包埋固定化硝化菌处理含高氨氮废水的研究张振家

第二届全国环境化学学术报告会论文集包埋固定化硝化菌处理含高氨氮废水的研究张振家`,李志荣`,李军`,陈庆选’,陈娅洁`,何圣兵’,安部直树1.上海交通大学,环境科学与工程学院,上海,2002402.日本日立成套设备建设公司摘要:本研究采用日本日立成套设备建设公司提供的包埋稍化菌颗粒处理含高氨氮废水,分别以模拟废水和九江酒厂实际废水为对象,研究了稍化菌的颗粒的万削匕胜能。研究结果表明,对于这两种废水稍化菌颗粒的平均最大稍化速率分别为447.52mgN/L载体·h和120mgN/L载体·h。该包埋稍化菌颗粒具有峭化活性高,耐冲击负荷能力强,易于储存,活性恢复快,机械强度高等特点,适合工业化应用。关键词:包埋,氨氮废水,稍化活性,脱氮O前言总量控制制度在我国实施以来,对于排放废水中氨氮浓度的要求开始加强了。《污水综合排放标准》(GB8978一19%)中一级标准规定的氨氮最高允许排放浓度为巧mg几以下,而要达到这一标准对于发酵、焦化等行业来说,难度非常大。因为这些行业所产生的污水中氨氮的浓度很高,用目前的悬浮生长型硝化处理工艺难以实现达标。采用生化法去除氨氮的原理是将氨氮转化为NOx,所依靠的细菌为自养菌,反应速率为零级。而这类细菌的世代时间较长,对于氧的争夺能力小于异养细菌,所以当水中BOD浓度较高时,硝化反应自然处于弱势。因此,为了改变这一状况需要采取特殊的手段来使其硝化菌的数目大幅度提高,这其中的一种方法是将硝化菌进行包埋固定化。包埋固定化微生物技术是一项由固定化酶技术发展起来新兴的生物技术。该技术可选用优势微生物种群,通过化学或物理的方法加以固定,使微生物在单位空间内具有很高的密度,可提高处理负荷,降低剩余污泥量,便于处理过程的控制,提高处理过程的稳定性,与游离微生物技术相比,具有明显的优越性。川包埋固定化硝化菌技术在进行生活污水方面己经有了多个工程实例,但是在处理高浓度氨氮的工业污水方面还处在研究试验阶段。本文介绍了采用日本日立公司提供的包埋硝化菌颗粒在广东省九江酒厂有限公司酿酒发酵处理试验的结果。通过试验摸索了该包埋硝化菌颗粒用于实际污水处理的工艺条件和技术参数,弥补在国内该领域的空白。1材料与方法4一157第二届全国环境化学学术报告会论文集1.1模拟废水研究1.1.1实验材料和废水组成聚乙二醇包埋硝化菌为3x3x3~颗粒,浅棕黄色,无明显气味,比水略重,密度约为1.029/cm3,经适量曝气后可均匀悬浮于水相。模拟氨氮废水不含有机物,主要基质是N玩cl、N处HPo4、NaHc03及适量的K、Ca、Mg等微量元素。1.1.2实验反应器结构反应器内为内管循环结构,有效容积18L,如图1,空气由气泵鼓入反应器内管底部,废水由反应器底侧泵入,经曝气作用在内管提升至反应器顶部,而后又在重力作用下从外管下降至底部,使废水包埋颗粒充满整个反应器,保证基质与载体的充分混合。顶部沉淀区进行固液分离,出水经溢流槽排出。另外,反应器由加热器和温控维持温度恒定,保证微生物活性稳定及反应器稳定运行。...才才”二二二二二OOOOOOOOO444卜卜卜卜卜卜卜5555555555555555555{{{{{}}}今今今今今·······子子1111111111111图1石肖化反应器示意图l一进水槽:2一水泵:3一反应器主体及内管:4一曝气泵;5一加热器及温控;6一出水1.1.3模拟试验方法为了保证给包埋颗粒足够的供氧量,同时要达到包埋颗粒流化态,促进污水与包埋颗粒间传质效果的目的,曝气量控制在ZLL/.而n一4L几·而n。载体按填充率10%投入,载体的体积是沥水后的真实体积,可采用排水法测定。反应温度控制在25~30℃之间,此时的硝化细菌活性最大。包埋微生物活性的间歇试验2[]。在若干个lL的反应瓶中分别加入不同浓度的模拟氨氮废水和相同体积的驯化好的包埋颗粒,在反应相同的一定时间后取出少量样品,用比色法4一158第二届全国环境化学学术报告会论文集3[]分析水中NH4+、NoZ一和NO3一的含量,因基质中不含有机物,可按下式计算总氮含量:TN=NH4+一N+N02一N+NO3一N。1.2现场试验研究1.2.1废水水质和现状实际废水试验研究以广东九江酒厂废水为对象,主要以三种废水组成,其中洗米水约300吨/天,大豆蒸煮废水约20吨/天,酒糟废液约500吨/天。洗米水属中浓度有机废水,主要含碳水化合物,营养均衡,较易处理。酒糟废液属高浓度有机废水,温度高,悬浮物含量多,pH值较低,主要含碳水化合物,其次是蛋白质、脂肪以及未完全分离的发酵产物乙醇与副产物丙酮、丁醇、vFA等,蛋白质的降解会产生氨基酸,这是废水中氮的主要来源。酒糟废液中悬浮物含量较多,需经沉降2h4后才进行处理,原水中拟定洗米废水与酒糟废液的比例为5:2,混合废水的COD约为24000mg几,总氮(包括有机氮和氨氮)总量约1200mgL/。,.2.2处理工艺流程本研究室在该酒厂的一期工程的基础上进行改造,在原有流程中增加硝化脱氮单元。本研究为该改造工程提供基本设计参数,其流程如图2。中}糟水一一固液分离一~甲烷发酵一~脱氮+甲烷发酵一一硝化反应一~排放兮洗米废水大豆蒸煮废水(1#EGSB)(2#EGSB)(包埋硝化菌颗粒)图2酒厂废水处理工艺流程图1.2.3实际废水反应器本研究采用的好氧硝化反应器与模拟废水实验时的反应器原理类似,总容积为巧.7L,其中有效容积为n.IL,包埋硝化菌颗粒填充率为占有效容积10%,压缩空气由曝气头鼓入反应器中心管,在充氧的同时,也将包埋硝化菌颗粒提升至反应区,实现了硝化菌和废水完全混合,.促进了传质效果。出水经反应器上端的出水堰溢流排出。反应器温度由加热器控制在25℃左右。1.2.4实际废水试验负荷提升策略硝化反应的负荷以氨氮的载体负荷计,以3Om叭载体.h为梯度逐步提升负荷,同时也逐步提高原水负荷。但由于有机物对硝化作用有较大影响,因而进水COD浓度必须控制在30Omg几以下。若2#EGSB出水COD高于300m叭,则稀释后进入好氧池。达到最大4一159第二届全国环境化学学术报告会论文集负荷时连续稳定进水,考察硝化胜能稳定性。2结果与讨论2.1模拟氨氮废水的实验室研究2.1.1包埋颗粒的驯化实验开始前由于长期储存包埋颗粒颜色发黑、气味发臭,其中厌氧性细菌及兼氧性细菌占主要优势。经过三个星期的驯化,包埋颗粒才渐渐显出较高的硝化活性,恢复微红棕色(即硝化细菌的颜色),驯化完成。I欢除习ù盗100$80X60哪20M恻84毛8.28八U门ànùùUnllùó日ù八曰ùnU,.产口七口d孟怪CJ矛jl二、护。曰洲。d-1N/皆赞洲习ù语了.6`ee7月25日7月30日8月4日日期(山te)I8界9日8月14日一40川岁L一一801119工ee图2包埋微生物的驯化情况驯化初期使NH4一N浓度为40mg几,当硝化率达90%以上时将驯化基质浓度提高到80mg几,微生物不能马上适应较高的浓度而硝化率急剧下降,但又逐渐恢复到最大;很明显在浓度为80m叭时驯化时间比40m叭时短,微生物己经开始适应这种底物并表现出较高的活性。以后再进一步提高浓度也表现出很强的适应性和硝化能力。驯化过程中碱量严格按照比例配制,在驯化初期pH偏高,较高的pH产生的游离氨也会对微生物硝化活性有一定抑制作用。随着硝化率的增加pH降至8一以下,提高浓度时硝化率的陡然下降pH也突然升高,而后又呈下降趋势,这说明硝化过程产生的酸己经将投加的碱度中和,使整个反应溶液偏中性,适于微生物存活生长。另外,若投加的碱度不够,也会出现游离的HNO:对亚硝化菌和硝化菌都有抑制作用。这对于实际污水处理中pH的控制有重要意义。2.1.2包埋微生物硝化活性的间歇试验4一160第二届全国环境化学学术报告会论文集在氨氮浓度与氧传质不受限制的条件下,硝化过程属于零级反应:C=Co一kt即反应过程中,基质浓度的变化只与时间有关,而与反应溶液的初始浓度无关。由浓度C对时间t作图得到的是一条直线,其斜率k即氨氮的衰减速率。取以loomg几为间隔的浓度为100~700m叭的模拟氨氮废水分别进行活性实验,平均温度为26℃,其降解过程见图3,4。图3为20Omg几氨氮浓度下的硝化曲线,图4为不同浓度下氨氮浓度的消减速率与NOx一N的形成速率的比较。勺一x一K\—X//甲’沐厂二一.—,//一一NH4_/一。一NOZ-一令一NO3-一,一NOX-\了一NIT...N4H~N消减速率率...…卧3Q一N形成速率率巍巍巍!呱蝙t二二耀耀耀二磷磷二磷lll耀}}}}._...iiiii瑞瑞嘿嘿藻藻翻弊弊nnUné六Un门nCUnUCUn0nnn曰7.óh工nJ任gjqé1ǎ二/ù。工la。!之之留à料瑕NNNN二华止竺互,.买ǎ受6任àou一4巴lu。uou。Time(h)图3Zoomg几氨氮浓度下的硝化曲线200300400500600700起始氨氛浓度(gm几)不同浓度下氨氮的消减速率与NO3一N的形成速率比较结果表明,氨氮浓度随时间变化呈直线下降,符合零级反应的特征,反应速率与初始浓度无关。降解过程中,亚硝酸盐氮没有明显的积累。虽然亚硝化单胞菌的产率(0.142mg细胞m/gN)比硝化杆菌的产率(0042mg细胞/mgN)大4[],但NoZ一N浓度只在l小时处有一个微峰便下降,说明驯化后的载体颗粒内有足够的硝化细菌使反应过程中的亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐而不至积累。由于氨氮浓度的减少由硝化作用和吹脱作用两部分共同完成,可采用NOx一N(即NOZ一N与No3一N的和)的提高表征硝化反应的程度。从一系列浓度梯度的氨氮消减速率与`NOx一N形成速率来看,中低浓度时,硝化作用占主要优势,包埋硝化菌的平均硝化速率为44.752mgN几载体.h。高浓度时氨氮也呈明显下降趋势,但硝化作用己明显下降,说明这时氮的减少主要由曝气吹脱引起,微生物不能马上适应较高的氨氮浓度,因为驯化的最大浓度只有站om叭,这一方面是包埋颗粒内部的硝化菌己达到了极值,其硝化能力也只达到这个水平,如果进一步驯化菌种可希望硝化更高浓度的氨氮废水;另一方面,高浓度的氨氮也产生了高浓度的游离氨,对微生物有毒性,即使吹脱使氨氮降至较低的浓度时硝化水平仍较低,说明游离氨的毒性抑制仍存在。但400mg几的氨氮浓度对于一般的污水处理系统来说仍属于高浓度废水,包埋颗粒显示出较强的适应高浓度废水的能力。4一161第二届全国环境化学学术报告会论文集2.2酒厂实际废水处理研究好氧硝化池内包埋硝化菌颗粒按ro%填充率投加,刚投入的包埋颗粒须经一段时间驯化后才能达到最大硝化速率,初始负荷为40mgN几载体·h,当氨氮的去除率达85%以上且出水氨氮浓度lsmg几时即可再次提升负荷,如图6,其中实折线表示进水负荷提升的阶梯水平,可见进水负荷最终稳定在120mgN/L载体.h。实际好氧硝化池的进水即2#EGSB出水,运行时按需配入清水或补加钱盐来满足进水负荷需要,同时进水COD还须小于30omg几以减小有机物对硝化过程的阻碍作用。当颗粒达到最大硝化活性后,将三个反应器串联运行,保持运行稳定性。ǎ司谧曰à侧喊嗽璐nó八一né八U八UCU八UCé0nUC曰八目8ù匕`q,ónùOnób魂,一9é、.卫.且111,卫lǎ`\祠all。。!é全即曰à但唱喊毖11一411一14图612一412一14时间(d)12一241一311一2峨12一412一1412一241一3日期(d)系统氨氮负荷变化情况11一411一14图7氨氮进出水浓度变化由图6,7可见,当氨氮负荷逐步提高至180mgN几载体.h左右时,硝化率有所下降,出水氨氮也超出了巧mg几的界限,且11月27日反应器内pH降至.679,为保持系统稳定只有降低氨氮负荷,保证出水达标。此后,只将氨氮负荷维持在120mgN几载体·h,才能使出水氨氮不高于15mg几,此后反应器运行稳定良好,可见此时包埋颗粒己达到最大硝化能力。由于亚硝化单胞菌及硝化杆菌同属自养菌,对氨氮和亚硝酸盐的氧化过程产能率低,生长繁殖缓慢,且对溶解氧及pH的要求比异养菌更苛刻,当废水中含有有机物质