苯酚对厌氧氨氧化工艺耦合反硝化的启动及脱氮性能的影响

中国环境科学2014,34(5)：1145~1151ChinaEnvironmentalScience苯酚对厌氧氨氧化工艺耦合反硝化的启动及脱氮性能的影响刘常敬1,李泽兵2,郑照明1,赵白航1,李军1*(1.北京工业大学水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室,北京100124；2.东华理工大学水资源与环境工程学院,江西南昌330013)摘要：研究了ANAMMOX耦合异养反硝化反应器的启动过程,考察了苯酚浓度对耦合反应器脱氮性能的影响.接种2L(占反应器有效容积的20%)挥发性悬浮固体(MLVSS)为6000mg/L的ANAMMOX颗粒污泥,在pH7.8、温度为25℃、HRT为1.5h的条件下经过86d的培养,ANAMMOX耦合异养反硝化启动成功.实验结果表明,在稳定运行阶段,NH4+-N、NO2--N和TN平均去除率分别为85.4%、86.1%和79.9%,TN平均容积负荷和TN平均去除负荷分别为2.63,2.10kg/(m3·d);ANAMMOX颗粒污泥外面包裹着苯酚反硝化菌;系统内异养反硝化与ANAMMOX存在协同和竞争关系.当苯酚浓度≥0.3mmol/L时,ANAMMOX菌的活性受到很大抑制,苯酚浓度的升高加剧了苯酚反硝化菌与ANAMMOX菌之间的竞争;从脱氮效果及系统稳定两方面综合考虑,当苯酚浓度为0.2mmol/L时,耦合效果最好,消耗的NH4+-N、NO2--N与生成的NO3--N之比为1:1.52:0.11.关键词：ANAMMOX；异养反硝化；苯酚；启动；脱氮中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2014)05-1145-07EffectofphenolonstartupandnitrogenremovalperformanceofANAMMOXcouplingdenitrifying.LIUChang-jing1,LIZe-bing2,ZHENGZhao-ming1,ZHAOBai-hang1,LIJun1*(1.KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China;2.SchoolofWaterResourcesandEnvironmentalEngineering,EastChinaInstituteofTechnology,Nanchang330013,China).ChinaEnvironmentalScience,2014,34(5)：1145~1151Abstract：ThestartupofANAMMOXcouplingheterotrophicdenitrifyingreactorandtheinfluenceofconcentrationofphenolonthenitrogenremovalperformanceofcoupledreactorwereinvestigated.Cultivatedwith2L(20%ofeffectivevolumeofreactor)anaerobicammoniaoxidationgranularsludgethatthevolatilesuspendedsolids(MLVSS)was6000mg/L,anaerobicammoniaoxidationcouplingheterotrophicdenitrifyingwasstartedupsuccessfullyfor86daysundertheconditionofpH7.8,watertemperature25andhydraulicdetentiontime(HRT)1.5h.℃Thesteadyphase,theaverageremovalratesofNH4+-N、NO2--NandTNwere85.39%,86.12%and79.85%respectively,theaveragevolumetricloadoftotalnitrogenandtheaverageremovalloadoftotalnitrogenwere2.63kg/(m3·d)and2.10kg/(m3·d)respectively.ANAMMOXgranularsludgewascoatedwithphenoldenitrifyingbacteria.Therelationshipbetweenheterotrophicdenitrificationandanammoxwascooperativeandcompetitiveinthesystem.TheactivityofANAMMOXbacteriawassuppressedstronglywhentheconcentrationofphenol≥0.3mmol/L,thecompetitionbetweenphenoldenitrifyingbacteriaandANAMMOXbacteriawasintensifiedastheincreasingofconcentrationofphenol.Whentheconcentrationofphenolwas0.2mmol/L,thedenitrificationeffectofsystemisbestconsideringfromdenitrificationandthestabilityofsystem.TheratioofremovedNH4+-N,reomvedNO2--NandgeneratedNO3--Nwas1:1.52:0.11.Keywords：ANAMMOX；heterotrophicdenitrification；phenol；startup；nitrogenremoval厌氧氨氧化(ANAMMOX)工艺与传统脱氮工艺相比,具有能耗低、污泥产量少、节省外加碳源等显著优势,但是,厌氧氨氧化过程生成一定量的硝酸盐氮,使脱氮效果不尽理想.焦化废水[1]、制药废水[2]、石油化工废水、染料废水等工业废水成分复杂、毒性大、处理难.这类工业废水含有大量的NH4+-N,同时含有苯收稿日期：2013-09-20基金项目：国家自然科学基金资助项目(51078008);北京市自然科学基金资助项目(8122005);北京市教委重点项目资助项目(KZ201110005008)*责任作者,教授,[e-mail]1146中国环境科学34卷酚等有机污染物[1-2].Maranon等[1]采用3步法(缺氧-好氧-好氧)来处理焦化废水;Ramos等[2]采用AO工艺处理制药废水.酚类化合物虽然对微生物有抑制作用,但可以作为电子供体用于反硝化[1-3].若能将ANAMMOX与反硝化耦合,就能同时脱氮和去除有机物污染物.周少奇[4]指出,ANAMMOX反应以CO2为碳源产生一定量的NO3--N,为反硝化提供电子受体;而反硝化反应消耗有机物且产生CO2,为ANAMMOX菌解除有机物抑制并提供无机碳源,理论上两者可实现协同作用.Toh等[5]在用ANAMMOX工艺处理焦化废水的研究中证实了反硝化菌的存在,研究表明ANAMMOX菌对高浓度酚有耐受能力.林琳等[6]采用ANAMMOX工艺处理焦化废水短程硝化工艺出水,结果表明,ANAMMOX过程对低浓度酚类有机物有进一步去除作用.本文通过模拟废水投加NH4+-N、NO2－-N和苯酚研究了ANAMMOX耦合异养反硝化反应器的启动,以及苯酚浓度对耦合系统脱氮性能的影响.1材料与方法1.1接种污泥接种污泥为ANAMMOX颗粒污泥,接种体积为2L,占反应器有效容积的20%,挥发性悬浮固体(MLVSS)为6000mg/L,ANAMMOX颗粒污泥取自本实验室一个体积为50L的UASB厌氧氨氧化反应器,污泥经测序,主要细菌种类为CandidatusBrocadiafulgida(JX852965-JX852969).ANAMMOX颗粒污泥平均粒径为1mm,最大达到3mm,颜色为浅红色.1.2试验装置试验装置如图1所示.有效容积为10L,反应器采用黑色软性材料包裹以避光,废水由蠕动泵泵入反应器底部,通过水浴使反应器内温度维持在25℃左右,HRT为1.5h,进水pH值控制在7.8左右,反应器内部上三分之一部分添加直径为10cm的球形填料以减少污泥的流失.1.3试验废水试验废水采用模拟废水,主要成分有NH4Cl,NaNO2,NaHCO3,KH2PO4,MgSO4⋅7H2O,CaCl2,苯酚.78442443591061图1UASB-生物膜反应器示意Fig.1SchematicdiagramofUASB-biofilmreactor1.进水口;2.进水泵;3.反应器;4.取样口;5.填料;6.三相分离器;7.出气口;8.出水口;9.热水循环套管;10.恒温水浴箱微量元素Ⅰ(mg/L):EDTA5000,FeSO45000;微量元素Ⅱ(mg/L):EDTA15000,ZnSO4·7H2O430,CoCl2·6H2O240,MnCl2·4H2O990,CuSO4·5H2O250,Na2MoO4·2H2O220,NiCl2·6H2O190,Na2SeO4·10H2O210,H3BO314.其中微量元素Ⅰ、Ⅱ投加量各1mL/L.1.4分析方法NH4+-N:纳氏试剂光度法;NO2--N:N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;NO3--N:麝香草酚分光光度法;悬浮固体(MLSS)、挥发性悬浮固体(MLVSS):重量法;pH值、温度:WTW/Multi3420测定仪.2结果与讨论2.1ANAMMOX耦合反硝化反应器的启动反应器运行前6d,采用模拟废水,未投加苯酚,目的是观察接种的颗粒污泥是否适应新的环境,在此期间,NH4+-N、NO2--N、和TN去除率分别由16.2%、16.8%和14.3%上升至25.4%、24.9%和21.9%,ANAMMOX反应活性逐步提高,表明接种的ANAMMOX颗粒污泥完全适应新的环境(图2).所以从第7d起,开始投加苯酚,苯酚的投5期刘常敬等：苯酚对厌气氨氧化工艺耦合反硝化的启动及脱氮性能的影响1147加量根据ANAMMOX过程生成的NO3--N量确定,7~35d,投加0.1mmol/L苯酚;36~58d,投加0.15mmol/L苯酚;59~86d,投加0.2mmol/L苯酚.苯酚投加量呈梯度增加,一是因为反应器中ANAMMOX菌逐步增多,生成的NO3--N量逐步增多,异养反硝化需要的电子供体逐步增多;二是逐步提高ANAMMOX菌对苯酚的适应能力.ANAMMOX耦合异养反硝化反应器启动过程如图2所示.根据氮素的去除特性将耦合反应器的启动划分为3个阶段:污泥适应期(7~14d)、活性提高期(15~80d)和稳定运行期(81~86d).系统经过86d的运行,NH4+-N、NO2--N和TN去除率分别达到了89.6%、87.9%和83.7%,耦合反应器底部由接种时单一的浅红色颗粒污泥变为内部为浅红色外部为白色的颗粒污泥,标志着ANAMMOX与反硝化耦合反应启动成功.0204060800306090120A时间(d)020406080100进水NH4+-N出水NH4+-NNH4+-N去除率去除率(%)浓度(mg/L)0204060800306090120020406080100B时间(d)进水NO2--N出水NO2--NNO2--N去除率去除率(%)浓度(mg/L)0204060800481216C时间(d)进水NO3--N出水NO3--N浓度(mg/L)020406080050100150200250020406080100D时间(d)进水TN出水TNTN去除率去除率(%)浓度(mg/L)图2启动阶段NH4+-N、NO2--N、NO3--N和TN的去除特性Fig.2RemovalcharacteristicofNH4+-N