氨氮对厌氧颗粒污泥产甲烷活性的影响b52306f6f61fb7360b4c65e2

ISSN1000-0054CN11-2223/N清华大学学报(自然科学版)JTsinghuaUniv(Sci&Tech),2005年第45卷第9期2005,Vol.45,No.935/351294-1296氨氮对厌氧颗粒污泥产甲烷活性的影响何仕均,王建龙,赵璇(清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084)收稿日期:2004-09-02基金项目:国家自然科学基金资助项目(59978020)作者简介:何仕均(1970-),男(汉),四川,博士研究生。E-mail:[e-mail]通讯联系人:王建龙,教授,E-mail:[e-mail]摘要:利用取自ABR反应器中的厌氧颗粒污泥,通过间歇试验,研究了不同浓度氨氮对厌氧污泥产甲烷活性的影响以及活性恢复情况。实验结果表明:氨氮对厌氧颗粒污泥产甲烷活性的影响具有多重性,当氨氮浓度分别为0.2g/L和0.4g/L时,表现为促进产甲烷作用,二者的产甲烷能力分别比参考体系提高5%和10%;当氨氮浓度为0.8g/L时,开始表现为抑制产甲烷作用,抑制程度为7%;并且随着氨氮浓度提高到2g/L、3g/L、4g/L,厌氧颗粒污泥的产甲烷活性分别下降20%、28%、45%。此外,研究表明,氨氮影响产甲烷活性的浓度范围与具体的操作条件,如温度、pH值、碱度及污泥浓度等因素有关。关键词:厌氧颗粒污泥;产甲烷活性;氨氮;抑制中图分类号:X17文献标识码:A文章编号:1000-0054(2005)09-1294-03EffectofammoniumconcentrationonthemethanogenicactivityofanaerobicgranularsludgeHEShijun,WANGJianlong,ZHAOXuan(InstituteofNuclearandNewEnergyTechnology,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:Theeffectofvariousammoniumconcentrationsonthemethanogenicactivityofanaerobicgranularsludgeandtherecoveryofthebiologicalactivitywereinvestigatedusingbatchexperimentswiththesludgeobtainedfromanoperatinganaerobicbaffledreactor(ABR).Theexperimentalresultsindicatethatammoniumions(NH+4-N)havebothpositiveandnegativeeffectsonanaerobicsludge,dependingontheinitialammoniumconcentration.Theammoniumenhancesthebiogasproductionby5%at0.2g/Landby10%at0.4g/Lwithrespecttothecontrol.However,themethanogenicactivitywasinhibitedby7%attheammoniumconcentrationof0.8g/L.Astheammoniumconcentrationincreasedto2,3and4g/L,themethaneproductiondecreasedby20%,28%and45%,respectively,comparedwiththecontrol.Furthermore,theresultsalsoshowthattheeffectofammoniumonmethanogenicactivityofanaerobicgranularsludgeisdependentonseveralfactors,suchasthealkalinityorbufferingcapacity,temperature,pH,andthesludgeloadingrates.Keywords:anaerobicgranularsludge;methanogenicactivity;NH+4-N;inhibition高浓度有机废水的厌氧生物处理已经被证明为一种经济有效的废水处理技术,在全世界得到了广泛的应用,它的优势在于降解有机污染物的同时可以回收利用大量可再生的能源,因而特别适合包括中国在内的广大发展中国家。但是,通常废水的来源各异,成分复杂,且含有多种对微生物有毒或有害作用的有机和无机成分[1]。高浓度氨氮废水就是厌氧生物处理中经常遇到的一个难题[2,3]。例如对于一些畜禽废物或食品加工废水的处理,采用厌氧消化工艺不易奏效。究其原因主要是废物中含有较多的如尿素、蛋白质等氨氮成分,高浓度的氨氮会使厌氧微生物的活动受到一定程度的抑制,严重时甚至导致整个反应器反应的终止。本文通过产甲烷毒性的测定以及毒性恢复试验,研究了在不同浓度条件下,氨氮对厌氧微生物产甲烷活性的影响,从而期望为厌氧生物处理高浓度氨氮废水提供必要的参数和经验。1材料与方法1.1试验用水试验采用葡萄糖为基质,氮、磷分别由H2NCONH2和K2HPO4提供,且m(COD):m(N):m(P)=200:5:1。为保证反应瓶有足够的缓冲能力,配水中加入一定量的NaHCO3进行碱度的调节。此外,配水中还加入适量的微量元素,如Co、B、Cu、Ni、Fe、Zn、Mg、Mn等,以保证微生物细胞合成的需要。1.2试验污泥产甲烷毒性试验所用的厌氧颗粒污泥取自启动成功的AnaerobicBaffledReactor反应器(COD4g/L,HRT1d)。产甲烷毒性恢复试验所用污泥是指在毒性试验结束后,去除上清液,并用清水洗过之后的厌氧颗粒污泥。1.3试验装置试验采用一系列容积为250mL的烧锅作为完全混合式反应器(CSTR),置于恒温水浴槽中,其温度通过WMZK-01型温度控制仪维持(36±1)℃。其中的一个作为试验的参考体系,其余分别在不同的氨氮浓度条件下进行。产生的沼气用25mL的史氏发酵管(Smithfermentationtube)计量,史氏发酵管内装有2mol/L的NaOH的NaCl饱和溶液,沼气中的CO2、H2S等气体可以认为被碱液完全吸收,而CH4被保留下来。1.4试验程序产甲烷毒性测量将装有125mL培养液、10～30mL厌氧颗粒污泥以及一定浓度的NH4Cl溶液的反应瓶经过摇匀后放入电热恒温水浴锅,保持水温在(36±1)℃,进行产甲烷毒性试验。反应前12h,每小时记录1次累计甲烷产量,随后每2h记录一次读数,保持污泥与基质充分接触,一直到试验终点(即各试样甲烷累计产量增加很小和基本停止产气)结束。毒性恢复试验在产甲烷毒性试验中,污泥充分暴露在有毒环境中。在试验的终点,使反应瓶中的污泥沉淀,去除上清液并清洗干净厌氧污泥,然后在各个反应瓶中加入与毒性试验中对照样完全相同(质量浓度和体积)的葡萄糖培养液,按照与毒性试验相同的方法记录累计甲烷产量。1.5产甲烷活性及毒物抑制程度的表示方法以累计甲烷产气量Q作为判定化学物质在给定浓度下对综合生物活性Am的影响指标,计算公式为[4]Am=Qt/Qc,(1)式中:Am表示厌氧活性污泥的综合生物活性指标,Qt、Qc分别代表考察系统和对照系统的累计甲烷产气量。相应地,代表厌氧活性污泥受到抑制程度指标可以表达为I=1-Am.(2)当毒物解除后,在恢复阶段污泥的生物活性为A′m=Q′t/Q′c,(3)式中:Q′t、Q′c分别代表恢复期间考察系统和对照系统的累计甲烷产气量。2结果与分析2.1氨氮浓度对污泥产甲烷活性的影响图1给出了在毒性试验阶段不同NH+4-N浓度条件下累计产甲烷曲线。从图中可以看出,当氨氮浓度C分别为0.2g/L和0.4g/L时,表现为促进产甲烷作用,二者的产甲烷能力分别比参考体系提高5%和10%。当氨氮浓度为0.8g/L时,开始表现为抑制产甲烷作用,抑制作用主要发生在反应后期,相应的抑制程度为7%;当氨氮浓度超过2g/L时,产甲烷活性显著下降,抑制作用弥漫在整个反应期;并且随着氨氮浓度提高到2g/L、3g/L、4g/L,厌氧颗粒污泥的产甲烷活性分别下降20%、28%、45%。图1NH+4-N浓度对产甲烷毒性的影响分析原因可能是氨氮(NH+4-N)在厌氧反应器中起着多重作用。其一,NH+4-N是厌氧微生物需要的营养元素来源之一,适量的NH+4-N可以促进产甲烷活性的提高;其二,NH+4-N可以提高反应体系的碱度,增加VFAs/ALK的比值,从而提高体系对挥发酸的缓冲能力。但是,从另一方面,随着NH+4-N浓度的提高,体系中游离氨浓度不断上升,从而对体系产生较强的抑制作用。这一结果与其他研究者的结果吻合得较好[57]。根据式(1)—(3),表1给出了本次试验中各个浓度条件下厌氧污泥的综合生物活性、抑制程度、恢复期综合生物活性计算值。从表中可见,在恢复试验中尽管已将含有NH+4-N的发酵液去除,但是不同浓度的NH+4-N对产甲烷的抑制作用并没有被解除,污泥在恢复试验中的综合活性均低于在毒性试验中的综合活性值。2.2污泥浓度或碱度对产甲烷活性的影响图2和图3分别给出了在保持其他条件不变,只改变污泥浓度(以TSS计)或碱度得到的相应累计产甲烷曲线。从图中可以看出,在相同的氨氮浓度2g/L时,适当提高污泥浓度或碱度可以提高系统对毒物或抑制物质的忍耐能力。5921何仕均,等:氨氮对厌氧颗粒污泥产甲烷活性的影响表1综合生物活性、抑制程度、恢复期综合生物活性的计算值C/(g·L-1)Am×100I×100A′m×100010001000.2105-5—0.4110-10—0.8937902.08020653.07228644.0554553图2污泥浓度对产甲烷活性的影响图3碱度对NH+4-N产甲烷活性的影响图4毒性恢复阶段累计产甲烷曲线2.3氨氮对污泥产甲烷活性的抑制机理图4给出了毒性恢复阶段累计产甲烷的变化曲线。从图中可以看出,尽管在恢复试验中已将含有NH+4-N的发酵液完全去除,但是不同浓度的NH+4-N对产甲烷的抑制作用并没有被完全解除。当氨氮浓度小于0.8g/L时,毒性试验中所受的抑制作用最小,因而产甲烷活性恢复最快、最完全;当氨氮浓度在2～4g/L时,毒性试验中所受的抑制作用越大,在随后的产甲烷活性恢复过程中恢复越慢、越不完全。根据在毒性试验中污泥的综合生物活性、抑制程度以及恢复期综合生物活性,可以确定在不同浓度条件下,氨氮对产甲烷毒性的分类:代谢毒素、生理毒素和杀菌性毒素。但是,由于本次试验历时较短,无法对此做出比较明确的结论,尚需进一步研究。3结论NH+4-N在厌氧反应器中可能起着多重作用。一方面,NH+4-N是厌氧微生物需要的营养元素来源之一,并提供了厌氧反应体系的部分碱度;另一方面,随着NH+4-N浓度的提高,体系中游离氨的浓度不断上升,从而对体系产生较强的抑制作用。当氨氮浓度小于0.4g/L时,对体系表现为促进产甲烷作用;当氨氮浓度大于0.8g/L时,开始表现为抑制产甲烷作用;并且随着氨氮浓度的继续提高,厌氧颗粒污泥的产甲烷活性显著下降。同时,研究表明,氨氮对厌氧污泥产甲烷活性的影响与反应体系的碱度及污泥浓度等有关,在一定范围内提高反应体系的碱度或污泥浓度可以提高反应器对氨氮产甲烷毒性的忍耐能力。参考文献(References)[1]董春娟,潘青业.工业废水厌氧生物处理中的无机和有机毒性物质[J].化工环保,2001,21(4):213216.DONGChunjuan,PANQingye.Inorganicandorganictoxicantsinanaerobicdigestionofindustrialwastewater[J].EnvironmentalProtectionofChemicalIndustry,2001,21(4):2132