厭氧氨氧化顆粒污泥的制備及其脫氮性能

在厭氧的條件下，亞硝酸鹽是電子的受害者，氨氮是電子的替代品，最終產(chǎn)品是氧氣。與傳統(tǒng)的硝化廠相比，厭氧氨氧化至少具有25%的能耗，不需要添加碳源。污泥的產(chǎn)量低，運(yùn)營成本高。因此，厭氧氨氧化是一種理想的廢水生物脫氮技術(shù)。要開發(fā)這一工藝,必須解決接種污泥的來源問題和厭氧氨氧化微生物生長緩慢,難以富集的問題.對于生長緩慢的微生物,提高反應(yīng)器內(nèi)生物量的主要策略是減少生物流失,通常采用2種方法:培養(yǎng)生物膜,使微生物固定在生物膜內(nèi);培養(yǎng)顆粒污泥,創(chuàng)造良好的沉降條件,使生物體保留在反應(yīng)器內(nèi).SBR反應(yīng)器具有高效的生物停留能力,已成功運(yùn)用于培養(yǎng)厭氧氨氧化微生物.顆粒污泥具有良好的沉降性,有利于富集活性微生物體.鑒于以上幾點,本研究啟動SBR顆粒污泥反應(yīng)器,旨在利用厭氧顆粒污泥作為種泥,培養(yǎng)厭氧氨氧化顆粒污泥,并研究其培養(yǎng)過程的規(guī)律和特點,以期為該技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造條件.1材料和方法1.1厭氧顆粒污泥接種污泥取自岳陽市造紙廠污水處理廠IC塔內(nèi)的厭氧顆粒污泥.MLSS72.8g/L,MLVSS63.4g/L,MLVSS/MLSS為0.87.1.2微量元素測定模擬廢水組成(g/L):NH4Cl0.268,NaNO20.335,NaHCO30.5,KH2PO40.087,MgSO4·7H2O0.3,CaCl20.05,微量元素溶液0.5mL/L.微量元素溶液組成(g/L):FeCl3·7H2O3.75,CuSO4·5H2O0.075,ZnSO4·7H2O0.3,CoCl2·6H2O0.375,MnCl2·2H2O0.3.1.3反應(yīng)器的操作厭氧氨氧化試驗在1個有機(jī)玻璃制成的柱形SBR反應(yīng)器中進(jìn)行(圖1).工作體積7.0L,垂直反應(yīng)區(qū)配備1個恒溫水浴系統(tǒng),控制反應(yīng)器的溫度在35℃±1℃.模擬廢水在加入反應(yīng)器前先放在高位水箱,調(diào)節(jié)pH值在8.0左右,并用氮氣沖刷4～5次,以去除水中的溶解氧(DO).而后反應(yīng)器在邊通入氮氣的條件下邊加入高位水箱的模擬廢水.通入氮氣的作用一方面是讓反應(yīng)器保持在厭氧環(huán)境,另一方面是使泥水混合,讓微生物與營養(yǎng)物質(zhì)充分接觸.1.4納氏試劑光度法分析方法均參照文獻(xiàn).COD采用微波消解滴定法;NH+4-N采用納氏試劑光度法;NO-2-N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法;NO-3-N采用酚二磺酸光度法;總無機(jī)氮(TIN)濃度為[NH+4-N]+[NO-2-N]+[NO-3-N].2結(jié)果與討論2.1厭氧顆粒污泥和模擬廢水對氨氮濃度的影響種泥在接種到反應(yīng)器前,先測定其脫氮性能.在SBR反應(yīng)器中加入?yún)捬躅w粒污泥1L,然后加入模擬廢水5L,通入氮氣使污泥與模擬廢水充分混合.從圖2可以看出,厭氧顆粒污泥具有很強(qiáng)的反硝化性能.進(jìn)水亞硝酸氮濃度為62mg/L,只需16h就可以完全去除.模擬廢水的氨氮濃度約為70mg/L,但是反應(yīng)器中的氨氮濃度為120mg/L左右,這可能是因為厭氧顆粒污泥發(fā)生內(nèi)源呼吸作用,使得反應(yīng)器內(nèi)的氨氮濃度增高.2.2厭氧氨氧化顆粒污泥轉(zhuǎn)化為厭氧氨粒污泥SBR反應(yīng)器接種厭氧顆粒污泥后,以模擬廢水作為基質(zhì)啟動ANAMMOX反應(yīng)器.在整個啟動過程中,進(jìn)水NH+4-N和NO-2-N濃度都控制在70mg/L左右.由于厭氧氨氧化菌生長緩慢,倍增時間長達(dá)11d,為了快速富積厭氧氨氧化菌,Strous的研究中,啟動初期水力停留時間(HRT)為27d.本實驗中,啟動初期的HRT控制在30d,pH以NaHCO3調(diào)至7.5～8.5.厭氧氨氧化的啟動實驗可分為3個階段(圖3).第1階段(t=0～54d)是反應(yīng)器中以反硝化作用占優(yōu)勢,NH+4-N濃度沒有變化,而NO-2-N去除速率很快(試驗中定期補(bǔ)給NO-2-N),去除速率達(dá)到36.5g/(m3·d),隨后NO-2-N去除速率逐漸下降到1.66g/(m3·d).此時COD也從920mg/L下降到540mg/L(圖4),這說明NO-2-N的去除主要是異養(yǎng)反硝化作用引起的,反應(yīng)器中反硝化菌是優(yōu)勢菌群.進(jìn)水中沒有添加有機(jī)碳源,反應(yīng)體系中的COD主要是微生物內(nèi)源呼吸作用產(chǎn)生的.第2個階段(t=54～58d)是反硝化作用逐漸減弱,厭氧氨氧化作用逐漸加強(qiáng).第54d開始,NH+4-N開始出現(xiàn)波動下降,反應(yīng)器中沒有DO,而NH+4-N和NO-2-N同時下降,說明反應(yīng)器中已經(jīng)出現(xiàn)厭氧氨氧化作用.第3階段(t=59～90d),反應(yīng)器中厭氧氨氧化作用占優(yōu)勢,NH+4-N和NO-2-N同時被去除,最大去除速率分別達(dá)到14.6g/(m3·d)和6.67g/(m3·d).與此同時,顆粒污泥粒徑變小(見表2),但仍然以顆粒狀態(tài)存在,這說明到t=90d,已經(jīng)培養(yǎng)出厭氧氨氧化顆粒污泥,實現(xiàn)反硝化顆粒污泥轉(zhuǎn)化為厭氧氨氧化顆粒污泥.2.3nh+4-n和no-2-n的去除效果為促進(jìn)厭氧氨氧化菌的生長,從t=110d開始縮短反應(yīng)器的HRT,以提高基質(zhì)負(fù)荷(進(jìn)水氨氮和亞硝酸氮濃度不變,仍然為70mg/L).根據(jù)每次添加NH+4-N和NO-2-N的時間間隔,把HRT降到5d,但是試驗結(jié)果表明,到第5dNH+4-N和NO-2-N去除率不高,到第8d才能分別達(dá)到44.1%和55.1%[圖5(a)].經(jīng)過近1個月的馴化,HRT進(jìn)一步降低到5d[圖5(b)],NH+4-N和NO-2-N的去除率分別達(dá)到60.6%和62.5%,COD變化范圍不超過10mg/L,NO-2-N/NH+4-N的比率為1.12,與報道的1.32非常接近.與此同時NO-3-N濃度也逐步從8.4mg/L升高到16.9mg/L.厭氧氨氧化會產(chǎn)生少量的NO-3-N(NH+4-N去除量的26%),相當(dāng)于產(chǎn)生12.3mg/L的NO-3-N,加上進(jìn)水中原有的8.4mg/L,理論上NO-3-N應(yīng)該有20.7mg/L.但實際上NO-3-N只有16.9mg/L,存在3.8mg/L的NO-3-N消失,這可能是反硝化作用引起的.2.4厭氧氨氧化污泥到目前為止試驗進(jìn)行了5個多月,期間污泥顆粒粒徑、濃度、沉降性及顏色都發(fā)生變化.從圖6可以看出污泥顏色的變化,種泥(普通厭氧顆粒污泥)為灰黑色[圖6(a)],馴化5個月后污泥逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧t棕色,形成厭氧氨氧化顆粒污泥[圖6(b)].由于厭氧氨氧化菌含有豐富的細(xì)胞色素C,成熟的厭氧氨氧化污泥呈淺紅色,污泥顏色的變化印證了啟動過程中厭氧氨氧化菌的發(fā)展進(jìn)程,也可用作厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動進(jìn)程的指示參數(shù).從表1和表2可以看出,隨著試驗的進(jìn)行,由于微生物內(nèi)源呼吸作用,反應(yīng)器中的污泥濃度逐漸減少,MLVSS/MVSS的比值也逐漸降低.從t=0d到t=58d,也就是剛出現(xiàn)厭氧氨氧化作用時,MLVSS下降了1.8g/L,污泥顆粒粒徑變小(種泥粒徑>2mm的占多數(shù),為48.1%;t=58d時,以粒徑為0.8～1.0mm的污泥占多數(shù),為31.8%),沉降性變差,表現(xiàn)為SVI值增大.隨著厭氧氨氧化活性提高,到t=156d,MLVSS下降到4.554g/L,SVI為73.6,污泥沉降性提高.圖7是厭氧氨氧化顆粒污泥掃描電鏡照片.經(jīng)掃描電鏡放大6000倍后可以觀察到,厭氧氨氧化顆粒污泥由大量的球狀菌(圖7a)和桿狀菌(圖7b)聚合而成,顆粒表面和內(nèi)部基本上觀察不到絲狀菌的存在.3厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動,其效果好,其重點在于后期生(1)利用厭氧顆粒污泥作為培養(yǎng)厭氧氨氧化的種泥,控制HRT在30d,初期顆粒污泥以反硝化作用占優(yōu)勢;馴化54d后,反應(yīng)器中出現(xiàn)厭氧氨氧化作用,反硝化和厭氧氨氧化共存;到第90d,成功培養(yǎng)出具有厭氧氨氧化活性的顆粒污泥,這說明由于厭氧氨氧化菌生長緩慢,在馴化初期,較長的HRT對富集厭氧氨氧化微生物是至關(guān)重要的,同時說明厭氧顆粒污泥作為培養(yǎng)厭氧氨氧化微生物的種泥是合適的.(2)從t=110d開始逐步縮短HRT,提高基質(zhì)負(fù)荷來促進(jìn)厭氧氨氧化菌的生長.到t=156d,HRT降到5