固定化微生物处理高氨氮废水的影响因素研究

第2卷第7期2007年7月536固定化微生物处理高氨氮废水的影响因素研究倪晋仁1,2，温丽丽1,2，叶正芳1,2(1.北京大学环境工程系，北京100871；2.教育部水沙科学重点实验室，北京100871)摘要：本文以人工配制的无机高氨氮废水为处理对象，利用以大孔聚氨酯载体为填料的固定化微生物曝气生物滤池为反应器，研究DO、pH、水力停留时间(HRT)和进水氨氮浓度对反应系统硝化性能的影响，以确定该系统的最佳操作条件。结果表明：进水氨氮的质量浓度从200mg/L逐步上升到1500mg/L，其质量浓度的升高对氨氮去除基本没有影响，在DO的质量浓度为4.0mg/L，pH为7.5，HRT为24h时，系统达到最佳处理效果，出水氨氮的质量浓度低于5.0mg/L，氨氮去除率达到99.5%。关键词：高氨氮废水；固定化微生物；硝化；影响因素中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1673－7180(2007)07－0536－7废水生物脱氮，特别是高浓度氨氮废水处理是水污染控制领域的难点，是国内外环境研究中的热点问题[1,2]。生物脱氮主要由硝化和反硝化两个过程完成。硝化作用是整个脱氮过程的制约阶段，也是硝化-反硝化过程能否成功的关键。由于硝化菌生长缓慢、世代时间长，易于流失，在系统中难于维持较高的生物浓度，当采用一般的悬浮生长系统进行硝化处理时，总存在系统总停留时间长，耐冲击负荷能力差等问题，特别在处理高氨氮废水时，高浓度的氨氮还会抑制硝化菌的生长[3,4]。如何在生物反应器内保持足够数量的硝化菌、提高硝化效率、改善系统运行稳定性，成为处理高氨氮废水面临的重要问题。本研究利用以大孔聚氨酯载体为填料的固定化微生物曝气生物滤池(G-BAF)处理高氨氮废水可以很好地解决这个问题。目前固定化微生物技术已应用于焦化、药厂、垃圾渗滤液等高氨氮废水的处理，都有着良好的效果[5~8]。由于载体具有高比表面积，可以截留大量生长缓慢的硝化细菌，使其固定在载体上，避免了菌的流失。采用固定化技术，系统内微生物浓度高，水力停留时间短，提高了硝化负荷和抗冲击负荷能力。现将固定化微生物和曝气生物滤池相结合，发挥两种技术的优势，既可以维持系统内高生物浓度，又可以减少占地面积，节省投资。本文采用内部填充大孔聚氨酯载体的上流式曝气生物滤池作为试验研究装置，以人工配制高氨氮无机废水为试验用水，对固定化微生物曝气生物滤池硝化性能的影响因素进行了研究，主要考察DO、pH、HRT、进水氨氮浓度等对硝化反应的影响，为该工艺在高氨氮无机废水和低有机碳源废水处理中的进一步应用提供基础。1实验研究1.1固定化微生物曝气生物滤池(G-BAF)系统图1G-BAF系统流程图Fig.1SchematicdiagramoftheG-BAFsystem作者简介:倪晋仁(1962-),教授,博士生导师,E-mail:[e-mail]中国科技论文在线SCIENCEPAPERONLINE第2卷第7期2007年7月537中国科技论文在线SCIENCEPAPERONLINE图1为固定化微生物曝气生物滤池(G-BAF)系统处理高氨氮废水的工艺流程图，反应器有效容积为2.0L，由有机玻璃制成。G-BAF反应器内填充FPUFS大孔聚氨酯基载体，同时添加高效微生物，使其固定在载体表面及内部。系统中采用的FPUFS大孔聚氨酯基载体[9]，结构如图2所示，内含羟基、环氧基和酰胺基等反应基团，固定后的微生物不易流失、微生物负载量高、传质速度好、处理效率高，且流化态载体之间不易结膜堵塞，无需反冲洗；与游离微生物相比，具有更强的抗冲击能力，在较宽的温度和pH值变化范围内，其微生物活性也优于游离微生物[7]。载体的具体参数见表1。将高效复合微生物B350固定在载体上，其含28种专用微生物及纤维酶、淀粉酶、脂肪酶和水解酶，堆密度为0.6~0.8g/cm3，微生物数量为30~50亿个/克[10]。图2载体Fig.2Carrier表1聚氨酯基生物载体主要性能参数Table1Mainparametersofthecarrier参数湿密度/g⋅cm-3干密度/g⋅cm-3比表面积/m2⋅g-1孔径/mm孔隙率/%持水量/%数值1.012~3580~1200.3~0.79830001.2实验方法实验用水为人工配制的无机高氨氮废水，由NH4Cl、K2HPO4、NaHCO3和微量元素(表2所示)组成。氨氮的质量浓度范围为200~1500mg/L。试验中的pH值通过添加碳酸氢钠和碳酸钠的缓冲溶液来调节。表2微量元素组成Table2Tracenutrientcomposition成分质量浓度/mg⋅L-1MgCl2400KCl400NaS2·9H2O375(NH4)2HPO480FeCl2·4H2O40CaCl2·2H2O25CoCl2·6H2O2.5KI2.5MnCl2·6H2O0.5ZnCl20.5NaMoO30.5H3BO30.5在研究HRT、DO、pH和进水氨氮的质量浓度对G-BAF系统硝化性能影响的试验前，该反应器已成功启动并稳定运行。实验中，G-BAF反应器被置于温度控制在(28±1)℃的恒温水浴内，采用微孔曝气器，由气体流量计控制进入水体的气量以调节溶解氧，反应器进水采用上流式，由脉冲泵调节其进水的流量。pH值通过pH测定仪来控制调节。1.3分析方法氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮分别采用纳氏试剂比色法，N-(1-萘基)-乙二胺光度法和紫外分光光度法进行测定，具体步骤参见《水和废水监测分析方法》。pH值采用pH211酸度计(意大利,HANNA)测定；DO采用C-200多参数水质分析仪(意大利,HANNA)测定。2结果与讨论2.1HRT对G-BAF系统硝化性能的影响在进水氨氮的质量浓度为1000mg/L、DO的质量浓度为4.0mg/L、pH为7.5时，通过控制进水流速来调节G-BAF系统的停留时间，使其分别达到48h，36h，24h，18h和12h，同时系统容积负荷也同步升高，从0.5kg/(m3·d)上升到2.0kg/(m3·d)。考察不同水力停留时间对系统硝化性能的影响。图3反第2卷第7期2007年7月538映的是不同HRT下出水各种氮的质量浓度变化情况。总体的趋势是随着水力停留时间的缩短，氨氮的去除率降低，出水氨氮浓度升高。由图可见，总HRT从48h降到36h和24h的过程中，系统对氨氮的去除率始终保持在99％以上，出水氨氮浓度没有明显变化。HRT从24h下降到18h时，系统对氨氮的去除率从99.3％下降到97.6％，有轻微的下降，出水氨氮浓度略升高。但是当HRT从18h降低到12h时，出水氨氮浓度明显升高，水质有所恶化，氨氮去除率从97.6％显著降低到86.5％。由图3和图4可见，随着HRT的降低，出水中氨氮和亚硝酸盐均有积累，亚硝酸盐浓度持续增加，而硝酸盐浓度不断降低，这说明系统内氨氧化菌抗冲击负荷的能力强于亚硝酸盐氧化菌。由图3和图4可见，处理1000mg/L的氨氮配水，HRT为24h时，系统获得最佳硝化效果。0204060800501001502000200400600800100001020304050HRT/hNOX--NandTINconcentrationofeffluent/mg·L-1NH4+-Nconcentrationofeffluent/mg·L-1Operationtime/dNH4+-NNO2--NNO3--NTINHRT图3水力停留时间变化对系统硝化性能的影响Fig3EffectofHRTonnitrificationinG-BAFsystem12h18h24h36h48h020406080100PercentageofinfluentNH4+-N/%HRT/hNH4+-NNO2--NNO3--NN-losses图4不同HRT条件下系统中的氮平衡Fig4NitrogenbalanceofthesystematdifferentHRT2.2进水氨氮浓度变化对G-BAF系统硝化性能的影响在DO的质量浓度为4.0mg/L、pH为7.5、HRT为24h时，分别改变进水氨氮的质量浓度为200、500、1000和1500mg/L，考察底物浓度对系统硝化性能的影响。一般高浓度的氨氮对微生物都是有毒固定化微生物处理高氨氮废水的影响因素研究第2卷第7期2007年7月539中国科技论文在线SCIENCEPAPERONLINE性作用的，因为它会产生相对高浓度的游离氨(FA)[11]。通常游离氨对厌氧微生物的抑制作用发生在pH值为7.4，总氨氮的质量浓度为1500~3000mg/L的范围内[12]。但是游离氨对好氧菌，特别是硝化菌的抑制作用都很敏感。很多研究者都已经在游离氨浓度范围对硝化菌的影响上进行了研究，其对亚硝化菌有抑制作用的质量浓度范围通常为7~150mg/L，而对硝化菌有影响的质量浓度范围是0.1~1.0mg/L，也有研究者指出游离氨的质量浓度超过10mg/L后，它对亚硝化菌和硝化菌都会产生抑制效应[13,14]。游离氨浓度通过式(1)进行计算[15]。()+pH4pHNH-N101714exp6344/273+10FAT⎡⎤×⎣⎦=×+⎡⎤⎣⎦(1)式中：FA是游离氨的质量浓度/mg⋅L-1；T是反应器温度/℃；pH是反应器内pH值。图5为出水中各种氮化物浓度随进水氨氮浓度变化而变化的趋势。表3为不同氨氮负荷下，系统内几个主要参数的变化情况。随着进水氨氮浓度从200mg/L提高到1500mg/L，系统内氨氮负荷和游离氨也分别从0.2kg/(m3·d)和5.28mg/L上升到1.5kg/(m3·d)和39.6mg/L。由图表可见，提高进水氨氮浓度对氨去除率影响不大，差值在1％内波动。但是随着进水氨氮浓度的提高，出水亚硝酸盐氮迅速积累，而硝酸盐氮浓度先升高后降低，在进水氨氮的质量浓度达到1500mg/L时，系统中只有少量的硝酸盐氮，亚硝化率（亚硝酸盐占亚硝酸盐和硝酸盐总和的比例）达到了92.6％，表明在高氨氮负荷和高游离氨质量浓度下，亚硝酸盐氧化菌逐渐受到抑制，而氨氧化菌对高游离氨具有更好的适应能力。02040608010002004006008001000120014001600Concentrationofnitrogen/mg·L-1Operationtime/dNH4+-NofinfluentNH4+-NofeffluentNO2--NofeffluentNO3--NofeffluentTINofeffluent图5进水氨氮浓度的变化对系统硝化性能的影响Fig5EffectofinfluentNH4+-NconcentrationonnitrificationinG-BAFsystem表3不同氨氮负荷下硝化性能Table3Nitrificationperformanceunderdifferentammonialoading进水氨氮负荷/kg⋅m-3·d-10.20.51.01.5FA/mg⋅L-15.2813.226.439.6出水氨氮质量浓度/mg⋅L-14.26±1.506.61±1.379.62±1.9728.6±5.43氨去除率/%97.9±0.8098.7±0.2699.0±0.2098.1±0.36亚硝化率/%9.01±0.5332.9±2.5365.1±1.4492.6±3.972.3pH变化对G-BAF系统硝化性能的影响G-BAF反应器中温度保持28℃的恒温，HRT保持在24h，进水氨氮维持在1000mg/L不变，考察不同DO的质量浓度水平下，pH的变化对硝化性能的第2卷第7期2007年7月540影响，如图6所示。由图6可见，在四个DO水平下，pH对氨氮氧化去除的影响趋势都表现为，随着pH值的升高，氨氧化率先升高后降低，低溶解氧时氨氮去除率受pH影响最大。当pH值在7.5～8.5之间时，系统可达到最大的氨氧化率。当pH从最初的6.5升到7.5时，氨氧化速率提高很快；但是当pH进一步升高到8.5时，氨氧化速率基本没有变化，在这一范围内达到最大值。有研究表