摘要：厭氧氨氧化工藝處理高鹽含氮廢水,需要使用恰當(dāng)?shù)姆椒?在保持細(xì)菌抗鹽性的同時(shí),使其具有高的活性。 試驗(yàn)研究了菊花狀無紡布載體的生物膜性能,測(cè)試了氨氮除去效果、亞硝酸氮除去效果、總氮除去效果、總氮負(fù)荷。 結(jié)果表明,在高鹽廢水的條件下,微生物的脫氮負(fù)荷可達(dá)到1.32 kg-N/m3/d。

關(guān)鍵詞：厭氧氣氨氧化;無紡布;高鹽;總氮除去率

沿海地帶是每個(gè)國家的主要工業(yè)基地。使用海水作為工業(yè)水源或天然氣開采廢水以及城市垃圾滲濾液中,含氮廢水含有高濃度鹽分。厭氧氨氧化是除去 氮的關(guān)鍵技術(shù)之一,因?yàn)閰捬醢毖趸?xì)菌繁殖周期長,細(xì)菌量倍增速度慢,在不適宜的條件下,細(xì)菌的死 亡率高于生長率。如何在高鹽分下保持細(xì)菌活性的同時(shí),具有高的除氮效率,是目前生物工程領(lǐng)域中重要的研究課題。試驗(yàn)采用復(fù)合材料無紡布作為顆粒污泥的載體,研究了在高鹽濃度條件下,細(xì)菌保持較高的活性并且具有理想的總氮負(fù)荷除去率。

1 試驗(yàn)廢水、材料及設(shè)備

本試驗(yàn)研究用水取自日本千葉縣天然氣生產(chǎn)公司。 廢水中鹽度、氨氮和pH值的平均值分別為:30 g/L、 210 mg/L和6.9。該廢水經(jīng)過部分亞硝化處理后的出 水作為本試驗(yàn)的進(jìn)水,試驗(yàn)用水水質(zhì)見表1。本試驗(yàn)裝置 采用上流式固定床反應(yīng)器,總高度60 cm,內(nèi)徑18 cm,有 效容積2.8 L,內(nèi)填充無紡布填料(日本Vilene,US專利5,185,415;1993),形狀見圖1。反應(yīng)器通過外層水套的加熱設(shè)施來調(diào)節(jié)溫度在27℃~33℃之間。如圖2 所示。接種污泥初始MLVSS為0.7 g/L。試驗(yàn)過程中以鹽度劃分為7個(gè)階段(表2)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,保持水力停留時(shí)間2.92 h不變,通過增加進(jìn)水總氮濃度來提高負(fù)荷。在不同實(shí)驗(yàn)階段鹽度的變化通過加入自來水稀釋進(jìn)行調(diào)整。

氨氮的檢測(cè),采用石炭酸鹽分析方法(2-羥基聯(lián) 苯作為取代品,標(biāo)準(zhǔn)為Kanda,1995)。亞氮的檢測(cè),采 用N-(1-萘基)乙二胺光度法;硝氮的檢測(cè)采用紫外分 光光度法(標(biāo)準(zhǔn)為APHA, 1995)。分析儀器為UV型號(hào)的紫外分光光度儀。DO分析儀為D-55, Horiba,光 學(xué)顯微鏡型號(hào)為Nikon ECLIPSE E600 JAPAN,立體顯微鏡型號(hào)為Nikon SMZ1500, JAPAN,電子顯微鏡型號(hào)為Nikon SMZ1500, JAPAN。

2 反應(yīng)器的啟動(dòng)

試驗(yàn)反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)的總負(fù)荷0.83 kg-N/m3/d, 水力停留時(shí)間(HRT)2.92 h,鹽度15 g/L。系統(tǒng)在啟 動(dòng)時(shí)期的一個(gè)月中,共經(jīng)歷了15 g/L、20 g/L和23 g/ L 3個(gè)鹽度的變化。由于原水鹽度為30 g/L,啟動(dòng)初 期,把原水稀釋成15 g/L,而由于原水總氮濃度平均 為200.0 mg/L,因此稀釋后,進(jìn)水鹽度為15 g/L時(shí), 稀釋后總氮濃度只有100.0 mg/L左右,而此時(shí)氨氮、 亞硝酸氮和硝酸氮的平均濃度分別是20.6 mg/L、20.9 mg/L和52.9 mg/L�？偟�(fù)荷隨時(shí)間的延長而 逐漸增長,除去率整體上也處于上升趨勢(shì)。在把鹽度 增加到23 g/L后,系統(tǒng)運(yùn)行仍較為穩(wěn)定。第31天時(shí)氨 氮去除率達(dá)到75.0 %,亞硝酸氮去除率達(dá)到41.8 %, 之后能一直保持較好處理效果,此時(shí)認(rèn)為系統(tǒng)啟動(dòng)完成。

3 反應(yīng)器運(yùn)行結(jié)果

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的氨氮濃度和去除效果見圖3。在第Ⅰ階段,鹽度15 g/L,進(jìn)水氨氮濃度平均只有20.0 mg/L,較低的濃度利于細(xì)菌的培養(yǎng)馴化期。第Ⅲ階段,進(jìn)水氨氮濃度逐漸增加(46.4~68.9 mg/L);出 水氨氮濃度平均11.8 mg/L;去除率平均69.0%。到 第Ⅳ階段,鹽度達(dá)到25 g/L,進(jìn)水氨氮濃度平均50.6 mg/L;出水氨氮濃度平均11.6 mg/L;去除率平均 79.4%,最高時(shí)達(dá)到98.7%。因系統(tǒng)運(yùn)行良好,在第Ⅴ 階段,鹽度為30 g/L,進(jìn)水氨氮濃度平均值為59.8 mg/L,出水氨氮濃度平均21.6 mg/L,去除率平均 79%,效果良好。但在第Ⅴ階段末期,水浴加熱設(shè)施突然 損壞,pH值出水小于進(jìn)水。第Ⅵ階段鹽度為15 g/L,進(jìn)水氨氮濃度平均23.9 mg/L,經(jīng)過7天系統(tǒng)活性恢復(fù), 反應(yīng)器進(jìn)水鹽度為30 g/L,進(jìn)水氨氮濃度平均98.8 mg/L,出水氨氮濃度平均33.9 mg/L,去除率平均 65.3%,效果良好,且運(yùn)行穩(wěn)定。

亞硝酸氮濃度和去除效果見圖4所示。進(jìn)水氨氮與亞硝酸氮濃度比值控制在1∶1.2左右,系統(tǒng)進(jìn)水亞硝酸氮濃度平均57.1 mg/L,出水亞硝酸氮濃度平 均19.1 mg/L,去除率平均58.6%。在第Ⅶ階段,鹽度 30 g/L,進(jìn)水亞硝酸氮濃度平均92.7 mg/L,出水亞硝酸氮濃度平均27.0 mg/L,去除率平均70.7%。在 第114 d亞硝酸氮去除率陡然下降,氨氮濃度與亞硝酸氮濃度比值為1∶1.9,嚴(yán)重偏離1∶1.2。在進(jìn)水氨 氮恢復(fù)正常水平后,污泥活性逐漸恢復(fù),達(dá)到穩(wěn)定。總氮濃度和總氮去除效果見圖5,類似于氨氮和亞硝酸 氮去除率;硝酸氮不參與反應(yīng),硝酸氮的不規(guī)律性對(duì)總氮濃度的影響也很小。在鹽度30 g/L時(shí),總氮最大值為290.9 mg/L,平均212.6 mg/L,出水濃度平均值 94.5 mg/L,平均去除率55.7%。

總氮去除負(fù)荷見圖6。進(jìn)水中的鹽度逐漸提高,在進(jìn)水鹽度為30g/L,總氮負(fù)荷平均值為1.75kg N/m3·d;總氮去除負(fù)荷平均值為0.97 kg N/m3·d。實(shí)驗(yàn)證明,淡水性厭氧氨氧化污泥經(jīng)過培養(yǎng)馴化,可以處理高含鹽廢水(鹽度30g/L)。另有研究表明,在鹽度高于45g/L時(shí),污泥活性就會(huì)喪失[1]。

厭氧氨氧化反應(yīng)速率見圖7。氨氮去除負(fù)荷與亞 硝酸氮去除負(fù)荷的比值為1∶0.928,而與厭氧氨氧化 工藝處理淡水時(shí)的理論值1∶1.3相差較大。Dapena- Mora等用厭氧氨氧化工藝處理含鹽10 g/L的魚罐 頭生產(chǎn)廢水時(shí),該值為1∶1.67[2],Ahn等用厭氧氨氧 化工藝處理養(yǎng)豬廢水時(shí)氨氮去除負(fù)荷與亞硝酸氮去 除負(fù)荷比值為1∶1.65,而硝酸氮生成量幾乎為零[3]。 本試驗(yàn)中亞硝酸氮消耗量少的原因可能是由于過高 的鹽度抑制了厭氧氨氧化菌的活性[4],并導(dǎo)致了細(xì)菌 的變異,培養(yǎng)出了能夠抗鹽的厭氧氨氧化菌,但不符合厭氧氨氧化反應(yīng)規(guī)律,需進(jìn)一步的探討研究。表3列出了幾個(gè)不同反應(yīng)器處理高含鹽廢水的結(jié)果。

本試驗(yàn)所采用的是固定床反應(yīng)器,其溫度控制在27℃~33℃,進(jìn)實(shí)際廢水,自然溶解氧,在嚴(yán)酷的條件下,取得了較高的總氮去除負(fù)荷。

4 污泥性狀

無紡布為白色,經(jīng)過130多天馴化培養(yǎng)后,變成淺紅色,啟動(dòng)時(shí)所用的接種污泥中紅色顆粒和黃褐色顆粒相間,有少部分好氧菌[7],導(dǎo)致污泥不是全部的紅色,正是這些好氧菌消耗了反應(yīng)器中的溶解氧,防止了過高的溶解氧對(duì)厭氧氨氧化菌的抑制作用。污泥顆粒粒徑分布反映了污泥顆粒的大 小,進(jìn)而說明了污泥的密實(shí)度,是污泥顆粒的一個(gè)重要待征。

污泥顆粒分布圖見圖9。中位粒徑為601μm,并且分布較均勻。van der Star等研究實(shí)際運(yùn)行的厭氧氨氧化處理設(shè)施時(shí),檢測(cè)到污泥顆粒粒徑為1000 μm[8]。這是由于本實(shí)驗(yàn)的水力停留時(shí)間較短(3 h), 對(duì)污泥顆粒的剪切力較大,形成的顆粒較為密實(shí)。在試驗(yàn)后期,取出生物膜用光學(xué)顯微鏡觀察(圖10)。無紡布分散著大量的成塊狀聚集的細(xì)菌(圖 10A),細(xì)菌之間分散有大量的小膜填料結(jié)晶體(圖 10B);厭氧氨氧化菌以無紡布為載體,聚合在周圍 ,而無紡布獨(dú)特的性質(zhì)使得細(xì)菌更有利于保持反應(yīng)器中足夠的生物量[9]。

第120 d,用掃描電子顯微鏡觀察污泥顆粒的形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。細(xì)菌通過胞外聚合酶的作用,形成團(tuán) 狀結(jié)構(gòu)(圖11 C、D),緊密地附著在無紡布上(圖11 A、B)。有研究認(rèn)為,部分反硝化菌,硝化反應(yīng)、反硝化 反應(yīng)和厭氧氨氧化反應(yīng)的協(xié)同作用,完成污染物降解 過程[10]。

5 結(jié)論

試驗(yàn)過程中,溫度為(30±3)℃,pH值為7.1~ 8.0,HRT為2.92,溶解氧濃度為5~8 mg/L,鹽度為 30 g/L時(shí),進(jìn)水氨氮濃度平均為98.8 mgN/L,出水 氨氮濃度平均33.9 mgN/L,去除率平均65.3 %;進(jìn) 水亞硝酸氮濃度平均92.7 mgN/L,出水亞硝酸氮平 均濃度為27.0 mgN/L,除去率平均為70.7 %;總氮 進(jìn)水濃度平均212.6 mgN/L,出水濃度平均94.5 mgN/L,除去率平均55.7 %。試驗(yàn)過程中,獲得的總 氮負(fù)荷范圍在1.34~2.39 kg-N/m3/d之間,平均 1.75 kg-N/m3/d;總氮去除負(fù)荷0.63~1.32 kg-N/ m3/d,平均0.97 kg-N/m3/d,效果良好,運(yùn)行穩(wěn)定。通 過一定的方法逐漸提高廢水含鹽濃度,馴化厭氧氨氧 化污泥成處理高含鹽廢水污泥,并能得到良好的效果。直接從正在運(yùn)行的反應(yīng)器取泥接種,能過縮短啟 動(dòng)時(shí)間,減少培養(yǎng)周期;進(jìn)水不除氧氣,保持廢水中原 有的溶解氧濃度,培養(yǎng)出能夠消耗溶解氧的細(xì)菌,使之在反應(yīng)器中與厭氧氨氧化細(xì)菌共生,發(fā)生協(xié)同作用,降低了運(yùn)行成本,向厭氧氨氧化工藝的推廣應(yīng)用邁進(jìn)了一步。溫度對(duì)于厭氧氨氧化反應(yīng)器的運(yùn)行起著非常重要的作用,在溫度陡降時(shí)會(huì)使污泥活性降低, 出水水質(zhì)變差。為此,需要保證反應(yīng)器處于合適的溫度范圍。才能取得長期的良好的運(yùn)營效果。通過對(duì)生 物膜進(jìn)行光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察可以看 出,細(xì)菌以無紡布纖維為中心,緊密地附著,并通過胞外聚合酶的作用,形成團(tuán)狀結(jié)構(gòu),有效地保證了反應(yīng)器中足夠的生物量。

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