淺談不同填料在高氨氮廢水處理工藝中的應(yīng)用

李明雪 劉寶玉 張軼凡 李紅霞 孫曉瑩 伊澤

（1. 天津創(chuàng)業(yè)環(huán)保集團(tuán)股份有限公司，天津 300381；2. 天津凱英科技發(fā)展股份有限公司，天津 300384）

1 引言

隨著城市化水平的提高以及工業(yè)化進(jìn)程的加快，垃圾滲濾液、味精廢水、污泥消化液、焦化廢水等高氨氮廢水的產(chǎn)生量越來(lái)越大，造成水環(huán)境的污染，并給人們的生活帶來(lái)了極大影響，因此亟待采取高效經(jīng)濟(jì)的脫氮方法來(lái)處理高氨氮廢水。厭氧氨氧化（ANAMMOX）工藝是由厭氧氨氧化菌在厭氧條件下，以氨氮（NH4＋－N）作為電子供體、亞硝態(tài)氮（NO2－－N）作為電子受體，利用無(wú)機(jī)碳源將NH4＋－N 和NO2－－N轉(zhuǎn)化生成N2的過(guò)程［1］。與傳統(tǒng)的異養(yǎng)型生物脫氮過(guò)程相比，厭氧氨氧化工藝具有節(jié)約能耗、不需要外加碳源且污泥產(chǎn)量少等優(yōu)點(diǎn)，有望成為新一代高氨氮廢水主流處理技術(shù)的核心。

但是，ANAMMOX 菌為特殊的自養(yǎng)菌群體，生長(zhǎng)速率極慢，倍增時(shí)間長(zhǎng)達(dá)11 d 以上［2］（一般異養(yǎng)菌只需幾十分鐘到幾個(gè)小時(shí)），而且容易隨出水流失，ANAMMOX 菌難以富集培養(yǎng)，反應(yīng)器系統(tǒng)中ANAMMOX 菌的生物量存在嚴(yán)重不足。這個(gè)問(wèn)題可通過(guò)添加填料來(lái)較為有效地解決。填料為ANAMMOX菌提供了附著和繁衍的場(chǎng)所，有利于ANAMMOX 菌的生長(zhǎng)繁殖，減少菌體的流失，延長(zhǎng)ANAMMOX 菌在系統(tǒng)內(nèi)的停留時(shí)間，可以有效促使ANAMMOX 菌的富集，進(jìn)而加快ANAMMOX 反應(yīng)器的啟動(dòng)。填料的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、密度對(duì)ANAMMOX 菌的掛膜起著至關(guān)重要的作用，開(kāi)發(fā)新型填料將會(huì)成為研究的熱點(diǎn)。本文概括了ANAMMOX 工藝處理高氨氮廢水過(guò)程中不同類型填料的研究現(xiàn)狀，以期為ANAMMOX工藝的快速啟動(dòng)和廣泛應(yīng)用提供有價(jià)值的參考。

2 不同類型填料在ANAMMOX 工藝中處理高氨氮廢水的應(yīng)用

2.1 活性炭填料

活性炭是一種硬性填料，具有良好的吸附性能，微生物能夠在其表面及內(nèi)部孔道進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖，這有利于提高反應(yīng)器內(nèi)的生物量，同時(shí)能夠促進(jìn)污泥顆?；３酥?，活性炭對(duì)NO2－－N 等有害物質(zhì)具有屏蔽作用，有害物質(zhì)濃度沿孔道深度逐漸減少，微生物直接與高濃度有害物質(zhì)接觸的部分很小，因而有利于反應(yīng)過(guò)程的穩(wěn)定，且提高了在惡劣環(huán)境下ANAMMOX 菌的生存機(jī)會(huì)［3］。趙旭飛等［4］在上流式厭氧污泥床（UASB）反應(yīng)器中添加活性炭填料，考察了活性炭填料對(duì)ANAMMOX 過(guò)程的影響，結(jié)果表明，活性炭的添加在很大程度上促進(jìn)了反應(yīng)器的啟動(dòng)，80 d 成功完成啟動(dòng)，TN 去除率能夠穩(wěn)定在80%～95%，TN 去除負(fù)荷為0.44 kg/（m3·d），且還有很大的提升空間。此填料是一種較為理想的生物載體，不僅能夠迅速提高局部功能菌的生物量，還可避免不利環(huán)境的干擾，而聚氨酯海綿填料則容易阻礙營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和微生物代謝產(chǎn)物的傳質(zhì)。

2.2 聚乙烯填料

目前，常用于ANAMMOX 工藝中的聚乙烯填料多為呈蜂窩狀的扁圓柱體，其側(cè)邊沿不同徑向伸展許多尾翅，增加了填料的比表面積，且反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體可通過(guò)蜂窩狀結(jié)構(gòu)和填料之間的孔隙排出，有助于老化生物膜的脫落更新，促進(jìn)ANAMMOX 菌與底物之間的傳質(zhì)以及系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。孫慶花等［5］以某污水廠污泥消化液進(jìn)行連續(xù)進(jìn)水，并向穩(wěn)定運(yùn)行的CANON 反應(yīng)器內(nèi)投加亞硝化掛膜聚乙烯填料，構(gòu)建了CANON－MBBR 反應(yīng)器，研究表明，系統(tǒng)具有良好的脫氮效能，TN 去除負(fù)荷為1.15 kg/（m3·d），且系統(tǒng)內(nèi)生物量高達(dá)1.5 kg，避免了污泥的流失。王鈞等［6］利用厭氧序批式生物膜反應(yīng)器（ASBBR），以城市生活污水為配水基質(zhì)，并投加聚乙烯懸浮填料，進(jìn)行ANAMMOX 的啟動(dòng)及掛膜，考察了ASBBR 系統(tǒng)的脫氮效果，結(jié)果表明，ASBBR 在第93 天完成ANAMMOX 的啟動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行，且系統(tǒng)總無(wú)機(jī)氮平均去除率達(dá)到88.34%。聚乙烯填料可直接懸浮在水面以下，與其他填料相比，更容易呈流化態(tài)和進(jìn)行反沖洗，且運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便。

2.3 聚氨酯海綿填料

聚氨酯海綿填料比表面積大、密度低，對(duì)ANAMMOX 菌具有極強(qiáng)的截留能力，可顯著提高系統(tǒng)的脫氮效能和生物量。安雪迪等［7］利用聚氨酯填料復(fù)合顆粒污泥構(gòu)建了UASB 反應(yīng)器，并進(jìn)行長(zhǎng)期培養(yǎng)馴化及填料的掛膜，經(jīng)過(guò)120 d 的運(yùn)行，進(jìn)水NH4＋－N 的濃度從30 mg/L 提高至420 mg/L，容積氮去除負(fù)荷從0.08 kgN/（m3·d）提升至3.39 kgN/（m3·d），系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性和氮去除率。王淑雅等［8］采用改性聚氨酯填料進(jìn)行ANAMMOX 小試實(shí)驗(yàn)，研究表明，穩(wěn)定運(yùn)行120 d，總氮去除率在80%以上，相比于普通聚氨酯填料的掛膜，表面生物膜量增加了一倍，生物膜上物種豐富度更高，且聯(lián)氨氧化還原酶的功能基因的相對(duì)豐度明顯增高。相比于聚乙烯填料，這種填料對(duì)ANAMMOX 菌的滯留能力極強(qiáng)，且具有很強(qiáng)的抵抗沖擊能力，更有利于菌種的富集培養(yǎng)。

2.4 其他填料

火山巖、陶粒、沸石、無(wú)紡布等填料也被廣泛應(yīng)用于ANAMMOX 工藝中進(jìn)行微生物掛膜［9-11］。關(guān)于ANAMMOX 菌的填料研究眾多，且不同類型的填料都存在其各自的優(yōu)勢(shì)。為了進(jìn)一步強(qiáng)化ANAMMOX系統(tǒng)，除單一填料的研究外，混合填料也成為快速啟動(dòng)ANAMMOX 反應(yīng)器的一個(gè)重要研究方向。蘇慧等［12］自主研發(fā)了一種新型的電氣石陶粒＋聚氨酯的復(fù)合填料，并且將其投加到一體化的ANAMMOX 反應(yīng)器中進(jìn)行掛膜實(shí)驗(yàn)，研究表明，復(fù)合填料對(duì)反應(yīng)器的快速啟動(dòng)具有一定的促進(jìn)作用，且系統(tǒng)表現(xiàn)出較好的脫氮效果和穩(wěn)定性。譚錫誠(chéng)等［13］構(gòu)建了2 個(gè)裝載不同填料的UASB 反應(yīng)器，一個(gè)添加普通的K3 填料，另外一個(gè)添加載活性炭基K3 填料，對(duì)比研究了這2種ANAMMOX 系統(tǒng)的啟動(dòng)及脫氮性能，最終2個(gè)反應(yīng)器成功啟動(dòng)，最大氮容積負(fù)荷分別為2.156，2.122 g/（L·d），最大氮去除負(fù)荷分別達(dá)到1.855，1.815 g/（L·d），脫氮效果穩(wěn)定，但添加載活性炭基K3 填料的反應(yīng)器系統(tǒng)啟動(dòng)要明顯更快，且系統(tǒng)內(nèi)微生物的種群結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化。

3結(jié)語(yǔ)

由于ANAMMOX 反應(yīng)器中的填料疏水性較強(qiáng)且比表面積較大，能夠?qū)NAMMOX 菌固定化，從而有效減少了系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間，同時(shí)可以降低運(yùn)行成本，對(duì)提高ANAMMOX 工藝的脫氮性能具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，這為ANAMMOX 的工程應(yīng)用提供了依據(jù)。填料的類型和形式對(duì)ANAMMOX 菌的掛膜效果具有較大的影響，因此，新型填料的研發(fā)將成為今后的研究熱點(diǎn)之一，通過(guò)改性和優(yōu)選填料來(lái)進(jìn)一步加強(qiáng)ANAMMOX 系統(tǒng)性能。