电增强零价铁强化厌氧氨氧化处理高氮养猪废水

第28卷第8期2015年8月环境科学研究ResearchofEnvironmentalSciences万莉，邹义龙，弓晓峰，等.电增强零价铁强化厌氧氨氧化处理高氮养猪废水[J].环境科学研究，2015，28(8):1302-1310.Vol.28,No.8Aug.,2015WANLi,ZOUYilong,GONGXiaofeng,etal.Electricalfieldandzero-valentiron-enhancedanaerobicammoniumoxidationforthetreatmentofhigh-nitrogenswinewastewater[J].ResearchofEnvironmentalSciences,2015,28(8):1302-1310.电增强零价铁强化厌氧氨氧化处理高氮养猪废水万莉1，邹义龙，弓晓峰1，万金保1*1.南昌大学资源环境与化工学院，都阳湖教育部重点实验室，江西南昌3300472.江西水利职业学院水利工程系，江西南昌330013摘要:为解决ZVI(零价铁)电极表面的钝化问题，实现anammox(厌氧氮氧化)工艺稳定、高效地运行，采用EEZVI-UASB(电增强零价铁-升流式厌氧污泥床)技术处理养猪废水，研究了EEZVI电极电压、p(CODc，)及脱氮贡献率的相关性.结果表明，在温度为(35:t1)c、pH为6.80-7.10、电极电压为0.60V的条件下，EEZVI-UASB对NH.+-N和N02--N的去除率均维持在较高的水平;NH.+-N去除率90.00%,N02--N去除率96.00%，TN平均去除率90.00%.当EEZVI电极电压为o.60V时，AAOB(厌氧氮氧化菌)的活性为91.10mg/(g.d)(以NH.+-N计);EEZVI-UASB中的优势功能菌主要为Pseudomonas属，其菌属16SrDNA的PCR扩增相似性达979毛:系统中同时存在着反硝化、anammox、甲:皖化等反应;其中anammox占主导作用，其对TN去除率的贡献率为54.109串-93.30'1毛，反硝化及其他反应对TN去除率的贡献率为6.709毛-45.909毛.关键词:电增强;零价铁;厌氧氮氧化;养猪高氮废水中图分类号:X705文献标志码:A文章编号:1001-6929(2015)08-1302-09DOI:10.13198/j.issn.l001-6929.2015.08.18ElectricalFieldandZero-ValentIron-EnhancedAnaerobicAmmoniumOxidationfortheTreatmentofHigh-NitrogenSwineWastewaterWANLil,ZOUYilong2,GONGXiaofengl,WANJinbaol*1.KeyLaboratoryofPoyangLakeofMinistryofEducation,SchoolofEnvironment&ChemicalEngineering,NanchangUniversity,Nanchang330047,China2.DepartmentofHydraulicEngineering,JiangxiWaterResourcesInstitute,Nanchang330013,ChinaAbstract:TheEEZVI-UASBtechniquewasusedforprocessingswinewastewaterandforstudyingthecorrelationamongEEZVIelectrodevoltage,concentrationoforganicmattersanddenitrificationrateofcontributiontosolvethepassivationofZVIelectrodesurfaceandrealizethestableandefficientoperationoftheanammoxtechnique.Theresultsshowedthatthestartingtimeneededbythetechniqueforprocessingswinewastewaterwasshorterat(35:t1)C,pH6.80-7.10andelectrodevoltageO.60V.TheremovalratesofNH.+-NandN02--Nwereabletokeepatahighlevel,withremovalratesof90.00%forNH.+-Nand96.00%forN02--N,andanaverageremovalrateofTN90.00%.WhenEEZVIelectrodevoltagewas0.60V,AAOBactivitywas91.10mg/(g'd).IntheEEZVI-UASBsystem,thedominantbacteriabelongedtothegenusofPseudomonαs，asconfirmedwithasimilarityvalueof97%byPCRamplified16SrDNAanalysis.Reactionslikedenitrification,anaerobicammoniumoxidationandmethanationoccurredsimultaneously,butthedominantreactionwasanammox,whosecontributionratesforTNremovalwere54.10%-93.30%.ThecontributionratesofdenitrificationandotherreactionsforTNremovalwere6.701)毛-45.90'1毛Keywords:electrodetoenhance;zero-valentiron;anammox;high-nitrogenswinewastewater收稿日期:2015-02-12修订日期:2015-05-08基金项目:江西省科技计划项目(20122BBG70079);江西省教育厅科技落地计划项目(GJJl2433);南昌市对外科技合作与成果转化推广计划项目(2013HZCω01)作者简介:万莉(1979-)，女，江西南昌人，讲师，主要从事废水处理及资源化技术研究，[e-mail]*责任作者，万金保(1952-)，男，江西南昌人，教授，博导，主要从事水污染控制及资源化技术研究，[e-mail]规模化养猪场粪污对环境构成的挑战已成为不容忽视、亟待解决的问题[1.3]采用anammox(厌氧氨氧化)技术处理猪场养猪废水是一种行之有效的方法，该技术可在缺氧环境下，以N02--N作为电子受体，将废水中的NH.+-N氧化成NY8].然而，anammox技术存在AAOB(厌氧氨氧化菌)繁殖生长条件要求第8期万莉等:电增强零价铁强化厌氧氨氧化处理离氮养猪废水1303苛刻及反应器启动时间(100-200d)长等问题.ZHANG等问在anammox反应器中设置铁电极，经过125d的运行，TN去除速率可达1209.6mg/(L.d);LIU等[10J在UASB中填充ZVI(零价铁)，CODc，去除率从60.30%升至90.70%;李勇等[11.13J采用复极性电解槽和生物炭滤池处理印染废水，出水达到GB4287-1992~纺织染整工业水污染物排放标准》的要求;CHENG等[14J在反应器中加入铁电极和活性炭颗粒，通过微电解作用，CODc，去除率可从359毛升至60.50%,Yetilmezsoy等[15.16J采用电凝法改进的UASB处理畜禽养殖废水，经过216d的运行，NH4+割去除率可达到80%，色度去除率可达到929毛.将ZVI置于UASB中，一方面可降低氧化还原电位，促进厌氧还原氛围的形成;另一方面，ZVI释放的Fe2+可有效压缩污泥的双电层，降低电动电势[川2.13，16J但随着微生物的附着，铁屑床层逐渐被覆盖和产生板结，ZVI电极的活性逐渐降低[17叫.该研究采用EEZVI(电增强零价铁)强化anammox技术处理养猪废水，外加直流稳压电源，通过促进ZVI电极表面电子的迁移来强化表面反应，解决ZVI电极表面的钝化问题;同时在适当的电场下剌激微生物的代谢能力，使出水满足GB18596-2001{畜禽养殖业污染物排放标准》的要求，以期为实现anammox工艺的稳定、高效运行提供技术支持.1材料与方法1.1试验材料1.1.1废水模拟废水组成:p(KH2P04)为0.03g/L,p(NaHC03)为5.05g/L,p(MgS04•7H20)为O.30g/L，ρ(CaC12.2H20)为O.18g/L.为促进微生物生长，配置模拟废水时按1.25mL/L添加微量元素浓缩液.微量元素浓缩液的配置:p(EDTA)为15g/L,ρ(ZnSO4.7H20)为0.43g/L，ρ(CuS04.5H20)为O.25g/L,p(CoC12.6H20)为3.20g/L,p(MnC12.4H20)为0.99g/L,p(NiS04.6H20)为0.84g/L，ρ((NH4)6Mo7024.4H20J为2.20g/L.试验所需NH4+-N和N02--N用NH4Cl和NaN02提供.养猪废水原水取自江西某生猪养殖公司.1.1.2接种污泥为了缩短反应器启动时间，接种污泥分别取自规模化猪场的升流式厌氧固体反应器(厌氧颗粒污泥)、生物接触氧化池(硝化反硝化污泥)以及序批式生物膜反应池(短程硝化污泥).厌氧颗粒污泥呈黑色絮状，待污泥静置后，弃去上清液，取3L，通过恒流泵均匀接入反应器中;硝化反硝化污泥呈黄褐色，污泥静置后弃去上清液，取1L，通过恒流泵均匀接入反应器中;短程硝化污泥静置后，弃去上清液，取1L，通过恒流泵均匀接入反应器中，使3种污泥同时泪合接种到反应器中.3种接种污泥主要理化指标见表1.在接种前，用0.1mol/L磷酸缓冲、溶液反复清洗3次，洗去接种污泥中的残留物质(如有机物、NH4+-N、N02--N和N03--N).表13种接种污泥的理化性质Table1Physicalandchemicalcharacteristicsofthethreeseedingsludges接种污泥p(55)Ip(VSS)Ip(V55)I粒径/(g/L)(g/L)p(55)mm硝化反硝化污泥29.80短程硝化污泥21.30厌氧颗粒污泥32.1019.1015.6017.90注:55为悬浮物;VSS为可挥发性悬浮物1.2试验装置0.64O.73O.561-3试验装置为EEZVI-UASB(电增强零价铁-升流式厌氧污泥床)，结构见图1.UASB中的ZVI电极通过外加电流、中和有机酸等方式失去电子，表面产生Fe21电子向石墨阴极迁移[19JEEZVI-UASB主体由不锈钢制成，可以避光，总高为900mm，有效高度为650mm，直径为150mm，有效容积为11L，安装2枚电极，阳极为圆管状空心铁电极，阴极为圆柱形实心石墨电极，电极通过导线与外界可调直流稳压电源相接.圆管状零价铁电极(φ125mmx500mm)和石墨电极(φ35mmx500mm)，电极插入位置为EEZVI­UASB的1/2处.石墨电极与圆管铁电极同轴安装，石墨棒电极外包裹碳毡.1.3试验方法废水通过蠕动泵连续从EEZVI-UASB底部泵入，自下而上通过反应器，在上升过程中AAOB将NH4+币和N02--N转化为风，反应器的HRT(水力停留时间)为21h，将进水pH控制在6.80-7.10，由度控制在(35:!:1)c范围内.每d定时取进、出水水样，测定pH..p(CODcJ、p(NH4+-N)、ρ(N03--N)、p(N02--N)、ρ(TN)等指标.为了使反应器成功启动，在最短的时间内富集AAOB，启动阶段采用模拟废水，启动成功后的试验采用猪场实际废水.电压对反应器处理猪场实际