生物過濾型厭氧氨氧化系統的啟動、抑制及恢復研究

韓 明，何士龍，王冰冰

(1.中國礦業大學 環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；2.江蘇智盛環境科技有限公司，江蘇 連云港 222000)

厭氧氨氧化(ANAMMOX)作為一種生物脫氮新方法，具有容積效能高、無需外加碳源以及污泥產量小等特點[1]，在含氨氮廢水特別是低碳氮比的廢水處理中具有廣闊的應用前景，是目前生物脫氮領域的研究熱點。然而，厭氧氨氧化菌的增殖速率較慢，倍增周期大約在11 d左右，致使系統啟動時間較長[2]。為此，探索厭氧氨氧化系統的快速啟動方式對于厭氧氨氧化技術的工程化應用具有重要意義。另外，厭氧氨氧化菌對環境因子以及廢水組分的變化較為敏感，致使系統常常失穩。雖然目前已有研究報道表明過高的基質濃度會對厭氧氨氧化系統產生抑制作用[3-4]，但對于本研究構建的升流式厭氧氨氧化濾池而言，其耐基質濃度能力和抑制后的恢復程度與已有研究有何異同，還有待闡明。

本研究利用裝載頁巖陶粒作為填料的升流式厭氧污泥床(UASB)系統作為反應器，研究系統的啟動特征，考察運行過程基質濃度變化對反應器性能的影響，探討失穩后系統的恢復方法與恢復能力。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗用水

1.2 接種污泥

本研究的接種污泥為硝化污泥與消化污泥按1∶1混合而成的混合污泥(活性污泥中懸浮固體物質的總質量濃度(MLSS)為10 g/L).硝化污泥取自江蘇省徐州市中國礦業大學南湖校區污水處理站內缺氧池污泥，消化污泥取自江蘇省某垃圾焚燒廠內消化池污泥。接種前，混合污泥用營養液多次沖洗，以去除種污泥中的雜質和殘余污染物質。

1.3 試驗裝置與運行模式

本試驗采用反應器系統如圖1所示。反應器為裝載頁巖陶粒的UASB系統，填料裝載體積為反應器有效容積的70%.UASB反應區的內徑為10 cm，高為90 cm，有效容積為8.8 L.反應器外裹橡塑海綿保溫板，用于遮光和保溫，反應區的外部設有保溫區，利用循環水浴加熱系統保持反應器溫度在33～35 ℃之間。試驗采用連續進水模式，利用蠕動泵將廢水連續泵入反應器底部，然后進入反應區。上部設有三相分離器，污泥絮體、氣體和凈化水經過三相分離器分離，氣體由氣室引出，凈化水則從出水口流出。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Diagram of experimental setup

反應運行過程中通過改變基質濃度和水力停留時間(HRT)來改變系統的負荷。具體運行操作過程如表1所示。

表1 反應器運行操作情況Table 1 Operation of the reactor

1.4 分析方法

游離氨(FA)的濃度由式(1)計算得到：

(1)

式中：cFA為游離氨濃度，mol/L；cNH3為總氨氮濃度，mol/L；θ為溫度，℃.

游離亞硝酸(FNA)濃度可由(2)計算：

(2)

式中，cFNA為游離亞硝酸濃度，mol/L；cNO2為總亞硝

酸鹽濃度，mol/L；θ為溫度，℃.

容積基質氮去除速率(NRR)可通過式(3)得出：

(3)

容積氨氮去除速率(ARR)可通過式(4)計算：

(4)

容積氮去除率(NRE)計算公式可通過式(5)計算：

(5)

容積基質氮負荷(NLR)可通過式(6)計算：

(6)

式(3-6)中：進水氨氮、出水氨氮、進水亞硝態氮、出水亞硝態氮、硝態氮生成量以質量濃度計算，mg/L；t為水力停留時間HRT，h；φ(NRR)，φ(NLR)，φ(ARR)單位為kgN·m-3·d-1.

2 結果與討論

2.1 厭氧氨氧化的快速啟動

反應器啟動過程中氨氮、亞硝態氮、硝態氮和氮負荷的變化情況如圖2所示。

利用接種成熟的厭氧氨氧化污泥作為接種污泥或系統裝載填料都可以快速啟動厭氧氨氧化系統(如表2所示)。本研究采用的頁巖陶粒和懸浮球組合填料，與聚氨酯泡棉填料相比，基本在相同的時間內成功啟動了厭氧氨氧化系統，但是本研究選用的復合填料價格低廉，具有較高的性價比。

2.2 反應器的失穩及恢復

在厭氧氨氧化系統啟動成功后，繼續提高進水在第176 d開始，在低基質濃度和相同進水負荷條件下，考察了不同HRT對系統恢復性能的影響，結果如圖3第Ⅳ～Ⅴ階段所示。由于系統中大部分微生物集中在反應器的下層，通過下層污泥對氮去除率的變化可以判斷反應器恢復程度的好壞。當HRT為10 h時，底部的NRE在10% 以下；而當HRT為12 h時，底部的NRE在40%以上。究其原因是隨著HRT的降低，水流速度加快，使得底部的污泥與基質接觸時間變短，對基質的利用變差，致使反應器脫氮性能的恢復較差。由此可見，維持適宜的HRT對于系統恢復是有利的。

表2 不同填料厭氧氨氧化的啟動性能[13-15]Table 2 Start-up performance of ANAMMOX with different filters

圖2 反應器啟動過程中氨氮濃度變化及去除率(a)、亞硝態氮濃度變化及去除率(b)及ARR、NRR、NLR、NRE(c)的變化Fig.2 Changes in concentration and removal rate of ammonia nitrogen(a), variations in concentration and removal rate of nitrite nitrogen(b) and changes of ARR, NLR, NRE concentration(c) in the process of reactor start-up

圖3 運行失穩及恢復過程氨氮濃度變化及去除率(a)、亞硝態氮濃度變化及去除率(b)、FA，FNA濃度變化(c)和pH變化情況(d)Fig.3 Changes in concentration and removal rateof ammonia nitrogen (a), changesin concentration and removal rate of nitrite nitrogen (b), changes of FA, FNA concentration (c) and pH change (d) in the instability andrecoveryprocessesduring operation

3 結論

1) 利用價格低廉的頁巖陶粒搭載UASB反應器經過116 d成功的快速啟動了厭氧氨氧化系統。

2) 厭氧氨氧化生物膜過濾系統較常規的顆粒污泥厭氧氨氧化系統具有較高的耐FA、FNA能力，在FA質量濃度為5 mg/L和FNA質量濃度達到360 μg/L時該系統仍然可以保持穩定運行；更高的進水基質濃度下，導致系統FA、FNA濃度過高，是導致厭氧氨氧化系統失穩的原因，而且失穩后的厭氧氨氧化系統對FA、FNA的耐受能力降低。

3) 對比HRT在10 h和12 h的條件下系統的恢復性能表明，更高的HRT有利于失穩系統的快速恢復。

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