常温下厌氧氨氧化反应器的启动及运行试验

122|2018年4月2018年4月|123常温下厌氧氨氧化反应器的启动及运行试验张彦江姚俊芹∗(新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐830046)摘要：以人工配水为进水，接种某城市污水处理厂氧化沟活性污泥，在常温(20～29℃)下进行了一套容积为3.2L的UASB/生物膜厌氧氨氧化反应器的启动试验。试验表明，反应器在运行59天后(20～25℃)，氨氮和亚硝酸盐氮的去除率分别达到94.0%和94.7%，厌氧氨氧化反应的三氮比为1:1.41:0.40，成功实现厌氧氨氧化反应器的常温启动，并在25～29℃时稳定运行。关键词：厌氧氨氧化；生物脱氮；常温；UASB/生物膜反应器中国分类号：X703文献标志码：AStart-upofAnaerobicAmmoniaOxidationreactoratroomtemperatureZHANGYan-jiang,YAOJun-qin*(SchoolofResourcesandEnvironmentalScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China)Abstract:Fedwithartificialwastewaterandseededwithactivatedsludgefromanoxidationditchatamunicipalwastewatertreatmentplant，a3.2LUASB/biofilmAnaerobicAmmoniaOxidation(ANAMMOX)reactorwastostart-upatroomtemperature(20～29℃).TheresultsshowedthattheANAMMOXreactorwassuccessfulstarted-upat20～25℃after59daysoperationandtheremovalefficienciesofNH4+-NandNO2--Nreached94.0%and94.7%respectively,andtheratioofremovedammonia,removednitriteandproducednitratewas1:1.41:0.40.Thereactorcanrunat25～29℃stably.Keywords:anaerobicammoniaoxidation;biologicalnitrogenremoval;roomtemperature;UASB/biofilmreactor目前城市污水处理厂对氮的去除，大多采用传统的生物硝化-反硝化途径[1]。实际运行中，传统生物脱氮工艺流程长、运行管理复杂的弊端逐渐显现出来，人们开始探讨新型高效节能的生物脱氮工艺。1995年厌氧氨氧化现象被发现[2]，后厌氧氨氧化反应又被证实是一种生化反应[3]，同时厌氧氨氧化菌也被证实广泛存在于自然界中[4,5]。由于厌氧氨氧化反应能同时去除氨氮和亚硝酸盐氮，且无需曝气和有机物质的供给，已经成为近年来污水生物脱氮新技术研究热点[6,7]。接种普通污水处理厂活性污泥启动厌氧氨氧化反应器已取得成功[8,9]，并证实在加热(32±1℃)条件下启动反应器后,可以在常温下(20～24℃)稳定运行[10]。能够实现常温下成功启动厌氧氨氧化反应器，并在常温下稳定运行，就可以节省大量加热污水带来的运行费用。本试验在20～29℃的常温下接种普通污水厂活性污泥，考察能否成功启动厌氧氨氧化生物膜反应器，并稳定运行。以期能够为厌氧氨氧化工艺在实际应用中大规模工程的早日推广提供参考，具有较大的意义。1材料与方法1.1试验装置如图1为该试验的反应器装置示意图，采用UASB/生物膜反应器。由有机玻璃制成，反应器总容积为3.2L，其中反应区容积为2.28L，沉淀区容积为0.92L。进水由UASB/生物膜反应器底部泵入，出水从反应器上部出水口流出，并设置水封，防止空气的进入。UASB/生物膜反应器用黑纸包裹，以避免光线对厌氧氨氧化菌的损害。1.2接种污泥与试验用水试验用水由自来水配制而成，氨氮由氯化铵提供，亚硝酸盐氮由亚硝酸钠提供。由于自来水中存在少量的硝酸盐氮，因此试验用水中也存在少量的硝酸盐氮。主要元素：NaHCO3(500mg/L)，MgSO4(300mg/L)，CaCl2(126mg/L)，KH2PO4(30mg/L)。同时添加微生物生长所必需的微量元素，微量元素Ⅰ：FeSO4(5000mg/L)；微量元素Ⅱ：ZnSO4·7H2O(430mg/L)，CoCl2·6H2O(240mg/L)，MnCl2·H2O(990mg/L)，CuSO4·H2O(250mg/L)，NiCl2·6H2O(190mg/L)，H3BO4(14mg/L)[10]。1.3监测项目及方法NH4+-N：纳氏试剂分光光度法；NO2--N：N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；NO3--N：紫外分光光度法；温度：水银温度计。1.4启动参数试验时间为3月至6月，试验室温度为20～29℃。进水NH4+-N质量浓度为50mg/L，进水NO2--N质量浓度为70mg/L，NH4+-N与NO2--N浓度比为1:1.4。水力停留时间为15～39h，氨氮容积负荷为0.022～0.058kgNH4+-N/1.进水隔膜泵2.配水桶3.生物膜4.温度计5.排气6.出水7.取样口图1反应器示意图环保与节能124 | 2018年4月2018年4月|125(m3·d)，亚硝酸盐氮容积负荷为0.031～0.081kgNO2--N/(m3·d)。2结果与分析2.1厌氧氨氧化反应器的常温启动图2、3、4显示常温启动厌氧氨氧化反应器与加热启动厌氧氨氧化反应器的过程类似[8]。污泥适应阶段(第1～11天)，启动初期的4天，由于接种污泥中含有大量的有机物，反硝化菌在有机物充足的情况下通过反硝化作用，亚硝酸盐氮的去除率达到99.9%以上。随着有机物质的不断消耗，亚硝酸盐氮的去除率开始下降，出水中亚硝酸盐氮浓度逐渐上升。而此阶段氨氮主要靠厌氧微生物的同化作用消耗，仅有少量的去除，反硝化反应是此阶段反应器内的主导反应。厌氧氨氧化活性表现阶段为第12至第58天，此阶段氨氮和亚硝酸盐氮开始出现同时去除，以及硝酸盐氮的少量生成，表明反应器内逐渐开始有厌氧氨氧化反应的发生。第59天，氨氮和亚硝酸盐氮的平均去除率为93.6%和89.3%，表明厌氧氨氧化反应已经成为反应器内的主导反应，UASB/生物膜厌氧氨氧化反应器已成功启动。稳定运行阶段为第59至第103天，此阶段氨氮的平均去除率达到94.0%，亚硝酸盐氮的平均去除率达到94.7%，常温下厌氧氨氧化反应器能够稳定运行，对污染物的去除能力较高。图2氨氮进、出水浓度及去除率的变化图3亚硝酸盐氮进、出水浓度及去除率的变化图4硝酸盐氮进、出水浓度的变化2.2温度对厌氧氨氧化的影响厌氧氨氧化反应中去除的氨氮、去除的亚硝酸盐氮和生成的硝酸盐氮之比(简称三氮比)约为1:1.32:0.26[4]。图5显示，随着反应器的运行，温度从20℃逐渐升高到25℃，反应器的三氮比开始趋于稳定。第59天(25℃)时，反应器的三氮比为1:1.34:0.34，显示厌氧氨氧化反应已经成为反应器内的主导反应。随后的稳定运行阶段，温度逐渐升高到29℃，反应器的平均三氮比为1:1.41:0.40。温度和三氮比的变化表明，常温(20～29℃)下，可以实现接种普通污水厂活性污泥成功启动厌氧氨氧化反应器，并能实现反应器的稳定运行。图5温度和三氮比的变化2.3容积负荷对启动的影响由于普通活性污泥中厌氧氨氧化菌数量较少，反应器所能承受的容积负荷也较低，在启动的过程中，进行了三次容积负荷调节。如图6所示，在反应器启动初期，进水流量设置为3.7L/d，氨氮容积负为0.058kg/(m3·d)，为的是实现有机物消的快速耗尽。当监测到有氨氮和亚硝酸盐氮的同时去除时，将流量调小为2.0L/d，容积负荷降到0.031kg/(m3·d)，氨氮的去除率逐渐上升到70%左右。之后又将流量调小至1.4L/d，容积负荷进一步降低为0.022kg/(m3·d)，此时氨氮的去除率迅速提高，平均达到91.3%。因此，可知通过降低容积负荷缩短反应器的启动周期是可行的。124 | 2018年4月2018年4月|125图6氨氮容积负荷和去除率的变化2.4总氮的去除稳定运行阶段，尽管氨氮和亚硝酸盐氮的最高去除率分别达到99.6%和99.9%，但由于厌氧氨氧化反应中有硝酸盐氮的生成，导致总氮的最高去除率仅为81.5%，反应器进水总氮平均浓度为125mg/L，出水总氮浓度为24～33mg/L。3结论(1)在常温下(20～29℃)，接种普通污水厂活性污泥可以实现厌氧氨氧化反应器的启动和稳定运行。(2)稳定运行后氨氮和亚硝酸盐氮的最高去除率可以分别达到99.6%和99.9%，但因为有硝酸盐氮的生成，总氮的最高去除率仅为81.5%。参考文献：[1]彭永臻,马斌.低C/N比条件下高效生物脱氮策略分析[J].环境科学学报,2009,29(2):225-230.[2]MulderA,vanDeGraafAA,RbertsonLA,etal.Anaerobicammoniumoxidationdiscoveredinadenitrifyingfluidizedbedreactor[J].FEMSMicrobiologyEcology,1995,16(3):177-183．[3]vanDeGraafAA,MulderA,DeBruijnP,etal．Anaerobicoxidationofammoniumisabiologicallymediatedprocess[J].AppliedMicrobiologyandBiotechnology,1995,64(4):1246-1251．[4]JettenMSM,StrousM,vandePas-SchoonenKT,etal.Theanaerobicoxidationofammonium[J].FEMSMicrobiologyReview,1998,22(5):421-437.[5]沈李东,郑平,胡宝兰.自然生态系统中的厌氧氨氧化[J].生态学报,2011,31(15):4447-4454.[6]ChenH,HuHY,ChenQQ,etal.Successfulstart-upoftheanammoxprocess:Influenceoftheseedingstrategyonperformanceandgranuleproperties[J].BioresourceTechnology,2016,211:594-602.[7]WangSH,GuoJB,LianJ,etal.Rapidstart-upoftheanammoxprocessbydenitrifyinggranularsludgeandthemechanismoftheanammoxelectrontransportchain[J].BiochemicalEngineeringJournal,2016,115:101-107.[8]周少奇,姚俊芹.UASB厌氧氨氧化反应器启动研究[J].食品与生物技术学报,2005,24(6):1-5.[9]高梦佳,王淑莹,王衫允,等.不同填料的厌氧氨氧化污泥挂膜性能比较[J].化工学报,2016,67(10):4422-4430.[10]艾热古丽·拍孜拉,姚俊芹,周少奇.常温下UASB/生物膜厌氧氨氧化反应器脱氮试验[J].中国给水排水,2014,30(5):6-9.作者简介：张彦江(1992-)，男，新疆塔城人，硕士研究生，研究方向为区域污染控制与环境评价。*通讯作者：姚俊芹(1974-)，女，湖北武汉人，博士，副教授,主要研究方向为污水生物处理。基金项目：新疆维吾尔自治区研究生科研创新项目(XJGRI2016027)。VOCs废气危害及处理技术进展胡桐搏张长平*刘浩李若侬曹自青YaboAbelChat(河北工业大学能源与环境工程学院，天津300401)摘要：V