与反硝化的协同脱氮反应器的启动，然后考察进水有机负荷冲击对反应器运行性能的影响，以期为该协同脱氮反应器的稳定运行和优化提供依据。１　材料与方法１１　试验装置本试验所采用的反应器如图１所示。反应器由有机玻璃制成，有效容积３．２Ｌ，将反应器遮光放置，控制恒温循环水水温使ＵＡＳＢ反应器内部温度维持在（３２±１）℃。该反应器已成功启动厌氧氨氧化反应并稳定运行接近两年。１２　试验废水试验采用人工配水，主要由（ＮＨ４）２ＳＯ４和ＮａＮＯ２组成，添加葡萄糖作为有机物。另外添加ＮａＨＣＯ３、ＫＨ２ＰＯ４和微量元素。微量元素Ⅰ（单位为ｇ·Ｌ－１）：ＥＤＴＡ５．０００，ＦｅＳＯ４５．０００；微量元素Ⅱ（单位为ｇ·Ｌ－１）：ＺｎＳＯ４·７Ｈ２Ｏ０．４３０，ＣｕＳＯ４·５Ｈ２Ｏ０．２５０，ＭｎＣｌ２·４Ｈ２Ｏ０．９９０，ＮｉＣｌ２·６Ｈ２Ｏ０．１９０，ＣｏＣｌ２·６Ｈ２Ｏ０．２４，Ｈ３ＢＯ４０．０１４。微量元素Ⅰ、Ⅱ的加入量均为１．０ｍｌ·Ｌ－１。将进水的ｐＨ值调节为７．６～８．２。图１　ＵＡＳＢ反应器与流程Ｆｉｇ．１　ＵＡＳＢｒｅａｃｔｏｒａｎｄｉｔｓｆｌｏｗｄｉａｇｒａｍ１—ｃｉｒｃｌｅｔｈｅｒｍｏｓｔａｔｉｃｗａｔｅｒｂａｔｈ；２—ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ；３—ｅｘｈａｕｓｔ；４—ｂｕｆｆｅｒｂｏｔｔｌｅ；５—ｉｎｆｌｕｅｎｔｐｕｍｐ；６—ｇａｓｓｏｌｉｄｌｉｑｕｉｄｓｅｐａｒａｔｏｒ；７—ｉｎｆｌｕｅｎｔ；８—ｈｅａｔｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ；９—ｓａｍｐｌｉｎｇ；１０—ＵＡＳＢｒｅａｃｔｏｒ；１１—ｅｆｆｌｕｅｎｔ　１３　分析测试项目及测试方法根据《水和废水监测分析方法》所列主要水质指标的测试方法［１４］：ＣＯＤ，重铬酸钾法；氨氮，钠氏试剂法；亚硝氮，犖（１萘基）乙二胺分光光度法；硝氮，紫外分光光度法；ｐＨ采用ｐＨＳ９Ｖ数显酸度计测定。１４　试验方法控制反应器的水力停留时间（ＨＲＴ）为２４ｈ，进水ＴＮ容积负荷为０．２６ｋｇＴＮ·ｍ－３·ｄ－１，进水氨氮与亚硝氮质量浓度比值为１∶１．３２。通过向进水中添加一定浓度的有机物，控制有机负荷为０．２６ｋｇ·ｍ－３·ｄ－１，启动ＡＮＡＭＭＯＸ与反硝化协同脱氮反应器；然后通过调整进水有机物浓度来控制有机负荷的变化，考察进水有机负荷冲击对协同脱氮反应器运行性能的影响。有机负荷冲击试验进水的有机负荷依次为０．１３、０．３９、０．２６、０．１３ｋｇ·ｍ－３·ｄ－１，则进水有机负荷与ＴＮ负荷的比值依次为１／２、３／２、１和１／２。试验各阶段的进水水质特性如表１所示。表１　进水水质犜犪犫犾犲１　犆犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狊狅犳犻狀犳犾狌犲狀狋ＰａｒａｍｅｔｅｒＴｉｍｅ／ｄＣＯＤ／ｍｇ·Ｌ－１ＴＮ／ｍｇ·Ｌ－１ＮＨ＋４Ｎ／ｍｇ·Ｌ－１ＮＯ－２Ｎ／ｍｇ·Ｌ－１ｓｔａｒｔｕｐｐｈａｓｅ１—５５２６０２６０１１２１４８ｏｒｇａｎｉｃｌｏａｄｉｎｇｓｈｏｃｋｐｈａｓｅ５６—７０１３０２６０１１２１４８７１—１１１３９０２６０１１２１４８１１２—１３３２６０２６０１１２１４８１３４—１８０１３０２６０１１２１４８·７９５２·　第１０期　　孙艳波等：ＡＮＡＭＭＯＸ与反硝化协同脱氮反应器启动及有机负荷对其运行性能的影响２　结果与讨论２１　启动前反应器运行情况试验前该反应器已启动ＡＮＡＭＭＯＸ并稳定运行接近两年，处于ＡＮＡＭＭＯＸ反应的稳定阶段。反应器对氨氮、亚硝氮和ＴＮ的去除率分别在９８％、９９％和８５％以上，反应器的三氮比即去除的ＮＨ＋４Ｎ∶去除的ＮＯ－２Ｎ∶生成的ＮＯ－３Ｎ为１∶１．３０∶０．２６，与Ｓｔｒｏｕｓ等［３］的报道接近。反应器内污泥为褐色颗粒污泥，能产生少量气泡。２２　协同脱氮反应器的启动周少奇［７］通过化学计量学分析指出，厌氧氨氧化反应以ＣＯ２为碳源，产生一定量的ＮＯ－３Ｎ，为反硝化提供电子受体；反硝化反应消耗有机物，产生ＣＯ２，可为ＡＮＡＭＭＯＸ解除有机物抑制的同时提供无机碳源，两者可实现协同作用。向稳定运行的ＡＮＡＭＭＯＸ反应器中连续添加有机物，启动ＡＮＡＭＭＯＸ与反硝化协同脱氮反应器。启动过程中反应器对有机ＣＯＤ和ＴＮ的去除情况见图２，对氨氮和亚硝氮的去除情况见图３，硝氮生成量和三氮比变化情况见图４。由图２可见，启动期间反应器对有机ＣＯＤ的去除明显分为３个阶段：吸附阶段（第１～２ｄ）、图２　启动期间有机ＣＯＤ和ＴＮ的去除情况Ｆｉｇ．２　ＶａｒｉａｔｉｏｎｏｆｏｒｇａｎｉｃＣＯＤａｎｄＴＮｒｅｍｏｖａｌ　图３　启动期间氨氮和亚硝氮的去除情况Ｆｉｇ．３　Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆａｍｍｏｎｉａａｎｄｎｉｔｒｉｔｅｒｅｍｏｖａｌ　图４　启动期间硝氮生成量与三氮比变化情况Ｆｉｇ．４　Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｎｉｔｒａｔｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｒｅｅｎｉｔｒｏｇｅｎｃｏｍｐｏｕｎｄｓｒａｔｉｏ　适应阶段（第３～３５ｄ）和稳定阶段（第３６～５５ｄ）。吸附阶段：反应器对有机ＣＯＤ的去除率达到８９％，该阶段反应器对有机ＣＯＤ的ＮＯ－３Ｎ去除主要以菌群吸附为主，有机ＣＯＤ并未得到真正降解，只是暂时储存于菌胶团中，该阶段的时间长度与进水有机物浓度和菌群数量有关。适应阶段：又称驯化阶段，该阶段前半段（第３～２３ｄ）有机ＣＯＤ去除率不高，在４５％～５５％之间，该