部分反硝化耦合厌氧氨氧化脱氮性能研究王维奇

中国环境科学2019,39(2)：641~647ChinaEnvironmentalScience部分反硝化耦合厌氧氨氧化脱氮性能研究王维奇,王秀杰,李军*,王思宇(北京工业大学建筑工程学院,北京100124)摘要：在稳定运行的包埋厌氧氨氧化反应器的基础上,经过94d的启动成功耦合部分反硝化,部分反硝化NO2－-N积累率高达63.5%,与此同时NO3－-N去除率稳定为98.4%.确定了耦合反应最佳COD/NO3－-N比值范围为2.3~2.7.将pH值提升至8.0,8.5后发现,耦合性能下降,这与之前很多报道的结果不同.在耦合反应器的基础上添加PCL(聚己内酯)固体碳源进一步成功耦合全程反硝化,使得厌氧氨氧化所产生的NO3－-N能够得到全部去除,TN去除率也由原来的79.4%提升至88.3%,同时发现大量反硝化生物膜附着生长于PCL颗粒上.关键词：部分反硝化；厌氧氨氧化；包埋；固体碳源中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2019)02-0641-07Studyontheperformanceofpartialdenitrificationcoupledwithanaerobicammoniaoxidationfornitrogenremoval.WANGWei-qi,WANGXiu-jie,LIJun*,WANGSi-yu(TheCollegeofArchitectureandCivilEngineering,BejingUniversityofTechnology,Beijing100124,China).ChinaEnvironmentalScience,2019,39(2)：641~647Abstract：Basedonthestableimmobilizinganammoxreactor,theanammoxcouplingwithpartialdenitrification,calledDEAMOX,wassuccessfullyachievedafter94daysoperationwiththevalueofNO2－-NaccumulationrateandtheremovalrateofNO3－-Nupto63.5%and98.4%,respectively.ThefindingsrevealedthattheoptimumrangesofCOD/NO3－-Nforcouplingreactionwere2.3~2.7.Besides,thecouplingperformancewasweakenedbytheraisingpHvaluesupto8.0or8.5,whichwasinconsistentwithsomepublishedresearch.TheimmobilizinganammoxfurthercouplingwholeprocessdenitrificationwasachievedbyaddingsolidcarbonsourceofPCLintoDEAMOXreactor.Subsequently,theNO3－-Nproducedbyanaerobicammoniaoxidationcouldbecompletelyremovedandtheremovalrateoftotalnitrogenincreasedfrom79.4%to88.3%.Besides,therewerealargenumberofdenitrifyingbiofilmsattachedtothesurfaceofPCLparticles.Keywords：partialdenitrification；immobilization；anammox；solidcarbonsource近年来,厌氧氨氧化技术越来越受到关注,其已被环境界公认为最具可持续发展特质的废水脱氮技术[1-3].但由于其需要亚硝酸盐氮作为电子供体,因此其独立应用受到了限制.目前,短程硝化工艺是获得NO2--N的主要途径[4-5].但是其控制要求高,容易遭到破坏,且一旦破坏难以恢复.因此,新的途径亟待开发.Kalyuzhnyi等[6]根据厌氧氨氧化和异养反硝化提出一种新的脱氮工艺—反硝化氨氧化(DEAMOX),即在单一反应器内,同时进行着厌氧氨氧化反应和反硝化反应,并且厌氧氨氧化反应的电子供体NO2--N来自于反硝化.即将反硝化反应控制在NO3--N→NO2-以获得高的NO2--N积累,有学者将这一工艺命名为部分反硝化[7].Du等[8]在SBR反应器中分别接种驯化成功的高亚硝态氮积累部分反硝化污泥以及UASB反应器中厌氧氨氧化颗粒污泥,分别以乙醇与乙酸钠为碳源,处理同时含有氨氮和硝酸盐废水,实现部分反硝化与厌氧氨氧化的成功耦合,并稳定运行180d.Li等[9]在连续流反应器下部接种驯化成功的部分反硝化颗粒污泥,上部接种厌氧氨氧化污泥,同样实现了部分反硝化与厌氧氨氧化的成功耦合.以上学者之所以能够实现成功耦合,都是利用接种驯化成功的部分反硝化污泥投加到反应器中.但是他们忽略了探究如何直接启动部分反硝化与厌氧氨氧化的耦合,且其驯化部分反硝化污泥手段有一定的特殊性,较为复杂.本实验以已经成功启动并稳定运行的包埋厌氧氨氧化连续流反应器为基础[10],以葡萄糖为唯一碳源,探索部分反硝化与厌氧氨氧化耦合工艺的启动与稳定运行条件.1材料与方法1.1部分反硝化耦合包埋厌氧氨氧化反应器收稿日期：2018-06-21基金项目：水体污染控制与治理科技重大专项(2015ZX07202-013);北京市自然科学基金面上项目(8172012)*责任作者,教授,[e-mail]:10.19674/j.cnki.issn1000-6923.2019.0078642中国环境科学39卷耦合反应器如图1所示.反应器为UASB反应器,高1m,内径90mm,有效容积为6L.外部设有水浴层.包埋厌氧氨氧化颗粒采用流离球内填充辫式填料支撑,均匀分布于反应器中.1211356781094图1部分反硝化耦合包埋厌氧氨氧化反应器示意Fig.1Partialdenitrificationcoupledwithimmobilizationofanammoxreactor1-出水口;2-水浴出口;3-氮源配水箱;4-碳源配水箱;5-蠕动泵;6-阀门;7-水浴进口;8-水浴层;9-包埋厌氧氨氧化颗粒;10-流离球;11-分层取样口1.2实验配水水质实验用水采用人工配水,主要成分如表1所示.表1人工模拟废水成分组成Table1Compositionsofartificialwastewater主要成分质量浓度KH2PO4(mg/L)25CaCl2(mg/L)120MgSO4·7H2O(mg/L)260KHCO3(mg/L)753微量元素Ⅰ(mL/L)1微量元素Ⅱ(mL/L)1微量元素Ⅰ的组成为:FeSO4,(5g/L);EDTA,(5g/L);微量元素Ⅱ的组成为:EDTA,(15g/L);CuSO4·5H2O,(0.2g/L);ZnSO4·7H2O,(0.43g/L);CoCl2·6H2O,(0.24g/L);MnCl2·4H2O,(0.99g/L);NaMoO4·2H2O,(0.22g/L);NiCl2·6H2O,(0.19g/L);NaSeO4,(0.11g/L);H3BO3,(0.014g/L);NH4+-N,NO2－-N;NO3－-N分别用NH4Cl和NaNO2,NaNO3按需配制.碳源采用葡萄糖.1.3部分反硝化耦合包埋厌氧氨氧化工艺的启动实验以启动成功并稳定运行的包埋厌氧氨氧化连续流反应器为基础,进水NH4+-N,NO2－-N浓度分别为30mg/L,45mg/L左右.NO2－-N/NH4+-N,NO3－-N/NH4+-N消耗比分别为1.25,0.25左右,接近理论值1.32与0.26.1~5d为包埋厌氧氨氧化稳定运行期,水力停留时间为4h,运行温度控制为30℃左右,进水pH值控制为(7.5±0.1),且启动过程保持这些运行条件不变.反应器具体运行工况如表2所示.表2反应器运行方式Table2Operationmodeofreactor运行阶段运行时间(d)NH4+-N浓度(mg/L)NO3－-N浓度(mg/L)NO2－-N浓度(mg/L)COD浓度(mg/L)COD/NO3－-NI0~530—45——II6~10301345——III11~15304345——IV16~30304345100.23V31~41304345601.39VI42~493043451102.56VII50~563043151102.56VIII57~64304301102.56IX65~94调整COD/NO3－-N探究最佳耦合条件第6d,开始向进水中投加少量的NO3－-N,观察其对厌氧氨氧化的影响;第11d,将进水NO3－-N浓度升至43mg/L左右;第16d,进水中添加10mg/LCOD,培养部分反硝化细菌;待运行稳定后,第31d时,将进水COD提升至60mg/L,提高COD/NO3－-N比值,提高部分反硝化能力;第42d,将进水COD提升至110mg/L;第50d时,减小进水NO2－-N浓度为15mg/L;第57d时,进水不添加任何NO2－-N,进水NO2－-N浓度为0.第65至94d,调整COD/NO3－-N比值,探索实现耦合的最佳条件.1.4提高pH值观察耦合性能根据前人对厌氧氨氧化研究的结论可知,厌氧氨氧化反应最佳pH值范围为7.5~8.5[11].本实验控制耦合反应器进水pH值为(7.5±0.1).因此,本实验将启动94d后已稳定运行的耦合反应器进水pH值分别提升至8.0,8.5,观察耦合效果,探索pH值在合理范围内提升对部分反硝化亚硝态氮积累的影响及耦合包埋厌氧氨氧化的影响.1.5添加固体碳源提高总氮去除率2期王维奇等：部分反硝化耦合厌氧氨氧化脱氮性能研究643由于厌氧氨氧化反应产能阶段会产生少量硝酸盐氮,这也影响了厌氧氨氧化反应对总氮去除的贡献率.因此本实验在部分反硝化耦合包埋厌氨氧化的基础上,在连续流反应器上部采用铁丝网加流离球的方式添加100g左右的固体碳源-聚己内酯(PCL),用来去除厌氧氨氧化反应产生的硝态氮.1.6亚硝酸盐氮积累率(NTR(%))计算方法NH4++1.32NO2-+0.066HCO3-+0.13H+→1.02N2+0.26NO3-+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O(1)式(1)为厌氧氨氧化反应方程式,由此可知理论上NH4+-N,NO2－-N;NO3－-N3者的消耗以及产生比值约为1:1.32:0.26.本实验实际运行比例约为1:1.25:0.25.4effluent4initial3initial3effluent4effluent4initialNTR1.25(NHNH)100%NONO0.25(NHNH)++−−++=−×−−−(2)式中所采用的参数为实际运行参数1.7水质测定方法NH4+-N:纳氏试剂光度法;NO2－-N:N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;NO3－-N:麝香草酚分光光度法;pH值/温度:WTW/Multi3420测定仪.每个实验设置3组平行取平均值.2结果与分析2.1部分反硝化耦合包埋厌氧氨氧化的启动厌氧氨氧化反应器采用包埋的方法,目的在于使得厌氧氨氧化菌均匀分布于反应器空间,且由于厌氧氨氧化细菌生长周期较长[12],包埋法能够减少或者避免运行过程中厌氧氨氧化污泥的流失.1~5d为包埋厌氧氨氧化稳定运行期,由图2可以看出,NH4+-N、NO2－-N的去除率分别为100%和82.6%.TN去除率约为76.5%.第6d、第11d分别向进水中投加10、40mg/LNO3－-N.可以看出,NO3－-N的投加并没有对厌氧氨氧化细菌氮去除率以及反应比例产生影响.16d后,向反应器中添加少量COD,约为10mg/L,COD/NO3－-N≈0.23.目的在于培养异养反硝化细菌,