厌氧氨氧化工艺处理高盐含氮废水的研究
摘要：厌氧氨氧化工艺处理高盐含氮废水,需要使用恰当的方法,在保持细菌抗盐性的同时,使其具有高的活性。 试验研究了菊花状无纺布载体的生物膜性能,测试了氨氮除去效果、亚硝酸氮除去效果、总氮除去效果、总氮负荷。 结果表明,在高盐废水的条件下,微生物的脱氮负荷可达到1.32 kg-N/m3/d。
关键词：厌氧气氨氧化;无纺布;高盐;总氮除去率
沿海地带是每个国家的主要工业基地。使用海水作为工业水源或天然气开采废水以及城市垃圾渗滤液中,含氮废水含有高浓度盐分。厌氧氨氧化是除去 氮的关键技术之一,因为厌氧氨氧化细菌繁殖周期长,细菌量倍增速度慢,在不适宜的条件下,细菌的死 亡率高于生长率。如何在高盐分下保持细菌活性的同时,具有高的除氮效率,是目前生物工程领域中重要的研究课题。试验采用复合材料无纺布作为颗粒污泥的载体,研究了在高盐浓度条件下,细菌保持较高的活性并且具有理想的总氮负荷除去率。
1 试验废水、材料及设备
本试验研究用水取自日本千叶县天然气生产公司。 废水中盐度、氨氮和pH值的平均值分别为:30 g/L、 210 mg/L和6.9。该废水经过部分亚硝化处理后的出 水作为本试验的进水,试验用水水质见表1。本试验装置 采用上流式固定床反应器,总高度60 cm,内径18 cm,有 效容积2.8 L,内填充无纺布填料(日本Vilene,US专利5,185,415;1993),形状见图1。反应器通过外层水套的加热设施来调节温度在27℃~33℃之间。如图2 所示。接种污泥初始MLVSS为0.7 g/L。试验过程中以盐度划分为7个阶段(表2)。整个实验过程中,保持水力停留时间2.92 h不变,通过增加进水总氮浓度来提高负荷。在不同实验阶段盐度的变化通过加入自来水稀释进行调整。
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氨氮的检测,采用石炭酸盐分析方法(2-羟基联 苯作为取代品,标准为Kanda,1995)。亚氮的检测,采 用N-(1-萘基)乙二胺光度法;硝氮的检测采用紫外分 光光度法(标准为APHA, 1995)。分析仪器为UV型号的紫外分光光度仪。DO分析仪为D-55, Horiba,光 学显微镜型号为Nikon ECLIPSE E600 JAPAN,立体显微镜型号为Nikon SMZ1500, JAPAN,电子显微镜型号为Nikon SMZ1500, JAPAN。
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2 反应器的启动
试验反应器启动时的总负荷0.83 kg-N/m3/d, 水力停留时间(HRT)2.92 h,盐度15 g/L。系统在启 动时期的一个月中,共经历了15 g/L、20 g/L和23 g/ L 3个盐度的变化。由于原水盐度为30 g/L,启动初 期,把原水稀释成15 g/L,而由于原水总氮浓度平均 为200.0 mg/L,因此稀释后,进水盐度为15 g/L时, 稀释后总氮浓度只有100.0 mg/L左右,而此时氨氮、 亚硝酸氮和硝酸氮的平均浓度分别是20.6 mg/L、20.9 mg/L和52.9 mg/L。总氮负荷随时间的延长而 逐渐增长,除去率整体上也处于上升趋势。在把盐度 增加到23 g/L后,系统运行仍较为稳定。第31天时氨 氮去除率达到75.0 %,亚硝酸氮去除率达到41.8 %, 之后能一直保持较好处理效果,此时认为系统启动完成。
3 反应器运行结果
系统运行时的氨氮浓度和去除效果见图3。在第Ⅰ阶段,盐度15 g/L,进水氨氮浓度平均只有20.0 mg/L,较低的浓度利于细菌的培养驯化期。第Ⅲ阶段,进水氨氮浓度逐渐增加(46.4~68.9 mg/L);出 水氨氮浓度平均11.8 mg/L;去除率平均69.0%。到 第Ⅳ阶段,盐度达到25 g/L,进水氨氮浓度平均50.6 mg/L;出水氨氮浓度平均11.6 mg/L;去除率平均 79.4%,最高时达到98.7%。因系统运行良好,在第Ⅴ 阶段,盐度为30 g/L,进水氨氮浓度平均值为59.8 mg/L,出水氨氮浓度平均21.6 mg/L,去除率平均 79%,效果良好。但在第Ⅴ阶段末期,水浴加热设施突然 损坏,pH值出水小于进水。第Ⅵ阶段盐度为15 g/L,进水氨氮浓度平均23.9 mg/L,经过7天系统活性恢复, 反应器进水盐度为30 g/L,进水氨氮浓度平均98.8 mg/L,出水氨氮浓度平均33.9 mg/L,去除率平均 65.3%,效果良好,且运行稳定。
亚硝酸氮浓度和去除效果见图4所示。进水氨氮与亚硝酸氮浓度比值控制在1∶1.2左右,系统进水亚硝酸氮浓度平均57.1 mg/L,出水亚硝酸氮浓度平 均19.1 mg/L,去除率平均58.6%。在第Ⅶ阶段,盐度 30 g/L,进水亚硝酸氮浓度平均92.7 mg/L,出水亚硝酸氮浓度平均27.0 mg/L,去除率平均70.7%。在 第114 d亚硝酸氮去除率陡然下降,氨氮浓度与亚硝酸氮浓度比值为1∶1.9,严重偏离1∶1.2。在进水氨 氮恢复正常水平后,污泥活性逐渐恢复,达到稳定。总氮浓度和总氮去除效果见图5,类似于氨氮和亚硝酸 氮去除率;硝酸氮不参与反应,硝酸氮的不规律性对总氮浓度的影响也很小。在盐度30 g/L时,总氮最大值为290.9 mg/L,平均212.6 mg/L,出水浓度平均值 94.5 mg/L,平均去除率55.7%。
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总氮去除负荷见图6。进水中的盐度逐渐提高,在进水盐度为30g/L,总氮负荷平均值为1.75kg N/m3·d;总氮去除负荷平均值为0.97 kg N/m3·d。实验证明,淡水性厌氧氨氧化污泥经过培养驯化,可以处理高含盐废水(盐度30g/L)。另有研究表明,在盐度高于45g/L时,污泥活性就会丧失[1]。
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厌氧氨氧化反应速率见图7。氨氮去除负荷与亚 硝酸氮去除负荷的比值为1∶0.928,而与厌氧氨氧化 工艺处理淡水时的理论值1∶1.3相差较大。Dapena- Mora等用厌氧氨氧化工艺处理含盐10 g/L的鱼罐 头生产废水时,该值为1∶1.67[2],Ahn等用厌氧氨氧 化工艺处理养猪废水时氨氮去除负荷与亚硝酸氮去 除负荷比值为1∶1.65,而硝酸氮生成量几乎为零[3]。 本试验中亚硝酸氮消耗量少的原因可能是由于过高 的盐度抑制了厌氧氨氧化菌的活性[4],并导致了细菌 的变异,培养出了能够抗盐的厌氧氨氧化菌,但不符合厌氧氨氧化反应规律,需进一步的探讨研究。表3列出了几个不同反应器处理高含盐废水的结果。
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本试验所采用的是固定床反应器,其温度控制在27℃~33℃,进实际废水,自然溶解氧,在严酷的条件下,取得了较高的总氮去除负荷。
4 污泥性状
无纺布为白色,经过130多天驯化培养后,变成浅红色,启动时所用的接种污泥中红色颗粒和黄褐色颗粒相间,有少部分好氧菌[7],导致污泥不是全部的红色,正是这些好氧菌消耗了反应器中的溶解氧,防止了过高的溶解氧对厌氧氨氧化菌的抑制作用。污泥颗粒粒径分布反映了污泥颗粒的大 小,进而说明了污泥的密实度,是污泥颗粒的一个重要待征。
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污泥颗粒分布图见图9。中位粒径为601μm,并且分布较均匀。van der Star等研究实际运行的厌氧氨氧化处理设施时,检测到污泥颗粒粒径为1000 μm[8]。这是由于本实验的水力停留时间较短(3 h), 对污泥颗粒的剪切力较大,形成的颗粒较为密实。在试验后期,取出生物膜用光学显微镜观察(图10)。无纺布分散着大量的成块状聚集的细菌(图 10A),细菌之间分散有大量的小膜填料结晶体(图 10B);厌氧氨氧化菌以无纺布为载体,聚合在周围 ,而无纺布独特的性质使得细菌更有利于保持反应器中足够的生物量[9]。
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第120 d,用扫描电子显微镜观察污泥颗粒的形态和内部结构。细菌通过胞外聚合酶的作用,形成团 状结构(图11 C、D),紧密地附着在无纺布上(图11 A、B)。有研究认为,部分反硝化菌,硝化反应、反硝化 反应和厌氧氨氧化反应的协同作用,完成污染物降解 过程[10]。
5 结论
试验过程中,温度为(30±3)℃,pH值为7.1~ 8.0,HRT为2.92,溶解氧浓度为5~8 mg/L,盐度为 30 g/L时,进水氨氮浓度平均为98.8 mgN/L,出水 氨氮浓度平均33.9 mgN/L,去除率平均65.3 %;进 水亚硝酸氮浓度平均92.7 mgN/L,出水亚硝酸氮平 均浓度为27.0 mgN/L,除去率平均为70.7 %;总氮 进水浓度平均212.6 mgN/L,出水浓度平均94.5 mgN/L,除去率平均55.7 %。试验过程中,获得的总 氮负荷范围在1.34~2.39 kg-N/m3/d之间,平均 1.75 kg-N/m3/d;总氮去除负荷0.63~1.32 kg-N/ m3/d,平均0.97 kg-N/m3/d,效果良好,运行稳定。通 过一定的方法逐渐提高废水含盐浓度,驯化厌氧氨氧 化污泥成处理高含盐废水污泥,并能得到良好的效果。直接从正在运行的反应器取泥接种,能过缩短启 动时间,减少培养周期;进水不除氧气,保持废水中原 有的溶解氧浓度,培养出能够消耗溶解氧的细菌,使之在反应器中与厌氧氨氧化细菌共生,发生协同作用,降低了运行成本,向厌氧氨氧化工艺的推广应用迈进了一步。温度对于厌氧氨氧化反应器的运行起着非常重要的作用,在温度陡降时会使污泥活性降低, 出水水质变差。为此,需要保证反应器处于合适的温度范围。才能取得长期的良好的运营效果。通过对生 物膜进行光学显微镜和扫描电子显微镜观察可以看 出,细菌以无纺布纤维为中心,紧密地附着,并通过胞外聚合酶的作用,形成团状结构,有效地保证了反应器中足够的生物量。
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