HCO3在部分亚硝化中功能及对亚硝化效能影响

中国环境科学2015,35(3)：757~763ChinaEnvironmentalScienceHCO3-在部分亚硝化中功能及对亚硝化效能影响李祥*,王悦,黄勇,巫川,王孟可,陈宗姮,刘福鑫(苏州科技学院环境科学与工程学院,江苏苏州215009；2.苏州科技学院环境生物技术研究所,江苏苏州215009)摘要：通过接种成熟的亚硝化生物膜研究了HCO3-在部分亚硝化过程的主要功能,为部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺处理高氨氮低碳废水时亚硝化段碳源需求提供依据.结果表明,维持进水氨氮浓度不变,通过降低HCO3-浓度将进水C/N比维持在1.8时,反应器内亚硝化效能达到0.99kg/(m3·d);逐步降低C/N比至0.5时,因HCO3-不够维持亚硝化体系pH值环境,导致亚硝化效能下降至0.67kg/(m3·d).C/N比维持在0.75时,基本能够维持亚硝化过程所需要pH值为8的环境.亚硝化过程中HCO3-的消耗量与亚硝化效能具有明显的线性关系.当利用低浓度强碱将反应器内pH值维持在8时,空气和水中微量碳源就能够满足亚硝化过程的碳源需求,亚硝化效能最高达到1.28kg/(m3·d).说明HCO3-在部分亚硝化过程中主要功能是中和亚硝化过程产生的H+,维持亚硝化菌所需要的pH值环境.关键词：部分亚硝化；碳酸氢盐；亚硝化效能；功能中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2015)03-0757-07ThefunctionofHCO3-inthepartialnitrificationandinfluenceonnitrificationefficiency.LIXiang*,WANGYue,HUANGYong,WUChuan,WANGMeng-ke,CHENZong-heng,LIUFu-xin(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215009,China；2.InstituteofEnvironmentalBiotechnology,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215009,China).ChinaEnvironmentalScience,2015,35(3)：757~763Abstract：ThemainfunctionofHCO3-inpartialnitrificationprocesswasinvestigatedbyinoculatingnitrificationbiofilmandtoprovidecarbonsourcedemandofnitritationstageinpartialnitrification/anammoxprocesstotreatwastewaterwithhighammonianitrogenandlowcarbon.Theresultsshowthatthenitrificationefficiencyreached0.99kg/(m3·d)whentheC/Nratioremainedat1.8undertheconditionsofonlydecreasinginfluentconcentrationofHCO3-andunchangedammoniaconcentration.However,thenitrificationefficiencydecreasedto0.67kg/(m3·d)atthesameconditions,becausetheconcentrationofHCO3-wasnotenoughtosustainpHenvironmentinthenitrosationsystem,whenC/Ngraduallyreducedto0.5.ThepHvaluestabledat8innitrosationprocess,whentheC/Nratioremainedat0.75.IthadanobviouslinearrelationshipbetweenconsumptionofHCO3-andnitrificationefficiencyinnitrosationprocess.Thetinycarbonintheairandwastwatermeetedthedemandofcarbonsourceandthenitrificationefficiencyratewasupto1.28kg/(m3·d)innitrificationprocess,whenthepHvaluestabledat8byusinglowconcentrationofalkali.TheresultsindicatedthatneutralizingH+producedbynitrificationprocessandmaintainingthepHenvironmentneededfornitrosomonaswerethemainfunctionofHCO3-inthepartialnitrificationprocess.Keywords：partialnitrotation；bicarbonate；nitrogentranslaterate；function随着对厌氧氨氧化反应机理、影响因素及控制过程研究的不断深入,基于厌氧氨氧化反应的自养生物脱氮联合工艺逐步受到研究者的关注[1-8].该联合工艺因具有无需有机物参与,耗氧量少,二次污染少,脱氮效能高的优势.为化工行业高氨氮、低碳废水的处理带来了新的技术革命[9-11].在联合工艺中,亚硝化作为厌氧氨氧化的前置反应,需要将部分氨氮转化为亚硝酸盐,为厌氧氨氧化提供电子受体.因此,亚硝化过程高效稳定的运行直接关系到后续厌氧氨氧化工艺脱氮效收稿日期：2014-07-07基金项目：国家自然科学基金资助项目(51008202);江苏省环保厅重大项目(201104);江苏省研究生创新基金(cxzz12_0858);江苏省环境科学与工程重点专业;江苏省特色优势学科二期项目*责任作者,实验师,[e-mail]758中国环境科学35卷能高低.研究者一般通过控制温度、溶解氧、游离氨和碱度等因素实现部分亚硝化[12-14].然而厌氧氨氧化细菌与好氧氨氧化细菌(此处为将氨氧化为亚硝酸盐的微生物)对部分生长环境因子和基质的需求存在部分相似性,若对亚硝化过程进行限制可能会影响到厌氧氨氧化过程的脱氮效能.例如,HCO3-不仅是好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌碳源的来源,同时还是阻止亚硝化过程pH值下降和厌氧氨氧化过程pH值上升的重要缓冲物质[15-16].有研究表明通过限制HCO3-投加量可以控制部分亚硝化的程度,以满足厌氧氨氧化对进水水质的要求[17-18].但是该策略到底是限制好氧氨氧化菌对碳源的需求,还是限制了亚硝化菌对pH值缓冲物的需求,仍很少有文献进行报道.同时若对亚硝化段进行HCO3-控制,可能会导致厌氧氨氧化菌对碳源需求量不足,影响整体工艺的脱氮效能.因此,如何实现亚硝化反应器高效稳定运行的同时,不影响厌氧氨氧化过程对HCO3-的需求是目前联合工艺运行过程需要探讨的问题之一.本文利用驯化好的亚硝化生物膜进行HCO3-对亚硝化反应速率的影响研究,了解HCO3-在亚硝化过程中满足碳源和维持pH值功能的主次及需求量,旨在为亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺运行过程中,HCO3-是否满足部分亚硝化反应和后续HCO3-是否满足厌氧氨氧化反应的需求提供参考.1材料与方法1.1装置与运行条件HCO3-浓度变化对亚硝化效能影响的试验采用连续流生物膜反应器R1(图1),由直径10cm的有机玻璃制成,有效容积8L.反应内填充聚乙烯环状填料,填充度为50%.反应器内置搅拌装置,保证基质与微生物充分接触.反应器温度控制在32℃,由加热棒控制;进水方式为连续流,流量由蠕动泵控制;进气量由转子气体流量计控制.限制碳源对亚硝化效能影响的实验采用发酵罐装置R2,由玻璃制成(图1).控制反应器有效体积2.5L,内置纤维填料,填充度25%.反应器温度控制在32℃,由水浴套加热控制.进水方式为连续流,流量由蠕动泵控制;进气量由转子气体流量计控制.反应器内置ORP/pH在线监控调节装置,控制反应器内pH值在8.0±0.1,由低浓度强酸强碱控制.搅拌器加热器进出水口进气管加热循环水进口加热循环水出口进气口进水口反应器R2出水口酸碱调节液进口出气搅拌器pH探头ORP探头图1亚硝化反应装置Fig.1Schematicdiagramofthenitrificationreactor1.2接种污泥亚硝化反应器接种污泥为成熟的亚硝化生物膜,接种污泥取自某生活污水处理装置好氧区的活性污泥,成絮状,具有良好的沉淀性能,SVI为40mL/g.1.3模拟废水组成采用人工配水,废水主要由NH4Cl(按需配制),NaHCO3(按需配制),KH2PO427mg/L,CaCL2·2H2O136mg/L,MgSO4·7H2O20mg/L和微量元素浓缩液Ⅰ1mL/L,微量元素浓缩液Ⅱ1.25mL/L组成.微量元素浓缩液Ⅰ:EDTA5000mg/L,FeSO45000mg/L;微量元素浓缩液Ⅱ:EDTA5000mg/L,ZnSO4·7H2O430mg/L,CoCl2·6H2O240mg/L,MnCl2·4H2O990mg/L,反应器3期李祥等：HCO3-在部分亚硝化中功能及对亚硝化效能影响759CuSO4·5H2O250mg/L,NaMoO4·2H2O220mg/L,NiCl2·6H2O190mg/L,NaSeO4·10H2O210mg/L,H3BO414mg/L.1.4测定方法水质指标均按照《水和废水监测分析方法》[19]方法测定.NH4+-N采用纳氏分光光度法;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;DO采用梅特勒荧光法在线监测仪;pH值采用哈纳pH211型酸度计;pH/ORP在线监测设备采用梅特勒监测仪,IC(InorganicCarbon,简称IC)采用岛津TOC监测设备.1.5实验方法HCO3-在亚硝化过程中对亚硝化效能及出水水质的影响:保持进水NH4+-N浓度不变的情况下,逐步降低HCO3-的浓度.通过进出水氮素浓度的测定,研究不同HCO3--C/N比对亚硝化生物膜反应器R1的亚硝酸盐转化效能的影响.同时通过进出水IC与pH值的测定分析不同HCO3--C/N比对亚硝化效能的影响机理.限制碳源对亚硝化效能影响的实验:接种亚硝化生物膜启动亚硝化反应器R2并使之稳定运行,然后利用低浓度强碱控制反应器的pH值恒定在8.0±0.1,仅有微量元素中的碳源和空气中的CO2作为碳源,研究限制碳源对亚硝化效能的影响.2结果与分析2.1在亚硝化过程中HCO3-浓度变化对亚硝化效能的影响在亚硝化反应器R1运行过程中,设定进水NH4+-N浓度300~350mg/L(图2),设定HRT为0.13d.在反应器启动初期设定进水HCO3--C与NH4+-N比值为1.8左右,此时出水NH4+-N最低下降到169mg/L,相应NO2--N与NO3--N分别为131mg/L和1.7mg/L,亚硝化效能最高上升到0.99kg/(m3·d).随后在不改变进水NH4+-N浓度的条件下,逐渐降低进水HCO3-浓度.经过48d的运行,进水HCO3--C与NH4+-N比值逐步降低到0.48左右,反应器R1出水NO2--N浓度也随其逐渐下降,最终维持在87mg/L左右,亚硝化效能最低下降到0.67kg/(m3·d),相应进水NH4+-N浓度为317mg/L.反应器R1的整个运行过程出水NO3--N浓度一直小于3mg/L,说明反应器内未出现硝化菌(此处为将亚硝酸盐氧化为硝酸盐的微生物)大量繁殖的现象.为了进一步验证是否由于HCO3-浓度下降导致反应器R1亚硝化