不同填料UAFBANAMMOX反应器的脱氮效能

第27卷第3期2014年3月环境科学研究ResearchofEnvironmentalSciences袁青，黄晓丽，高大文.不同填料UAFB-ANAMMOX反应器的脱氮效能[JJ.环境科学研究，2014，27(3):301-308.Vol.27,No.3Mar.,2014YUANQi吨，HUANGXiaoli,GAODawen.ComparisonofnitrogenremovalinUAFB-ANAMMOXreactorswithdifferentcarriers[JJ.ResearchofEnvironmentalSciences,2014,27(3):301-308.不同填料UAFB-ANAMMOX反应器的脱氮效能袁青，黄晓丽，高大文*哈尔滨工业大学市政环境工程学院，城市水资源与水环境国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150090摘要:由于厌氧氨氧化菌增殖速率缓慢，对环境因素敏感，导致反应器启动时间长且运行不稳定.以人工配水为研究对象，采用UAFB(升流式厌氧固定床)反应器，分别填充组合填料、聚氨酶泡绵和立体弹性纤维作为生物载体，对各载体的挂膜特征及厌氧氮氧化的实现与稳定特性进行了研究.结果表明:与聚氨醋泡绵和立体弹性纤维相比，组合填料在快速启动反应器及运行稳定性上有较大优势，反应器启动时间为42d，稳定运行后期NH.+-N及NO，--N的去除率均达到90%以上，最大TN去除负荷(以N计)为1.239kg/(m3•d);并且组合填料挂膜效果较好，生物膜跟载体结合较紧密.以聚氨醋泡绵为载体的反应器启动时间(66d)长，挂膜效果较差，膜易脱落;稳定运行后期NH.+-N及NO，-割的去除率分别大于90%与959岛，最大TN去除负荷为1.268kg/(m3.d).以立体弹性纤维为载体的反应器对ρ(DO)和p(基质)及水力冲击等环境因素较为敏感，运行效果不稳定，最大TN去除负荷仅为0.724kg/(m3•d)关键词:厌氧氮氧化;UAFB;生物载体;脱氮效能中图分类号:X703文献标志码:A文章编号:1001-6929(2014)03-0301-08DOI:10.13198/j.issn.1001-6929.2014.03.12ComparisonofNitrogenRemovalinUAFB-ANAMMOXReactorswithDifferentCarriersYUANQing,HUANGXiao-li,GAODa-wenStateKeyLaboratoryofUrbanWaterResourcesandEnvironment,SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,ChinaAbstract:Theanaerobicammoniumoxidation(ANAMMOX)processisanewbiochemicalremovalprocesswithalowdemandofenergyandcosts.However,theslowgrowthrateandhighsensibilityofANAMMOXbacteriacausedlongset-uptimeandunstableoperation.ThreeUAFB-ANAMMOXreactorswithdifferentcarriers(i.e.,combinedcarrier,polyurethanefoam,elasticfiber)wereset-upwiththeartificialwater.ThebiofilmformationandnitrogenremovalefficiencyofANAMMOXinthreereactorswereinvestigated.Theresultsshowedthat,comparedwiththepolyurethanefoamandelasticfiber,thereactor1withcombinedcarrierhadshorterset-uptime(42d)andmorestableperformance.Inthelaststage,NH.+-NandNO,--Nremovalefficienciesbothreachedupto90%,andthemaximumNLRswas1.239kg/(m3•d).Thebiofilmconnectedwiththecombinedcarrierwerecloselyanduneven.However,thebiofilmonpolyurethanefoamwereincompactandeasytowashingoff.Theset-uptimeofreactor2withpolyurethanefoamwas66d.TheNH.+-NandNO,--Nremovalefficiencyinreactor2weremorethan90%and95%,andthemaximumNLRswas1.268kg/(m3•d).Reactor3wilhelaslicfiberwasnolslableandsensilive10dissolvedoxygen,subslraleconcenlrationandhydraulicimpact,andthemaximumNLRswasonlyO.724kg/(m3•d).Keywords:ANAMMOX;UAFB;carrier;nitrogenremovalefficiency收稿日期:2013-04-28修订日期:2013-10-09基金项目:国家自然科学基金项目(21177033);国家水体污染控制与治理科技重大专项(2013ZX07201007)作者简介:袁青(1989-)，女，山东枣庄人，[e-mail].*责任作者，高大文(1967-)，男，黑龙江哈尔滨人，教授，博士，主要研究污水生物处理、环境生物技术及区域环境化学，[e-mail](anaerobicammoniumoxidation，厌氧氨氧化)工艺是指在厌氧条件下，一类浮霉菌属细菌[1]直接以N02-为电子受体，以NH4+为电子供体，将2种氮素同时转化为N2的生物反应过程[叫.与传统生物脱氮工艺相比，ANAMMOX工艺不但可节省由添加外部碳源、化学中和剂及曝气等操作产生的302环境科学研究第27卷成本支出[57]，而且污泥产生量少.但ANAMMOX菌增殖缓慢，世代时间长[89]，并且体积较小(直径不到1μm)[弘10]，极易流失，导致反应器启动周期长且运行不稳定，因此如何保证污泥在反应器中有效截留是该工艺的关键问题.国内外学者提出了很多解决办法，如利用持留污泥能力较好的反应器[1川]、利用载体固定生物膜[川剧、培养沉降性能较优的颗粒污泥[川IJ等.其中，固定生物膜法在快速启动、稳定运行及脱氮效能等方面都具有较优的表现，因此受到广泛关注.Tsushima等[22J以反硝化污泥作为接种物，使用无纺布为生物载体启动ANAMMOX反应器，运行50d后观察到ANAMMOX反应，运行247d的TN负荷(以N计，下同)达到26kg/(m3•d);Fernndez等[23J在SBR(sequencingbatchreactor，序批式反应器)反应器中接种ANAMMOX污泥，在第13天加入沸石填料运行ANAMMOX反应器，50-160d中TN负荷最大值达到0.6kg/(m3.d).刘杰等[24J利用BM™生物膜载体启动ANAMMOX反应器，发现投加载体后，NH4+-N与N02伟国N的去除率明显增加，并且投加载体的反应器启动时间明显缩短.吕瞌等[25]以海绵作填料研究ANAMMOX反应的可行性，当容和、负荷为3.5kg/(m3.d)时，TN的去除率可达到759毛.目前的研究多集中于考察单一填料启动ANAMMOX反应器的时间井考察填料对反应器运行效能的影响.然而，生物填料的种类繁多，有软性填料、弹性填料及组合填料等[26剧，关于相同条件下不同性质填料对ANAMMOX反应器启动及脱氮效能的影响，以及填料本身的不同性质对ANAMMOX生物膜生长的影响，目前鲜见报道.该研究分别以组合填料、聚氨醋泡绵和立体弹性纤维为生物载体，在同一条件下同时启动3个UAFB(up-flowanaerobicfixedbed，升流式厌氧固定床)-ANAMMOX反应器进行连续流试验，通过考察3个反应器的启动时间、生物脱氮性能及生物膜生长情况，探讨不同类型填料对UAFB-ANAMMOX反应器的启动、运行效能的影响.1材料与方法1.1试验装置试验过程中采用3套结构与尺寸完全相同的UAFB作为ANAMMOX反应器(见图1)，内置3种不同的填料.UAFB主体结构采用透明有机玻璃制成以便观察反应区内反应产气及载体挂膜情况.反应器高37cm，高与内径之比为5.28，外径为9cm，有效容积为1.38L，反应区容积为1.00L，桶壁设3个取样口，间隔6.5cm.反应器由电阻丝及温控仪来控制温度，外包遮光布避光.模拟废水由蠕动泵(BQ50-11，保定兰格恒流泵有限公司)从底部进入反应器，从沉淀区上部流出，兰相分离器使气水分离，整个反应系统连续运行.在进水中曝氮气以驱赶残留或进水时引入的DO;ANAMMOX菌的最适温度范围为28-40'c[圳，反应器外壁缠绕电阻丝，与温控仪(XMTD-2002，上海项力实业有限公司)相连，控制反应器内温度;采用遮光布覆盖反应器，避免光对ANAMMOX菌产生影响.图1UAFB反应器系统示意Fig.1Systemofup-flowanaerobicbiofilmreactor1.2生物载体影响微生物挂膜性能和生长的因素很多，包括微生物特性、载体表面性质及环境特性.根据ANMMOX菌和不同载体的特性，考虑到材料的易获取及经济性，该研究选择3种填料进行试验，分别为组合填料(软性与半软性填料组合)、聚氨醋泡绵(聚乙烯球固定)及立体弹性纤维，如图2所示.各填料性质见表1.组合填料兼有软性填料和半软性填料的优点，由纤维束、塑料片、中心绳组成，特点是不堵塞、不结团、比表面积大;聚氨醋泡绵是以特定水榕性树脂采用交联反应而得到的多孔性弹性体，因分子结构中具有亲水性而具备强烈的吸水能力;立体弹性填料将丝条穿插固着在耐腐蚀、高强度的中心绳上，丝条呈立体均匀排列辐射状态，填料在有效区域内能立体全方位均匀舒展满布，能在运行过程中获得愈来愈大的比表面积.1.3接种污泥与试验废水接种污泥均取自哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室.起始接种量均为5∞mL，接种污泥ρ(MLSS)为2600mg/L，ρ(MLVSS)为550mg/L.第3期袁青等:不同填料UAFB-ANAMMOX反应器的脱氮效能303(a)组合填料(b)聚氨固自泡绵(c)立体摊性纤维图Z试验用生物填料Fig.2Carriersusedinthreereactors襄13种生物填料的性质TableICharactf!rristicsofthethrcecaπlers反应器编号与1料规格J~状比去面积/持水量/填充比l(m2/m3)(g/g)%1#组合填料ü径:均120mm.~个片状，中状填充360O.7670丝长只150mm2辅聚氨两首泡约il主x飞也x{di为聚乙烯球网定的小立方体20.847010111mX10mmx10Infll31学立体弹性纤维且径为120Il1m.丝条立体J古j匀辐射州纠l3001.1770丝长为70mrn人℃模拟废水组成:ρ(NH.Cl)为50-140mg/L,ρ(NaNOz)为50-140mg/L,p(KHC03)为10∞mg儿，p(KHzP04)为50mg/L,p(MgS04.7H20)为200mg/L,p(CaCI2.2H20)为151mg/L，ψ(散量元素)为0.313mL/L，以维生素)为0.25mL/L.做量元素的组成:ρ(Zn50.