新型填料厭氧氨氧化反應器的設計與啟動

蘇慧，周鐸，賈蘭，呂美婷，魏恒彬，蘇林

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新型填料厭氧氨氧化反應器的設計與啟動

蘇慧，周鐸*，賈蘭，呂美婷，魏恒彬，蘇林

（遼寧工業大學 化學與環境工程學院， 遼寧 錦州 121001）

為了提高厭氧氨氧化反應器的啟動速度和水處理效率，自主研發一種新型的摻雜電氣石的陶粒填料，附加聚氨酯軟性填料，設計一種適合該復合式填料的一體化厭氧氨氧化反應器，并進行啟動實驗研究。結果表明，在進行污泥回流的情況下，該新型載體厭氧氨氧化反應器對廢水的脫氮效果較好，NH3-N 和TN去除率約為95 %以上，出現比較明顯的污泥分層現象。因此，電氣石陶粒+聚氨酯組合填料可作為一體化厭氧氨氧化反應器的載體并對反應器的快速啟動具有促進作用。

厭氧氨氧化； 反應器； 生物脫氮

厭氧氨氧化是指在厭氧或缺氧條件下，微生物將氨氮有機物直接轉變成的氮氣的生物氧化過程。它的發現也豐富了人們對自然界氮素的轉化路徑的認識。厭氧氨氧化工藝在環境工程領域己被廣泛報道，并已有實際工程運用[1]?；谖⑸锏幕|多樣性和代謝多樣性，自厭氧氨氧化菌種被發現以來,國內外學者采用各種各樣的反應器和不同的接種污泥在實驗室啟動了厭氧氨氧化反應器。考慮到厭氧氨氧化菌倍增時間長，產率系數低以及它自養生物的特點，采用能有效截留微生物的工藝可以為順利啟動該工藝打下良好基礎[2-3]。

電氣石是一種環狀硅酸鹽晶體礦物。大量的科學研究證明，電氣石能自發調節水體的氧化還原電位和pH值，具有減少水分子簇團，改善微循環，提高脫氫酶活性和促進微生物的新陳代謝等功能，且電氣石的化學性質穩定，價格低廉。筆者試圖將具有特殊功效的電氣石及多種添加劑摻雜在一起燒制成一種具有電氣石特殊功能的新型陶粒，為生物膜水處理系統提供一種能夠提高載體的掛膜效率和污水處理效率的功能性載體[4-5]。

當前，在生物膜工藝中常用的微生物載體的生物親和性、穩定性、力學性能、掛膜效果方面還存在很多不足，使水處理效率難以提高。因此，筆者研制出一種特殊功能性生物膜載體電氣石陶粒，試圖將電氣石陶粒與聚氨酯軟性填料有機結合，既保持了軟性填料比表面積大，掛膜速度快的特性，又保持了陶粒空隙可變，長期運行不堵塞的特點；既避免了軟性填料在長期使用中出現的結團厭氧，產生短流動力消耗大，氧利用率低等弊病，又避免了陶粒填料比表面積小且光滑，開始階段難以掛膜的缺點。電氣石陶粒+聚氨酯組合填料不僅具備了軟硬填料的特征優勢，同時又增添了電氣石的特殊功效，本試驗設計一種新型的以電氣石陶粒+聚氨酯為填料的厭氧氨氧化反應器并進行啟動過程研究，對于提高載體的掛膜速度和反應器的水處理效率具有著重要的意義。

1 實驗部分

1.1 電氣石陶粒制備

將電氣石、干污泥、粉煤灰、秸稈、助熔劑、粘合劑等原料經過干燥、粉碎后按一定配比混合均勻，放入成球機中，造成約直徑為2 cm的球粒，將球粒生料自然干燥、溫養、烘干處理，至含水率降低到30%以下，最后將顆粒生料放在馬弗爐中燒制成為陶粒[6-7]，制備流程如圖1所示。

圖1 陶粒制備流程

1.2 實驗裝置

本實驗采用自行設計的厭氧氨氧化反應器，主要包括主反應器、進水池、溫控系統和氣體收集系統等。反應器材料采用有機玻璃，反應器內徑190 mm，高1 000 mm，有效容積31 L，內置固定式球形摻雜電氣石陶粒與聚氨酯軟體載體，為了保證水質以及溶解氧的分布均勻，將填料均勻分布在反應器中，設計了三層填料固定層，如圖2所示。主反應器側面設置4個取樣口，主反應器外層設置保溫夾層，由溫控系統為反應器持續提供熱源。反應器運行時，進水泵將配水桶廢水打入反應器中，反應器內設置 pH 在線、溫度在線檢查系統。底部向上運動的過程中，與生物填料上的生物膜充分接觸，從而發揮降解污水中有機污染物的作用。

圖2 實驗裝置

1.3 實驗用水和接種污泥

試驗用污水采用人工配水，由營養微量和微生物所需的微量金屬元素配，pH控制在7.5~7.6。如表1，溫度32 ℃，溶解氧1.8 mg/L[8]。

表1 試驗用水

表2 主要指標檢測方法

1.4 試驗方法

根據國家《水和廢水監測分析方法》[9]規定的水質檢測標準進行實驗指標測試，主要檢測指標包括：COD、TP、NH3-N，分析檢測方法見表2所示。

2 啟動運行結果與分析

分別以陶粒、聚氨酯、電氣石陶粒+聚氨酯為載體，反應器啟動運行期間，進水NH3-N 的質量濃度為 130～190 mg/L，進水TN的質量濃度在140~200 mg/L，溫度控制為32 ℃。系統分別運行30 d左右，情況如圖 3、4、5 所示。

圖3 以陶粒為載體的反應器運行情況

由圖3可知，陶粒為載體的反應器NH3-N 去除率均在85%左右，最高達87.5%；TN 去除率均在87%左右，最高達88.5%。以陶粒為載體時，啟動掛膜時間較長，去除率略低于其它兩個載體。

由圖4 可知，實驗運行3 d 后，NH3-N 的質量濃度穩定于11～15 mg/L，NH3-N去除率長時間穩定在94%左右。反應器表現出較高的去除率，但后期由于軟性填料容易結團，剩余污泥不易脫落，從而性質不夠穩定。聚氨酯塊降低反應器內水體的流動性，部分短程硝化污泥附著于聚氨酯塊之后無法及時獲得DO，進而降低了系統對NH3-N 的去除效果。

圖4 以聚氨酯為載體的反應器運行情況

圖5 以電氣石陶粒+聚氨酯的反應器運行情況

3 結論

本論文將電氣石陶粒與聚氨酯填料有機結合，設計一種新型填料的厭氧氨氧化反應器，通過人工配水模擬高氨氮污水，考察此新型反應器的脫氮效能。通過對比陶粒填料、聚氨酯填料和電氣石陶粒+聚氨酯填料的脫氮效果，得出以下結論：

（1）陶粒填料、聚氨酯填料和電氣石陶粒+聚氨酯填料的厭氧氨氧化反應器氨氮的去除率分別為85%，94%和95%左右。

（2）新型填料的厭氧氨氧化反應器表現出有較高的脫氮效率，且運行穩定。

[1] 王淑瑩, 王曉霞, 彭永臻,等. 一體化厭氧氨氧化反硝化除磷并聯短程硝化處理低碳城市污水的裝置和方法:, CN104817177A[P]. 2015.

[2] 程軍, 張亮, 楊延棟,等. 一體化厭氧氨氧化反應器的優化及其穩定性研究[J]. 中國環境科學, 2016, 36(4):1027-1032.

[3]曹天昊，土淑榮，苗蕾，等.不同基質濃度下SBR進水方式對厭氧氨氧化的影響[J].中國環境利學，2015,35(8):2334-2341.

[4] Ali M, Chai LYTang C J, et al. The increasing interest of ANAMMOX research in China: Bacteria, process development,and application [J]. Biomed Research International, 2013.

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[6] 鄭盼,趙光,賈蘭等,一種利用污水污泥、粉煤灰燒輕質電氣石陶粒的制備方法，發明公開號：105036709A.

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[9] 《水和廢水檢測分析方法》(2002年12月第四版)[S]. 北京：中國標準出版社, 2002.

Design and Startup of a New Type of Anaerobic Ammonium Oxidation Reactor

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（Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001, China）

In order to improve the starting speed and water treatment efficiency of anaerobic ammonium oxidation reactor, a new type of tourmaline-doped ceramic filler was developed, polyurethane soft filler was also used. An integrated anaerobic ammonium oxidation reactor suitable for the composite packing was designed, and startup experiment was carried out. The results showed that the removal efficiency of NH3-N and TN was about 95%. Therefore, the tourmaline ceramic + polyurethane composite filler can be used as a carrier for the integrated anaerobic ammonium oxidation reactor and has a catalytic effect on the rapid start-up of the reactor.

anaerobic ammonia oxidation; reactor; biological denitrification

X 522

A

1004-0935（2017）04-0337-04

2017-02-17

遼寧工業大學大學生創新創業訓練計劃項目（201601060）。

蘇慧（1993-），男，甘肅省蘭州市人，2017年畢業于遼寧工業大學環境科學專業。

周鐸（1982-），男，實驗師，碩士，研究方向：微生物水處理技術。