WFSI处理低CN比养猪废水的效果及脱氮机制

中国环境科学2016,36(1)：87~91ChinaEnvironmentalScienceWFSI处理低C/N比养猪废水的效果及脱氮机制邓凯文,李建政*,赵博玮(哈尔滨工业大学,城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江哈尔滨150090)摘要：为有效处理高氨氮、低C/N比养猪废水,采用在土壤中布设木条形成木质框架的方法构建木质框架土壤渗滤系统(WFSI),并通过调控运行探讨其对化学需氧量(COD)、氨氮(NH4+-N)、总氮(TN)的处理效果.研究表明,对于COD、NH4+-N和TN分别为160-359、253-298和317-374mg/L的养猪废水,在(25±1)℃和表面水力负荷为0.2m3/m2·d条件下,系统可在30d启动成功并达到稳定运行,其COD、NH4+-N和TN去除率分别达到61.7%、85%和36.3%左右.分析表明,WFSI中同时存在异养反硝化和厌氧氨氧化等多种生物脱氮机制,其中厌氧氨氧化的脱氮贡献可达去除总氮的42.3%以上.关键词：养猪废水；氨氮；低C/N比；土壤渗滤系统；脱氮中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2016)01-0087-05Efficiencyanddenitrificationmechanisminawood-chip-frameworksoilinfiltratortreatingpiggerywastewaterwithlowC/Nratio.DENGKai-wen,LIJian-zheng*,ZHAOBo-wei(StateKeyLaboratoryofUrbanWaterResourceandEnvironment,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China).ChinaEnvironmentalScience,2016,36(1)：87~91Abstract：InordertotreatpiggerywastewaterwithhighammoniumdensityandlowC/Nratio,awood-chip-frameworksoilinfiltrator(WFSI)wasconstructedanditsperformanceinCOD,NH4+-NandTNremovalwasinvestigated,whilethemechanismfordenitrificationwasanalyzed.Theinfiltratorwasstartedupatahydraulicsurfaceloadingrateof0.2m3/m2·dandtemperature(25±1)℃,andcouldgetsteadyinperformancewithin30days.TheresultsshowedthatCOD,NH4+-NandTNremovalintheinfiltratorwereabout61.7%,85.0%and36.3%,respectively,asagainstafeedconcentrationwhichranged160~359,253~298and317~374mg/L,respectively.HeterotrophicdenitrificationandANAMMOXwereidentifiedasthedenitrificationapproachesintheWFSI,andthecontributionofANAMMOXtotheTNremovalwasmorethan42.3%.TheCOD,NH4+-NandTNremovalintheinfiltratorwereabout61.7%,85.0%and36.3%,respectively,asagainstarangedfeedconcentrationof160~359,253~298and317~374mg/L,respectively.Keywords：piggerywastewater；ammonium；lowC/Nratio；soilinfiltrator；denitrification氮素过量是造成水体富营养化的主要原因之一,对废水进行脱氮处理则可从源头上控制氮素的排放,保护受纳水体的生态平衡[1-3].诸如食品加工、畜禽养殖和屠宰等企业所排放的废水,一般都含有较高浓度的氨氮(NH4+-N),养猪废水的NH4+-N含量甚至高达470mg/L以上[4-5].养猪废水还具有低碳氮比的特性,采用传统的硝化反硝化工艺很难对其进行有效的脱氮处理[6-7].脱氮处理工艺主要有厌氧-好氧活性污泥法、序批式活性污泥法、曝气生物滤池等,其脱氮作用主要是通过硝化和异养反硝化途径得以实现,需要提供足够的碳源作为电子供体,加之微生物增殖对碳源的需求,通常要求碳氮比[C/N比,其中C以化学需氧量(COD)计,N以总氮(TN)计]为4以上才能获得较好的生物脱氮效果[6].新兴的一些脱氮工艺,如CANON,Sharon-ANAMMOX等是根据自养反硝化原理研发成功的,不仅脱氮效率高,而且几乎不需要碳源,尤其适合处理具有低C/N比的有机废水,但运行条件苛刻、管理复杂,制约了其推广应用[7].针对养猪废水高氨氮、低C/N比的水质特点,研发既经济收稿日期：2015-05-21基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项项目(2013ZX07201007-002-03);黑龙江省应用技术研究与开发计划项目(GC13C303)*责任作者,教授,[e-mail]88中国环境科学36卷高效又运行管理方便的处理技术,成为保证养猪业可持续发展的重要需求.土壤渗滤工艺具有管理方便,处理成本低等优点[8].为防止土壤滤层的重力压实和由水流冲刷造成的塌陷,采用向土壤层中布设木条形成支撑框架的方法,构建了木质框架土壤渗滤系统(WFSI)装置,并通过启动运行,考察了系统对高氨氮、低C/N比养猪废水的处理效能,并就其脱氮机制进行了探讨.1材料与方法1.1废水水质试验废水取自哈尔滨市郊某养猪场.该养猪场采用干清粪的清粪方式,产生的废水主要由猪尿和猪舍冲洗水组成,其水质如表1所示.该废水的COD和NH4+-N平均浓度分别为210和268.5mg/L,其COD/TN的平均值只有0.64,是一种典型的高氨氮、低C/N比废水.表1试验废水水质Table1Qualityofthewastewater水质指标平均值最大值最小值pH值8.48.98.0NH4+-N(mg/L)268.5342.1180.3NO2--N(mg/L)0.20.60NO3--N(mg/L)0.11.20COD(mg/L)21036396COD/TN0.641.610.331.2木质-土壤渗滤装置图1为试验试制的WFSI装置示意.其中,渗滤柱由有机玻璃制成,Φ15cm,总高1.5m,有效体积21.1L.柱底设有一容积约为0.6L的圆锥体,用于废水的收集和排放.柱内自下而上依次填有5cm厚的承托层、110cm高的木质-土壤渗滤层和5cm厚的布水层.其中,承托层由Φ5~8mm的砾石铺设而成,布水层由尺寸为1.5~2.5×1~1.5×0.2~0.4cm的碎木铺成.渗滤层由用水浸透的松木条与土壤混匀填装而成,二者的堆积体积比1:3.其中的木条尺寸为3~5×2~3×0.2~0.4cm,土壤为过200目筛的苗圃腐殖土.水箱蠕动泵渗滤柱布水层木质-土壤层承托层出水口布水头图1试验装置示意Fig.1Schematicdiagramofexperimentalequipment1.3系统的启动运行如图1所示,废水由蠕动泵按设定流速提升到滤床顶部,经滤床过滤后由底部的椎体收集并排出.WFSI在0.2m3/(m2·d)的表面水力负荷下启动运行,进水量3.5L/d,环境温度为(25±1)℃.1.4分析方法在WFSI的启动和运行过程中,对进水和出水水质进行监测.COD、NH4+-N、亚硝酸盐氮(NO2--N)、硝酸盐氮(NO3--N)以及pH值的检测为每天1次,均采用国家标准方法进行测定[9].其中,COD采用密闭消解法测定,NH4+-N、NO2--N、NO3--N采用分光光度法测定,pH值采用pH计(DELTA320,MettlerToledo)测量.TN采用multiN/C-2100s总有机碳分析仪(Analytikjena,德国)定期检测.2结果与讨论2.1COD的去除土壤渗滤系统对COD的去除机制包括过滤、吸附以及微生物的降解作用,其中的微生物降解是最为主要的途径[10].如图2所示,在为期80d的启动与运行过程中,WFSI对COD的去除表现出明显的阶段性.在启动初期(前4d),由于滤床土壤中的微生物尚处于萌发阶段,加之土壤和木条中可溶性有机物的溶解,导致出水COD浓度较进水有明显升高[11].随着滤床中可溶性有机物的不断洗出,出水COD浓度逐渐降低,并在第9~15d保持在66mg/L的较低水平,使系统表现出62.7%左右的去除率,而这一较高的去除率应该1期邓凯文等：WFSI处理低C/N比养猪废水的效果及脱氮机制89是由土壤和木条吸附作用贡献的[12].自第16d开始,系统出水COD浓度再次回升,虽然在第18d达到峰值后再次下降,但在第18~24d的运行中,系统出水和进水COD浓度非常接近,说明系统对污染物的吸附已达到饱和.随着运行的持续,系统填料中的微生物得以萌发和增殖,其代谢作用逐渐成为系统去除COD的主要机制[13].自第25d开始,系统的COD去除率迅速提高,并在第30d后稳定在了61.7%左右,出水浓度平均为84mg/L.在第49~63d运行期间,系统出现了土壤流失现象,一些土壤颗粒随出水流出,但这并未对系统的COD去除率造成显著影响.020406080050100150200250300350400450COD(mg/L)时间(d)020406080100去除率(%)进水出水去除率图2WFSI的进出水COD及去除率Fig.2CODandCODremovalintheWFSI2.2NH4+-N的转化与脱氮NH4+-N在土壤渗滤系统中的迁移转化是一个复杂过程,包括了挥发、吸附、硝化、反硝化、厌氧氨氧化等作用,而微生物的硝化与反硝化作用被认为是氮素去除的主要途径[14].如图3所示,伴随COD去除率在第30d后达到相对稳定(图2),系统对NH4+-N的去除也同步趋于稳定.在第30~48d的运行中,进水和出水NH4+-N浓度分别平均为241.4和13.6mg/L,平均去除率高达94.0%.自第49d发生土壤流失后,系统的NH4+-N去除率有所下降,在第74~80d重新达到稳定状态时,其平均去除率下降为85.0%.废水生物处理系统中的NH4+-N,除了用于生物合成外,其主要去除机制是硝化和厌氧氨氧化[15-17].在为期80d的运行中,WFSI进水NH4+-N平均浓度为268.5mg/L(图3),而NO2--N和NO3--N浓度很低,均在1.2mg/L以下(图4).如图4所示,在启动运行的前15d,出水中几乎检测不到NO2--N和NO3--N,说明系统内的硝化细菌尚未得到足量富集,亦或是未能表现出活性.自第16d开始,系统开始出现NO2--N的积累,但在第19d达到最大值66.1mg/L后迅速下降,并在25~48d的运行中保持在了1.1mg/L左右.系统出现NO3--N积累的时间要滞后于NO2--N3d,自第18d开始迅速攀升,在第25d后趋于稳定.由于进水NH4+-N浓度在第39~50d较低(图3),平均为209.8mg/L,出水NO3--N浓度也随之下降为145.1mg/L(图4).在土壤流失后重新达到稳定时,系统的NO3--N积累现象仍然突出,浓度达到145.3mg/L左右.020406080050100150200250300350NH4+-N(mg/L)时间(d)020406080100去除率(%)进水出水去除率图3WFSI的进出水NH4+-N及去除率Fig.3