UASB反应器厌氧氨氧化菌的脱氮特性研究

第２卷　第１期环境工程学报Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．１２００８年１月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＪａｎ．２００８ＵＡＳＢ反应器厌氧氨氧化菌的脱氮特性研究朱明石　周少奇　曾　武（华南理工大学环境科学与工程学院，广州５１０００６）摘　要　研究ＵＡＳＢ厌氧氨氧化（ＡＮＡＭＭＯＸ）反应器运行情况，采用普通城市污水厂活性污泥接种，人工合成废水，ｐＨ值在７．４～７．８之间，温度控制在（３２±１）℃。在反应器稳定运行２７０～４５０ｄ之间的１８０ｄ中，对ＮＨ＋４Ｎ和ＮＯ－２Ｎ去除率均达到９９９％以上，总氮去除率保持在９０％以上，ＮＯ－３Ｎ产生量在２０～３０ｍｇ／Ｌ之间波动。研究表明，ＵＡＳＢ厌氧氨氧化反应器处理废水效果明显，对ＮＨ＋４Ｎ、ＮＯ－２Ｎ和ＴＮ去除率高，ＮＯ－２Ｎ和ＮＨ＋４Ｎ比值可以指示厌氧氨氧化反应器性能的演变。ＵＡＳＢ反应器稳定运行阶段容积负荷的影响较小，ＡＮＡＭＭＯＸ菌对合成废水适应性强，反应器抗冲击能力较强，受冲击后恢复迅速。出水ｐＨ值稳定在８５附近，ｐＨ值变化情况可作为反应器运行状况的指示。关键词　硝化　厌氧氨氧化　上流式厌氧污泥床　生物脱氮中图分类号　Ｘ７０３３　　文献标识码　Ａ　　文章编号　１６７３９１０８（２００８）０１００１１０５ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｎａｅｒｏｂｉｃａｍｍｏｎｉｕｍｏｘｉｄａｔｉｏｎｂａｃｔｅｒｉａｆｒｏｍＵＡＳＢｒｅａｃｔｏｒＺｈｕＭｉｎｇｓｈｉ　ＺｈｏｕＳｈａｏｑｉ　ＺｅｎｇＷｕ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０００６）Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅａｎａｅｒｏｂｉｃａｍｍｏｎｉｕｍｏｘｉｄａｔｉｏｎ（ＡＮＡＭＭＯＸ）ｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎａｕｐｆｌｏｗａｎａｅｒｏｂｉｃｓｌｕｄｇｅｂｌａｎｋｅｔ（ＵＡＳＢ）ｒｅａｃｔｏｒｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｂｉｏｆｉｌｍｗａｓｃｕｌｔｉｖａｔｅｄｗｉｔｈａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｆｒｏｍａｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｅｗａｇｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｌａｎｔ．ＴｈｅＵＡＳＢｒｅａｃｔｏｒｗａｓｆｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｙｎｔｈｅｔｉｃｗａｓｔｅｗａｔｅｒｓｃｏｎｔａｉｎｅｄｈｉｇｈｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆａｍｍｏｎｉｕｍｎｉｔｒｏｇｅｎ（ＮＨ＋４Ｎ）ａｎｄｎｉｔｒｉｔｅｎｉｔｒｏｇｅｎ（ＮＯ－２Ｎ），ｔｈｅｐＨｖａｌｕｅｗａｓｆｉｘｅｄａｔ７４ｔｏ７８ａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｔ（３２±１）℃．ＴｈｅＵＡＳＢｒｅａｃｔｏｒｗａｓｏｐｅｒａｔｅｄｄｕｒｉｎｇａｒｏｕｎｄ１８０ｄａｙｓｆｒｏｍｄａｙｓ２７０ｔｏ４５０ｏｆｏｐｅｒａｔｉｏｎｉｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙ．ＴｈｅｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｓｏｆＮＨ＋４ＮａｎｄＮＯ－２Ｎｗｅｒｅｂｏｔｈ９９９％；ｏｖｅｒ９０％ｏｆｔｈｅｔｏｔａｌｎｉｔｒｏｇｅｎ（ＴＮ）ｗｅｒｅｒｅｍｏｖｅｄ，ａｎｄｔｈｅｎｉｔｒａｔｅｎｉｔｒｏｇｅｎ（ＮＯ－３Ｎ）ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｒａｔｅｗａｓｂｅｔｗｅｅｎ２０ｔｏ３０ｍｇ／Ｌ．ＴｈｅｓｔｕｄｙｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆＡＮＡＭＭＯＸｒｅａｃｔｉｏｎｉｎＵＡＳＢｒｅａｃｔｏｒｗａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ，ｉｔｈａｄｈｉｇｈｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｓｏｆＮＨ＋４Ｎ，ＮＯ－２ＮａｎｄＴＮ．ＴｈｅｒａｔｉｏｏｆＮＯ－２ＮｔｏＮＨ＋４ＮｃｏｕｌｄｉｎｄｉｃａｔｅｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＡＮＡＭＭＯＸｒｅａｃｔｏｒｓ．Ａｔｔｈｅｓｔａｂｌｅｓｔａｇｅｏｆｔｈｅｒｅａｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｉｎｆｌｏｗｒａｔｅｗａｓｎｏｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ，ＡＮＡＭＭＯＸｂａｃｔｅｒｉａｐｅｒｆｏｒｍｅｄｗｅｌｌ．ＴｈｅｅｆｆｌｕｅｎｔｐＨｗａｓｋｅｐｔａｒｏｕｎｄ８．５ａｎｄａｓｔｈｅｉｎｄｉｃａｔｉｏｎｓｉｇｎｏｆｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ＡＮＡＭＭＯＸ；ＵＡＳＢ；ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌ基金项目：国家自然科学基金资助项目（２０３７７０１３）；广东省自然科学基金重点项目（０２０９５９）；教育部新世纪优秀人才资助项目收稿日期：２００７－０７－２１；修订日期：２００７－１０－０９作者简介：朱明石（１９８２～），男，硕士研究生，主要从事环境生物技术研究工作。Ｅｍａｉｌ：[e-mail]　　随着工农业的发展和人们生活水平的提高，氮素的污染日益加剧，已成为水环境污染主要因素之一。许多国家对废水排放标准中氮的要求日趋严格，因此，废水生物脱氮技术的研究和开发受到人们的重视。但传统的生物脱氮技术都普遍存在着基建投资和运行费用较高、运行控制复杂、流程长、氧耗大和脱氮效果较差等缺陷。研究人员长期以来一直在积极探索和开发新型的生物脱氮工艺，以便能快速、高效去除废水中的氨氮。由此，一种新型的、有前景的、低成本的污水脱氮新工艺———厌氧氨氧化（ａｎａｅｒｏｂｉｃａｍｍｏｎｉａｏｘｉｄａｔｉｏｎ，ＡＮＡＭＭＯＸ）生物脱氮技术应运而生。奥地利理论化学家Ｂｒｏｄａ，１９７７年预言自然界应该存在以硝酸盐或亚硝酸盐为氧化剂的氨氧化反应［１］。１９９５年，荷兰科学家Ｍｕｌｄｅｒ等［２］在一个实验室规模的反硝化流化床中发现厌氧氨氧化反应。环境工程学报第２卷厌氧氨氧化是在厌氧条件下以ＮＯ－２作为电子受体，利用自养型细菌（ＡＮＡＭＭＯＸ细菌）将氨直接氧化为氮气（Ｎ２）实现脱氮的工艺［３］。国外学者对厌氧氨氧化反应的前景及其重要特征进行了深入研究［４～８］，也引起了国内众多学者的关注［９～１３］。本试验采用上流式厌氧污泥床反应器（ｕｐｆｌｏｗａｎａｅｒｏｂｉｃｓｌｕｄｇｅｂｌａｎｋｅｔ，ＵＡＳＢ），接种普通城市污水厂污泥来驯化微生物，对厌氧氨氧化菌的脱氮特性进行研究。１　材料与方法１．１　试验装置与流程试验采用上流式厌氧污泥床反应器，有效容积为３２Ｌ，其中反应区２２８Ｌ，沉淀区０９２Ｌ。装置及流程如图１所示［１４］。图１　试验装置与流程Ｆｉｇ．１　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｐｐａｒａｔｕｓａｎｄｐｒｏｃｅｓｓ１．２　试验用水与药品试验用水采用人工配水，主要成分如表１所示。表１　添加的物质组分Ｔａｂｌｅ１　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｅｅｄｉｎｇｍｉｎｅｒａｌｍｅｄｉａ合成废水组分ｍｇ／ＬＮＨ４Ｃｌ适时调整ＮａＮＯ２同上ＭｇＳＯ４３００ＫＨ２ＰＯ４３０ＣａＣｌ２１３６ＮａＨＣＯ３５００微量元素Ⅰ（ｍｌ／Ｌ）１．０微量元素Ⅱ（ｍｌ／Ｌ）１．０微量元素组分如表２所示。表２　微量元素的物质组成Ｔａｂｌｅ２　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｒａｃｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｎｓｏｌｕｔｉｏｎ微量元素组分ｍｇ／ＬⅠＦｅＳＯ４５０００ⅡＺｎＳＯ４·７Ｈ２Ｏ４３０ＣｏＣｌ２·６Ｈ２Ｏ２４０ＭｎＣｌ２·４Ｈ２Ｏ９９０ＣｕＳＯ４·５Ｈ２Ｏ２５０ＮｉＣｌ２·６Ｈ２Ｏ１９０Ｈ３ＢＯ３１４１．３　试验分析方法试验分析方法如表３所示。表３　分析方法Ｔａｂｌｅ３　Ａｎａｌｙｔｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓ检测成分分析方法ＮＨ＋４Ｎ纳氏试剂光度法ＮＯ－２ＮＮ（１萘基）乙二胺光度法ＮＯ－３Ｎ紫外分光光度法ｐＨ酸度计２　结果与讨论２．１　反应器的稳定运行本次试验采用低浓度、低负荷启动反应器，接种污泥为普通城市污水处理厂污泥。成功启动运行的第２７０ｄ后对反应器内厌氧氨氧化菌处理人工合成废水的效果进行研究。采用恒温循环水浴控制反应区温度保持在（３２±１）℃，添加ＮａＨＣＯ３药剂调节合成废水ｐＨ值在７４～７８之间。人工合成废水采用自来水配水，未对合成废水中的溶解氧进行处理。反应器运行至第１０ｄ时受到了明显的浓度冲击（图２和图３），导致ＮＨ＋４Ｎ、ＮＯ－２Ｎ和总氮去除率急剧下降，甚至一度对总氮失去了去除能力，在降低进水ＮＨ＋４Ｎ浓度和ＮＯ－２Ｎ浓度条件下，经过短暂的调整，微生物恢复了活性，反应器重新达到冲击前的处理效果。在运行至第３０ｄ时再次受到冲击，但此次反应器在短期内就恢复了处理能力，这说明了反应器的抗冲击能力进一步增强，厌氧氨氧化菌适应环境的能力很强。２１第１期朱明石等：ＵＡＳＢ反应器厌氧氨氧化菌的脱氮特性研究图２　进、出水氮素含量及其变化曲线Ｆｉｇ．２　ＶａｒｉａｔｉｏｎｏｆＮＨ＋４ＮａｎｄＮＯ－２Ｎｄｕｒｉｎｇｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ图３　进、出水ＮＯ－３Ｎ含量及其变化曲线Ｆｉｇ．３　ＶａｒｉａｔｉｏｎｏｆＮＯ－３Ｎｄｕｒｉｎｇｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ　　经过２次冲击调整后，反应器总体处理能力优异，其中ＮＨ＋４Ｎ和ＮＯ－２Ｎ处理率均在９９９％以上，总氮去除率也保持在９０％以上的高水平，出水ＮＯ－３Ｎ含量基本稳定在２０～３０ｍｇ／Ｌ之间，这与文献中所述ＮＨ＋４Ｎ消耗量与ＮＯ－３Ｎ产量之比为０２６相吻合［１５］，说明反应器中厌氧氨氧化反应正常进行，反应器中厌氧氨氧化菌群生长良好。但在反应器运行至第１３０～１８０ｄ期间，曾出现异常现象，在部分时间里，出水ＮＯ－３Ｎ含量曾一度低于进水含量，可能是反应器内有其他菌种参与反应，也可能是反应器内发生了同时硝化反硝化（ＳＮＤ）反应［１６］，从而使出水ＮＯ－３Ｎ含量大大降低，原因尚不清楚，有待作更进一步的研究。２．２　影响稳定运行的因素２．２．１　ＮＨ＋４Ｎ，ＮＯ＋３Ｎ的影响ＮＯ－２Ｎ与ＮＨ＋４Ｎ以一定比例被同时转化是厌氧氨氧化的本质特征。有试验结果表明［１７］，进水中ＮＯ－２Ｎ与ＮＨ＋４Ｎ的比例σ与反应器效率之间的关系最为密切，对应于每一个ＴＮ负荷条件，均存在一个基质不受限制的区域［σ１，σ２］，定义区间σ１＜σ＜σ２为非基质限制区间。当进水比例在非基质限制区间时，进出水浓度变化体现了在反应器内发生ＡＮＡＭＭＯＸ反应的真实状况，且在此区间均出现一个ＴＮ去除率最大值，此时对应的进水基质比例σ＝σＴＮｍａｘ，为反应器运行的最佳进水基质比例。考虑到ＡＮＡＭＭＯＸ反应的另一个重要特征部分ＮＯ－２Ｎ将生成ＮＯ－３Ｎ，因此将参与反应的ＮＯ－２Ｎ分成２个部分，一部分用于生成ＮＯ－３Ｎ，剩余部分与ＮＨ＋４Ｎ发生反应［１８］。因此，ＮＯ－２Ｎ与ＮＨ＋４Ｎ两者之间实际反应的比例应低于整个系统内部反应消耗的基质比例。如图４所示，ＮＯ－２Ｎ与ＮＨ＋４Ｎ比率σ在１５附近波动，在１３～１８范围内总氮去除效果较理想，达到９０％。尽管在实验前５０ｄＮＯ－２Ｎ与ＮＨ＋４Ｎ比率σ波动极大，幅度一度达到３０，反应器受到强烈冲击，致使反应器对总氮几乎丧失去除能力，厌氧氨氧化菌活性急剧下降，经过短暂调整后，厌氧氨氧化菌迅速恢复活性，反应器对总氮去除率达到８５％以上。保持反应器稳定运行一段时间后，对ＮＯ－２Ｎ与ＮＨ＋４Ｎ比率σ再次进行调整，波动幅度达到１５，尽管反应器对总氮去除率出现小幅波动，但恢复迅速，总体效果良好。这说明反应器具有极强的抗冲击能力，反应器内厌氧氨氧化菌生长良好。实验表明，该反应器内厌氧氨氧化反应最适ＮＯ－２Ｎ与ＮＨ＋４Ｎ比率σ＝１５，在［１３，１８］区间内厌氧氨氧化菌活性最佳，反应器对总氮去除效果理想。图４　ＮＯ－２Ｎ与ＮＨ＋４Ｎ比率以及总氮去除率变化曲线Ｆｉｇ．４　ＲａｔｉｏｏｆＮＯ－２ＮｔｏＮＨ＋４ＮａｎｄＴＮｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅ２．２．２　容积负荷的影响容积负荷对反应器的影响在反应器启动过程中表现较为明显。但当反应器进入稳定运行阶段，容积负荷的影响则较小。实验中并没有对合成废水所含溶解氧（ＤＯ）进行控制，由于配水中的ＤＯ对ＡＮ３１环境工程学报第２卷ＡＭＭＯＸ反应有抑制作用［１９］，调节容积负荷时的幅度并不是很大。由图５可以看出，每次容积负荷的改变，虽然ＮＨ＋４Ｎ