分段進(jìn)水對生物轉(zhuǎn)盤厭氧氨氧化性能影響研究

孫 婷,王繼斌,呂永濤

（1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西西安，710055；2.西安市政設(shè)計研究院有限公司，陜西西安，710068）

分段進(jìn)水對生物轉(zhuǎn)盤厭氧氨氧化性能影響研究

孫 婷1,王繼斌2,呂永濤1

（1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西西安，710055；2.西安市政設(shè)計研究院有限公司，陜西西安，710068）

在厭氧生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器中研究了分段進(jìn)水對厭氧氨氧化系統(tǒng)脫氮性能的影響。當(dāng)采用單點(diǎn)進(jìn)水時，進(jìn)水亞硝酸鹽氮濃度升高至300mg/L時，出水氨氮和亞硝酸鹽氮的去除率同時降低到70%左右，表明了較高的亞硝酸鹽氮對厭氧氨氧化菌的抑制作用。當(dāng)采用分段進(jìn)水時，生物轉(zhuǎn)盤的面積去除負(fù)荷由11.5提高到17gN/(m2d)，系統(tǒng)脫氮能力提高了47.8%；對沿程盤片上生物膜厚度測定結(jié)果表明，生物量增加是系統(tǒng)脫氮能力提高的主要原因。

厭氧生物轉(zhuǎn)盤，厭氧氨氧化，分段進(jìn)水，脫氮能力

厭氧氨氧化是指由厭氧氨氧化菌以亞硝酸鹽為電子受體，直接將氨氧化為氮?dú)獾倪^程，是目前發(fā)現(xiàn)的最簡捷和最經(jīng)濟(jì)的生物脫氮途徑[1,2]。研究表明，較高的亞硝酸鹽氮濃度會抑制厭氧氨氧化菌的活性[3]。這意味著很難通過升高進(jìn)水濃度的方法提高系統(tǒng)的氮去除負(fù)荷，尤其對于連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)而言。

分段進(jìn)水是基于傳統(tǒng)前置反硝化發(fā)展起來的一種新工藝，具有池容較小、脫氮效率高、運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn)[4]。作者在厭氧生物轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)中啟動并研究了厭氧氨氧化的脫氮性能[5]。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的脫氮性能，采用了分段進(jìn)水的方式，并研究了系統(tǒng)的脫氮效果和生物量的變化特性。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

采用厭氧生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器，總?cè)莘e8.7L，有效容積6.2L，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速控制在1.3～1.5r·min-1，水力停留時間為1.0d，通過水浴夾套的方式將反應(yīng)器溫度控制在40～41℃。為了研究分段進(jìn)水對反應(yīng)器脫氮性能的影響，在距離反應(yīng)器前端1/3位置處設(shè)置第二個進(jìn)水口。

1.2 試驗用水

試驗用水為人工配水，主要成分有碳酸氫鈉、氯化銨、亞硝酸鈉以及微量元素等，進(jìn)水氨氮和亞硝酸鹽氮濃度按1︰1.2左右配制。

1.3 測定方法

氨氮（NH＋4-N）：納氏試劑光度法；亞硝酸鹽氮（NO＋2-N）：N-(1-萘基)-乙二胺光度法；硝酸鹽氮（NO13-N）：紫外分光光度法[6]。盤片上生物膜的厚度利用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 單點(diǎn)進(jìn)水厭氧氨氧化系統(tǒng)脫氮性能

本研究通過逐步升高進(jìn)水濃度的方式提高系統(tǒng)的脫氮能力 （如圖1所示）。當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度由180mg/L逐漸升高至260mg/L，相應(yīng)的進(jìn)水亞硝酸鹽氮濃度由220mg/L升高到290mg/L時，系統(tǒng)脫氮性能穩(wěn)定，氨氮和亞硝酸鹽氮去除率穩(wěn)定在90%以上。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步升高二者濃度時，出水濃度突然升高，二者去除率同時降低到70%左右。可能的原因是過高的亞硝酸鹽氮濃度對厭氧氨氧化菌產(chǎn)生抑制作用[7-10]。同時表明，通過升高進(jìn)水濃度的方式提高系統(tǒng)的脫氮能力是不可行的。

圖1 單點(diǎn)進(jìn)水時厭氧氨氧化系統(tǒng)脫氮性能

2.2 分段進(jìn)水厭氧氨氧化系統(tǒng)脫氮性能

自61d起，維持第一個進(jìn)水點(diǎn)進(jìn)水濃度不變的條件下，在反應(yīng)器距離前端1/3位置處增加一個進(jìn)水口，通過不斷提高第二個進(jìn)水口濃度（氨氮和亞硝酸鹽氮由70mg/L升高至300mg/L）和流量（由2.0L/d升高至3.5L/d）的方式研究對反應(yīng)器脫氮性能的影響（如圖2所示）。

圖2 分段進(jìn)水時厭氧氨氧化系統(tǒng)的脫氮性能

由圖2可見，通過不斷升高第二個進(jìn)水點(diǎn)進(jìn)水濃度和流量的辦法連續(xù)運(yùn)行70多天，TN去除率一直穩(wěn)定在90%以上，生物轉(zhuǎn)盤的面積去除負(fù)荷由11.5gN/(m2d)提高到17gN/(m2d)，相對應(yīng)的最大容積去除負(fù)荷達(dá)到0.88kgN/(m3d)。結(jié)果表明，通過分段進(jìn)水使系統(tǒng)的脫氮能力提高了47.8%。

2.3 分段進(jìn)水對沿程生物量影響特性

微生物是生化反應(yīng)的作用者，為了進(jìn)一步分析系統(tǒng)脫氮能力提高的原因，分別在分段進(jìn)水前（第58d）、后（第131d）對厭氧生物轉(zhuǎn)盤沿程盤片上生物膜的厚度進(jìn)行了測定，結(jié)果如圖3所示。

圖3 分段進(jìn)水前后沿程生物膜厚度的變化（a和b分別對應(yīng)分段進(jìn)水前后）

由圖3可見，分段進(jìn)水前，沿程盤片生物膜厚度逐漸減少，前3個盤片生物數(shù)量最多，幾乎充滿著整個盤片間距；5-8盤片生物膜數(shù)量較少；9-13盤片幾乎沒有生物膜。這與反應(yīng)器特點(diǎn)有關(guān)，隨著進(jìn)水的推進(jìn)，基質(zhì)濃度越來越低，因此生物量越來越少。分段進(jìn)水后，由于增加了進(jìn)水口提供了充足的基質(zhì)，明顯增加了第4-8盤片上的生物膜厚度，甚至接近反應(yīng)器末端的第9-11個盤片上也出現(xiàn)了生物膜。結(jié)果表明，生物量的增加是系統(tǒng)脫氮能力提高的主要原因。

3 結(jié)論

1）亞硝酸鹽氮對厭氧氨氧化菌有抑制作用，當(dāng)進(jìn)水亞硝酸鹽氮濃度高于300mg/L時，厭氧氨氧化生物轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)氮的去除率由90%以上降低至70%左右。

2）通過分段進(jìn)水的方式使生物轉(zhuǎn)盤的面積去除負(fù)荷由11.5gN/(m2d)提高到17gN/(m2d)，脫氮能力提高了47.8%；對沿程盤片上生物膜濃度測定結(jié)果表明，生物量增加是系統(tǒng)脫氮能力提高的主要原因。

[1]Jetten M.S.,Strous M.,van de Pas-Schoonen K.T.,et al.The anaerobic oxidation of ammonium[J].FEMS Microbiol.Rev., 1998,22,421–437.

[2]Figueroa M.,Vázquez-Padín J.R.,Mosquera-Corral A.,et al. Is the CANON reactor an alternative for nitrogen removal from pre-treated swine slurry?[J].Biochem.Eng.J.,2012,65∶23-39.

[3]ChoS.,Takahashi Y.,Fujii N.,et al.Nitrogen removal performance and microbial community analysis of an anaerobic upflow granular bed anammox reactor[J].Chemosphere,2010,（78）∶1129-1135

[4]李璐,溫東輝,張輝,等.分段進(jìn)水生物接觸氧化工藝處理河道污水的實驗研究[J].環(huán)境科學(xué),2008,29(8)∶2227-2234.

[5]Lv Y.,Wang L.,Wang X.,et al.Macroscale and microscale analysis of Anammoxin anaerobic rotating biological contactor [J].Journal of Environmental Sciences-China,2011,（23）∶1679-1683.

[6]國家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測分析方法(第4版)[M].北京∶中國環(huán)境科學(xué)出版社,2005.

[7]Takekawa M.,Park G.,Soda S.,et al.Simultaneous anammox and denitrification(SAD)process in sequencing batch reactors[J].Bioresour.Technol.,2014,174∶159-166.

[8]Kindaichi T.,Tsushima I.,Ogasa wara Y.,et al.In situ activity and spatial organization of anaerobic ammonium-oxidizing (anammox)bacteria in biofilms[J].Appl.Environ.Microb., 2007,73∶4931-4939.

[9]Rikmann E.,ZekkerI.,Tomingas M.,et al.Comparisonofsulfate -reducingandconventionalAnammoxupflowanaerobicsludge %blanket reactors[J].J.Biosci.Bioeng.,2014,（118）∶61-63.

[10]陽廣鳳,金仁村,余妤,等.厭氧氨氧化工藝的抑制現(xiàn)象[J].應(yīng)用與環(huán)境微生物學(xué)報,2012,18(3)：502-510.

X703.1