進水配比對煤氣化廢水厭氧段處理效能影響

楊世東，廖路花

(東北電力大學建筑工程學院，吉林　132012)

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進水配比對煤氣化廢水厭氧段處理效能影響

楊世東，廖路花

(東北電力大學建筑工程學院，吉林132012)

在溫度35℃ pH值7.0左右，HRT為30 h的厭氧反應器中，研究了厭氧氨氧化與反硝化的耦合作用。進水氨氮為70～120 mg/L左右，COD為800～1200 mg/L左右條件下，將含亞硝酸鹽和硝酸鹽濃度人工配水按厭氧進水配比引入反應器中，氨氮、亞硝態(tài)氮進水濃度分別為75.43 mg/L、99.87 mg/L時，總氮負荷為233.82 mg/(L·d)，考察不同進水配比R(0～100%)對厭氧反應器的脫氮除碳效能影響。實驗結果表明，在進水配比為75%條件下，系統(tǒng)氨氮、亞硝態(tài)氮去除率達55.71%、63.65%，TN去除率最高達64.56%，COD去除率達80%左右。結果表明，適當?shù)倪M水配比，不僅可以達到稀釋厭氧進水的作用，還可以促使厭氧氨氧化與反硝化的協(xié)同脫氮除碳效果。

煤氣化廢水; 厭氧氨氧化; 反硝化; 進水配比; 脫氮除碳

1　引　言

厭氧氨氧化工藝是一種極具發(fā)展前景的生物脫氮技術[1,2]。與傳統(tǒng)的生物脫氮技術相比，具有需氧量低，運轉費用低，不需外加碳源，污泥產(chǎn)量少等優(yōu)點[3,4]。該工藝是在厭氧或缺氧的條件下，以亞硝酸鹽為電子受體，由自養(yǎng)菌直接將氨氮轉化為氮氣的生物過程[5]。由于厭氧氨氧化菌為自養(yǎng)菌，在高濃度有機碳源條件下，厭氧氨氧化菌活性會受到抑制，嚴重影響脫氮效果[6]。煤氣化廢水[7-9]是一種典型的高氨高酚難降解的有機廢水，在厭氧條件下實現(xiàn)理想的厭氧氨氧化效果比較困難。故研究在厭氧除碳的同時，實現(xiàn)厭氧氨氧化與反硝化的耦合，同步脫氮除碳極具工程意義。有研究表明少量有機物存在條件下，對厭氧氨氧化活性影響不大，而大量有機物(如葡萄糖)的加入[11]，在明顯抑制其厭氧氨氧化活性的同時，污泥會表現(xiàn)出較高的反硝化活性。研究表明在苯酚存在的條件下厭氧氨氧化與反硝化的耦合也是可行的[12]。雖然兩者存在基質亞硝酸鹽的競爭，但是反硝化菌的存在，可解除有機物對厭氧氨氧化菌的抑制作用。并且反硝化菌是在缺氧條件下生存，可消耗由進水引入的少許O2，為厭氧氨氧化菌解除O2對其影響。同時反硝化產(chǎn)生的CO2可為厭氧氧化菌提供無機碳源。而厭氧氨氧化反應生成的硝酸鹽可為反硝化反應提供基質。所以，兩者可在競爭中協(xié)同實現(xiàn)同步脫氮除碳目的。

在高濃度有機碳源基質條件下，研究厭氧氨氧化與反硝化耦合脫氮除碳性能的報導還很少。而煤氣化廢水是一種典型的高氨含酚廢水，鑒于此，本文通過模擬煤氣化廢水，研究厭氧氨氧化耦合異氧反硝化在厭氧反應器中的處理效能。由于原水中含有高濃度的氨氮且COD濃度較高，亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮含量甚微，故在厭氧段擬引入亞硝酸鹽氮來實現(xiàn)氨氧化并引入硝酸鹽氮考察厭氧反硝化可能性，同時加入硝態(tài)氮可避免低的氧化還原電位，有利于產(chǎn)甲烷菌的生長，即將含亞硝酸鹽和硝酸鹽濃度的人工配水按厭氧進水配比R引入?yún)捬醴磻?，以此研究厭氧段的脫氮除碳效果?/p>

2　試　驗

2.1試驗裝置

厭氧反應器有效容積為2.5 L，高40 cm，直徑10 cm。采用蠕動泵控制流量。反應器避光置于恒溫水浴箱內，溫度維持在35℃左右，HRT為30 h，進水pH值用NaOH和HCl調節(jié)控制在7.0左右。

2.2模擬廢水組成

試驗采用人工配水，厭氧反應器進水組成：葡萄糖230～250 mg/L，揮發(fā)酚150～250 mg/L，氨氮100～200 mg/L，硫氰酸鹽20～50 mg/L，硫化物20～50 mg/L，吡啶類化合物20～40 mg/L，呋喃類化合物20～40 mg/L，吲哚類化合物20～30 mg/L，苯類化合物100～150 mg/L;KH2PO427 mg/L，CaCl2·2H2O 180 mg/L，MgSO4·7H2O 300 mg/L，NaHCO30.5 g/L，微量元素濃縮液Ⅰ和微量元素濃縮液Ⅱ各1 mg/L[10]。

2.3分析項目與方法

2.4試驗方法

在試驗之前，厭氧反應器運行已長達半年，通過設計正交實驗確定了最佳運行條件，HRT為30 h，溫度35℃，pH值為7.0左右。在此條件下，揮發(fā)酚、總酚、COD進水濃度分別為200～240 mg/L，390～420 mg/L，1400～1600 mg/L條件下，其去除率分別達48.35%、51.37%和51.63%。在最佳的厭氧運行環(huán)境下，為減輕高濃度有機物對厭氧氨氧化反應的抑制作用，將含有亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮的人工無機配水引入?yún)捬醴磻?，達到稀釋厭氧進水的同時，為其提供亞硝酸鹽基質，實現(xiàn)厭氧氨氧化、反硝化和異養(yǎng)厭氧菌的耦合，進而實現(xiàn)有機物與氮的同步去除。

進水稀釋配比R即含亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮的人工配水和進入?yún)捬醵蔚倪M水流量比。人工配水中的亞硝酸鹽和硝酸鹽分別由亞硝酸鈉和硝酸鈉提供，然后采用用自來水溶解稀釋而成，通過蠕動泵泵入?yún)捬醴磻鞯撞俊?/p>

3　結果與討論

3.1不同進水配比R對氮去除效果

圖1　進出水含量變化曲線Fig.1　Content change curve of influent and effluent

圖2　進水配比對-N去除影響Fig.2　Influent ratio on -N removal

圖3　進水配比對-N去除影響Fig.3　Influent ratio on -N removal

從圖4看出，硝態(tài)氮在進水濃度為30 mg/L左右時，進水配比為50%時，平均去除率最高，達98.97%。在進水配比為25%和進水配比為100%條件下，兩者去除率相當，去除率在80%以上。與亞硝態(tài)氮規(guī)律相反的是，硝態(tài)氮在進水配比為75%時，其去除率是最低的，平均去除率為77.52%。而總氮在進水配比為75%時，其去除規(guī)律與亞硝態(tài)氮一致，去除率在此時達到最大值64.56%，在進水配比為100%時，去除率最低，平均去除率僅為48.76%。

圖4　進水配比對-N去除影響Fig.4　Influent ratio on -N removal

圖5　進水配比對TN去除影響Fig.5　Influent ratio on TN removal

3.2不同進水配比R對氮去除效果分析

圖6　進水配比去除量影響Fig.6　Influent ratio on removal amount of

表1　厭氧氨氧化與反硝化對氮去除計算結果

3.3不同進水配比R有機物去除效果

圖7　進出水酚、COD含量變化曲線Fig.7　Content change curve of influent and effluent phenol,COD

圖7中1～11 d、12～19 d、20～29 d、30～40 d的進水配比R分別為25%、50%、75%、100%。進出水揮發(fā)酚、總酚、COD含量及變化趨勢見圖7。從圖7可看出，揮發(fā)酚和總酚從進水配比為25%增加到50%時，即經(jīng)稀釋之后，在25%時揮發(fā)酚的去除量為90 mg/L左右，在50%時其去除量為71 mg/L左右，去除效果沒有什么提高，COD的去除量相對也減少了80 mg/L左右。這有可能是引入硝酸鹽亞硝酸鹽溶液初期，由于進水的ORP 發(fā)生了變化，對厭氧反應器中的厭氧菌產(chǎn)生了影響。高的ORP導致嚴格厭氧菌活性的降低，從而使酚類的降解率變小了。在當進水配比從50%增加到75%時，去除效果增加較顯著，COD去除量較進水配比為25%的增加了30 mg/L左右200，較進水配比為50%的COD去除量增加了200 mg/L左右。這是由于經(jīng)過前期約20 d的硝酸鹽和亞硝酸鹽的引入，部分厭氧菌被馴化適應了原水的條件?；蛘呤歉m應環(huán)境條件的種群發(fā)展起來，從而適應了新的水質。這樣去除率又得到了回復。繼續(xù)增加進水配比，去除效果卻不是很明顯，出水揮發(fā)酚濃度還是維持在20 mg/L，總酚濃度的去除量也沒有明顯增加，COD的去除量反而減少了。稀釋配比的增加，一方面使原水的ORP進一步提高，另一方ORP對厭氧菌的影響卻進一步增大。二者的綜合作用使得COD降解率的提高緩慢。

圖8　進水配比對揮發(fā)酚去除影響Fig.8　Influent ratio on volatiel phenol removal

圖9　進水配比對總酚去除影響Fig.9　Influent ratio on total phenol removal

從圖8、9可看出，揮發(fā)酚與總酚隨進水配比的增加，兩者的去除規(guī)律是大致相同的。有機物去除效果最好的區(qū)間都是在75%～100%，去除率基本維持在80%左右。且在進水配比為75%時，COD的去除量是最大的，高達721.29 mg/L。

圖10　進水配比對COD去除影響Fig.10　Influent ratio on COD removal

圖11　進水配比對各污染物去除影響Fig.11　Influence of influent ratio on the removal of pollutants

表2　反硝化COD去除結果

從表2可知，隨著進水配比的增加，反硝化作用呈下降趨勢。這是因為反硝化菌是異養(yǎng)菌，以有機物為碳源進行生長繁殖。隨著進水配比的增加，有機物濃度是逐漸降低的，導致反硝化菌在厭氧段的活力下降。雖然反硝化對COD的去除量減少了，但從圖11看出，酚類化合物和COD的去除率基本上與進水配比呈正相關。說明在厭氧反應器中，除了存在異養(yǎng)反硝化菌和厭氧氨氧化菌之外，還有其他的異養(yǎng)厭氧菌。這跟戚緒亮[13]研究EGSB反應器的結果及祖波等[14]對厭氧反應器中實現(xiàn)耦合研究結果類似。并且異養(yǎng)厭氧菌活性隨進水配比的增加而增加。從進水揮發(fā)酚濃度和反硝化去除的COD量可推知，反硝化菌主要以酚類化合物為有機底物進行反應的，所以本試驗厭氧段反硝化菌主要為苯酚反硝化菌。大多數(shù)情況下，酚類化合物的存在會抑制厭氧氨氧化菌的活性，但是該抑制可以通過培馴解除，且可實現(xiàn)厭氧氨氧化菌對苯酚表現(xiàn)出較強的抵抗力[15]。從表3可知，進水配比在25%、50%、75%、100%情況下，COD的去除量分別為698.22 mg/L、461.82 mg/L、721.292 mg/L、639.242 mg/L，所以反硝化在對應各配比下的COD去除貢獻率分別20%、28.52%、15.48%、4.94%。

3.4不同進水配比R對厭氧段整體效果分析

從圖2～5、圖7～10可看出，除了總氮與亞硝態(tài)氮從配比75%增加到100%時，其去除率是下降的之外，其他各測定指標去除率基本與進水配比呈正相關，且當配比從75%增加到100%時，去除率提高不明顯，增長特別緩慢，斜率趨近于零。所以進水配比選擇在75%是較合適的。進水配比為75%時，C/N比為4.21，COD和氨氮的去除量在4個配比中時最大的。這說明在較低的C/N下，有利于COD和氨氮的去除，即有利于厭氧氨氧化與反硝化的耦合此結果與冉春秋等[16]研究結論相同。所以總氮的去除是厭氧氨氧化與反硝化耦合作用的結果。

4　結　論

(1)采用模擬煤氣化廢水，在溫度35℃、進水pH值在7.0左右、HRT為30 h，COD濃度為800～1200 mg/L厭氧條件下，可實現(xiàn)厭氧氨氧化、異養(yǎng)反硝化和異養(yǎng)厭氧菌的耦合。TN去除為異養(yǎng)反硝化與厭氧氨氧化共同作用下的結果，COD的去除為異養(yǎng)反硝化和異養(yǎng)厭氧菌協(xié)同與競爭作用下的結果;

(2)在厭氧氨氧化、異養(yǎng)反硝化和異養(yǎng)厭氧菌耦合的厭氧系統(tǒng)中，三者存在協(xié)同與競爭關系。進水配比的不同可以改變三者之間的協(xié)同與競爭效果。進水配比為75%條件下，異養(yǎng)反硝化和厭氧氨氧化耦合效果最好，TN去除率達64.56%，異養(yǎng)反硝化菌與異養(yǎng)厭氧菌的耦合作用也較好，COD去除率為80.1%，僅比100%的進水配比COD去除率低1.38%;

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Effect of Influent Ratio on Anaerobic Treatment of Coal Gasification Wastewater

YANG Shi-dong，LIAO Lu-hua

(School of Civil Engineering and Architecture Northeast Dianli University,Jilin 132012,China)

The synactic effect of anammox coupling with heterotrophic denitrification process was investigated in an anaerobic reactor with an influent at the temperature of 35℃，pH of 7.0，hydraulic detention time (HRT) of 30 h. The nitrate and nitrite solution with different ratio (R=0-100%) to raw waste water was introduced into the influent with ammonia of 70-120 mg/L，COD concentration of 800-1200 mg/L before entering the anaerobic reactor to investigate the removal of nitrogen and organics. The experimental results show that in the influent ratio is 75%，the removal of ammonia，nitrite，total nitrogen (TN) and COD can reach 55.71%，63.65%，64.56% and 80%，respectively，under the condition of ammonia nitrogen，nitrite nitrogen influent concentration of 75.43 mg/L 99.87 mg/La TN load of 233.82 mg/(L·d). The results show that the optimum dilution can not only dilute the raw waste water but also achieve co-effect of anammox and anaerobic denitrification by dosing appropriate nitrate and nitrate.

coal gasification wastewater;anaerobic ammonium oxidation;denitrification；influent ratio;removal of carbon and nitrogen

吉林省科技廳自然科學基金項目(2015010190JC)；吉林省科技發(fā)展計劃項目(20130206006SF)

楊世東(1978-)，男，博士，碩導.主要從事污水生物處理方面的研究.

廖路花，碩士研究生.

X703

A

1001-1625(2016)02-0392-07