工業廢水及生活汙水生物去氮技術分析
2020-12-01 北極星環保網北極星水處理網訊:厭氧氨氧化技術因其無需外加有機碳源、汙泥產量低和無需曝氣，能大大減少汙水處理的運行成本而受到廣泛關注. ANAMMOX雖然是一種高效、節能的生物脫氮技術，卻因為是自可養型生物而易受有機物影響.因此，ANAMMOX工藝多用來處理低碳氮比廢水.在有機物濃度較高時，ANAMMOX難以與快速增長的異養菌競爭，從而導致反應器脫氮效能下降.目前，關於厭氧氨氧化反應研究大多停留在實驗室條件下的小試實驗階段，並且多通過人工配水來完成.但實際上，工業廢水或生活汙水中幾乎都含有不同濃度和種類的有機物.
目前，國內外就有機碳源對厭氧氨氧化代謝的影響做了大量的研究，主要存在兩種觀點：一種認為低濃度有機物存在時可促進厭氧氨氧化菌的活性，但有機物濃度高時，厭氧氨氧化菌活性大大降低;另外一種觀點認為，有機物存在下，厭氧氨氧化菌與反硝化菌競爭並優先利用有機碳源，代謝途徑表現多樣化. Yang等研究發現隨著COD負荷提高，當進水氨氮(NH4+-N)和亞硝酸鹽(NO2--N)濃度分別為189 mg˙L-1和85 mg˙L-1時，ANAMMOX反應在COD濃度高於237 mg˙L-1時完全停止. Sabumon等亦發現在COD存在情況下，反硝化反應更強於ANAMMOX，從而抑制ANAMMOX的活性. COD的添加會抑制ANAMMOX活性，當進水NH4+-N和NO2--N濃度均為70 mg˙L-1時，2 050.75 mg˙L-1和4 101.5 mg˙L-1的乙酸鹽會引起ANAMMOX活性分別抑制了22%和77%.相反地，有研究在添加乙酸鹽、丙酸鹽和葡萄糖(濃度均為1 mmol˙L-1)的批試實驗中發現ANAMMOX活性的增加，而在連續流實驗中，ANAMMOX活性卻降低. Chamchoi等通過碳氮比對ANAMMOX的影響研究發現，在進水NH4+-N和NO2--N濃度分別為40 mg˙L-1和50 mg˙L-1時，隨著碳氮比從0.9升高到2.0，ANAMMOX活性逐漸降低.在實際工程應用中，為使厭氧氨氧化菌的生長不受異養菌的影響，往往在其進水前設置好氧消化工序將廢水中的有機物去除，然而，實際中汙水成分複雜使工藝運行不穩定導致有機物去除效果差，使得厭氧氨氧化系統容易受到有機物的影響.因此，有必要系統地考察有機物對厭氧氨氧化系統脫氮過程的影響.
本研究採用ASBR反應器，選取葡萄糖、蔗糖、乙酸鈉、檸檬酸三鈉這4種常見有機物，從NH4+-N、NO2--N、硝酸鹽氮(NO3--N)和總氮(TN)等的去除探討了不同濃度和種類的有機碳源短期變化對厭氧氨氧化菌的活性的影響和系統脫氮情況，以期為厭氧氨氧化工藝的實際應用提供理論和技術支持.
1 材料與方法
1.1 實驗裝置與方法
本實驗使用的裝置為有效容積為1.0 L的玻璃瓶，外置黑布，瓶口橡膠塞上開兩孔，分別用於攪拌和取樣(圖 1).為保證系統的密封性，取樣採用注射器進行抽取.反應器配置攪拌裝置維持轉速為80 r˙min-1.反應裝置放在恆溫水浴鍋中，溫度設為35℃.本實驗的水力停留時間為8 h，每隔0.5 h取一次樣進行水質分析，進水pH控制在7.5左右.
1.2 接種汙泥與實驗用水
實驗用泥為穩定運行300餘天的厭氧氨氧化活性汙泥，汙泥外觀呈紅色，大部分呈細小顆粒狀(d < 0.2 mm).汙泥沉降性能良好，其對亞硝酸鹽氮和氨氮的去除率都達到99%以上.實驗過程汙泥濃度(MLVSS)保持在750 mg˙L-1左右.實驗用水採用人工配水，模擬廢水水質：NaHCO3 1.5 g˙L-1，KH2PO4 0.02 g˙L-1，MgSO4˙7H2O 0.3 g˙L-1，CaCl2˙2H2O 0.056 g˙L-1，微量元素Ⅰ、Ⅱ各1 mL˙L-1. NH4Cl、NaNO2、有機物按需投加.其中微量元素Ⅰ：EDTA 5 g˙L-1，FeSO45 g˙L-1;微量元素Ⅱ：EDTA 5 g˙L-1，ZnSO4˙4H2O 430 mg˙L-1，MnCl2˙4H2O 990 mg˙L-1，H3BO4 14 mg˙L-1，CuSO4˙5H2O 250 mg˙L-1，Na2Mo4˙2H2O 220 mg˙L-1，Na2SeO4˙10H2O 210 mg˙L-1，NiCl2˙6H2O 190 mg˙L-1.
實驗進水NH4+-N和NO2--N濃度分別為80 mg˙L-1和120 mg˙L-1.考察4種有機物葡萄糖、蔗糖、乙酸鈉、檸檬酸三鈉在COD濃度梯度0、20、40、80、120、200 mg˙L-1時對厭氧氨氧化反應的影響.
1.3 最大比厭氧氨氧化速率的確定
由於實驗過程沒有氧氣，因此以氨氮降解速率評價厭氧氨氧化活性.反應開始後定時取樣，根據氨氮濃度變化曲線確定其降解速率最快區間，得出最大斜率，再與系統中的汙泥濃度X之比即得氨氮的最大比反應速率Vmax[mg˙(g˙h)-1].
1.4 測定項目和方法
氨氮採用納氏試劑分光光度法;亞硝酸鹽採用N-1-萘基-乙二胺光度法;硝酸鹽採用紫外分光光度法[16];VSS採用重量法測定;pH值的測定採用玻璃電極法.總氮採用式(1)進行計算：
容積基質氮去除率[volume substrate nitrogen removal rate，NRR，kg˙(m3˙d)-1]採用式(2)進行計算：
2 結果與討論
2.1 不同有機物對厭氧氨氧化脫氮的影響
圖 2為不同有機物濃度在0~200 mg˙L-1範圍內，系統NH4+-N、NO2--N、NO3--N和TN的變化曲線.當葡萄糖濃度達到120 mg˙L-1時出水NH4+-N和NO2--N分別為48.42 mg˙L-1和62.56 mg˙L-1，去除率不足50%，同時造成總氮的去除率下降41%左右，並沒有出現ANAMMOX菌與異養反硝化菌的競爭關係.這可能是由於反應器中反硝化菌的本底含量較少.而對於其他3種有機物，濃度為120 mg˙L-1條件下，NH4+-N和NO2--N仍有很高的去除率(86%和94%).但是，由於異養反硝化菌的存在，NO3--N的累積量明顯減少，導致TN去除率的提高.當有機物濃度提高到200 mg˙L-1時，結果顯示，投加乙酸鈉時，系統NH4+-N的去除率從約100%降到58%，有機物的存在抑制了ANAMMOX菌的活性導致NH4+-N的去除率下降.而NO2--N和NO3--N的去除並未受到影響.
圖 2 不同有機物厭氧氨氧化系統NH4+-N、NO2--N、NO3--N和TN的變化曲線
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