不同基质浓度下SBR进水方式对厌氧氨氧化的影响

中国环境科学2015,35(8)：2334~2341ChinaEnvironmentalScience不同基质浓度下SBR进水方式对厌氧氨氧化的影响曹天昊,王淑莹*,苗蕾,李忠明,彭永臻(北京工业大学,北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京100124)摘要：采用厌氧SBR反应器,分别以配水培养和以实际晚期垃圾渗滤液培养的厌氧氨氧化菌为研究对象,考察了不同基质浓度下,SBR改进式连续进水方式与一次性进水方式对厌氧氨氧化工艺运行性能的影响.结果表明,当处理人工配水时,在中低进水浓度下(NO2--N≤400mg/L),与改进式连续进水方式相比,宜采用一次性进水方式运行;在高进水浓度下(NO2--N≥400mg/L)改进式连续进水方式比一次性进水方式优势明显,特别是在5h改进式连续进水方式下,平均比污泥脱氮速率增加至39.11mgN/(gVSS·h),相比一次进水方式效率提高40%.当处理进水NO2--N浓度为(300±20)mg/L的实际晚期垃圾渗滤液时,5h改进式连续进水的SBR比污泥脱氮速率最高.由于晚期渗滤液较配水成分复杂,使得厌氧氨氧化菌面临有机物和有害物质的影响,其厌氧氨氧化的反应速率低于同等基质浓度配水条件下的厌氧氨氧化反应速率.关键词：厌氧氨氧化；进水方式；SBR；基质浓度；垃圾渗滤液中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2015)08-2334-08InfluenceoffeedingmodesonanammoxunderdifferentinfluentsubstrateconcentrationinSBR.CAOTian-hao,WANGShu-ying*,MiaoLei,LiZhong-ming,PENGYong-zhen(KeylaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China).ChinaEnvironmentalScience,2015,35(8)：2334~2341Abstract：DifferentfeedingmodeswithdifferentinfluentsubstrateconcentrationwereinvestigatedusinganaerobicSBR,withtheconditionsofsyntheticwastewaterandrealmaturelandfillleachate,respectively.Theresultsshowedthatwhentreatinglowconcentrationofsyntheticwastewater(NO2--N≤400mg/L),thefeedingmodeof5minwasabetterchoiceforAnammox.Whentreatinghighconcentrationofsyntheticwastewater(NO2--N≥400mg/L),thecontinuousfeedingmodeof5hwasthebestchoiceforAnammox.Underthecontinuousfeedingmodeof5h,theaveragenitrogenremovalrate(ANRR)increasedto39.11mgN/(gVSS·h)andenhancedby40%comparingwiththefeedingmodeof5min.Whentreatingtherealmaturelandfillleachatewithnitriteconcentrationof300±20mg/L,ANRRof5hwasmaximumcomparingwithotherfeedingmodes.Becauseofthematurelandfillleachatecontainedalittleofbiodegradableorganicsandlotsofhazardoussubstances,theANRRoftreatingmaturelandfillleachatewaslowerthanthatoftreatingsyntheticwastewater.Keywords：anammox；feedingmodes；SBR；substrateconcentration；landfillleachate随着水体富营养化的日益严重,脱氮已经成为污水处理的重点.目前最常用的脱氮处理方法是传统的硝化反硝化工艺[1-2].传统的硝化反硝化工艺在反硝化阶段需要外加碳源,否则难以实现总氮去除达标[3-5],因此处理成本较高.采用前置硝化反硝化工艺虽然能减少外碳源的添加量,但仍需外加碳源且脱氮效果不理想.此外,对于处理碳氮比较低的高氨氮废水如垃圾渗滤液等,传统的硝化反硝化工艺并不适用[6].近年来,厌氧氨氧化工艺由于其成本效益高、无需外加碳源等优点[7],已经逐渐应用于处理高氨氮废水[8-9].厌氧氨氧化反应是在厌氧条件下,以NO2--N为电子受体,NH4+-N为电子供体,厌氧氨氧化菌将NH4+-N和NO2--N转化为氮气和NO3--N[10].反应见式(1)[11].然而,厌氧氨氧化菌会受到许多因素的影响使其活性降低,如温度、溶解氧、pH值、基质浓度、游离氨、亚硝酸盐抑制作用、盐度、磷酸盐、Fe2+以及有机物等收稿日期：2014-12-10基金项目：国家自然科学基金(51478013);科研基地建设—科技创新平台*责任作者,教授,[e-mail]8期曹天昊等：不同基质浓度下SBR进水方式对厌氧氨氧化的影响2335等[12-19].NH4++1.32NO2-+0.066HCO3-+0.13H+→N2+0.26NO3-+0.066CH2O0.5N0.15+2H2O(1)目前大多采用连续流反应器(如UASB)来研究厌氧氨氧化反应[8,13-14].但连续流反应器容易造成厌氧氨氧化菌的流失,而SBR反应器具有构造简单、操作灵活、抗冲击负荷等优势[20].由于其间歇排水的运行方式,更对污泥有良好的截留能力,可以避免厌氧氨氧化菌的流失.然而较高的进水NO2--N浓度会对厌氧氨氧化菌产生抑制作用,有研究表明,当反应器内NO2--N的浓度达到100mg/L时,即会对厌氧氨氧化菌产生抑制作用[21],也有研究表明当厌氧氨氧化菌形成颗粒污泥后,半抑制常数能达到400mg/L[22].Carvajal-Arroyo等[23]认为当NO2--N浓度超过210mg/L时就会全部抑制厌氧氨氧化菌的活性.由此可见,当进水NO2--N浓度较高时,一次性进水方式会抑制厌氧氨氧化反应,从而降低厌氧氨氧化的反应速率.如何解决高浓度NO2--N对厌氧氨氧化的抑制,从而提高反应负荷是研究的难点.本试验采用厌氧SBR反应器,分别以配水培养和处理实际晚期垃圾渗滤液的厌氧氨氧化菌为研究对象,考察了不同基质浓度下进水方式对厌氧氨氧化的影响.1材料与方法1.1污泥和进水水质特征以处理配水效果良好的厌氧氨氧化菌研究人工模拟废水,形状为絮体污泥.污泥浓度约为(3000±100)mg/L,SVI值为120mL/g.试验用水为模拟废水[24],其组成为:KH2PO410mg/L,CaCl2·2H2O5.6mg/L,MgSO4·7H2O300mg/L,KHCO31250mg/L.NH4+-N和NO2--N分别用NH4Cl和NaNO2提供,浓度按需配制.微量元素浓缩液Ⅰ的组成为(g/L):EDTA5000mg/L,FeSO45000mg/L.微量元素浓缩液Ⅱ的组成为:EDTA1000mg/L,H3BO414mg/L,MnCl2·4H2O990mg/L,CuSO4·5H2O250mg/L,ZnSO4·7H2O430mg/L,NiCl2·6H2O190mg/L,NaSeO4·10H2O210mg/L,NaMoO4·2H2O220mg/L.进水pH值控制在7.3±0.2.以处理实际晚期垃圾渗滤液良好的厌氧氨氧化菌研究实际晚期垃圾渗滤液,形状为絮体污泥加部分红色颗粒污泥.污泥浓度为(3000±100)mg/L.所用的晚期垃圾渗滤液取自北京六里屯垃圾填埋场.晚期渗滤液的综合水质特征见表1.表1晚期渗滤液水质特征Table1Characteristicsofmaturelandfillleachate组成最大值最小值平均值COD(mg/L)240019002200BOD5(mg/L)15050100NH4+-N(mg/L)230018002000NO3--N(mg/L)0.80.110.5NO2--N(mg/L)1.10.10.4碱度(mg/L)932062107200pH值8.27.88.01.2试验设备厌氧SBR由有机玻璃制成,有效容积为10L.内设搅拌装置、温控装置和进水蠕动泵,搅拌速率为60r/min,温度控制在30℃±1℃,排水比控制在50%,其HRT为20h.进水分别采用一次性进水和改进式连续进水两种方式,其中改进式连续进水的时间根据浓度的不同分别设定.采用一次性进水方式时,SBR按照反应期间一次性进水-搅拌-沉淀-排水-闲置的操作模式运行.采用改进式连续进水方式时,SBR按照反应期间连续进水(同时搅拌)-搅拌-沉淀-排水-闲置的操作模式运行.此外,为避免光照对厌氧氨氧化菌的抑制作用,SBR外覆黑色保温材料,可以起到保温和避光的作用.1.3检测分析方法水样分析项目中的COD浓度采用国家标准方法测定[26];氨氮质量浓度采用纳氏试剂分光光度法;硝酸盐质量浓度采用麝香草酚分光光度法;亚硝酸盐质量浓度采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;pH值及温度采用德国WTW公司生产的pH计.1.4计算公式反应器理论的比污泥脱氮速率(NRR)可以2336中国环境科学35卷用方程(2)计算:4inf2inf4eff2effNHNNONNRRMLVSSNHNNONMLVSStt+−+−−+−=−⋅−+−⋅(2)其中:NRR为比污泥脱氮速率,mgN/(gVSS·h);NH4+-Ninf为进水NH4+-N浓度,mg/L;NO2--Ninf为进水NO2--N浓度,mg/L;NH4+-Neff为出水NH4+-N浓度,mg/L;NO2--Neff为出水NO2--N浓度,mg/L;MLVSS:混合液挥发性悬浮固体浓度,g/L.反应器理论的氮负荷(NLR)可以用方程(3)计算:64inf2infNHNNON10MLRVt+−−+−×=⋅(3)其中:NLR:氮负荷,kg/(m3·d);NH4+-Ninf为进水NH4+-N浓度,mg/L;NO2--Ninf为进水NO2--N浓度,mg/L.1.5试验方案表2人工配水条件不同基质浓度下进水方式对厌氧氨氧化反应影响的试验方案Table2Experimentalprocedureundertheconditionofsyntheticwastewater序号NH4+浓度(mg/L)NO2-浓度(mg/L)进水方式进水时间(min)152200一次性进水5152200改进式连续进水1801152200改进式连续进水90304400一次性进水5304400改进式连续进水3602304400改进式连续进水420456600一次性进水5456600改进式连续进水240456600改进式连续进水300456600改进式连续进水3603456600改进式连续进水420首先采用人工配水,在进水NO2--N浓度为200mg/L、400mg/L以及600mg/L条件下,分别采用一次性进水方式(进水时间为5min)和改进式连续进水方式(进水时间见表2),通过对比反应时长来探究不同基质浓度下进水方式对厌氧氨氧化反应的影响.随后,针对实际晚期垃圾渗滤液,分别采用一次性进水(5min)和改进式连续进水(进水时间分别为4h、5h和6h)方式,通过