低溫脅迫下包埋厭氧氨氧化污泥顆粒的脫氮性能

許祥祥， 周 鵬， 王國建

(沈陽建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110168)

厭氧氨氧化(ANAMMOX)是指氨氧化細菌在缺氧的情況下，將氨態(tài)氮和硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮氣的生物過程，具有高效、經(jīng)濟、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點，是一種重要的脫氮工藝[1]。

厭氧氨氧化細菌適宜的生長溫度是32～37 ℃，屬于中溫細菌。因此，大多數(shù)研究者在UASB反應(yīng)器運行期間將溫度保持在中溫，以實現(xiàn)裝置的快速啟動。但實際工業(yè)污水一般為常溫(25 ℃)，在某些地區(qū)甚至更低。當溫度不足20 ℃時，氮的去除率會隨著溫度的下降迅速降低。當溫度不足15 ℃時，會發(fā)生亞硝酸鹽的積累，影響ANAMMOX反應(yīng)的穩(wěn)定性。

包埋固定化微生物法利用不溶于水的凝膠聚合物，將微生物細菌包裹在其網(wǎng)格的空隙中。凝膠網(wǎng)格可以防止緩慢生長的厭氧氨氧化細菌泄漏，同時減小氨氮負荷和有毒污染。天然合成的包埋載體材料對微生物無毒，但機械強度和耐久性差;人工合成的載體材料聚合物具有高機械強度和耐久性，但大多對微生物有毒。聚乙烯醇材料是一種很好的合成聚合物，成本低廉且對微生物沒有毒性、化學(xué)穩(wěn)定性好、物理機械強度高，但其缺點是傳質(zhì)性能差。

國內(nèi)外針對包埋厭氧氨氧化菌也展開了大量研究。Furukawa等用聚乙二醇包埋厭氧氨氧化細菌完成厭氧氨氧化過程，總氮去除率提高，總氮去除負荷達到4.0 kg N/(m3·d)，進水中高濃度的BOD和SS未對厭氧氨氧化活性產(chǎn)生抑制[2]。王瑩等采用PVA-SA復(fù)合材料包埋同步脫硫除氮菌 B16，處理天然橡膠加工廢水，14 d 后包埋菌株對實際廢水中氨氮、總氮和硫酸鹽的去除率分別為 44.05%，46.29%和 26.06%[2]。陳光輝等以包埋厭氧氨氧化菌顆粒作為流加菌啟動厭氧氨氧化反應(yīng)器，在 49 d 內(nèi)成功實現(xiàn)了厭氧氨氧化反應(yīng)器的加速啟動，對氨氮和亞硝態(tài)氮的去除率分別為 80.7%和 83.1%，總氮去除負荷為 0.505 kg N/(m3·d)[3]。Hsia等采用聚乙烯醇-海藻酸鈉包埋厭氧氨氧化細菌厭氧脫氮，總氮去除率達到80%[4]。

目前，對于厭氧氨氧化菌抗低溫能力的試驗較少，筆者采用聚乙烯醇-海藻酸鈉復(fù)合材料包埋厭氧氨氧化細菌，使用上流式厭氧污泥床(UASB)裝置作為反應(yīng)器，探究了低溫環(huán)境對ANAMMOX反應(yīng)進程的影響。

1 裝置與方法

1.1 試驗裝置

UASB 厭氧氨氧化反應(yīng)裝置及流程見圖 1。

圖1 UASB厭氧氨氧化反應(yīng)裝置Fig.1 Device of UASB anaerobic ammonium oxidation reaction

UASB反應(yīng)器裝置由有機玻璃制成，總有效體積為6.2 L，其中沉淀區(qū)有效體積為4.3 L，反應(yīng)區(qū)容積為1.9 L。反應(yīng)區(qū)內(nèi)徑為6.5 cm、外徑1.5 cm厚的套管用于實現(xiàn)水浴循環(huán)，控制反應(yīng)區(qū)的溫度。投加體積分數(shù)為15%的包埋顆粒。反應(yīng)器包裹在黑色塑料中以防止光照，采用蠕動泵調(diào)節(jié)流入的廢水。控制進水pH值在6.7～7.2，通氮氣以去除水中溶解氧，確保溶解氧濃度低于0.5 mg/L。

1.2 試驗材料

1.2.1 接種污泥

1.2.2 試驗載體

為了改善凝膠載體的性能，添加海藻酸鈉(SA)以增加載體的比表面積，提高載體的傳質(zhì)效率和載體材料包埋菌對污染物的處理能力。SA會與CaCl2反應(yīng)生成海藻酸鈣不溶物，促使PVA分子中形成氫鍵，產(chǎn)生互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此外，隨著反應(yīng)的進一步進行，海藻酸鈣會在凝膠網(wǎng)絡(luò)中擴散，使載體結(jié)構(gòu)更加完善，以促進微生物的生長，加大載體內(nèi)底物和產(chǎn)物的傳遞。因此，試驗中使用聚乙烯醇-海藻酸鈉混合載體。

混合載體由8%聚乙烯醇(PVA)、0.15%海藻酸鈉、2%Fe粉、0.3%碳酸鈣、4%二氧化硅粉末和0.5%活性炭組成。交聯(lián)劑由10%氯化鈣、4%硼酸組成。

1.2.3 試驗進水

采用人工配水，通過提高進水中和NaNO2的濃度或縮短水力停留時間(HRT)來提高進水氮負荷。進水NH4Cl和NaNO2濃度控制在40～75 mg/L，采用2 mol/L HCl或者2 mol/L NaOH調(diào)節(jié)進水pH值為7.2。

其他物質(zhì)及質(zhì)量濃度分別為：NaHCO3，1 g/L；KH2PO4，27.2 mg/L；MgSO4·7H2O，200 mg/L；CaCl2，300 mg/L。微量元素I及其質(zhì)量濃度：EDTA，5 g/L；FeSO4·7H2O，5 g/L；微量元素II及其質(zhì)量濃度：EDTA，5 g/L；ZnSO4·7H2O，430 mg/L；NiCl2·6H2O，190 mg/L,COCl2，240 mg/L；MnCl2·4H2O，990 mg/L；CuSO4·5H2O，250 mg/L；Na2SeO4·2H2O，210 mg/L；Na2MoO4·2H2O，220 mg/L；H3BO4，14 mg/L。微量元素Ⅰ和Ⅱ各1 mL/L。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗方案

① 包埋固定化厭氧氨氧化菌的前期馴化

將包埋細菌以15%的投配率加入到UASB反應(yīng)器中，連續(xù)性試驗的進水采用氨氮質(zhì)量濃度為50 mg/L的人工模擬廢水，控制反應(yīng)器溫度在30 ℃，水力停留時間為10 h，連續(xù)運行20 d。逐漸縮短HRT，對包埋顆粒進行馴化直至氨氮去除率在80%以上。

② 階段降溫進程

采用提前馴化好的ANAMMOX和馴化期最佳水力停留時間(HRT)，通過加熱棒和制冷器控制UASB反應(yīng)器的溫度。根據(jù)整個試驗中溫度的變化規(guī)律，反應(yīng)分為5個階段進行：階段Ⅰ(第1～9 d)，30 ℃；階段Ⅱ(第10～19 d)，25 ℃；階段Ⅲ(第20～34 d)，20 ℃；階段IV(第35～46 d)，15 ℃；階段V(第47～60 d)，14 ℃。

1.3.2 化學(xué)分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 馴化期間反應(yīng)器的脫氮效能

圖2 HRT對包埋菌去除氨氮效果的影響Fig.2 Effect of HRT on the removal of ammonia nitrogen by embedded bacteria

圖3 HRT對包埋菌去除亞硝態(tài)氮效果的影響Fig.3 Effect of HRT on the removal of nitrite nitrogen by embedded bacteria

2.2 階梯降溫條件下反應(yīng)器的脫氮效能

圖去除率隨階梯降溫的變化Fig.4 Variation of removal rate of with stepped temperature drop

圖去除率隨階梯降溫的變化Fig.5 Variation of removal rate of with stepped temperature drop

2.3 14 ℃下反應(yīng)器的脫氮效能

調(diào)整14 ℃運行時的HRT分別為7，8，9，10和11 h，當HRT為11 h時，脫氮效果有了大幅度提高，氨氮和亞硝態(tài)氮去除率分別為85%和79%，如圖6、圖7所示。

圖6 14 ℃下HRT對包埋菌去除氨氮效果的影響Fig.6 Effect of HRT on the removal of ammonia nitrogen by embedded bacteria at 14 ℃

圖7 14 ℃下HRT對包埋菌去除亞硝態(tài)氮效果的影響Fig.7 Effect of HRT on the removal of ammonia nitrogen by embedded bacteria at 14 ℃

3 結(jié)論