海綿鐵對硫酸鹽型厭氧氨氧化脫氮除硫性能影響

劉泓序,祝彥均,王萌

(1.長春建筑學院 城建學院,長春 130607;2.北京工業(yè)大學 水質科學與水環(huán)境恢復工程北京市重點實驗室,北京 100124;3.東北電力設計院,長春 130021)

0 引言

盡管該機理被許多學者研究探討,但由于硫酸鹽型厭氧氨氧化容易受到外界環(huán)境干擾、相關功能菌類生長速度慢、啟動時間過長等多種原因使該工藝距離實際應用依然有一定的距離。研究表明多種電子受體都可以啟動厭氧氨氧化反應[2]。并且在S-ANAMMOX體系中,脫氮的功能菌也包括厭氧氨氧化菌及反硝化菌[3],所以硫酸鹽型厭氧氨氧化的大多數(shù)控制條件以及功能菌種的生長環(huán)境與傳統(tǒng)厭氧氨氧化的控制條件與生長環(huán)境基本相同。但由于參與反應的功能菌群對外界環(huán)境的變化比較敏感,所以目前應用硫酸鹽型厭氧氨氧化的重要阻礙在于啟動S-ANAMMOX時間過長以及穩(wěn)定性較差,因此如何縮短該反應的啟動時間以及提高處理效果的穩(wěn)定性還需要進一步研究。

在污水處理中,填料不僅能改變生物反應器內的水力條件還可以增加生物膜的吸附性。生物脫氮技術處理廢水的過程中,往往通過類似攪拌等措施增加微生物與廢水的接觸面積來提高脫氮效果,向體系中投加固體填料可以使微生物在填料上掛膜生長,進而保證反應器的穩(wěn)定運行,加快S-ANAMMOX反應功能菌群及其絮凝體的富集速度。海綿鐵作為一種常見的填料,其具有比表面積較大、還原能力較強、內部結構疏松多孔等特點,并且生物海綿鐵比普通有機多孔載體擁有更好的脫氮除磷能力[4],可作為厭氧氨氧化反應的填料。本研究對海綿鐵效能進行試驗分析,并將其投加至硫酸鹽型厭氧氨氧化系統(tǒng)中作為填料,探究其對系統(tǒng)同步脫氮除硫性能的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

1.1.1 海綿鐵填料

海綿鐵表面有許多雜質,因此在進行試驗之前應對海綿鐵進行預處理以去除表面雜質。首先將海綿鐵在體積分數(shù)5%的NaOH溶液中浸泡1 h,以去除海綿鐵表面的有機污染物;然后用1 mol/L的HCl浸泡0.5 h,在浸泡的過程中進行攪拌,以去除表面的金屬氧化物和無機雜質;然后將處理過的海綿鐵進行清洗并干燥;最后將其進行密封保存以備使用。

1.1.2 試驗裝置與儀器

試驗裝置為兩個平行自控的ASBR反應器,如圖1所示。反應器與水箱為有機玻璃制成,并在反應器外部用黑色保溫棉包裹進行避光處理。反應器的半徑為55 mm,高度為210 mm,水浴隔層厚度為20 mm,有效容積為2.0 L。通過溫控裝置將水箱中的水溫度控制在30 ℃左右,經水泵將水箱中的水輸送到反應器水浴隔層中,以便控制反應器的內部溫度在30 ℃左右。另外為了方便試驗的進行,要嚴格控制進水溶解氧的質量濃度,反應裝置采用了時間繼電器裝置和溶解氧測定儀,將計量泵、機械攪拌器和電磁閥連接到時間繼電器上,使反應器實現(xiàn)自動進水、反應和出水。

1.溫控裝置;2.水泵;3.水箱;4.機械攪拌器;5.曝氣頭;6.排泥口;7.時間繼電器圖1 ASBR反應器

反應器的運行過程分為5個階段,分別是進水、反應、沉淀、出水和閑置階段。進水階段是通過計量泵以相同流量將人工配水輸送至反應器中;反應階段開啟機械攪拌器使污泥與廢水充分反應,反應時間為24 h;沉淀階段停止攪拌,沉淀時間為24 h,使污泥充分沉降下來,保證出水澄清;出水階段開啟電磁閥使水排出反應器,并對出水中的各個指標進行檢測;閑置階段對反應器進行維護。

1.1.3 接種污泥及試驗用水

本試驗采用的污泥是由課題組馴化保存的厭氧氨氧化(ANAMMOX)污泥和取自長春東南污水處理廠厭氧段污泥組成。將這兩種污泥進行混合后平均投入到兩個反應器中,逐漸提高進水中污染物的質量濃度從而對污泥進行馴化培養(yǎng)。反應器以人工模擬工業(yè)廢水作為系統(tǒng)進水,配水組成:葡萄糖230～250 mg/L,氨氮100～400 mg/L,硫酸鹽50～150 mg/L,硫化物20～50 mg/L,KH2PO427 mg/L,CaCl2·2H2O 180 mg/L,MgSO4·7H2O 300 mg/L,NaHCO30.5 mg/L,微量元素濃縮液Ⅰ和微量元素濃縮液Ⅱ各1 ml/L[5]。

1.2 試驗方法

1.2.1 海綿鐵不同粒徑及投加量效果分析

1.2.2 不同pH下海綿鐵對污染物去除效果的分析

取30 g不同粒徑的海綿鐵放入250 mL錐形瓶中,并加入200 mL除氧處理后的模擬廢水。依次改變廢水pH為6.0、6.5、7.0、7.5、8.0及8.5,將密封好的錐形瓶置于30℃、140轉/min的恒溫振蕩器中震蕩 48 h,將水樣過濾后對廢水的各個指標進行測定,確定最佳pH并分析不同pH體系中Fe2+、Fe3+的質量濃度變化。

1.2.3 海綿鐵對ASBR反應器脫氮除硫的影響

將接種污泥平均投加至兩個ASBR反應器中,分別命名為A與B。兩個反應器內通入模擬工業(yè)廢水對接種污泥進行培養(yǎng)馴化,待反應器穩(wěn)定運行后,將300 g粒徑為1～2 mm的海綿鐵投加至B反應器中,A保持原樣作為對照試驗。檢測90 d反應器各出水水質指標并比較 A、B 兩個反應器脫氮除硫性能,判斷海綿鐵對ASBR反應器運行效果的影響。

2 結果與分析

2.1 不同粒徑及投加量的海綿鐵對水中氮素及硫酸鹽去除效果

(a)粒徑及投加量對的影響

(b)粒徑及投加量對的去除效果

(c)粒徑及投加量對的去除效果

(d)粒徑及投加量對的去除效果圖2 不同粒徑及投加量的海綿鐵對水中氮素及硫酸鹽的去除效果

2.2 不同pH下海綿鐵對水中氮素及硫酸鹽去除效果

(a)不同pH值下的去除效果

(b)不同pH值下的去除效果圖3 不同pH下海綿鐵對水中氮素及硫酸鹽的去除效果

由圖4可以看出,進水中Fe2+的質量濃度為6.8 mg/L左右,在pH為6.0條件下系統(tǒng)中的Fe2+質量濃度最高,投加粒徑為1～2 mm海綿鐵的錐形瓶,出水Fe2+的質量濃度提高到9.4 mg/L。隨著進水pH的增加,體系中生成的Fe2+的質量濃度逐漸降低。而不同pH下,海綿鐵對水中Fe3+的質量濃度幾乎沒有影響,出水中Fe3+的平均質量濃度在0.47 mg/L左右。這是因為生成的Fe3+絕大多數(shù)以Fe(OH)3的形式存在,只有少量的3價鐵以離子形式存在于水中。并且反應結束后對錐形瓶中的海綿鐵進行觀察,可以發(fā)現(xiàn)在海綿鐵上附著了一層紅褐色的絮狀沉淀。

圖4 投加海綿鐵對體系中Fe2+和Fe3+的影響

2.3 海綿鐵對系統(tǒng)脫氮除硫性能對比

兩個反應器90 d運行情況如圖5所示,結果表明在試驗期間未加入海綿鐵的A反應器出水中各污染物的質量濃度比加入海綿鐵的反應器B的污染物出水質量濃度高。

(a)反應器A與B進出水質量濃度及去除率

(b)反應器A與B進出水質量濃度及去除率

(c)反應器A與B進出水質量濃度及去除率

(d)反應器A與B進出水TN質量濃度及去除率圖5 反應器90 d運行結果

反應器A、B經過90 d運行后,反應器中的污泥顏色均為棕色,表明反應器已經完成初啟動,并且由于硫酸鹽型厭氧氨氧化反應會生成 S0(硫單質),污泥附著在硫單質上使其結構呈顆粒狀,如圖6(a)所示。并且待反應器啟動完成后對兩個反應器的混合液懸浮固體質量濃度(MLSS)進行檢測,A反應器中MLSS為 2.1 g/L,B 反應器中MLSS為2.5 g/L。分析可能由兩個方面原因導致,一方面是海綿鐵對反應器中的微生物有截留能力;另一方面是Fe2+為硫酸鹽型厭氧氨氧化反應的必備元素,海綿鐵能夠析出該元素,對細菌的生長有促進作用。

(a)A反應器

(b)B反應器圖6 反應器中污泥形態(tài)

2.4 微生物群落結構分析

取投加海綿鐵的B反應器和未投加海綿鐵的A反應器在運行第90天的活性污泥樣品,離心冷凍保存送至深圳微生態(tài)科技有限公司進行高通量測序分析[8]。根據檢測結果,分析投加海綿鐵前后對反應體系微生物菌群結構及多樣性的影響差異。

圖7比較了A反應器(未投加海綿鐵)和B反應器(投加海綿鐵)污泥樣品中的細菌群落在門級別上的差異,微生物所占比例<1%的歸為其他。

A反應器門水平分布

B反應器門水平分布圖7 反應器門水平分布

由圖7可以看出,在反應器中一共檢測到21個門類的微生物,其中有9個門類的微生物相對豐度在1%以上。在A、B兩個反應器中占微生物總數(shù)比例較高的門有Proteobacteria、Planctomycetes、Chloroflexi和Chlorobi,是反應器中的優(yōu)勢菌門,在A、B兩個反應器中4個菌門的所占比例分別為44.36%和46.28%,25.1%和26.02%,11.09%和6.39%,2.69%和6.44%。

在A、B兩個反應器中占微生物總數(shù)比例最高的門是Proteobacteria,Proteobacteria是細菌門類中重要的組成部門,與反應相關的氨氧化菌和硝化細菌都是屬于這個門類[9],同時與硫循環(huán)有關的細菌也屬于這個門類,如Desulfobacter。Planctomycetes是嚴格的厭氧微生物,其中ANAMMOX菌就屬于此門類。Chloroflexi在反應器中的占比也較高,有研究者發(fā)現(xiàn)在脫氮反應器中該門類微生物所占比例較高,此門類中包括許多絲狀菌,能夠降解反應器中的死細胞[3]。B反應器中Planctomycetes和Proteobacteria所占比例均比A反應器中高,說明向反應器中投加海綿鐵能夠促進這兩個門類微生物的生長。

A反應器屬水平分布

B反應器屬水平分布圖8 反應器屬水平分布

3 結語

2)在反應器中投加海綿鐵能夠有效控制亞硝酸鹽和硝酸鹽的積累現(xiàn)象,并且B反應器(投加海綿鐵)脫氮除硫效果要優(yōu)于A反應器(未投加海綿鐵),同時B反應器達到穩(wěn)定出水的時間比較短,說明向反應器中投加海綿鐵可以縮短硫酸鹽型厭氧氨氧化反應的啟動時間。