厌氧氨氧化工艺处理高盐含氮废水的研究

Posted 2023-01-14 浓度

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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。

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。

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%。

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]。

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。

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。

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]。

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。作者: 刘成良,郑祖芬,李春来