摘要：厭氧氨氧化工藝處理高鹽含氮廢水,需要使用恰當的方法,在保持細菌抗鹽性的同時,使其具有高的活性。 試驗研究了菊花狀無紡布載體的生物膜性能,測試了氨氮除去效果、亞硝酸氮除去效果、總氮除去效果、總氮負荷。 結果表明,在高鹽廢水的條件下,微生物的脫氮負荷可達到1.32 kg-N/m3/d。
關鍵詞：厭氧氣氨氧化;無紡布;高鹽;總氮除去率
沿海地帶是每個國家的主要工業基地。使用海水作為工業水源或天然氣開采廢水以及城市垃圾滲濾液中,含氮廢水含有高濃度鹽分。厭氧氨氧化是除去 氮的關鍵技術之一,因為厭氧氨氧化細菌繁殖周期長,細菌量倍增速度慢,在不適宜的條件下,細菌的死 亡率高于生長率。如何在高鹽分下保持細菌活性的同時,具有高的除氮效率,是目前生物工程領域中重要的研究課題。試驗采用復合材料無紡布作為顆粒污泥的載體,研究了在高鹽濃度條件下,細菌保持較高的活性并且具有理想的總氮負荷除去率。
1 試驗廢水、材料及設備
本試驗研究用水取自日本千葉縣天然氣生產公司。 廢水中鹽度、氨氮和pH值的平均值分別為:30 g/L、 210 mg/L和6.9。該廢水經過部分亞硝化處理后的出 水作為本試驗的進水,試驗用水水質見表1。本試驗裝置 采用上流式固定床反應器,總高度60 cm,內徑18 cm,有 效容積2.8 L,內填充無紡布填料(日本Vilene,US專利5,185,415;1993),形狀見圖1。反應器通過外層水套的加熱設施來調節溫度在27℃~33℃之間。如圖2 所示。接種污泥初始MLVSS為0.7 g/L。試驗過程中以鹽度劃分為7個階段(表2)。整個實驗過程中,保持水力停留時間2.92 h不變,通過增加進水總氮濃度來提高負荷。在不同實驗階段鹽度的變化通過加入自來水稀釋進行調整。
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氨氮的檢測,采用石炭酸鹽分析方法(2-羥基聯 苯作為取代品,標準為Kanda,1995)。亞氮的檢測,采 用N-(1-萘基)乙二胺光度法;硝氮的檢測采用紫外分 光光度法(標準為APHA, 1995)。分析儀器為UV型號的紫外分光光度儀。DO分析儀為D-55, Horiba,光 學顯微鏡型號為Nikon ECLIPSE E600 JAPAN,立體顯微鏡型號為Nikon SMZ1500, JAPAN,電子顯微鏡型號為Nikon SMZ1500, JAPAN。
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2 反應器的啟動
試驗反應器啟動時的總負荷0.83 kg-N/m3/d, 水力停留時間(HRT)2.92 h,鹽度15 g/L。系統在啟 動時期的一個月中,共經歷了15 g/L、20 g/L和23 g/ L 3個鹽度的變化。由于原水鹽度為30 g/L,啟動初 期,把原水稀釋成15 g/L,而由于原水總氮濃度平均 為200.0 mg/L,因此稀釋后,進水鹽度為15 g/L時, 稀釋后總氮濃度只有100.0 mg/L左右,而此時氨氮、 亞硝酸氮和硝酸氮的平均濃度分別是20.6 mg/L、20.9 mg/L和52.9 mg/L。總氮負荷隨時間的延長而 逐漸增長,除去率整體上也處于上升趨勢。在把鹽度 增加到23 g/L后,系統運行仍較為穩定。第31天時氨 氮去除率達到75.0 %,亞硝酸氮去除率達到41.8 %, 之后能一直保持較好處理效果,此時認為系統啟動完成。
3 反應器運行結果
系統運行時的氨氮濃度和去除效果見圖3。在第Ⅰ階段,鹽度15 g/L,進水氨氮濃度平均只有20.0 mg/L,較低的濃度利于細菌的培養馴化期。第Ⅲ階段,進水氨氮濃度逐漸增加(46.4~68.9 mg/L);出 水氨氮濃度平均11.8 mg/L;去除率平均69.0%。到 第Ⅳ階段,鹽度達到25 g/L,進水氨氮濃度平均50.6 mg/L;出水氨氮濃度平均11.6 mg/L;去除率平均 79.4%,最高時達到98.7%。因系統運行良好,在第Ⅴ 階段,鹽度為30 g/L,進水氨氮濃度平均值為59.8 mg/L,出水氨氮濃度平均21.6 mg/L,去除率平均 79%,效果良好。但在第Ⅴ階段末期,水浴加熱設施突然 損壞,pH值出水小于進水。第Ⅵ階段鹽度為15 g/L,進水氨氮濃度平均23.9 mg/L,經過7天系統活性恢復, 反應器進水鹽度為30 g/L,進水氨氮濃度平均98.8 mg/L,出水氨氮濃度平均33.9 mg/L,去除率平均 65.3%,效果良好,且運行穩定。
亞硝酸氮濃度和去除效果見圖4所示。進水氨氮與亞硝酸氮濃度比值控制在1∶1.2左右,系統進水亞硝酸氮濃度平均57.1 mg/L,出水亞硝酸氮濃度平 均19.1 mg/L,去除率平均58.6%。在第Ⅶ階段,鹽度 30 g/L,進水亞硝酸氮濃度平均92.7 mg/L,出水亞硝酸氮濃度平均27.0 mg/L,去除率平均70.7%。在 第114 d亞硝酸氮去除率陡然下降,氨氮濃度與亞硝酸氮濃度比值為1∶1.9,嚴重偏離1∶1.2。在進水氨 氮恢復正常水平后,污泥活性逐漸恢復,達到穩定。總氮濃度和總氮去除效果見圖5,類似于氨氮和亞硝酸 氮去除率;硝酸氮不參與反應,硝酸氮的不規律性對總氮濃度的影響也很小。在鹽度30 g/L時,總氮最大值為290.9 mg/L,平均212.6 mg/L,出水濃度平均值 94.5 mg/L,平均去除率55.7%。
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總氮去除負荷見圖6。進水中的鹽度逐漸提高,在進水鹽度為30g/L,總氮負荷平均值為1.75kg N/m3·d;總氮去除負荷平均值為0.97 kg N/m3·d。實驗證明,淡水性厭氧氨氧化污泥經過培養馴化,可以處理高含鹽廢水(鹽度30g/L)。另有研究表明,在鹽度高于45g/L時,污泥活性就會喪失[1]。
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厭氧氨氧化反應速率見圖7。氨氮去除負荷與亞 硝酸氮去除負荷的比值為1∶0.928,而與厭氧氨氧化 工藝處理淡水時的理論值1∶1.3相差較大。Dapena- Mora等用厭氧氨氧化工藝處理含鹽10 g/L的魚罐 頭生產廢水時,該值為1∶1.67[2],Ahn等用厭氧氨氧 化工藝處理養豬廢水時氨氮去除負荷與亞硝酸氮去 除負荷比值為1∶1.65,而硝酸氮生成量幾乎為零[3]。 本試驗中亞硝酸氮消耗量少的原因可能是由于過高 的鹽度抑制了厭氧氨氧化菌的活性[4],并導致了細菌 的變異,培養出了能夠抗鹽的厭氧氨氧化菌,但不符合厭氧氨氧化反應規律,需進一步的探討研究。表3列出了幾個不同反應器處理高含鹽廢水的結果。
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本試驗所采用的是固定床反應器,其溫度控制在27℃~33℃,進實際廢水,自然溶解氧,在嚴酷的條件下,取得了較高的總氮去除負荷。
4 污泥性狀
無紡布為白色,經過130多天馴化培養后,變成淺紅色,啟動時所用的接種污泥中紅色顆粒和黃褐色顆粒相間,有少部分好氧菌[7],導致污泥不是全部的紅色,正是這些好氧菌消耗了反應器中的溶解氧,防止了過高的溶解氧對厭氧氨氧化菌的抑制作用。污泥顆粒粒徑分布反映了污泥顆粒的大 小,進而說明了污泥的密實度,是污泥顆粒的一個重要待征。
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污泥顆粒分布圖見圖9。中位粒徑為601μm,并且分布較均勻。van der Star等研究實際運行的厭氧氨氧化處理設施時,檢測到污泥顆粒粒徑為1000 μm[8]。這是由于本實驗的水力停留時間較短(3 h), 對污泥顆粒的剪切力較大,形成的顆粒較為密實。在試驗后期,取出生物膜用光學顯微鏡觀察(圖10)。無紡布分散著大量的成塊狀聚集的細菌(圖 10A),細菌之間分散有大量的小膜填料結晶體(圖 10B);厭氧氨氧化菌以無紡布為載體,聚合在周圍 ,而無紡布獨特的性質使得細菌更有利于保持反應器中足夠的生物量[9]。
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第120 d,用掃描電子顯微鏡觀察污泥顆粒的形態和內部結構。細菌通過胞外聚合酶的作用,形成團 狀結構(圖11 C、D),緊密地附著在無紡布上(圖11 A、B)。有研究認為,部分反硝化菌,硝化反應、反硝化 反應和厭氧氨氧化反應的協同作用,完成污染物降解 過程[10]。
5 結論
試驗過程中,溫度為(30±3)℃,pH值為7.1~ 8.0,HRT為2.92,溶解氧濃度為5~8 mg/L,鹽度為 30 g/L時,進水氨氮濃度平均為98.8 mgN/L,出水 氨氮濃度平均33.9 mgN/L,去除率平均65.3 %;進 水亞硝酸氮濃度平均92.7 mgN/L,出水亞硝酸氮平 均濃度為27.0 mgN/L,除去率平均為70.7 %;總氮 進水濃度平均212.6 mgN/L,出水濃度平均94.5 mgN/L,除去率平均55.7 %。試驗過程中,獲得的總 氮負荷范圍在1.34~2.39 kg-N/m3/d之間,平均 1.75 kg-N/m3/d;總氮去除負荷0.63~1.32 kg-N/ m3/d,平均0.97 kg-N/m3/d,效果良好,運行穩定。通 過一定的方法逐漸提高廢水含鹽濃度,馴化厭氧氨氧 化污泥成處理高含鹽廢水污泥,并能得到良好的效果。直接從正在運行的反應器取泥接種,能過縮短啟 動時間,減少培養周期;進水不除氧氣,保持廢水中原 有的溶解氧濃度,培養出能夠消耗溶解氧的細菌,使之在反應器中與厭氧氨氧化細菌共生,發生協同作用,降低了運行成本,向厭氧氨氧化工藝的推廣應用邁進了一步。溫度對于厭氧氨氧化反應器的運行起著非常重要的作用,在溫度陡降時會使污泥活性降低, 出水水質變差。為此,需要保證反應器處于合適的溫度范圍。才能取得長期的良好的運營效果。通過對生 物膜進行光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察可以看 出,細菌以無紡布纖維為中心,緊密地附著,并通過胞外聚合酶的作用,形成團狀結構,有效地保證了反應器中足夠的生物量。作者: 劉成良,鄭祖芬,李春來 來源：谷騰水網
