硫代硫酸鹽驅(qū)動自養(yǎng)反硝化耦合厭氧氨氧化強(qiáng)化總氮去除

劉鋒，張雪智，王蘇琴，馮震，葛丹丹，楊洋

（1 蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2 城市生活污水資源化利用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215009）

厭氧氨氧化技術(shù)（anaerobic ammonia oxidation,ANAMMOX）是指氨氮在厭氧條件下發(fā)生氧化，是由一類自養(yǎng)的ANAMMOX 菌介導(dǎo)的氨氮和亞硝酸鹽之間電子轉(zhuǎn)移生成N的生化反應(yīng)，被視為高氨氮廢水最具前景的處理方式。但是ANAMMOX菌需要以亞硝酸鹽作為電子受體，且ANAMMOX過程中會不可避免地產(chǎn)生硝酸鹽，進(jìn)水總氮（TN）的11%左右會繼續(xù)以硝酸鹽的形式殘留，從而導(dǎo)致出水總氮無法徹底去除，脫氮性能無法進(jìn)一步提高，如式(2)。

該耦合系統(tǒng)可同時節(jié)省電子供體的投入，減少污泥產(chǎn)量，以及減少溫室氣體NO和廢水中殘留氮化合物的生成。基于上述耦合反應(yīng)機(jī)制，本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了硫代硫酸鹽驅(qū)動自養(yǎng)反硝化和ANAMMOX耦合的完全自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)，探究耦合系統(tǒng)啟動與穩(wěn)定運(yùn)行期間的脫氮性能以及S/N比對脫氮效果的影響，分析耦合系統(tǒng)運(yùn)行時各物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，得出SADN和ANAMMOX兩種反應(yīng)的耦合機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置采用的是攪拌上流式厭氧污泥床（UASB）反應(yīng)器。如圖1 所示，該反應(yīng)器材質(zhì)為有機(jī)玻璃，反應(yīng)器總高800mm，直徑90mm，有效高度480mm，有效容積為3.0L。反應(yīng)器運(yùn)行方式為上流式，通過蠕動泵從反應(yīng)器底部進(jìn)水，頂部設(shè)有三相分離器進(jìn)行泥水分離。為使反應(yīng)器內(nèi)泥水充分接觸反應(yīng)，在頂部安裝機(jī)械攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，攪拌速度控制在60r/min。反應(yīng)器外層為水循環(huán)加熱層，通過連接恒溫水浴箱將反應(yīng)器內(nèi)溫度維持在(36±1)℃。為避免光照對ANAMMOX 菌的傷害，反應(yīng)器外部用黑色海綿包裹覆蓋，起到保溫避光的作用。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.2 接種污泥和實(shí)驗(yàn)用水

硫自養(yǎng)反硝化的接種污泥為浙江安吉某豆制品加工廠厭氧塔顆粒污泥，粒徑為2～5mm，污泥濃度為2.5g/L。接種的ANAMMOX顆粒污泥取自實(shí)驗(yàn)室長期運(yùn)行的ANAMMOX反應(yīng)器，粒徑為2～5mm，污泥濃度為2.5g/L。

實(shí)驗(yàn)用水采用人工配水，進(jìn)水主要由NaNO、NHCl、NaSO組成，以及1ml/L微量元素液，各個階段運(yùn)行參數(shù)詳見表1。在階段Ⅰ和Ⅱ使用NaHCO調(diào)節(jié)進(jìn)水pH至8.0左右。

表1 反應(yīng)器不同階段的運(yùn)行條件

1.3 批次實(shí)驗(yàn)

表2 污泥活性批次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4 分析項(xiàng)目與方法

1.5 計(jì)算

SADN途徑對TN去除的貢獻(xiàn)率計(jì)算如式(5)。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫代硫酸鈉自養(yǎng)反硝化運(yùn)行性能

圖2 反應(yīng)器不同階段脫氮性能

圖3 反應(yīng)器不同階段硫酸鹽變化

圖4 反應(yīng)器不同階段pH變化

2.2 耦合脫氮系統(tǒng)的啟動與穩(wěn)定運(yùn)行

2.3 不同S/N比對耦合系統(tǒng)脫氮效果影響

2.4 SADN-ANAMMOX脫氮系統(tǒng)耦合機(jī)制

通過式(4)和式(5)分別估算ANAMMOX和SADN兩種反應(yīng)途徑在耦合系統(tǒng)中對TN 去除的貢獻(xiàn)率。如圖6所示，在階段Ⅲ開始時，ANAMMOX途徑對總氮去除的貢獻(xiàn)率為37.9%，之后逐漸升高至93.9%，并持續(xù)保持在這一水平。相比之下，SADN途徑對總氮去除的貢獻(xiàn)率在階段Ⅲ開始時為62.1%，之后在結(jié)束時降低至7.9%。計(jì)算結(jié)果證明，TN 去除率與ANAMMOX 和SADN 脫氮貢獻(xiàn)率有著緊密聯(lián)系。TN 去除率越高，ANAMMOX 脫氮貢獻(xiàn)率就越高，SADN 脫氮貢獻(xiàn)率就越低。在耦合系統(tǒng)中，絕大部分的TN 是通過ANAMMOX 途徑去除的，ANAMMOX 途徑占據(jù)耦合系統(tǒng)脫氮的主導(dǎo)地位，在長期運(yùn)行中對TN 去除的貢獻(xiàn)率保持在80%以上。

圖5 不同S/N比對耦合系統(tǒng)脫氮效果影響

圖6 反應(yīng)器不同反應(yīng)途徑TN去除貢獻(xiàn)率

2.5 污泥活性批次實(shí)驗(yàn)

圖7 污泥活性測試

3 結(jié)論

（1）以硫代硫酸鈉為反硝化電子供體，成功構(gòu)建了硫代硫酸鹽驅(qū)動自養(yǎng)反硝化耦合ANAMMOX自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)，該耦合系統(tǒng)能夠同時去除廢水中的硝酸鹽和氨氮。在進(jìn)水TN 負(fù)荷為0.8kg/(m·d)時，TN去除率最高達(dá)到94.6%。

（2）在進(jìn)水S/N比處于1.6～2.2之間時，耦合系統(tǒng)均能達(dá)到較好的脫氮效果，TN 去除率保持在93.1%±0.61%。

（3）在耦合系統(tǒng)運(yùn)行過程中，ANAMMOX 和SADN 途徑對TN 去除貢獻(xiàn)率分別穩(wěn)定在96.2%和3.8%，ANAMMOX 在耦合體系中占據(jù)主導(dǎo)地位，進(jìn)水TN 主要由ANAMMOX 途徑去除，SADN 為ANAMMOX 提供反應(yīng)底物亞硝酸鹽，并消耗ANAMMOX產(chǎn)生的硝酸鹽。