厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動和影響因素實(shí)驗研究

田海峰，周元祥

(1 蕪湖東旭光電科技有限公司，安徽 蕪湖 241000；2 合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230000)

在環(huán)境污染日益嚴(yán)重的形勢下，厭氧氨氧化依靠其特有的優(yōu)越性受到了世界各國的關(guān)注與研究，但是由于厭氧氨氧化菌生長緩慢，世代時間比較長，導(dǎo)致厭氧氨氧化反應(yīng)啟動時間很長，所以工程上還沒得到推廣。目前厭氧氨氧化技術(shù)在工程應(yīng)用較少[4-7]，實(shí)驗室主要研究厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動、影響因素和微生物特性等方面。

1 實(shí) 驗

1.1 實(shí)驗裝置

實(shí)驗采用自制的UASB反應(yīng)器，有效容積為3 L，裝置示意圖，見圖1。

圖1 實(shí)驗裝置Fig.1 Experiment device

1.2 實(shí)驗用水與接種污泥

實(shí)驗用水采用自配水，反應(yīng)器啟動階段的配水方法[8]是：KH2PO4，30 mg/L；MgSO4，300 mg/L；CaCl2，40 mg/L；NaCO3，500 mg/L；NH4Cl，267.5 mg/L；NaNO2，386.3 mg/L。微量元素Ⅰ：EDTA，5 mg/L；FeSO4，5 mg/L。微量元素Ⅱ：CuSO4·5H2O，0.25 mg/L；MnCl2·H2O，0.99 mg/L；NiCl2·6H2O，0.19 mg/L；CoCl·6H2O，0.24 mg/L；H3PO4，0.014 mg/L。微量元素投加量為：微量元素Ⅰ、Ⅱ各1 ml/L水。在影響因素實(shí)驗中，根據(jù)需要改變C6H12O6，NH4Cl，NaNO2的投加量。

接種污泥采用產(chǎn)甲烷顆粒污泥，VSS/SS(揮發(fā)性懸浮固體/懸浮固體)為0.64，接種量為1.2 L，污泥濃度為10.6 gVSS/L。

1.3 測試方法

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)器的啟動

2.1.1 反應(yīng)器啟動階段進(jìn)出水氨氮變化

圖2 反應(yīng)器啟動階段進(jìn)出水氨氮變化 change in start-up stage

由圖2可以看出：在開始培養(yǎng)時，氨氮變化不明顯，可能會有部分升高，是因為此時污泥中有殘留的有機(jī)物和反硝化細(xì)菌，而反硝化的吉布斯自由能[9](-472 kJ/mol)，比厭氧氨氧化的吉布斯自由能(-335 kJ/mol)低，即，反硝化更容易發(fā)生，所以污泥中的異養(yǎng)反硝化菌首先利用污泥中殘留的有機(jī)物進(jìn)行反硝化，在有機(jī)物耗盡后，異養(yǎng)反硝化菌以其他菌體及自身作為有機(jī)碳源進(jìn)行反硝化，導(dǎo)致部分菌體死亡，而死亡的菌體會釋放出氨氮，從而使得出水氨氮的含量高于進(jìn)水；在培養(yǎng)到55天左右，出水氨氮含量不會再增加，開始降低，說明此時，污泥中有機(jī)物已經(jīng)耗盡，反硝化細(xì)菌不再占優(yōu)勢；在第109天左右，氨氮開始有明顯下降。

2.1.2 反應(yīng)器啟動階段進(jìn)出水亞硝態(tài)氮變化

由圖3可以看出：在開始培養(yǎng)時，出水亞硝態(tài)氮明顯降低，是因為此時污泥中有殘留的有機(jī)物和反硝化細(xì)菌，所以污泥中的異養(yǎng)反硝化菌首先利用污泥中殘留的有機(jī)物進(jìn)行反硝化，亞硝態(tài)氮有明顯去除；在培養(yǎng)到55天左右，出水亞硝態(tài)氮與進(jìn)水相比基本不變，說明此時，污泥中有機(jī)物已經(jīng)耗盡；在第109天左右，亞硝態(tài)氮開始有明顯下降。

圖3 反應(yīng)器啟動階段亞硝態(tài)氮進(jìn)出水變化 change in start-up stage

2.1.3 反應(yīng)器啟動階段進(jìn)出水硝態(tài)氮變化

圖4 反應(yīng)器啟動階段進(jìn)出水硝態(tài)氮變化 change in start-up stage

由圖4可以看出：配水沒有投加硝態(tài)氮，所以進(jìn)水基本上不含硝態(tài)氮，在開始培養(yǎng)時，出水中也基本上沒有硝態(tài)氮；在55天左右，出水開始出現(xiàn)硝態(tài)氮，說明厭氧氨氧化過程已經(jīng)開始出現(xiàn)；在109天左右，出水硝態(tài)氮增加比較明顯。

根據(jù)Van de Graaf A A等[10]提出的厭氧氨氧化化學(xué)反應(yīng)模型和Strous M、Shimamura等[11-14]提出的厭氧氨氧化生化反應(yīng)模型，結(jié)合圖2、3、4中氨氮和亞硝態(tài)氮按比例同時減少與硝態(tài)氮的增加以及污泥由接種時的黑色變成紅褐色，說明反應(yīng)器運(yùn)行145天后，厭氧氨氧化反應(yīng)已經(jīng)很明顯，厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動成功。

2.2 厭氧氨氧化反應(yīng)影響因素研究

2.2.1 溫度對厭氧氨氧化反應(yīng)的影響

圖5 不同溫度下氨氮與亞硝態(tài)氮的去除效果Fig.5 Effect of temperature on anammox

反應(yīng)器采用常溫下啟動，為了便于研究溫度對厭氧氨氧化反應(yīng)的影響，采用恒溫循環(huán)水浴來控制反應(yīng)器內(nèi)溫度。

2.2.2 有機(jī)物對厭氧氨氧化反應(yīng)的影響

采用葡萄糖作為有機(jī)物進(jìn)行配水，來研究有機(jī)物對厭氧氨氧化反應(yīng)的影響。

圖6 不同COD下和的去除效果Fig.6 Effect of COD on anammox

2.2.3 基質(zhì)濃度對厭氧氨氧化反應(yīng)的影響

圖7 不同基質(zhì)濃度下和的去除效果Fig.7 Effect of on anammox

2.2.4 pH對厭氧氨氧化反應(yīng)的影響

用酸、堿調(diào)節(jié)進(jìn)水pH，研究pH對厭氧氨氧化反應(yīng)的影響。

圖8 不同pH下和的去除效果Fig.8 Effect of pH on anammox

2.2.5 水力停留時間(HRT)對厭氧氨氧化反應(yīng)的影響

通過進(jìn)水蠕動泵來調(diào)節(jié)進(jìn)水流量和水力停留時間，研究不同HRT對厭氧氨氧化反應(yīng)的影響。

圖9 不同HRT下和的去除效果Fig.9 Effect of HRT on anammox

3 結(jié) 論

(3)反應(yīng)器啟動成功后，出水pH在7.5～8.0左右，稍高于進(jìn)水。