WFSI處理低C/N比養(yǎng)豬廢水的效果及脫氮機制

鄧凱文,李建政,趙博瑋 (哈爾濱工業(yè)大學,城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150090)

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WFSI處理低C/N比養(yǎng)豬廢水的效果及脫氮機制

鄧凱文,李建政*,趙博瑋 (哈爾濱工業(yè)大學,城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150090)

摘要：為有效處理高氨氮、低C/N比養(yǎng)豬廢水,采用在土壤中布設木條形成木質框架的方法構建木質框架土壤滲濾系統(tǒng)(WFSI),并通過調控運行探討其對化學需氧量(COD)、氨氮(NH4+-N)、總氮(TN)的處理效果.研究表明,對于COD、NH4+-N和TN分別為160-359、253-298 和317-374mg/L的養(yǎng)豬廢水,在(25±1)℃和表面水力負荷為0.2m3/m2·d條件下,系統(tǒng)可在30d啟動成功并達到穩(wěn)定運行,其COD、NH4+-N 和TN去除率分別達到61.7%、85%和36.3%左右.分析表明,WFSI中同時存在異養(yǎng)反硝化和厭氧氨氧化等多種生物脫氮機制,其中厭氧氨氧化的脫氮貢獻可達去除總氮的42.3%以上.

關鍵詞：養(yǎng)豬廢水；氨氮；低C/N比；土壤滲濾系統(tǒng)；脫氮

* 責任作者, 教授, ljz6677@163.com

氮素過量是造成水體富營養(yǎng)化的主要原因之一,對廢水進行脫氮處理則可從源頭上控制氮素的排放,保護受納水體的生態(tài)平衡[1-3].諸如食品加工、畜禽養(yǎng)殖和屠宰等企業(yè)所排放的廢水,一般都含有較高濃度的氨氮(NH4+-N),養(yǎng)豬廢水的NH4+-N含量甚至高達470mg/L以上[4-5].養(yǎng)豬廢水還具有低碳氮比的特性,采用傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝很難對其進行有效的脫氮處理[6-7].

脫氮處理工藝主要有厭氧-好氧活性污泥法、序批式活性污泥法、曝氣生物濾池等,其脫氮作用主要是通過硝化和異養(yǎng)反硝化途徑得以實現(xiàn),需要提供足夠的碳源作為電子供體,加之微生物增殖對碳源的需求,通常要求碳氮比[C/N比,其中C以化學需氧量(COD)計,N以總氮(TN)計]為4以上才能獲得較好的生物脫氮效果[6].新興的一些脫氮工藝,如CANON, Sharon-ANAMMOX等是根據自養(yǎng)反硝化原理研發(fā)成功的,不僅脫氮效率高,而且?guī)缀醪恍枰荚?尤其適合處理具有低C/N比的有機廢水,但運行條件苛刻、管理復雜,制約了其推廣應用[7].針對養(yǎng)豬廢水高氨氮、低C/N比的水質特點,研發(fā)既經濟高效又運行管理方便的處理技術,成為保證養(yǎng)豬業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要需求.

土壤滲濾工藝具有管理方便,處理成本低等優(yōu)點[8].為防止土壤濾層的重力壓實和由水流沖刷造成的塌陷,采用向土壤層中布設木條形成支撐框架的方法,構建了木質框架土壤滲濾系統(tǒng)(WFSI)裝置,并通過啟動運行,考察了系統(tǒng)對高氨氮、低C/N比養(yǎng)豬廢水的處理效能,并就其脫氮機制進行了探討.

1 材料與方法

1.1 廢水水質

試驗廢水取自哈爾濱市郊某養(yǎng)豬場.該養(yǎng)豬場采用干清糞的清糞方式,產生的廢水主要由豬尿和豬舍沖洗水組成,其水質如表1所示.該廢水的COD和NH4+-N平均濃度分別為210和268.5mg/L,其COD/TN的平均值只有0.64,是一種典型的高氨氮、低C/N比廢水.

表1 試驗廢水水質Table 1 Quality of the wastewater

1.2 木質-土壤滲濾裝置

圖1為試驗試制的WFSI裝置示意.其中,滲濾柱由有機玻璃制成,Φ15cm,總高1.5m,有效體積21.1L.柱底設有一容積約為0.6L的圓錐體,用于廢水的收集和排放.柱內自下而上依次填有5cm厚的承托層、110cm高的木質-土壤滲濾層和5cm厚的布水層.其中,承托層由Φ5～8mm的礫石鋪設而成,布水層由尺寸為1.5～2.5×1～1.5× 0.2～0.4cm的碎木鋪成.滲濾層由用水浸透的松木條與土壤混勻填裝而成,二者的堆積體積比1:3.其中的木條尺寸為3～5×2～3×0.2～0.4cm,土壤為過200目篩的苗圃腐殖土.

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

1.3 系統(tǒng)的啟動運行

如圖1所示,廢水由蠕動泵按設定流速提升到濾床頂部,經濾床過濾后由底部的椎體收集并排出.WFSI在0.2m3/(m2·d)的表面水力負荷下啟動運行,進水量3.5L/d,環(huán)境溫度為(25±1)℃.

1.4 分析方法

在WFSI的啟動和運行過程中,對進水和出水水質進行監(jiān)測.COD、NH4+-N、亞硝酸鹽氮(NO2--N)、硝酸鹽氮(NO3--N)以及pH值的檢測為每天1次,均采用國家標準方法進行測定[9].其中,COD采用密閉消解法測定,NH4+-N、NO2--N、NO3--N采用分光光度法測定,pH值采用pH計(DELTA 320, Mettler Toledo)測量.TN采用multiN/C-2100s總有機碳分析儀(Analytikjena,德國)定期檢測.

2 結果與討論

2.1 COD的去除

土壤滲濾系統(tǒng)對COD的去除機制包括過濾、吸附以及微生物的降解作用,其中的微生物降解是最為主要的途徑[10].如圖2所示,在為期80d的啟動與運行過程中,WFSI對COD的去除表現(xiàn)出明顯的階段性.在啟動初期(前4d),由于濾床土壤中的微生物尚處于萌發(fā)階段,加之土壤和木條中可溶性有機物的溶解,導致出水COD濃度較進水有明顯升高[11].隨著濾床中可溶性有機物的不斷洗出,出水COD濃度逐漸降低,并在第9～15d保持在66mg/L的較低水平,使系統(tǒng)表現(xiàn)出62.7%左右的去除率,而這一較高的去除率應該是由土壤和木條吸附作用貢獻的[12].自第16d開始,系統(tǒng)出水COD濃度再次回升,雖然在第18d達到峰值后再次下降,但在第18～24d的運行中,系統(tǒng)出水和進水COD濃度非常接近,說明系統(tǒng)對污染物的吸附已達到飽和.隨著運行的持續(xù),系統(tǒng)填料中的微生物得以萌發(fā)和增殖,其代謝作用逐漸成為系統(tǒng)去除COD的主要機制[13].自第25d開始,系統(tǒng)的COD去除率迅速提高,并在第30d后穩(wěn)定在了61.7%左右,出水濃度平均為84mg/L.在第49～63d運行期間,系統(tǒng)出現(xiàn)了土壤流失現(xiàn)象,一些土壤顆粒隨出水流出,但這并未對系統(tǒng)的COD去除率造成顯著影響.

圖2 WFSI的進出水COD及去除率Fig.2 COD and COD removal in the WFSI

2.2 NH4+-N的轉化與脫氮

NH4+-N在土壤滲濾系統(tǒng)中的遷移轉化是一個復雜過程,包括了揮發(fā)、吸附、硝化、反硝化、厭氧氨氧化等作用,而微生物的硝化與反硝化作用被認為是氮素去除的主要途徑[14].

如圖3所示,伴隨COD去除率在第30d后達到相對穩(wěn)定(圖2),系統(tǒng)對NH4+-N的去除也同步趨于穩(wěn)定.在第30～48d的運行中,進水和出水NH4+-N濃度分別平均為241.4和13.6mg/L,平均去除率高達94.0%.自第49d發(fā)生土壤流失后,系統(tǒng)的NH4+-N去除率有所下降,在第74～80d重新達到穩(wěn)定狀態(tài)時,其平均去除率下降為85.0%.

廢水生物處理系統(tǒng)中的NH4+-N,除了用于生物合成外,其主要去除機制是硝化和厭氧氨氧化[15-17].在為期80d的運行中, WFSI進水NH4+-N平均濃度為268.5mg/L(圖3),而NO2--N和NO3--N濃度很低,均在1.2mg/L以下(圖4).如圖4所示,在啟動運行的前15d,出水中幾乎檢測不到NO2--N和NO3--N,說明系統(tǒng)內的硝化細菌尚未得到足量富集,亦或是未能表現(xiàn)出活性.自第16d開始,系統(tǒng)開始出現(xiàn)NO2--N的積累,但在第19d達到最大值66.1mg/L后迅速下降,并在25～48d的運行中保持在了1.1mg/L左右.系統(tǒng)出現(xiàn)NO3--N積累的時間要滯后于NO2--N 3d,自第18d開始迅速攀升,在第25d后趨于穩(wěn)定.由于進水NH4+-N濃度在第39～50d較低(圖3),平均為209.8mg/L,出水NO3--N濃度也隨之下降為145.1mg/L(圖4).在土壤流失后重新達到穩(wěn)定時,系統(tǒng)的NO3--N積累現(xiàn)象仍然突出,濃度達到145.3mg/L左右.

圖3 WFSI的進出水NH4+-N及去除率Fig.3 NH4+-N and NH4+-N removal in the WFSI

以上結果表明,系統(tǒng)中的硝化菌群活性在第16d后開始呈現(xiàn),NH4+-N的氧化使系統(tǒng)在第14～24d期間出現(xiàn)了明顯的NO2--N積累現(xiàn)象.而NO2--N積累則促進了硝化細菌的富集和活性提高,使出水NO3--N濃度快速攀升,NO2--N積累現(xiàn)象則隨之消失,系統(tǒng)的NH4+-N轉化從短程硝化演變到了全程硝化.可見,土壤中木條的布設提高了氧氣在系統(tǒng)中的傳質和利用效率.在第25d之后的運行中,系統(tǒng)中再未出現(xiàn)NO2--N積累現(xiàn)象,而NO3--N濃度則一直保持在較高水平.伴隨NH4+-N的氧化和大量NOx--N的生成,系統(tǒng)的pH值下降,最低達到6.1(圖4).隨著WFSI的繼續(xù)運行,系統(tǒng)的NOx--N積累量顯著下降,其pH值恢復到7.8左右.而出水中NO3--N濃度的降低,反映出系統(tǒng)具有一定的反硝化脫氮或厭氧氨氧化作用[14,25].

圖4 WFSI系統(tǒng)的NOx--N和pH值Fig.4 NOx--N and pH in the WFSI

如圖5所示,在80d的運行中,WFSI系統(tǒng)的進水TN平均為336.0mg/L.由于廢水中的氮主要以NH4+-N的形式存在(表1),且系統(tǒng)對污染物的去除在運行初期以吸附作用為主,因而使TN去除在前15d表現(xiàn)出與NH4+-N變化一致的規(guī)律(圖3).自第16d開始,系統(tǒng)的硝化功能開始顯現(xiàn)(圖4),出水中的NH4+-N濃度迅速下降(圖3),而NO3—N濃度逐漸升高(圖4).在第21～38d,系統(tǒng)對TN的去除保持了相對穩(wěn)定,平均去除率為45.3%.由于原水水質波動和土壤流失現(xiàn)象的出現(xiàn),系統(tǒng)對TN的去除在第39d顯著下降.隨著運行的持續(xù),TN去除率在第60d后再次達到了相對穩(wěn)定,平均為36.3%,較土壤流失前有明顯降低.此時,出水TN濃度平均為215.7mg/L.

2.3 氮去除機制討論

土壤滲濾系統(tǒng)的除氮作用存在4種機制,即氨氮揮發(fā)、介質吸附、同步硝化反硝化和厭氧氨氧化[18-20].在為期80d的啟動和運行過程中,WFSI的進水pH值始終處于7.0～8.5的范圍(圖4),廢水中的氨幾乎都以NH4+的形式存在,而且系統(tǒng)控制的溫度為(25±1)℃,通過氨氮揮發(fā)途徑除氮的可能性不大[25].對于WFSI系統(tǒng),吸附作用在啟動初期的NH4+-N和TN去除中發(fā)揮了重要作用(圖3,圖5).但隨著運行的持續(xù),系統(tǒng)內的各類功能菌群得以富集增長,NH4+-N和TN的去除機制轉變?yōu)橐陨镛D化為主[21].依據系統(tǒng)進出水NH4+-N、NO2--N和NO3--N濃度以及pH值的變化,推測WFSI具有一定的異養(yǎng)反硝化脫氮或自養(yǎng)的厭氧氨氧化脫氮作用.選擇WFSI在最后8d(第73～80d)的穩(wěn)定運行數(shù)據,對系統(tǒng)的脫氮機制分析如下.

圖5 WFSI進出水TN及去除率Fig.5 TN and TN removal in the WFSI

異養(yǎng)反硝化脫氮包括亞硝酸鹽還原(短程反硝化)和硝酸鹽還原(全程反硝化),其反應式分別如式(1)和式(2)所示[22].

由式(1)和式(2)計算可知,通過反硝化作用每去除1mg NO3--N需要消耗2.86mg的易生物降解COD,每去除1mg NO2--N則需要1.71mg易生物降解COD.厭氧氨氧化菌在低氧條件下有自養(yǎng)反硝化的能力,此作用以氨氮為電子供體,亞硝酸鹽為電子受體,最終形成N2O或者N2,其反應如式(3)所示[23].

如表1所示,WFSI啟動和運行過程的進水平均C/N比為0.64,最大值也不過1.61,不能滿足異養(yǎng)反硝化對碳源的需求.在8d(第73～80d)的穩(wěn)定運行中,生物量的變化可忽略不計,假設系統(tǒng)中的氮素均是通過異養(yǎng)反硝化和厭氧氨氧化途徑得以去除.依據系統(tǒng)進出水COD、NH4+-N、NO2--N 和NO3--N濃度計算,得到WFSI去除的COD和TN分別平均為0.481g/d和0.487g/d.全程反硝化要比短程反硝化需要更多的碳源[24],由于系統(tǒng)在最后8d的運行中無NO2--N積累,假設系統(tǒng)所去除的COD全部用于短程反硝化,根據式(1)計算,短程反硝化的脫氮量為0.281g/d,系統(tǒng)通過厭氧氨氧化途徑去除的氮至少為0.206g/d,占去除總量的42.3%.考慮系統(tǒng)也會發(fā)生部分如式(2)所示的全程反硝化脫氮,系統(tǒng)通過異養(yǎng)反硝化的脫氮量要比0.281g/d更少,而通過厭氧氨氧化途徑的脫氮量則要比0.206g/d更多.系統(tǒng)內的濾床中布設了大量的木條,其腐敗過程釋放的可降解生物質也可為反硝化提供碳源,但其作用強度還有待進一步研究[25].盡管各種脫氮途徑對系統(tǒng)脫氮的貢獻率還無法定量,但WFSI對高氨氮、低C/N比養(yǎng)豬廢水的生物脫氮機制是明確的,即以硝化反硝化和厭氧氨氧化為主要途徑.

3 結論

采用在土壤中布設木條形成木質框架的方法構建了木質框架土壤滲濾系統(tǒng).在表面水力負荷0.2m3/(m2·d)、(25±1)℃條件下,處理高氨氮、低C/N比養(yǎng)豬廢水可獲得61.7%的COD去除率和85%的NH4+-N去除率,同時也表現(xiàn)出一定的脫氮效能,TN去除率可穩(wěn)定在36.3%左右.分析表明,系統(tǒng)的脫氮機制主要是硝化反硝化和厭氧氨氧化,其中以厭氧氨氧化的貢獻率最大.

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Efficiency and denitrification mechanism in a wood-chip-framework soil infiltrator treating piggery wastewater with low C/N ratio.

DENG Kai-wen, LI Jian-zheng*, ZHAO Bo-wei (State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China).China Environmental Science, 2016,36(1)：87～91

Abstract：In order to treat piggery wastewater with high ammonium density and low C/N ratio, a wood-chip-framework soil infiltrator (WFSI) was constructed and its performance in COD, NH4+-N and TN removal was investigated, while the mechanism for denitrification was analyzed.The infiltrator was started up at a hydraulic surface loading rate of 0.2 m3/m2·d and temperature (25±1)℃, and could get steady in performance within 30 days.The results showed that COD, NH4+-N and TN removal in the infiltrator were about 61.7%, 85.0% and 36.3%, respectively, as against a feed concentration which ranged 160～359, 253～298 and 317～374 mg/L, respectively.Heterotrophic denitrification and ANAMMOX were identified as the denitrification approaches in the WFSI, and the contribution of ANAMMOX to the TN removal was more than 42.3%.The COD, NH4+-N and TN removal in the infiltrator were about 61.7%, 85.0% and 36.3%, respectively, as against a ranged feed concentration of 160～359, 253～298 and 317～374mg/L, respectively.

Key words：piggery wastewater；ammonium；low C/N ratio；soil infiltrator；denitrification

中圖分類號：X703.1

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)01-0087-05

收稿日期：2015-05-21

基金項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項項目(2013ZX07201007-002-03);黑龍江省應用技術研究與開發(fā)計劃項目(GC13C303)

作者簡介：鄧凱文(1990-),男,吉林省吉林市人,博士研究生,主要從事廢水生物處理與資源化研究.