超声强化作用下厌氧氨氧化工艺启动运行性能张典典

中国环境科学2018,38(4)：1356~1363ChinaEnvironmentalScience超声强化作用下厌氧氨氧化工艺启动运行性能张典典,汪涛*,邵敬敬,李琳,王志强(河北工业大学能源与环境工程学院,天津300401)摘要：通过批式实验,得到超声波强化Anammox菌活性的最优工作参数,超声频率25kHz、超声时间3min、超声强度0.2W/cm2,而后在此最优超声强化条件下采用固定床反应器接种传统活性污泥启动Anammox工艺.整个试验过程,温度维持在35.℃在启动阶段,水力停留时间(HRT)为2d,控制进水NH4+-N和NO2--N浓度为70mg/L.反应器运行至第38d,首次表现Anammox活性.运行至53d时,NH4+-N、NO2--N去除速率和去除率分别为30.81,34.97mgN/(L⋅d)和88.03%、99.91%,总氮去除速率和去除率达60.34mgN/(L⋅d)和86.20%.R1和R2分别稳定在1.14和0.18.在负荷提升阶段(53~135d),当进水NH4+-N和NO2--N负荷维持在最高值380mg/(L⋅d)时,NH4+-N和NO2--N平均去除效率分别为82.74%和97.89%.NH4+-N和NO2--N最大去除速率分别为320.67和379.85mgN/(L⋅d),最大总氮去除速率和去除率为698.00mgN/(L⋅d)和91.84%.负荷提高阶段末,R1稳定在1.18左右,R2接近于0.反应器内Anammox菌占主导,存在少量反硝化菌强化总氮去除.关键词：超声波强化作用；厌氧氨氧化；运行性能中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2018)04-1356-08Start-upandoperationperformanceofanammoxprocessenhancedbyultrasoundirradiation.ZHANGDian-dian,WANGTao*,SHAOJing-jing,LILin,WANGZhi-qiang(CollegeofEnergyandEnvironmentalEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300401,China).ChinaEnvironmentalScience,2018,38(4)：1356~1365Abstract：Bybatchexperiment,theoptimalworkingparametersofultrasonicenhancementofAnammoxbacteriaactivitywereobtained:ultrasoundfrequencyof25kHz,ultrasoundtimeof3minandultrasoundintensityof0.2W/cm2;afterwardsafixed-bedreactorwasinoculatedwiththetraditionalactivatedsludgetostartupAnammoxprocessundertheoptimalultrasoundenhancingconditions.Duringthewholeexperiment,thetemperaturewasmaintainedat35.Inthe℃start-upstage,thehydraulicretentiontime(HRT)was2daysandtheinfluentNH4+-NandNO2--Nconcentrationswerebothcontrolledat70mg/L.After38daysoperationofthereactor,theAnammoxactivityappearedforthefirsttime.After53daysoperation,NH4+-NandNO2--Nremovalrateswereupto30.81mgN/(L⋅d)and34.97mgN/(L⋅d)andtheircorrespondingremovalefficienciesreached88.03%and99.91%respectively,andthetotalnitrogenremovalrateandremovalefficiencyreached60.34mgN/(L⋅d)and86.20%respectively.R1andR2werestabilizedat1.14and0.18.Inthenitrogenloadingenhancementstage(day53~135),whentheinfluentNH4+-NandNO2--Nloadingrateswerebothmaintainedat380mg/(L⋅d),theaverageremovalefficienciesofNH4+-NandNO2--Nwere82.74%and97.89%.ThemaxNH4+-NandNO2--Nremovalrateswereupto320.67mgN/(L⋅d)and379.85mgN/(L⋅d),whilethemaxtotalnitrogenremovalrateandefficiencywere698.00mgN/(L⋅d)and91.84%respectively.Attheendofthenitrogenloadingenhancementstage,R1wasstabilizedat1.18whileR2wascloseto0.Inthereactor,Anammoxbacteriapredominatedandasmallamountofdenitrifyingbacteriacoexistedwiththemsoastoimprovethetotalnitrogenremoval.Keywords：ultrasoundenhancingfunction；Anammox；operationperformance随着人类社会的发展,大量含有氮、磷的废水排入天然水体,使水体富营养化问题日益严重,赤潮和水华等水生态失衡现象频频出现.氮素污染源中的主要污染物是氨态氮,因此加强高氨氮污水的处理对防治水体富营养化至关重要.但是,传统的硝化反硝化脱氮工艺在处理高浓度氨氮废水时,往往需要在反硝化阶段投加有机碳源作为电子受体,在硝化阶段进行曝氧,同时需要进行酸碱性调节,这就大大增加了工艺的运行成本;剩收稿日期：2017-09-18基金项目：国家自然科学基金资助项目(31400432);河北省自然科学基金资助项目(E2018202246);河北省自然科学基金资助项目(E2014202225)*责任作者,副教授,[e-mail]:10.19674/j.cnki.issn1000-6923.2018.01614期张典典等：超声强化作用下厌氧氨氧化工艺启动运行性能1357余污泥产量高,进一步增加了污泥处置费用[1].厌氧氨氧化(Anammox)是一种适合处理高氨氮、低C/N废水的新型污水生物脱氮工艺.它的基本原理是Anammox菌在厌氧环境中以NO2--N为电子受体,氧化NH4+-N同时生成N2的生物反应过程[2].功能菌种为自养厌氧型,生长缓慢,与传统的脱氮工艺相比,可大幅节约有机碳源和曝氧的成本[3],减少剩余污泥量.该工艺因其操作简单、脱氮效率高、无二次污染等诸多优点受到了水处理领域研究学者的青睐.然而,Anammox菌的生长代谢极其缓慢(生长速率为0.0003h-1)[2],世代时间长达11d,致使Anammox工艺的启动周期冗长,而且启动过程中对外界环境如溶解氧(DO)、有机物、pH值和温度等因素的变化敏感度高[4-5],如何实现Anammox工艺的快速启动和稳定运行是实现Anammox工业化应用需要克服的重要难题.为解决上述问题,研究学者试图从添加化学药剂、施加物理能场等方面提高Anammox菌活性,加快Anammox启动进程.Yin等[6]向上升流固定床反应器接种传统活性污泥和石墨烯的混合物,石墨烯浓度为100mg/L,运行温度为35℃,pH值为7.0左右,DO低于0.5mg/L,在进水氮负荷为460gN/(m3⋅d)的情况下,Anammox启动耗时由67d缩短至49d.Liu等[7]在填有无纺布填料的固定床反应器外设置永久磁场,磁场强度为60mT,操作温度为35℃,pH值为(8.0±0.1),DO小于0.05mg/L,结果发现,永磁场的施加能使Anammox启动周期缩短1/4,当启动阶段的总氮容积负荷为2000mgN/(L⋅d)时,总氮去除负荷由无磁场添加的1200~1482mgN/(L⋅d)提高至1600~1780mgN/(L⋅d),提高了30%.超声波是一种声能场,具有作用条件温和、无二次污染、适用范围广等诸多优点.低强度、低频率超声波能产生和缓的空化作用,可通过改善微生物细胞膜的通透性、提高生物酶活性和加快电子传递速率等来增强目标微生物的生长活性和菌群竞争力[8].基于此,本研究利用超声波强化Anammox菌活性,通过超声波批式实验筛选出最优的超声参数,在最优的超声辐照条件下采用固定床反应器接种传统活性污泥启动Anammox工艺,从Anammox启动周期和脱氮性能等方面考察超声强化Anammox启动和运行过程.1材料和方法1.1实验装置和接种污泥1163452789110N2图1实验装置Fig.1Thediagramofexperimentaldevice1进水瓶;2进水蠕动泵;3固定床反应器;4蜂窝状聚丙烯填料;5出水桶;6水封;7热水循环泵;8温度计;9加热棒;10恒温水浴锅;11超声波发生器本实验采用有机玻璃材质的固定床反应器,有效容积为2.6L,见图1.反应器外部设置超声波发生器,超声波振子没入反应器内液面以下.反应器设有有机玻璃外管套,恒温热水在外管套中循环,维持反应器温度在35℃左右.恒温热水来自恒温水箱,通过恒温加热棒实现温度控制.恒温水箱内的水温由温度计实时监控,避免温度波动对Anammox反应性能带来的干扰.反应器内部随机填满蜂窝状聚丙烯填料,该填料外形为高1.2cm,直径为2.5cm的柱体,密度与水相近,圆形断面呈辐射状分布有大小近似的19孔,边缘呈现锯齿状凸起.这种载体填料的优势在于:作为支撑骨架,承托上部重力沉降至下部的污泥,促进菌群富集,多孔结构和凸起增大了其比表面积,进一步增加了细菌截留能力;形成排气通路,及时排出产1358中国环境科学38卷物氮气,避免气压过大对生物膜产生不利影响;气泡排出的过程中对载体上生物膜有一定冲刷作用,能促进生物膜的动态更新与底物和产物的传质作用.反应器及管路的各个接口和连接处密封完好,保证系统的厌氧环境.主体装置用黑布包裹,避免光照对Anammox菌的不利影响.实验接种污泥为天津某污水处理厂的好氧活性污泥,混合液悬浮固定浓度(MLSS)为2317mg/L,混合液挥发性悬浮固定浓度(MLVSS)为1853mg/L,MLVSS/MLSS为79.97%.1.2超声波批式实验在进行Anammox启动实验前,首先进行了批式实验,摸索超声波强化Anammox菌活性最优的超声辐照条件.实验所用污泥为成功驯化的Anammox污泥.取6个100mL锥形瓶,初始Anammox污泥浓度为0.1gVSS/L.超声波频率为25kHz.超声辐射强度范围为0~0.5W/cm,强度梯度为0.1W/cm.超声波作用时长为1,3,5min.1.3实验用水和运行方式根据VandeGraaf[9]和Strous[10]提供的配方,Anammox培养基成分见表1.实验中每2d更新一次实验进水,避免进水瓶中杂菌的干扰.表1厌氧氨氧化培养基Table1Anammoxnutrientmedium培养基组分浓度(g/L)微量元素液组分浓度(g/L)(NH4)2SO4NaNO2MgSO4KH2PO4CaC12·2H2OEDTAK