氨氮废水的厌氧氨氧化生物脱氮研究

生态环境学报2010,19(9):[e-mail]基金项目：广西自治区工信委项目（2009058）；广西科技厅项目（PF090499）；国家863项目（2009AA04Z214）；广西教育厅项目（201010LX127）：中日合作厌氧氨氧化生态工程技术研究（UF09005Y）作者简介：刘成良（1965年生），男，博士研究生，主要从事水体富营养化治理的Anammox技术开发与应用研究。*通讯作者：E-mail:[e-mail]收稿日期：2010-09-02氨氮废水的厌氧氨氧化生物脱氮研究刘成良1，李天煜1，刘可慧1，李学军1，莫少锋2，陈真诚1*1.桂林电子科技大学生命与环科学学院，广西桂林541004；2.桂林医学院附属医院，广西桂林541004摘要：利用从厌氧污泥中筛选和驯化的厌氧氨氧化(Anammox)菌直接启动UASB反应器，通过缩短水力停留时间(HRT)提高系统运行负荷，探讨水力停留时间对模拟废水脱氮性能的影响。结果表明，(1)富含Anammox菌的颗粒污泥能够快速启动反应器(只需14d)。(2)连续91d的HRT测试期间，系统具有良好的脱氮性能，且随着HRT的缩短，系统的脱氮效率具有波动上升的特点。NH4+-N、NO2--N和TN（总氮）的平均去除率超过70.0%。(3)系统总氮容积负荷(TNLR)和总氮去除负荷(TNRR)最大值(以N计)分别为2.04kg·m-3·d-1和1.56kg·m-3·d-1。(4)系统能够比较好的遵循Anammox生物脱氮的理论途径：NH4+-N、NO2--N的去除速率与NO3--N的生成速率的比例为1׃1.15׃0.22，与其相应理论值(1׃1.32׃0.26)非常接近。关键词：厌氧氨氧化(Anammox)；水力停留时间(HRT)；生物脱氮中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1674-5906（2010）09-2172-05水体富营养化是一个国际性的环境问题。水体监测表明，氨氮是我国水体污染的首要污染物，也是加快水体富营养化的重要因素[1]。2009年12月的哥本哈根会议以及2010年3月温家宝总理的政府工作报告均提出“可持续生态环保工程”新概念，针对富营养化水体的治理，强调采用生态治理措施。因此，利用生物技术脱氮除磷一直是国内外研究的重点和热点问题。十多年前，荷兰Delft大学对厌氧氨氧化菌(Anaerobicammoniaoxidation，Anammox)的发现和研究，以及在DOKHAVEN(2002年)的成功应用，使得Anammox工艺成为生物脱氮历史上新的里程碑[2-4]。然而Anammox菌生长缓慢，倍增时间长达11d，菌体扩增成了该工艺进一步开发的瓶颈[5]，这将直接影响到反应器的启动时间和效果。同时，水力停留时间(Hydraulicretentiontime，HRT)的长短直接影响系统负荷的大小，是决定系统脱氮能力的重要指标之一。目前国内关于此类的研究报道相对较少；且Anammox反应器的启动时间也相对较长[6-7]。本研究针对氨氮是引起水体富营养化这一环境问题的重要因子，采用模拟废水的方式，以期能够快速启动反应器，并对HRT缩短情况下，系统的脱氮性能进行深入研究，以便对所驯化筛选的Anammox细菌的生物学特性有更深入的认识；为进一步研究其在水体富营养化生物治理中的工程应用提供科学依据；也为更复杂的氨氮废水中氨氮的去除研究提供基础和参考。1材料与方法1.1试验废水通过从自来水中添加(NH4)2SO4、NaNO2、KHCO3、KH2PO4，T.element(复合配方)来模拟废水，其质量浓度分别为75、75、125、54和0.5mgL-1(以N计)。1.2试验装置试验装置采用上流式厌氧污泥床反应器，总高度40cm，内径9.5cm，有效容积2.8L，内填充长条形菊花状无纺布填料1条，菊叶8片，每片高36cm、宽5cm、厚2cm。反应器通过外层水套的加热设施来调节和控制温度在(27±2)℃。进出水的pH值约为(7.6±0.1)。反应器如图1所示。通过从反应器中充入氮气，使模拟废水中的溶解氧(DO)降至1.0mg·L-1以下。整个试验过程进水水质基本保持不变，通过缩短HRT来提高氮的容积负荷(Nitrogenloadingrate,NLR)。图1厌氮氨氧化反应器示意图Fig.1TheschematicdiagramofAnammoxreactordevice刘成良等：氨氮废水的厌氧氨氧化生物脱氮研究21731.3接种污泥本试验接种的污泥自行驯化，培养。污泥性状如下：挥发性悬浮固体(VSS)为0.5g·L-1，湿泥比重1.32g·cm-3，呈红色颗粒和黄褐色颗粒相间，污泥质量浓度12.5g·L-1。接种时，将无纺布用无菌水清洗干净，用一次性手套将1.4gVSS的富含Anammox细菌的活性污泥均匀的涂抹于无纺布上，随后挂于反应器内。1.4测定项目与方法氨氮的检测，采用纳氏试剂光度法[8]；亚氮的检测，采用N-(1-萘基)乙二胺光度法[8]；硝氮的检测采用酚二磺酸光度法[8]。分析的紫外分光光度计型号为U-2010(Hitachi,Tokyo,Japan)。1.5数据处理为方便起见，定义进水总氮(TotalNitrogen,TN)为NH4+-N与NO2--N之和；出水TN为NH4+-N、NO2--N与NO3--N之和。用Excel进行数据处理，用Origin7.0作图。2结果与分析2.1反应器的启动试验期间，该系统共运行105d。考虑到设备在运行第14d后，系统对NH4+-N、NO2--N和总氮去除率均超过60%，因此将运行的前14d称为反应器的启动时期，此后为系统的运行时期。从表1可知，在启动最初(1~7d)，HRT较长(35.90h)，这是为了系统能够适应外界基质的加入，使Anammox菌能够正常生长和倍增。在启动的第1dNH4+-N的去除率只有34.23%，NO2--N的去除率要比NH4+-N的相应值高16.32%。由于计算时将出水的NO3--N也统计入内，造成TN的去除率也相对偏低。当系统运行到第7d时，NH4+-N、NO2--N和TN的去除率均超过60%，开始缩短HRT。在HRT缩短的第1d，即设备运行的第8d，系统由于受到新的冲击，NH4+-N、NO2--N和TN的去除率又开始下降，下降的趋势一直沿续到第11d，随后开始上升。在缩短HRT的情况下，虽然NH4+-N、NO2--N和TN去除效率出现下降的趋势，但因其流量增加，进入系统N的总量增多，故NH4+-N、NO2--N和TN的容积负荷去除速率(NitrogenRemovedRate，NRR)仍呈上升的趋势；其NRR的相应值分别从第1d的0.02、0.03、0.04kg·m-3·d-1(以N计)上升到14d的0.07、0.10、0.14kg·m-3·d-1(以N计)。与此同时，NO3--N的容积负荷生成速率(NPR)也提高了一倍(表1)。运行到13d时，系统的NH4+-N与NO2--N去除之和为0.16kg·m-3·d-1(以N计)，超过常规硝化反应器平均TNRR值[0.14kg·m-3·d-1(以N计)][9]，进一步说明系统进入稳定运行阶段。2.2反应器的运行设备从运行第15d后，系统进入到稳定运行阶段，即开始进行HRT的测试。系统的脱氮效率如图2所示。在整个HRT测试期间，反应器的NH4+-N和NO2--N进水质量浓度保持不变，通过缩短HRT增加系统的负荷。15d后，系统的脱氮效率开始上升，到23d时，由于系统的HRT缩短到8.97h，脱氮效率又出现了突然下降，特别是NO2--N的去除，从第22d的94.26%下降到23d的70.57%。随后，随着HRT的改变，NH4+-N、NO2--N和TN去除率的变化均出现以上的变化规律。但在后一个表1启动期间Anammox生物脱氮的效率Table1AnammoxbiologicalnitrogenremovalefficiencyduringreactorStart-upHRTNH4+-NNO2--N进水TNNO3--NTNNRR(以N计)/(kg·m-3·d-1)运行时间/dhρ(进水)/(mg·L-1)去除率/%ρ(进水)/(mg·L-1)去除率/%去除率/%ρ(出水)/(mg·L-1)去除率/%NH4+-NNO2--NNO3--NTN135.9078.6334.2375.2150.5542.217.8640.160.020.030.010.04335.9078.6352.1675.2162.3557.1410.9653.340.030.030.010.05435.9078.6355.1575.2181.5668.0612.0863.110.030.040.010.06635.9078.6360.3875.2183.1271.5012.6866.050.030.040.010.07735.9078.6365.1375.2184.6774.6812.8668.920.030.040.010.07817.9581.0140.8982.4373.6957.4313.0253.190.040.080.020.11917.9581.0139.4582.4375.3657.5612.6853.420.040.080.020.111017.9581.0133.4282.4374.3654.0712.6350.190.040.080.020.101117.9581.0139.8682.4379.6359.9213.9655.200.040.090.020.111217.9581.0141.582.4384.9963.4314.5658.250.040.090.020.121317.9581.0155.1681.6390.1272.7115.2666.470.060.100.020.141417.9583.0260.381.6391.7575.8916.5368.970.070.100.020.14(1)HRT：水力停留时间；TN：总氮；NRR：氮的容积负荷去除速率；NPR：氮的容积负荷生成速率。(2)进水TN：NH4+-N与NO2--N之和；NH4+-N、NO2--N与NO3--N之和2174生态环境学报第19卷第9期（2010年9月）HRT水平的处理后期，N的去效率基本上大于前一个HRT水平的后期相应值，说明系统在不断的抵抗外界冲击的情况下，进一步提高了工作性能。同时，在第8、23、38、46、61d，即每次HRT改变的第1d，随着时间的增加，TN的去除率基本上呈现上升的趋势，进一步说明系统的抗冲击能力在不断提高。并在第77d时，系统的脱氮性能达到最大，NH4+-N，NO2--N和TN的最高去除率分别为85.00%、98.50%和80.30%。在系统运行到第79d，即HRT缩短到1.79h时，NH4+-N、NO2--N和TN去除率分别剧降至57.97%，68.58%和56.96%，说明过短的HRT的突然改变对系统的工作性能影响较大；但系统最终还是能够恢复过来，NH4+-N、NO2--N和TN的去除率稳步上升，最终分别达到81.27%，93.39%和76.23%。说明系统抗HRT冲击的能力比较强。如同反应器的启动初期一样，虽然在改变HRT的当天，NH4+-N、NO2--N和TN的去除率会突然下降，但反应器的总氮容积负荷(Totalnitrogenloadrate，TNLR)基本呈现波动上升的趋势(图3)。HRT测试期间，TNLR为0.22~2.04kg·m-3·d-1(以N计)，平均为1.26kg·m-3·d-1(以N计)；TNRR和NO3--NNRR相应值分别为0.15~1.56kg·m-3·d-1(以N计)，平均为0.88kg·m-3·d-1(以N计)和0.02~0.23kg·m-