MBRCANON工艺快速启动实验研究

书书书２０１７年５月第２５卷第５期　　　　　　　　　　　　　工业催化ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬＣＡＴＡＬＹＳＩＳ　　　　　　　　　　　　　　Ｍａｙ２０１７Ｖｏｌ．２５　Ｎｏ．５环境保护与催化收稿日期：２０１７－０１－１６　　作者简介：韩志勇，１９７６年生，男，山东省潍坊市人，博士，副教授，硕士研究生导师，从事水资源利用与水污染控制方面的研究。通讯联系人：殷文翔，男，在读硕士研究生，从事水污染控制研究方面的研究。ＭＢＲ－ＣＡＮＯＮ工艺快速启动实验研究韩志勇１，殷文翔１，刘新德２（１．兰州理工大学石油化工学院，甘肃兰州７３００５０；２．中国石油玉门油田公司炼化总厂，甘肃玉门７３５２１１）摘　要：在常温条件下，接种普通活性污泥至ＭＢＲ反应器后间歇运行。以改变曝气时间和曝气量作为主要调控方法，对全程自养脱氮（ＣＡＮＯＮ）工艺的快速启动进行室内实验研究。结果表明，在较低溶解氧条件下，第７天出现亚硝酸盐氮的累积，顺利启动部分亚硝化。随后再降低溶解氧浓度，第５４天后，总氮去除负荷达到０．１０２ｋｇ·ｍ－３·ｄ－１，成功启动了ＣＡＮＯＮ工艺。反应器对总氮和氨氮去除率分别为５８．８７％和８８．９１％，总氮去除负荷达０．２１ｋｇ·ｍ－３·ｄ－１。表明ＣＡＮＯＮ工艺在ＭＢＲ反应器中可顺利完成快速启动并可完成高效自养脱氮。关键词：水污染防治工程；ＭＢＲ－ＣＡＮＯＮ工艺；膜生物反应器；溶解氧；活性污泥；快速启动ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８１１４３．２０１７．０５．０１７中图分类号：Ｘ７０３；ＴＱ０２８．８　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１００８１１４３（２０１７）０５００７６０５Ｓｔｕｄｙｏｆｑｕｉｃｋｓｔａｒｔ－ｕｐｏｆＭＢＲ－ＣＡＮＯＮｐｒｏｃｅｓｓＨａｎＺｈｉｙｏｎｇ１，ＹｉｎＷｅｎｘｉａｎｇ１，ＬｉｕＸｉｎｄｅ２（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００５０，Ｇａｎｓｕ，Ｃｈｉｎａ；２．Ｒｅｆｉｎｉｎｇ＆ＣｈｅｍｉｃａｌＰｌａｎｔｏｆＰｅｔｒｏＣｈｉｎａＹｕｍｅｎＯｉｌｆｉｅｌｄＣｏｍｐａｎｙ，Ｙｕｍｅｎ７３５２１１，Ｇａｎｓｕ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔｏｐｅｒａｔｉｏｎｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔａｆｔｅｒｏｒｄｉｎａｒｙａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｗａｓｉｎｏｃｕｌａｔｅｄｉｎｔｏａｍｅｍｂｒａｎｅｂｉｏｒｅａｃｔｏｒａｔｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｆＣＡＮＯＮｐｒｏｃｅｓｓｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅａｅｒａｔｉｏｎｔｉｍｅａｎｄａｅｒａｔｉｏｎｒａｔｅａｓｔｈｅｍａｉｎｍｅａｎｓｏｆｃｏｎｔｒｏｌ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｕｎｄｅｒｌｏｗｏｘｙｇｅｎｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｎｉｔｒｉｔｅａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｏｃｃｕｒｒｅｄｏｎｔｈｅ７ｔｈｄａｙａｎｄｐａｒｔｉａｌｎｉｔｒｏｓａｔｉｏｎｓｔａｒｔｅｄｕｐｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．Ａｆｔｅｒｌｏｗｅｒｉｎｇｏｘｙｇｅｎｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｏｖｅｒａｌｌｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌｌｏａｄ（ＮＲＲ）ｒｅａｃｈｅｄ０．１０２ｋｇ·ｍ－３·ｄ－１ｏｎｔｈｅ５４ｔｈｄａｙａｎｄＣＡＮＯＮｐｒｏｃｅｓｓｓｔａｒｔｅｄｕｐｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ，ｗｉｔｈｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｓｏｆｏｖｅｒａｌｌｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎｏｆ５８．８７％ａｎｄ８８．９１％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄＮＲＲｏｆ０．２１ｋｇ·ｍ－３·ｄ－１．ＩｔｗａｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔＣＡＮＯＮｐｒｏｃｅｓｓｉｎＭＢＲｒｅａｃｔｏｒｃｏｕｌｄｑｕｉｃｋｌｙｓｔａｒｔｕｐａｎｄａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙａｕｔｏｔｒｏｐｈｉｃｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗａｔｅｒｐｏｌｌｕｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ＭＢＲ－ＣＡＮＯＮｐｒｏｃｅｓｓ；ｍｅｍｂｒａｎｅｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ；ｏｘｙｇｅｎｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ；ａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅ；ｑｕｉｃｋｓｔａｒｔ－ｕｐｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８１１４３．２０１７．０５．０１７ＣＬＣｎｕｍｂｅｒ：Ｘ７０３；ＴＱ０２８．８　　Ｄｏｃｕｍｅｎｔｃｏｄｅ：Ａ　　ＡｒｔｉｃｌｅＩＤ：１００８１１４３（２０１７）０５００７６０５　　近年来，随着污水厌氧处理工艺的快速发展及其在污水处理应用领域占据的比例越来越大，废水中有机碳源越来越多地转化为生物能源，导致废水中碳源不足，传统硝化－反硝化工艺运行受到限制，　２０１７年第５期　　　　　　　　　　　韩志勇等：ＭＢＲ－ＣＡＮＯＮ工艺快速启动实验研究　　　　　　　　　７７　　　　进而限制了废水的脱氮效率［１］。而全程自养脱氮工艺（ＣＡＮＯＮ）由于具有不需有机碳源，可利用氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的协同作用高效脱氮，同时具有脱氮效率高、需氧量低和剩余污泥量少等优点而成为近年来广受关注的新型脱氮工艺。对ＣＡＮＯＮ工艺的研究多在ＳＢＲ反应器中进行，因多采用火山岩等硬性材料作为填料，其在运行一段时间后产生的堵塞现象使脱氮效率无法有效提高，此外，ＳＢＲ反应器还有难以避免的污泥流失问题，会造成生物量减少，致使整个工艺无法达到较高的去除负荷，同时，自养脱氮过程中对氮素去除起重要作用的氨氧化菌和厌氧氨氧化菌均为自养菌，其倍增时间较长，特别是厌氧氨氧化菌，倍增时间长达１１天，导致ＣＡＮＯＮ工艺无法在短时间内快速启动［２］。ＣＡＮＯＮ工艺已成功应用于一些生物膜系统，在该系统中，氨氧化菌位于生物膜表层，消耗溶解氧，将氨氮转化为亚硝酸氮；而厌氧氨氧化菌处于生物膜内层，由于氨氧化菌在表层消耗溶解氧，在内层形成厌氧微环境，有利于厌氧氨氧化菌在内层进一步完成氨氮和亚硝酸盐氮的去除［３］。鉴于ＣＡＮＯＮ工艺存在微生物倍增时间长和污泥易流失等特点，探寻一种可解决上述问题的反应器对于ＣＡＮＯＮ工艺的启动及其高效脱氮功能的充分利用具有重要的理论和现实意义。而ＭＢＲ是一种膜分离技术与生物技术相结合的技术。在污水处理过程中，由于膜的高效截留作用，微生物不会流失，反应器内微生物保持较高的浓度，不仅能实现较好的泥水分离，还能有效避免产生二次污染，同时还可以节约能源，降低成本，减少占地面积。将ＭＢＲ应用到ＣＡＮＯＮ工艺中构建ＭＢＲ－ＣＡＮＯＮ工艺，充分利用ＭＢＲ对微生物的截留作用，更高效地富集氨氧化菌和厌氧氨氧化菌，既有效解决污泥易流失和处理负荷低的问题，也可以实现缩短启动时间同时提高处理效率。现阶段国内外对于ＣＡＮＯＮ工艺启动的研究，多数接种已具有全程自养脱氮或亚硝化活性的特殊污泥［４－５］，但由于此类特殊污泥较为稀缺，一定程度上限制了对ＣＡＮＯＮ工艺的研究。本文采用ＭＢＲ反应器，通过接种普通活性污泥，对ＣＡＮＯＮ工艺在常温条件下启动过程进行研究。１　实验部分１．１　实验装置实验装置见图１，其整体为圆柱形，材质为有机玻璃，有效容积５Ｌ（反应器内径１５ｃｍ，高４０ｃｍ，有效高３０ｃｍ）。内置ＭＢＲ组件，采用聚偏氟乙烯中空纤维束状膜，膜丝孔径为０．１μｍ，有效膜面积０．３ｍ２。反应器内设置搅拌装置，保持泥水混合均匀。整个反应器置于水浴中，反应温度由智能温控仪控制，保证反应在２５℃恒温条件下运行。反应器采用底部曝气方式，供气管路上通过设置流量计控制曝气量，膜组件与出水泵安装压力表。图１　实验装置Ｆｉｇｕｒｅ１　Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｅｖｉｃｅ１．２　接种污泥实验接种污泥取自兰州市安宁七里河污水处理厂。污泥经自来水和去离子水各洗涤３遍以去除其中的杂质，然后在ＭＢＲ反应器内进行接种。接种污泥的ＭＬＳＳ约１０．５ｇ·Ｌ－１，ＭＬＶＳＳ约８．４ｇ·Ｌ－１，接种量为２Ｌ。１．３　实验用水与方法实验采用人工配制高氨氮废水，以ＮＨ４Ｃｌ配置氨氮、ＮａＨＣＯ３配置碱度，调节ｐＨ约为７．５，考虑到自来水中含有足量的微量元素，不再额外添加营养液。实验用水水质为：ＮＨ４Ｃｌ含量０．７６４ｇ·Ｌ－１，ＮａＨＣＯ３含量３．３５６ｇ·Ｌ－１，ＭｇＳＯ４·５Ｈ２Ｏ含量０．１８ｇ·Ｌ－１，ＫＨ２ＰＯ４含量０．０６８ｇ·Ｌ－１，ＣａＣｌ２含量０．０６８ｇ·Ｌ－１。实验在常温［（２５±１）℃］条件下采用间歇运行方式进行，每个运行周期包括进水、进气反应和出水３个环节，抽停比为１∶３，完成后进入下一个周期循环。启动过程分为两个阶段：第一阶段为部分亚硝化的启动，第二阶段为ＣＡＮＯＮ过程的启动，两者　７８　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　工业催化　　　　　　　　　　　　　　　　　２０１７年第５期　的控制条件如表１所示。表１　不同阶段的控制条件Ｔａｂｌｅ１　Ｃｏｎｔｒｏｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔａｇｅｓ阶段时间／天ＮＨ＋４－Ｎ／ｍｇ·Ｌ－１碱度／ｍｇ·Ｌ－１溶解氧／ｍｇ·Ｌ－１ｐＨ１１～３２２００２００００．２～０．３７～８２３２～５４２００２００００．１５７～８１．４　分析方法ＮＨ＋４－Ｎ、ＮＯ－２－Ｎ、ＮＯ－３－Ｎ、ＭＬＳＳ和ＭＬＶＳＳ等均采用国家规定的标准方法进行测定；亚氮积累率和总氮去除负荷分别按式（１）与式（２）计算：亚氮积累率＝［ＮＯ－２－Ｎ］出水［ＮＯ－２－Ｎ］出水＋［ＮＯ－３－Ｎ］出水×１００％（１）总氮去除负荷＝［ＴＮ］进水－［ＴＮ］出水）×Ｑ１０００×Ｖ×２４（２）溶解氧和ｐＨ值分别采用雷磁多功能ＪＰＢ６０８型溶解氧测定仪和雷磁ＰＨＳ－３Ｃ型ｐＨ计测定。。２　结果与讨论２．１　部分亚硝化阶段的启动及稳定运行ＮＨ＋４－Ｎ和ＮＯ－２－Ｎ同时作为厌氧氨氧化菌生长所需要的基质，因此，稳定的亚氮积累是ＣＡＮＯＮ工艺顺利启动的关键前提。实现稳定的亚氮积累不但要保证对硝化菌的有效抑制，同时也需要实现氨氧化菌的有效富集才能将氨氮的氧化保持在亚氮态，实现亚氮的积累，进而为后续ＣＡＮＯＮ反应提供基质。本实验在进行部分亚硝化阶段时，控制进水氨氮浓度约２００ｍｇ·Ｌ－１，温度２５℃，ｐＨ＝７～８，溶解氧浓度０．３ｍｇ·Ｌ－１，第１阶段反应器的处理效果见图２。由图２可以看出，第一天出水氨氮、亚氮和硝氮浓度分别为１４５．５１ｍｇ·Ｌ－１、１７．６８ｍｇ·Ｌ－１和５３．３６ｍｇ·Ｌ－１，表明反应器中硝化菌已受到有效抑制，不能将亚氮完全氧化为硝氮，亚氮积累率达到２２．１３％，但仍具有较高的活性。随着反应的进行，出水氨氮浓度持续降低，亚氮积累率持续升高，第７天时，亚氮积累率接近４０％，部分亚硝化已成功启动，但氨氮去除率仅为３７．６０％。为提高氨氮去除率，在第８天提高曝气时间，使溶解氧浓度由０．２ｍｇ·Ｌ－１升至０．３ｍｇ·Ｌ－１。第２５天时，氨氮去除率约达６０％，并在（２５～４５）天稳定在约６０％，亚氮积累率持续升高，在（４０～４５）天，达到最高８９．９５％。启动亚硝化的目的是为下一阶段厌氧氨氧化菌反应提供基质从而启动ＣＡＮＯＮ，亚氮积累率无需更进一步提升。氨氮也作为厌氧氨氧化菌的基质，因此，氨氮去除率也无需达到１００％，且反应器内留有一定浓度的游离氨也可以对硝化菌活性的抑制起到一定作用［６］。图２　第１阶段反应器的处理效果Ｆｉｇｕｒｅ２　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｒｒｅａｃｔｏｒｉｎｆｉｒｓｔｓｔａｇｅ　　部分亚硝化得以顺利启动并稳定运行的主要原因：（１）溶解氧控制得当。氨氧化菌氧饱和常数约０．３ｍｇ·Ｌ－１，硝化菌约１．３ｍｇ·Ｌ－１［７］，本实验中，部分亚硝化阶段的溶解氧浓度控制在（０．２～０．３）ｍｇ·Ｌ－１，在不影响氨氧化菌活性的情况下，同时又有效抑制了硝化菌的活性，使亚氮得到有效积累；（２）本阶段最终氨氮去除率保持在约６０％，使反应器内始终存在一定浓度的游离氨，研究表明，游离氨的存在对硝化菌产生一定的抑制作用，使氨氧化菌快速富集，亚氮得到有效积累，最终成功