基于匹配多因素和響應(yīng)面法的厭氧氨氧化脫氮除碳優(yōu)化

陳永志 袁忠玲 張民安 張明 秦彥榮 安芳嬌

(1.蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省污水處理行業(yè)技術(shù)中心，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省黃河水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

厭氧氨氧化(Anammox)工藝是在缺氧條件下，以亞硝酸鹽為電子受體將氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，同時(shí)伴隨著以亞硝酸鹽為電子供體固定CO2并產(chǎn)生硝酸鹽。與傳統(tǒng)生物脫氮處理工藝相比，該工藝具有脫氮效率高、污泥產(chǎn)率低及能耗低[1- 2]等優(yōu)點(diǎn)，已成為最有前景的生物脫氮工藝之一[3- 4]。在Anammox過程中氮素化學(xué)計(jì)量比為1：1.32：0.26[5]：

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1為厭氧序批式反應(yīng)器(ASBR)裝置示意圖，由圓柱形無色有機(jī)玻璃構(gòu)成(直徑φ=14 cm，高h(yuǎn)=45 cm，體積V=5 L)；側(cè)壁垂直方向設(shè)置取樣口，底部安裝排泥口，頂端開設(shè)排氣孔，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體經(jīng)水封瓶排出，反應(yīng)器外側(cè)用黑色塑料布包裹，以防止光線對(duì)Anammox菌活性產(chǎn)生影響；溫控儀控制恒溫條件，pH計(jì)監(jiān)控酸堿度。

1—ASBR反應(yīng)器；2—排水口；3—排泥口；4—攪拌器；5—水封瓶；6—緩沖瓶；7—pH、ORP檢測(cè)儀；8—溫控儀

1.2 試驗(yàn)用水水質(zhì)及檢測(cè)方法

以筆者所在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)部分硝化的生活污水為原水，添加定量NaNO2或CH3COONa作為厭氧氨氧化ASBR反應(yīng)器進(jìn)水，控制溫度為(24±0.5)℃、pH值為8.0～8.2，不同條件下的ASBR進(jìn)水水質(zhì)見表1、2和3。

表1 不同基質(zhì)比條件下的ASBR進(jìn)水水質(zhì)Table 1 Water quality of influent of ASBR under different ratios

1.3 接種污泥

種泥取自筆者所在實(shí)驗(yàn)室厭氧氨氧化反應(yīng)器中的活性污泥，具有良好的脫氮性能，其MLSS為3 150 mg/L，MLVSS為2 450 mg/L。

表2 不同HRT條件下的ASBR進(jìn)水水質(zhì)Table 2 Water quality of influent of ASBR under different HRT

表3 不同C/N比條件下的ASBR進(jìn)水水質(zhì)Table 3 Water quality of influent of ASBR under different

1.4 計(jì)算方法

(1)

D=1-A

(2)

1.5 響應(yīng)面法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)總氮去除率(TNR，Y)為響應(yīng)值，基質(zhì)比(A)、HRT(B)和C/N比(C)為3個(gè)試驗(yàn)因素，進(jìn)行三因素三水平的Box-Behnken中心組合試驗(yàn)。運(yùn)用Design-Eepert V 8.0.6軟件系統(tǒng)進(jìn)行響應(yīng)面分析，建立回歸模型，試驗(yàn)各因素水平及編碼見表4。

表4 實(shí)驗(yàn)影響因素和水平

2 結(jié)果與討論

2.1 基質(zhì)比對(duì)反應(yīng)器各主要指標(biāo)的影響

2.1.1 基質(zhì)比對(duì)氮素去除的影響

質(zhì)量濃度的變化

2.1.2 氮素的化學(xué)計(jì)量比

2.1.3 系統(tǒng)的脫氮除碳分析

2.1.4 典型周期內(nèi)氮素和COD的去除

2.2 HRT對(duì)反應(yīng)器各主要指標(biāo)的影響

2.2.1 HRT對(duì)氮素去除的影響

2.2.2 氮素的化學(xué)計(jì)量比

2.2.3 系統(tǒng)的脫氮除碳分析

質(zhì)量濃度的變化

2.3 C/N比對(duì)反應(yīng)器各主要指標(biāo)的影響

2.3.1 C/N比對(duì)氮素去除的影響

2.3.2 系統(tǒng)的脫氮除碳分析

圖4(c)為不同C/N比條件下Anammox及反硝化脫氮的貢獻(xiàn)率。當(dāng)C/N比分別為2～3、3～5、5～7和7～9時(shí)，Anammox的平均脫氮貢獻(xiàn)率分別為80.03%、78.84%、67.92%和48.57%，反硝化平均脫氮貢獻(xiàn)率分別為19.97%、21.16%、32.08%和51.43%。圖4(d)為典型周期內(nèi)不同C/N比下Anammox對(duì)脫氮貢獻(xiàn)率的變化特性。當(dāng)C/N比為2～3、3～5時(shí)，進(jìn)水中有機(jī)碳源濃度較低，系統(tǒng)內(nèi)Anammox占主導(dǎo)，反硝化菌活性較弱，隨C/N比增大，反硝化作用增加。C/N比為5～7時(shí)，Anammox貢獻(xiàn)率下降明顯，當(dāng)C/N比為7～9時(shí)，Anammox貢獻(xiàn)率逐漸削弱。這主要是因?yàn)椋寒?dāng)進(jìn)水中有機(jī)碳源過量時(shí)，將抑制Anammox菌的生長(zhǎng)與繁殖，其生長(zhǎng)率僅為0.066，是反硝化菌的1/5，在熱力學(xué)上Anammox反應(yīng)比反硝化反應(yīng)更難進(jìn)行[24]。

(a)氮素去除特征

2.4 多因素影響下的總氮去除特性

2.4.1 模型擬合及顯著性分析

響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)矩陣和結(jié)果Table 5 Experimental design matrix and results of response surface method

使用Design-Expert 軟件對(duì)表5中的TNR結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合分析，所建立的二次回歸模型為：Y=90.00-1.63A+1.75B+2.88C+0.75AB-0.50AC-0.25BC-2.25A2-4.00B2-6.25C2，對(duì)此模型進(jìn)行顯著性分析，結(jié)果見表6。

表6 回歸模型方差分析

此響應(yīng)模型用以下參數(shù)檢驗(yàn)[25]：R2=0.991 8>0.95，說明模型相關(guān)性很好；調(diào)整確定系數(shù)AdjR2為0.981 2，接近1，說明大部分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)變異性可用回歸模型解釋；AdjR2-PreR2=0.112 6<0.2(其中，PreR2為預(yù)測(cè)確定系數(shù))，說明基質(zhì)比、HRT和C/N比對(duì)TNR的影響顯著；偏差系數(shù)C.V.=8.1%<10%，信噪比為27.985，大于4.011，可見模型的準(zhǔn)確性和精密度很好，說明回歸模型可很好地預(yù)測(cè)響應(yīng)值，試驗(yàn)方法可靠。

對(duì)響應(yīng)模型進(jìn)行顯著性分析：較小的P值能表現(xiàn)相關(guān)系數(shù)的顯著性，P<0.05時(shí)認(rèn)為模型顯著，P<0.000 1時(shí)認(rèn)為模型極顯著[26]。TNR的P<0.000 1，表明模型極顯著，即模型在整個(gè)回歸區(qū)域內(nèi)擬合較好，回歸方程一次項(xiàng)A(基質(zhì)比)和B(HRT)對(duì)響應(yīng)值影響顯著，C(C/N比)對(duì)響應(yīng)值影響極顯著，根據(jù)各因素的P值可知影響TNR順序?yàn)椋篊/N比>HRT>基質(zhì)比。

2.4.2 響應(yīng)曲面分析及模型驗(yàn)證

對(duì)響應(yīng)模型進(jìn)行顯著性分析：通過軟件分析響應(yīng)面法的數(shù)據(jù)，對(duì)基質(zhì)比、HRT和C/N比3個(gè)顯著影響因素進(jìn)行兩兩作圖(3D曲面圖和等高線圖)，分析在一個(gè)因素等于中心值的條件下，另外兩個(gè)因素對(duì)TNR的交互影響作用，見圖5-7。

圖5 基質(zhì)比和HRT對(duì)TNR的交互影響作用Fig.5 Interaction effect of substrate ratio and HRT on TN removal rate

圖6 基質(zhì)比和C/N比對(duì)TNR的交互影響作用Fig.6 Interaction effect of substrate ratio and C/N ratio on TN removal rate

圖7 HRT和C/N比對(duì)TNR的交互影響作用

響應(yīng)曲面法的優(yōu)化結(jié)果表明，厭氧氨氧化脫氮除碳的最佳匹配參數(shù)為：C/N比為4.28，HRT為 33.48 h，基質(zhì)比為 1.46，并通過平行試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，得TNR為90.12%±0.1%；而TNR預(yù)測(cè)值為 90.71%，說明該模型可真實(shí)反映各因素對(duì)Anammox工藝脫氮的影響。

3 結(jié)論

(4)應(yīng)用響應(yīng)面法優(yōu)化模型，基質(zhì)比、HRT和C/N比均對(duì)ASBR系統(tǒng)脫氮除碳效能有顯著影響，其影響程度為：C/N比>HRT>基質(zhì)比。最佳匹配方案為：C/N比為4.28 、HRT為 33.48 h，基質(zhì)比為 1.46。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該模型可對(duì)系統(tǒng)的脫氮除碳效果進(jìn)行優(yōu)化和預(yù)測(cè)。