BTMT生物膜载体对厌氧氨氧化反应器启动的影响

中国环境科学2010,30(11)：1473~1478ChinaEnvironmentalScienceBTMT生物膜载体对厌氧氨氧化反应器启动的影响刘杰1,2,左剑恶2,*,朱书全1,王凯军2(1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京100083；2.清华大学环境科学与工程系,模拟与污染控制国家重点实验室,北京100084)摘要：采用两套厌氧氨氧化反应器R1和R2,研究了BMTM生物膜载体对厌氧氨氧化工艺启动特性的影响.结果表明,R1采用UASB反应器启动厌氧氨氧化反应器,经140d运行,对氨氮和亚硝酸盐氮的去除率仅达到54.6%和58.8%,氨氮与亚硝酸盐氮去除负荷之和仅为0.09kg/(m3⋅d),随后,向其上部投加0.6LBMTM载体,经过26d运行,氨氮及亚硝酸盐氮去除率分别迅速提升至92.5%和97.4%,R1的启动速度较之前有明显提高;R2采用BMTM载体启动上流式填料床生物膜反应器厌氧氨氧化工艺,经过83d的运行,氨氮及亚硝酸盐氮去除率分别达到83.6%和89.4%,氨氮与亚硝酸盐氮去除负荷之和达0.22kg/(m3⋅d),启动速度较R1大幅提高.关键词：厌氧氨氧化；快速启动；BMTM生物膜载体中图分类号：X703.3文献标识码：A文章编号：1000-6923(2010)11-1473-06AstudyoninfluencesofBMTMcarriersonstarting-upofAnammoxprocess.LIUJie1,2,ZUOJian-e2*,ZHUShu-quan1,WANGKai-jun2(1.SchoolofChemicalandEnvironmentalEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China；2.EnvironmentalSimulationandPollutionControlStateKeyJointLaboratory,DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China).ChinaEnvironmentalScience,2010,30(11)：1473~1478Abstract：TheinfluencesofBMTMbiofilmcarriersonstarting-upoftheanaerobicammoniumoxidation(Anammox)processwereinvestigatedusingtworeactors,namedR1andR2respectively.R1wasanUASBreactor,after140days’starting-up,theremovalefficiencyofammoniumandnitriteonlyincreasedto54.6%and58.8%,withthesumofammoniumandnitriteremovalloadingratesof0.09kg/(m3·d).Then0.6LBMTMbiofilmcarrierswereaddedintoR1,andin26days,theammoniumandnitriteremovalefficiencyincreasedto92.5%and97.4%.R2wasanupflowpacked-bedreactor,inwhichthesamequantityofseedsludgeandBMTMbiofilmcarrierasthatofR1wereadded,after83days’strating-up,theremovalefficiencyofammoniumandnitriteincreasedto83.6%and89.4%respectively,andthesumofammoniumandnitriteremovalloadingratewas0.22kg/(m3.d),suggestingamuchfasterandbetterstarting-upinR2comparedwithR1.Keywords：anaerobicammoniumoxidation(Anammox)；faststarting-up；BMTMbiofilmcarriers厌氧氨氧化(Anammox)是在厌氧氨氧化细菌的作用下,以NH4+为电子供体,NO2-为电子受体,生成N2气的生物过程,是目前为止废水生物脱氮领域内最经济、最简洁的生物脱氮工艺[1-3].由于厌氧氨氧化菌生长缓慢(倍增时间11d)、细胞产率低[4-6],导致其富集速度较慢,国内外研究者提出了许多解决方法,如采用膜生物反应器[7]及接种高Anammox纯度污泥[8]等,但这些方法均有一定的限制因素,如膜生物反应器运行成本高、容易造成膜污染,自然界中很难找到高Anammox纯度的污泥等[8-9].因此,向反应器内投加填料,使厌氧氨氧化菌能够附着在填料表面生长以减少其流失成为一种新的选择[10-11].张蕾等[10]研究了以竹炭为载体的厌氧氨氧化膨胀床反应器的运行性能,至第70d,总氮负荷为0.19kg/(m3⋅d),总氮去除率为85.7%.BMTM生物膜载体是一种新型高分子材料改性的悬浮填料,添加了生物酶促进剂配方,具有比表面积大、易挂膜、不堵塞等特点,而且其所含收稿日期：2010-03-09基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAC19B01)*责任作者,教授,[e-mail]1474中国环境科学30卷有的无机矿物对氨氮具有一定吸附作用[12].因此,本研究采用BMTM生物膜载体,研究其对厌氧氨氧化反应器启动特性的影响.1材料与方法1.1试验装置采用两套结构与尺寸完全相同的有机玻璃反应器进行研究,分别记为R1和R2,总有效容积3L,沉淀区容积1.5L,反应区容积1.5L.废水由蠕动泵连续泵入底部,从沉淀区上部溢流堰出水,反应过程中产生的气体经三相分离器分离收集后排出,反应区温度通过水浴夹套中的热水循环控制在(31±1)℃,反应器内pH值通过向进水中投加NaHCO3控制在7.6左右.试验装置示意见图1.328759164图1试验装置示意Fig.1SchematicdiagramofAnammoxreactor1.进水箱;2.进水泵;3.Anammox反应器;4.三相分离器;5.出水;6.集气系统入口;7水浴锅;8.热水循环泵;9.水浴夹套1.2试验用水采用人工合成废水启动并运行厌氧氨氧化反应器,合成废水以碳酸氢铵和亚硝酸钠为氮源,磷酸二氢钾为磷源,其中氨氮为50~300mg/L,亚硝酸盐氮为50~400mg/L,磷为2.5~10mg/L,N:P=20:1,投加微量元素Ⅰ、微量元素Ⅱ各1ml/L,微量元素组成如下[4]:微量元素Ⅰ(g/L,EDTA5,FeSO45);微量元素Ⅱ(g/L,EDTA15,H3BO40.014,MnCl2·4H2O0.99,CuSO4·5H2O0.25,ZnSO4·7H2O0.43,NiCl2·6H2O0.19,NaSeO4·10H2O0.21,NaMoO4·2H2O0.22).1.3接种污泥接种污泥取自北京市某污水处理厂曝气池中反硝化段的活性污泥,其VSS/SS=0.6,经过静置沉淀撇上清液后接种,R1和R2的接种量均为0.6L,接种后污泥的MLSS均为3200mg/L.1.4BMTM载体BMTM悬浮载体为大连生源水处理设备发展有限公司提供由聚乙烯改性制成的BM-1型,其参数如下:规格Ф10×8mm,比表面积1200m2/m3,堆积密度120~150kg/m3,湿密度940~980kg/m3平均壁厚0.35mm.由于该填料湿密度小于1.0g/cm3,在反应区顶部加盖铁丝网防止载体进入沉淀区.1.5试验方法R1和R2均在水浴夹套的热水循环下控制温度为(31±1)℃,水力停留时间15h左右,启动期氨氮浓度和亚硝酸盐氮浓度都控制在50mg/L左右;R1以传统的UASB反应器形式启动Anammox工艺,并于运行的第141d向其反应区上部投加0.6LBMTM生物膜载体;R2采用上流式填料床生物膜反应器形式启动Anammox工艺,即在接种启动时就将相同体积的接种污泥与BMTM生物膜载体(堆积体积,0.6L)同时均匀投加至反应器内部,以期微生物在填料表面附着生长,并考察该填料对厌氧氨氧化反应器启动特性的影响.反应器运行过程中定期测定进出水氨氮浓度、亚硝酸氮浓度、硝酸氮浓度等参数,并以此分析判断反应器运行状况,并调整其运行参数.1.6分析方法氨氮采用纳氏试剂比色法测定;亚硝酸盐氮采用N-(1-奈基)-乙二胺光度法测定;硝酸盐氮采用紫外分光光度法测定;MLSS、MLVSS采用标准称重法测定;温度采用酒精温度计测定;pH值采用Orion828酸度计测定.2结果与讨论2.1R1反应器的启动运行根据反应器内是否投加填料,将R1的运行过程分为2个阶段:无填料启动期(1~140d)和有11期刘杰等：BTMT生物膜载体对厌氧氨氧化反应器启动的影响1475填料启动期(141~167d).R1启动过程中进出水氨氮浓度、亚硝酸盐氮浓度及其去除率随运行时间的变化如图2所示.a010203040506003468102136170时间(d)氨氮浓度(mg/L)-20020406080100氨氮去除率(%)0b02040608003468102136170时间(d)亚硝酸盐氮浓度(mg/L)020406080100亚硝酸盐氮去除率(%)0图2R1反应器启动期间的运行结果时间(d)Fig.2PerformanceofR1duringitsstarting-up出水进水去除率氨氮去除率在前10d的运行过程中出现负增长情况(即出水氨氮浓度大于进水氨氮浓度),这是由于接种污泥中部分微生物死亡后释放出有机氮水解氨化造成的;亚硝酸盐氮去除率在反应器启动的第5d达到72.8%,这是由于接种污泥中存在大量的反硝化菌,尽管进水中不存在有机物,但可以利用细菌分泌的胞外多聚物或微生物死亡后释放的有机物作为电子供体发生反硝化反应的结果.随后,死亡菌体逐步消解,反应器内再无其他有机物质进入,氨氮及亚硝酸盐氮的去除率波动幅度减小并逐步提高;经过140d的运行,氨氮和亚硝酸盐氮的去除率仅为52.1%和58.8%;在R1运行的第141d,向其中投加了0.6LBMTM载体,在随后的26d内,氨氮和亚硝酸盐氮的去除率分别提升至92.5%和97.4%,氨氮及亚硝酸盐氮的去除负荷之和提高至0.19kg/(m3·d),厌氧氨氧化反应器的负荷提高速度较前段无填料运行期有明显提高.2.2R2反应器的启动运行a05010015020025030003468102136170时间(d)浓度(mg/L)020406080100去除率(%)0b010020030040003468102136170时间(d)浓度(mg/L)020406080100去除率(%)0图3R2反应器启动期间的运行结果Fig.3PerformanceofR1duringitsstarting-upa.进出水氨氮浓度及其去除率;b.进出水亚硝酸盐氮浓度及其去除率出水进水去除为验证BMTM填料对厌氧氨氧化工艺启动速度的影响,采用结构、尺寸、接种污泥、投加填料及运行条件完全相同的一套反应器R2,在接种时同时投加与R1等量的生物膜载体,其启动过程中进出水氨氮浓度、亚硝酸盐氮浓度及其去除率的变化情况如图3所示,R2启动过程中并未出现氨氮的负增长情况,这可能是由于BMTM生物膜载体对氨氮的吸附作用及随进水进入其中的溶解氧导致少量氨氮发生亚硝化反应引起的;亚硝酸盐氮去除率在启动第1d达54.9%,这主要是由于接种污泥中存在大量反硝化细菌,而在启动初期利用接种污泥中部分微生物的死亡提供的有机碳源发生反硝化反应引起的;随着死亡菌147