厭氧氨氧化反應器啟動和影響因素實驗研究

2021-04-02 03:16:32田海峰周元祥

廣州化工 2021年6期

田海峰，周元祥

(1 蕪湖東旭光電科技有限公司，安徽蕪湖 241000；2 合肥工業大學，安徽合肥 230000)

在環境污染日益嚴重的形勢下，厭氧氨氧化依靠其特有的優越性受到了世界各國的關注與研究，但是由于厭氧氨氧化菌生長緩慢，世代時間比較長，導致厭氧氨氧化反應啟動時間很長，所以工程上還沒得到推廣。目前厭氧氨氧化技術在工程應用較少[4-7]，實驗室主要研究厭氧氨氧化反應器的啟動、影響因素和微生物特性等方面。

1 實驗

1.1 實驗裝置

實驗采用自制的UASB反應器，有效容積為3 L，裝置示意圖，見圖1。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experiment device

1.2 實驗用水與接種污泥

實驗用水采用自配水，反應器啟動階段的配水方法[8]是：KH2PO4，30 mg/L；MgSO4，300 mg/L；CaCl2，40 mg/L；NaCO3，500 mg/L；NH4Cl，267.5 mg/L；NaNO2，386.3 mg/L。微量元素Ⅰ：EDTA，5 mg/L；FeSO4，5 mg/L。微量元素Ⅱ：CuSO4·5H2O，0.25 mg/L；MnCl2·H2O，0.99 mg/L；NiCl2·6H2O，0.19 mg/L；CoCl·6H2O，0.24 mg/L；H3PO4，0.014 mg/L。微量元素投加量為：微量元素Ⅰ、Ⅱ各1 ml/L水。在影響因素實驗中，根據需要改變C6H12O6，NH4Cl，NaNO2的投加量。

接種污泥采用產甲烷顆粒污泥，VSS/SS(揮發性懸浮固體/懸浮固體)為0.64，接種量為1.2 L，污泥濃度為10.6 gVSS/L。

1.3 測試方法

2 結果與討論

2.1 反應器的啟動

2.1.1 反應器啟動階段進出水氨氮變化

圖2 反應器啟動階段進出水氨氮變化 change in start-up stage

由圖2可以看出：在開始培養時，氨氮變化不明顯，可能會有部分升高，是因為此時污泥中有殘留的有機物和反硝化細菌，而反硝化的吉布斯自由能[9](-472 kJ/mol)，比厭氧氨氧化的吉布斯自由能(-335 kJ/mol)低，即，反硝化更容易發生，所以污泥中的異養反硝化菌首先利用污泥中殘留的有機物進行反硝化，在有機物耗盡后，異養反硝化菌以其他菌體及自身作為有機碳源進行反硝化，導致部分菌體死亡，而死亡的菌體會釋放出氨氮，從而使得出水氨氮的含量高于進水；在培養到55天左右，出水氨氮含量不會再增加，開始降低，說明此時，污泥中有機物已經耗盡，反硝化細菌不再占優勢；在第109天左右，氨氮開始有明顯下降。

2.1.2 反應器啟動階段進出水亞硝態氮變化

由圖3可以看出：在開始培養時，出水亞硝態氮明顯降低，是因為此時污泥中有殘留的有機物和反硝化細菌，所以污泥中的異養反硝化菌首先利用污泥中殘留的有機物進行反硝化，亞硝態氮有明顯去除；在培養到55天左右，出水亞硝態氮與進水相比基本不變，說明此時，污泥中有機物已經耗盡；在第109天左右，亞硝態氮開始有明顯下降。

圖3 反應器啟動階段亞硝態氮進出水變化 change in start-up stage

2.1.3 反應器啟動階段進出水硝態氮變化

圖4 反應器啟動階段進出水硝態氮變化 change in start-up stage

由圖4可以看出：配水沒有投加硝態氮，所以進水基本上不含硝態氮，在開始培養時，出水中也基本上沒有硝態氮；在55天左右，出水開始出現硝態氮，說明厭氧氨氧化過程已經開始出現；在109天左右，出水硝態氮增加比較明顯。

根據Van de Graaf A A等[10]提出的厭氧氨氧化化學反應模型和Strous M、Shimamura等[11-14]提出的厭氧氨氧化生化反應模型，結合圖2、3、4中氨氮和亞硝態氮按比例同時減少與硝態氮的增加以及污泥由接種時的黑色變成紅褐色，說明反應器運行145天后，厭氧氨氧化反應已經很明顯，厭氧氨氧化反應器啟動成功。