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            降溫對厭氧氨氧化反應器(ASBR)脫氮性能影響研究

            發布時間:2018-9-23 8:52:42  中國污水處理工程網

              氮素是造成水體富營養化的重要根源。傳統的生物脫氮要經過硝化和反硝化2個過程,硝化耗能較大,反硝化需要碳源,導致處理效果不理想。厭氧氨氧化(anammox)是以亞硝氮(NO2−-N)為電子受體,以氨氮(NH4+-N)為電子供體,反應生成氮氣(N2)的過程,與傳統的生物脫氮相比,可以節省40%的曝氣量且無需有機碳源。

              厭氧氨氧化菌多為中溫菌,其適宜的溫度為30~40 ℃。PUYOL等[7]認為厭氧氨氧化菌的最適溫度為30~35 ℃。多數學者在ASBR啟動中都采用中溫。自然水體的溫度一般處于15~25 ℃。因此,采用厭氧氨氧化工藝處理廢水時,需要對廢水進行預熱或者保溫處理;但是在實際工程中,對廢水進行預熱或保溫難度很大。所以,尋求在低溫條件下實現穩定的厭氧氨氧化顯得尤為重要。然而,溫度對厭氧氨氧化菌活性的影響及其胞外聚合物(EPS)變化的研究較鮮見。本實驗采用不同的降溫方式研究厭氧氨氧化菌活性及其EPS含量的影響。旨在解析溫度對厭氧氨氧化反應造成的影響,以期為厭氧氨氧化技術的推廣應用提供技術參考。

              1 實驗部分

              1.1 實驗裝置

              實驗裝置為ASBR(anaerobic sequencing batch reactor)(見圖1),由有機玻璃制成,直徑為14 cm、高為45 cm,有效容積為5 L。取樣口位于反應器壁的垂直方向,在其底部設置有排泥口,上部設有通氣口,反應產生的氣體經過水封瓶后排出。整個反應器用黑色塑料布覆蓋,以避免光照對厭氧氨氧化污泥造成不利影響。

              圖1 ASBR示意圖

              1.2 用水及接種污泥

              實驗采用人工配水,進水通過NaHCO3將pH控制在7.20±0.20,NH4+-N和NO2−-N分別由NH4Cl和NaNO2提供,微量元素參照文獻中的數值,微量元素為1.5 mL·L−1。表1為配水成分組成。接種污泥取自成功啟動ASBR中的活性污泥,脫氮性能良好。其中MLSS為3 300 mg·L−1,MLVSS為2 500 mg·L−1。

              表1 配水成分組成

              1.3 測定項目和方法

              水樣經過0.45 µm濾紙過濾后測定,檢測指標按照APHA標準方法[11]測定:NH4+-N采用納氏試劑分光光度法;NO2−-N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;NO3−-N采用麝香草酚分光光度法;蛋白質(PN)和多糖(PS)測定分別采用考馬斯亮藍法和苯酚硫酸法;pH測定采用WTW pH/Oxi 340i便攜式pH儀實時測定;溫度控制采用水浴恒溫控制器控制溫度;攪拌速率為80 r·min−1。總氮容積負荷(TNLR)根據進水總氮濃度與HRT關系得到,總氮去除負荷(TNRR)根據進、出水總氮濃度與HRT關系得到,即:

              r TNLR =24C inf 1 000t HRT rTNLR=24Cinf1 000tHRT(1)

              r TNRR =24(C inf −C eff )1 000t HRT rTNRR=24(Cinf−Ceff)1 000tHRT(2)

              式中:rTNLR為總氮容積負荷,kg·(m3·d)−1;rTNRR為總氮去除負荷,kg·(m3·d)−1;Cinf為進水總氮濃度,mg·L−1; Ceff為出水總氮濃度,mg·L−1;tHRT為水力停留時間。

              1.4 實驗方案

              ASBR為間歇式運行,周期為280 min,包括進水5 min,反應240 min,沉淀30 min,排水5 min,每天運行2個周期,各反應過程均采用自動控制系統實現。本實驗采用一次性降溫和階梯式降溫2種模式,見表2。

               表2 2種降溫方式下的運行工況

              2 結果與討論

              2.1 2種降溫方式下氮素的去除

              2.1.1 一次性降溫過程中氮素的去除

              圖2為一次性降溫過程中NH4+-N、NO2−-N和NO3−-N的變化情況。進水NH4+-N和NO2−-N濃度分別為(25.0±0.4) mg·L−1和(33.0±0.6) mg·L−1。1~4周期溫度為30 ℃,從第5周期時實行一次性降溫至15 ℃。可以看出,第1~4周期時出水NH4+-N和NO2−-N濃度分別為0.7 mg·L−1和0.5 mg·L−1,在這一階段厭氧氨氧化能夠正常進行。當一次性降低溫度后,出水NH4+-N和NO2−-N濃度分別升至16.1 mg·L−1和19.4 mg·L−1,去除率分別降低到35.6%和41.2%,到34周期時逐漸下降至13.4 mg·L−1和16.1 mg·L−1,去除率分別升高到46.4%和51.2%,49周期后出水NH4+-N和NO2−-N濃度穩定至13.2 mg·L−1和14.9 mg·L−1,去除率分別降低至47.9%和55.1%。一次性降溫時,出水NH4+-N和NO2−-N濃度增加,脫氮效果變差,經過一段時間的運行,在該低溫條件下也達到了較穩定的運行狀態,這與宋成康等的實驗結果一致。可見,一次性降溫使厭氧氨氧化活性下降,經過一段時間的適應,該菌仍然具有一定的活性。說明厭氧氨氧化菌逐漸適應低溫環境,其NH4+-N、NO2−-N的去除率達到了基本穩定。VANDEGRAAF等發現在20~43 ℃之間,厭氧氨氧化菌可保持較強的活性。一次性降溫實驗當中,溫度已低至15 ℃,但厭氧氨氧化菌仍然保持了一定的活性。姚俊芹等發現在溫度從31 ℃降至17 ℃時,NH4+-N、NO2−-N的平均去除率也能達到46.2%、41.8%。

              一次性降溫至15 ℃后反應器的出水NO3−-N濃度由6.3 mg·L−1降至1.8 mg·L−1,之后緩慢上升,最終穩定在2.3 mg·L−1。溫度降低,出水NO3−-N濃度降低,這可能是因為厭氧氨氧化反應速率減小或存在反硝化,但是進水沒有有機碳源,不存在反硝化,故厭氧氨氧化反應速率減小導致出水NO3−-N濃度降低。

              圖2 一次性降溫過程中NH4+-N、NO2−-N和NO3−-N 的變化

              2.1.2 階梯式降溫過程中氮素的去除

              圖3為階梯式降溫過程中NH4+-N、NO2−-N和NO3−-N濃度的變化情況,進水NH4+-N和NO2−-N濃度分別為(25.0±0.4) mg·L−1和(33.0±0.4) mg·L−1。1~4周期溫度為30 ℃,5~10周期溫度為25 ℃,11~19周期溫度為20 ℃,20~54周期為15 ℃。在30 ℃時,出水平均NH4+-N和NO2−-N濃度分別為0.6 mg·L−1和0.5 mg·L−1,平均去除率分別為97.8%和98.5%。在25 ℃時,出水平均NH4+-N和NO2−-N濃度為4.5 mg·L−1和4.8 mg·L−1,平均去除率分別為81.4%和84.2%。在20 ℃時,出水平均NH4+-N和NO2−-N濃度分別為6.2 mg·L−1和6.8 mg·L−1,平均去除率分別為76.3%和79.7%。在15 ℃時,出水平均NH4+-N和NO2−-N濃度為12.1 mg·L−1和12.8 mg·L−1,平均去除率分別為51.6%和61.2%。在階梯式降溫下,每次降溫后出水NH4+-N和NO2−-N濃度均呈現上升的趨勢,平均去除率逐級降低,且降低幅度逐漸加大,反應器重新達到穩定運行所需的時間逐漸變長。溫度降低后,微生物能夠逐步適應低溫,厭氧氨氧化菌的活性逐步得到恢復。控制溫度恒定,系統的脫氮性能會隨著運行時間的推移而上升,最后達到一個新的穩定狀態,這與李祥等的研究結果一致。采用階梯式降溫方式比一次性降溫方式下的NH4+-N和NO2−-N去除率高3.6%和5.1%。楊朝暉等通過階梯式降溫的方式縮短低溫條件下厭氧氨氧化菌馴化時間,而且菌體活性保持較好,能夠維持較高的脫氮性能,這與本實驗結果一致。

              在30 ℃時,反應器出水平均NO3−-N濃度為6.3 mg·L−1。降溫至25 ℃后,出水NO3−-N濃度降至3.4 mg·L−1,從25 ℃降到20 ℃,再降溫至15 ℃的過程中,出水NO3−-N濃度呈現階梯式下降,但下降的幅度逐漸減小,最終穩定在2.6 mg·L−1。反應器溫度降低后,NO3−-N生成量也隨之降低,即厭氧氨氧化反應速率也隨之減小。出水NO3−-N濃度高于一次性降溫時的值,表明階梯式降溫下的厭氧氨氧化反應速率高于一次性降溫方式。

              圖3 階梯式降溫過程中NH4+-N、NO2−-N和NO3−-N的變化

              2.2 2種降溫方式下總氮反應速率及反應計量比的變化

              圖4為一次性降溫和階梯式降溫方式總氮的去除速率及ΔNO2−-N/ΔNH4+-N(反應掉的NO2−-N量與反應掉的NH4+-N量的比)的變化。由圖4(a)可知,在30 ℃下,一次性降溫和階梯式降溫總氮去除速率均為5.10 mg·(g·h)−1。一次性降溫至15 ℃時,總氮去除速率降至2.74 mg·(g·h)−1,階梯式降溫至15 ℃時,總氮去除速率降為3.22 mg·(g·h)−1,這主要是低溫會使酶作用降低或停止,而厭氧氨氧化菌最適溫度為30~35 ℃,故在低溫下厭氧氨氧化菌酶作用降低,導致厭氧氨氧化反應速率下降。階梯式降溫比一次性降溫總氮的去除速率高0.48 mg·(g·h)−1。一次性降溫達到總氮去除速率穩定運行所需的周期為49周期,階梯式降溫總氮去除速率達到穩定所需的周期為26周期,即階梯式降溫方式下總氮去除速率達到穩定運行所需的時間較短。

              由圖4(b)可知,在30 ℃時,一次性降溫和階梯式降溫反應器的ΔNO2−-N/ΔNH4+-N均為1.33,一次性降溫和階梯式降溫條件下ΔNO2−-N/ΔNH4+-N均有所增加,運行一段時間后達到穩定。這可能是NOB和厭氧氨氧化菌均以亞硝酸鹽為基質分別進行亞硝酸鹽的氧化反應和厭氧氨氧化反應,當亞硝酸鹽成為其限制因素時,可導致二者存在競爭關系。ASBR內有NOB時,就會利用亞硝酸鹽和進水中的微量溶解氧反應,導致ΔNO2−-N/ΔNH4+-N升高。一次性降溫至15 ℃后,ΔNO2−-N/ΔNH4+-N波動式上升,最終穩定至1.51。階梯式降溫方式下,每次降溫均會導致ΔNO2−-N/ΔNH4+-N上升,15 ℃時ΔNO2−-N/ΔNH4+-N最終穩定至1.48。15 ℃時2種降溫方式ΔNO2−-N/ΔNH4+-N值均比理論值1.32高,這是因為隨著溫度的降低水中DO增多,導致ΔNO2−-N/ΔNH4+-N增大。階梯式降溫的ΔNO2−-N/ΔNH4+-N更接近厭氧氨氧化反應的理論值,有研究報道指出,ΔNO2−-N/ΔNH4+-N越接近理論值,厭氧氨氧化菌的除氮性能越好,即階梯式降溫方式更有利于脫氮。

              圖4 2種降溫方式下總氮的去除速率及ΔNO2−-N/ΔNH4+-N變化

              2.3 2種降溫方式下對厭氧氨氧化活性、總氮去除負荷以及胞外聚合物的影響

              圖5、圖6為2種降溫方式下厭氧氨氧化活性、總氮去除負荷(TNRR)以及胞外聚合物(EPS)的變化。由圖5(a)可知,在30 ℃下,一次性降溫和階梯式降溫厭氧氨氧化活性(SAA)均為0.139 g·(g·d)−1。一次性降溫至15 ℃時,SAA降至0.071 g·(g·d)−1,降幅為48.9%。階梯式降溫方式下,SAA呈現階梯式減小,至15 ℃時,SAA降為0.083 g·(g·d)−1,降幅為40.1%。楊洋等[24]也發現采用階梯式降溫對SAA的影響較小。

              由圖5(b)可知,在30 ℃下,2個反應器進水總氮容積負荷(TNLR)均為0.292 kg·(m3·d)−1,TNRR均為0.256 kg·(m3·d)−1。一次性降溫至15 ℃時,該反應器TNRR降為0.142 kg·(m3·d)−1,采用階梯式降溫至15 ℃時,該反應器TNRR降為0.160 kg·(m3·d)−1,可見階梯式降溫方式比一次性降溫方式時的TNRR高0.018 kg·(m3·d)−1。具體聯系污水寶或參見http://www.yzvo.tw更多相關技術文檔。

              EPS是微生物在生長過程分泌的黏性物質,在一定范圍內,EPS分泌量越多,其受到外界環境脅迫越大。由圖6可知,在30 ℃下,一次性降溫和階梯式降溫反應器中微生物分泌的PN和PS平均值分別為36.58 mg·g−1和2.16 mg·g−1。一次性降溫至15 ℃,PN和PS分別為121.56 mg·g−1和25.16 mg·g−1,這可能在較低溫度時微生物生長速率下降使得部分細菌死亡釋放出大量的EPS。階梯式降溫過程中,PN和PS均逐漸增大,至15 ℃時,PN和PS分別上升到109.26 mg·g−1和24.16 mg·g−1。這是因為反應溫度的降低對厭氧氨氧化菌產生了應激性,即當微生物受到外界環境的脅迫(如溫度突變等)時,微生物主要通過分泌EPS來適應新環境,階梯式降溫方式的微生物EPS分泌量較小,所以階梯式降溫方式對厭氧氨氧化菌的影響較小。

              圖5 2種降溫方式下SAA和TNRR的變化

              圖6 2種降溫方式下EPS變化

              2.4 2種降溫方式下反應器的活性恢復

              圖7和圖8為一次性降溫反應器和階梯式降溫反應器升溫過程中NH4+-N、NO2−-N和NO3−-N的變化。將一次性降溫到15 ℃的反應器再一次性升溫至30 ℃時。可以看出,在1~15周期時,出水NH4+-N和NO2−-N的平均濃度分別為12.5 mg·L−1和13.8 mg·L−1,其去除率分別達到50.8%和58.5%,出水NO3−-N平均濃度為2.0 mg·L−1;第41周期時出水NH4+-N和NO2−-N濃度逐漸下降至2.3 mg·L−1和2.8 mg·L−1,出水NO3−-N濃度逐漸升高至4.6 mg·L−1;44周期后,出水NH4+-N和NO2−-N濃度分別穩定為1.7 mg·L−1和1.9 mg·L−1,二者去除率分別為93.0%和94.3%,出水NO3−-N濃度為5.3 mg·L−1。將階梯式降溫到15 ℃的反應器一次性升溫至30 ℃。可以看出,在1~9周期時,出水NH4+-N和NO2−-N的平均濃度為11.5 mg·L−1和12.5 mg·L−1,NH4+-N和NO2−-N的去除率分別為55.1%和57.5%,出水平均NO3−-N濃度為2.6 mg·L−1,第23周期,出水NH4+-N和NO2−-N濃度逐漸下降至2.3 mg·L−1和2.7 mg·L−1,出水NO3−-N濃度逐漸升高至5.3 mg·L−1,26周期后,出水NH4+-N、NO2−-N和NO3−-N濃度均達到穩定,出水NH4+-N和NO2−-N濃度為1.5 mg·L−1和1.6 mg·L−1,去除率分別為94.0%和95.5%,出水NO3−-N濃度為5.6 mg·L−1。可見2種降溫方式下的反應器再經一次性升溫時其脫氮性能均不能在短時間內恢復。而階梯式降溫反應器經過30周期的恢復,其脫氮性能接近于最初30 ℃時的脫氮性能,一次性降溫反應器經過44周期的恢復才接近最初30 ℃時的脫氮性能。姚俊芹等研究發現,反應器在17 ℃停運2個月后,直接升溫31 ℃開始再次運行,第17天時,NH4+-N、NO2−-N的最高去除率就達到99.4%、90.6%,表明僅僅經歷較短時間,反應器內微生物SAA便得到恢復。

              圖7 一次性降溫反應器升溫后NH4+-N、NO2−-N、NO3−-N的變化

              圖8 階梯式降溫反應器升溫后NH4+-N、NO2−-N、NO3−-N的變化

              3 結論

              1)對30 ℃穩定運行的ASBR采用一次性降溫和階梯式降溫至15 ℃的方式研究厭氧氨氧化脫氮性能。采用階梯式降溫方式比一次性降溫方式的NH4+-N和NO2−-N去除率高3.7%和6.1%、總氮去除速率高0.48 mg·(g·h)−1、ΔNO2−-N/ΔNH4+-N更接近厭氧氨氧化反應的理論值、SAA高0.012g·(g·d)−1、TNRR高0.018 kg·(m3·d)−1,表明階梯式降溫方式優于一次性降溫方式。

              2)對一次性降溫和階梯式降溫的ASBR采用一次性升溫的方式進行活性恢復,一次性降溫反應器活性恢復需要44周期,而階梯式降溫反應器活性恢復僅需要26周期,前者出水NH4+-N和NO2−-N濃度為1.7 mg·L−1和1.9 mg·L−1,后者出水NH4+-N和NO2−-N濃度為1.5 mg·L−1和1.6 mg·L−1,表明階梯式降溫方式更有利于厭氧氨氧化菌的活性恢復。(來源:環境工程學報 作者:邵兆偉)

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