NH4N对耦合反应的影响

中国环境科学2016,36(3)：759~767ChinaEnvironmentalScience厌氧氨氧化与反硝化耦合脱氮除碳研究Ⅰ:COD/NH4+-N对耦合反应的影响魏思佳,于德爽,李津*,齐泮晴,管勇杰(青岛大学环境科学与工程学院,山东青岛266071)摘要：采用ASBR反应器,通过改变进水NH4+-N值,研究了COD/NH4+-N对厌氧氨氧化与反硝化耦合反应的影响.结果表明:在COD为300mg/L,NO2--N为145mg/L时,COD/NH4+-N是影响厌氧氨氧化对耦合反应脱氮贡献及NH4+-N去除率的主要因素,但不会对NO2--N去除率产生影响.当COD/NH4+-N值在1~3.25时,厌氧氨氧化对耦合反应的脱氮贡献率基本稳定在73.03%;当COD/NH4+-N值在3.75时,厌氧氨氧化对耦合反应脱氮的贡献率开始由71.76%下降至约55%;当COD/NH4+-N值在4.25~5.25时,厌氧氨氧化与反硝化的脱氮贡献率基本相等;当COD/NH4+-N值在6.5~12.5时,反硝化的脱氮贡献率随着COD/NH4+-N值的增大由51.69%增大到79.62%.耦合反应器中活性污泥的颗粒化程度不断增强,颗粒污泥的粒径主要分布在0.6~1.5mm范围内,污泥沉降性能良好.关键词：厌氧氨氧化；反硝化；COD/NH4+-N；生物脱氮中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2016)03-0759-07SimultaneouscarbonandnitrogenremovalbyanaerobicammoniumoxidationanddenitrificationⅠ:effectofCOD/NH4+-Noncoupledreaction.WEISi-jia,YUDe-shuang,LIJin*,QIPan-qing,GUANYong-jie(SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,QingdaoUniversity,Qingdao266071,China).ChinaEnvironmentalScience,2016,36(3)：759~767Abstract：Ananaerobicsequencingbatchreactor(ASBR)wasoperatedtoinvestigatetheeffectofCOD/NH4+-Noncarbonandnitrogenremovalviaanaerobicammoniumoxidationanddenitrificationbygraduallyincreasinginfluentammoniaconcentration.TheresultsshowedthatwhenCODandNO2--Nwere300and145mg/L,respectively,COD/NH4+-Nwasthemainfactoraffectingthenitrogenremovalcontributionbyanammoxprocess.However,theratioofCOD/NH4+-Nhadnosignificanteffectonnitriteremove.WhenCOD/NH4+-Nwas1~3.25,thenitrogenremovalcontributionratemadebyanammoxprocesswas73.03%.WhenCOD/NH4+-Nwas3.75,itdeclinedfrom71.76%to55%.WhenCOD/NH4+-Nwas4.25~5.25,anammoxanddenitrificationplayedequalroleinnitrogenremoval.WhenCOD/NH4+-Nwas6.5~12.5,thenitrogenremovalcontributionratemadebydenitrificationprocessincreasedfrom51.69%to79.62%.Anammoxgranulationbecamestrongerandstrongerinthereactor,andthegranulardiameterwasmainlybetween0.6~1.5mm.Thesettlingperformanceofsludgewasgood.Keywords：anaerobicammoniumoxidation；denitrification；COD/NH4+-N；biologicalnitrogenremoval厌氧氨氧化(ANAMMOX)是指在厌氧条件下,微生物以NH4+为电子供体,NO2-为电子受体,将NH4+、NO2-转化为N2的生物氧化过程[1],其计量学方程如式(1)所示.与传统生物脱氮工艺相比,厌氧氨氧化技术具有能耗低、无需外加碳源、产泥量少等优点[2-5].但通常在厌氧氨氧化过程中,约有11%的总氮会转变成NO3--N,导致NO3--N的累积,使总氮浓度无法达到排放标准[6].此外,ANAMMOX菌属自养型细菌,生长速率慢,倍增时间长[7],当有机物浓度达到一定值时,会抑制其厌氧氨氧化活性[8].在实际的含氮废水中,有机物是常见污染物之一,而它可作为反硝化菌的碳源,被反硝化菌利用,其计量学方程如式(2~3)所示.反硝化产生的CO2可为ANAMMOX提供无机碳源,而ANAMMOX反应产生的NO3-可为收稿日期：2015-08-27基金项目：国家自然科学基金项目(51278258,51478229);山东省自然科学基金项目(BS2015HZ007);山东省高等学校科技计划项目(J15LC61);青岛市应用基础研究项目(13-1-4-203-jch)*责任作者,教授,[e-mail]760中国环境科学36卷反硝化提供电子受体.在有机物的冲击下,厌氧氨氧化反应可协同反硝化反应去除系统中的总氮,提高系统总氮的去除率,从而改善出水水质[9].因此,利用厌氧氨氧化菌与反硝化菌的协同作用可以实现同步脱氮除碳,对有机含氮废水的处理具有重要意义.考虑细胞生长在内的厌氧氨氧化反应如式(1)所示[10]:NH4++1.32NO2-+0.066HCO3-+0.13H+→1.02N2+0.26NO3-+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O(1)以葡萄糖为有机物的异养反硝化反应如式(2)、式(3)所示[11]:C6H12O6+8NO2-→4N2+6CO2+2H2O+8OH-(2)5C6H12O6+24NO3-→12N2+30CO2+18H2O+24OH-(3)近几年,国内外研究者对厌氧氨氧化耦合异养反硝化做了很多研究[9,12-14].目前,相关研究表明,COD浓度及COD/N都会影响厌氧氨氧化菌脱氮[15-18].Ni等[17]的研究发现较低的COD浓度不会明显影响NH4+-N和NO2--N的去除,反而由于反硝化的作用会提高总氮去除率,高COD浓度则会使厌氧氨氧化菌的活性受到抑制,表现为较低的NH4+-N去除率.Chamchoi等[19]通过向UASB反应器中投加全脂乳发现:当COD浓度超过300mg/L(COD/N大于2)时,厌氧氨氧化菌的活性降低甚至完全失活;当COD浓度在100~200mg/L之间(COD/N为0.9)时,厌氧氨氧化菌可以有效地与反硝化菌竞争,表现为高NH4+-N去除率和低COD去除率,但这种竞争力会随着COD浓度的提高而下降.厌氧氨氧化菌适合处理低碳氮比的废水[15],利用厌氧氨氧化与反硝化耦合工艺可以解决传统生物脱氮技术碳源不足的问题[20],但目前的研究对于厌氧氨氧化与反硝化耦合反应的运行状况、厌氧氨氧化菌与反硝化菌的竞争关系及耦合反应中氮素去除贡献率等方面的认识仍存在缺陷[21].因此,本试验通过保持进水COD为300mg/L,NO2--N浓度为145mg/L,调整进水NH4+-N值,研究不同COD/NH4+-N对厌氧氨氧化与反硝化耦合脱氮除碳的影响,分析二者对脱氮的反应贡献率,可为厌氧氨氧化与反硝化协同脱氮除碳的实际应用提供理论依据.1材料与方法1.1试验装置试验采用ASBR反应器,试验装置如图1所示.反应器使用有机玻璃制作而成,总体积为8.0L,有效体积7.0L.人工配置的废水从反应器下部的进水口由蠕动泵泵入反应器内,内置精密搅拌器,整个反应器表面用锡箔纸包裹,防止光线对厌氧氨氧化活性污泥造成负面影响.反应器的外层有(30±1)℃恒温水浴,进水的pH值控制在7.54±0.10.反应器运行一个周期的时间为10.5h,其中进水2min,搅拌10h,静置25min,出水3min.161198544327图1ASBR厌氧氨氧化反应器装置Fig.1ASBRANAMMOXreactorplant1.取样口及进出水口,2.排泥口,3.搅拌,4.水浴循环进出水口,5.水浴恒温控制器,6.水封,7.进水蠕动泵,8.水浴循环蠕动泵,9.储水箱1.2试验废水试验废水为人工配水,主要成分为(mg/L):KH2PO420,CaCl297,MgSO4·7H2O214,KHCO3857,NH4+-N、NO2--N和COD由NH4Cl、NaNO2和葡萄糖按需提供.进水NH4+-N、NO2--N和COD的水质指标如表1所示.微量元素Ⅰ(1mL/L):FeSO4·7H2O5g/L,EDTA5g/L;微量元素Ⅱ(1mL/L):EDTA15g/L,H3BO30.014g/L,MnCl2·4H2O0.99g/L,CuSO4·5H2O0.25g/L,ZnSO4·7H2O0.43g/L,NiCl2·6H2O0.19g/L,Na2MoO4·2H2O0.22g/L,CoCl2·6H2O0.24g/L,NaSeO4·10H2O0.21g/L.3期魏思佳等：厌氧氨氧化与反硝化耦合脱氮除碳研究Ⅰ:COD/NH4+-N对耦合反应的影响761表1进水水质指标Table1WaterqualityindexesoftheinfluentCOD/NH4+-N11.251.51.752.252.753.253.754.254.755.256.5812.5NO2--N(mg/L)145145145145145145145145145145145145145145COD(mg/L)300300300300300300300300300300300300300300NH4+-N(mg/L)30024020017113310992807063574637.5241.3污泥性状试验开始时,反应器已运行360d,耦合系统已启动并达到稳定状态.在HRT为10h,进水NH4+-N为80mg/L,NO2--N为145mg/L,COD300mg/L的情况下,NH4+-N及NO2--N去除率均可达100%,COD去除率为40%.活性污泥的污泥沉降比(SV%)为19.5%,混合液悬浮固体浓度(MLSS)为11.2g/L,污泥沉降指数(SVI)为17.4mL/g.1.4分析项目和方法NH4+-N:纳氏试剂法[22];NO2--N:N-(1-萘基)乙二胺分光光度法[22];NO3--N:麝香草酚分光光度法[22];COD:重铬酸钾法[22];MLSS:重量法[22];pH:WTWpH/0xi340i便携式pH计;温度:水银温度计;粒径:NanoMeasurer1.2.在厌氧氨氧化和反硝化耦合反应中,全部的NH4+-N和部分NO2--N只参与厌氧氨氧化反应,剩余的部分NO2--N及厌氧氨氧化产生的NO3--N则参与反硝化反应.因此,将进水中NO2--N和NO3--N的浓度之和看作一个整体,可通过反应中NH4+-N去除量及计量方程式(1)的比例关系计算得到厌氧氨氧化反应去除的NO2--N量,然后计算出该NO2--N去除量占耦合反应中NO2--N和NO3--N去除总量的比值,即为厌氧氨氧化反应在耦合反应中的贡献率:4rem2rem34rem1.32NHN100%NONNON+0.26NHNA+−