有机碳源对一体化厌氧氨氧化反应器脱氮性能的影响摘要：试验通过在进水中投加有机碳源(白糖)，研究有机碳源对一体化厌氧氨氧化反应器脱氮性能的影响。试验结果表明：进水COD浓度对一体化厌氧氨氧化反应器脱氮性能产生明显的影响。当进水中COD浓度约为50mg/L时，即可导致系统总氮去除率大幅度下降，出水总氮去除率由不添加COD的87.8%降至76%，氨氮去除率由不添加COD的98.8%降至85%;当进水COD浓度上升至约100mg/L时，出水总氮的去除率由不添加COD的87.8%降至69%，氨氮去除率由不添加COD的98.8%降至77%;当进水COD浓度约为100mg/L时，并将调节槽曝气量由原来的0.4L/min增至0.6L/min，系统出水水质明显得到优化，总氮去除率恢复到未投加COD时的水平。有效地控制一体化厌氧氨氧化反应器内有机碳源的量，能明显地提高系统的脱氮效果。关键词：有机碳源;一体化;厌氧氨氧化;脱氮性能以Planctomycetes、CandidatusBrodacia、Ca.Kuenenia、Ca.Anammoxoglobus和Ca.Jettenia为代表的一类细菌能够在缺氧环境中以氨氮及亚硝态氮为底物，并将其转化为氮气。基于厌氧氨氧化细菌所开发的厌氧氨氧化工艺包括二段式厌氧氨氧化工艺和一体化厌氧氨氧化工艺，由于实际污水中不可避免地存在着有机碳源，故而有机碳源对厌氧氨氧化工艺的影响研究具有重要意义。现有研究表明，有机碳源对二段式厌氧氨氧化反应器具有一定的影响[4]，过高浓度有机碳源的存在将严重抑制厌氧氨氧化菌的活性及厌氧氨氧化过程的进行，从而降低了厌氧氨氧化工艺的脱氮性能[511]。而有机碳源对一体化厌氧氨氧化工艺影响的研究甚少，因此研究有机碳源对一体化厌氧氨氧化工艺的影响具有非常重要的意义。本试验通过采用一体化厌氧氨氧化反应器，研究不同有机碳源浓度下对其脱氮性能的影响及其机理，从而为实际工程应用提供参考。1材料与方法1.1试验装置本试验装置采用上流式厌氧氨氧化反应器(见图1)，主体结构由有机玻璃制作而成，其主要包括主反应器、调节槽、温控系统和气体收集系统等。图1一体化厌氧氨氧化反应器示意图1.配水桶;2.调节槽;3.反应器主体;4.外循环水控制系统;5.集气装置;6.pH传送器;7.鼓风机;8.折流板;9.微孔曝气头;10.pH传感器;11.搅拌机;12.酸液桶;13.外层保湿夹层;14.取样口;15.转子流量计;16.溢流管;17.出水管;P1.进水泵;P2.循环泵;P3.酸液投加泵其中，主反应器尺寸为9cm×9cm×74cm(长×宽×高)，有效容积为5.5L;调节槽内径犚=12.5cm、高犎=20cm。主反应器侧面设置4个取样口，主反应器内设置污泥折流板，防止污泥随着上升水流或反应产生的气体排出反应器，同时起到泥水分离的作用;主反应器外层设置保温夹层，由温控系统为反应器持续提供保温循环水，循环水从反应器底部进入夹层，再从反应器顶部返回温控系统。反应器运行时，进水泵将配水桶废水打入调节池中，调节池内设置pH在线传感器、搅拌机，系统出水于顶部出水口溢流而出。1.2接种污泥及试验用水本试验接种污泥中，短程硝化污泥为好氧活性污泥经驯化而来[12]，活性污泥取自桂林理工大学雁山校区污水处理膜反应池(CMBR)活性污泥[13];厌氧氨氧化污泥取自实验室已培养的厌氧氨氧化污泥[1415]。试验采用人工模拟废水，其组分如下：(NH4)2SO4、KH2PO4、NaHCO3按照所需配水的浓度投加，CaCl2˙2H2O为0.113g/L、MgSO4˙7H2O为0.1g/L、微量元素Ⅰ为0.5mL/L、微量元素Ⅱ为1mL/L，营养元素Ⅰ和营养元素Ⅱ主要组成及浓度参照Zhang等[1617]的文献投加。1.3反应器启动一体化厌氧氨氧化反应器中的污泥由已完成驯化的短程硝化污泥及厌氧氨氧化污泥进行混合而成。试验采用0.4mol/L硫酸、0.5mol/L碳酸氢钠/碳酸钠调节反应器内pH值在7.5～7.6范围，试验进水的总氮负荷设定为0.3gN/(L˙d)左右，保温循环水控制系统内水温大约为32℃±1℃，调节曝气量为0.4L/min。本试验采用在人工配水中投加白糖的方式增加废水的COD浓度，为了确保试验结果的准确性，至少收集反应器稳定运行15d以上的数据。本试验共分为三个阶段，进水水质情况见表1。完成上述三阶段试验后，进行二批次验证试验。每个验证试验分别运行72h，每隔8h取样测定反应器出水水质状况。验证试验一：进水的化学需氧量(COD)浓度设为100mg/L，在进水中补充亚硝态氮50mg/L，观察增加亚硝态氮后，反应器出水各项氮素指标的变化情况，以验证存在COD时，反硝化反应对一体化厌氧氨氧化反应器的影响。验证试验二：此试验继验证试验一进行，进水的COD浓度设为100mg/L，同时将调节槽曝气量增至0.6L/min，观察反应器出水各项氮素指标的变化情况，以验证存在COD时，异养菌在此过程中对一体化厌氧氨氧化反应器的影响。1.4分析指标及方法pH值采用型号为JENCO6010便携式pH仪进行测定;溶解氧(DO)采用型号为HQ30D便携式溶解氧分析仪进行测定;COD、总氮(TN)、硝态氮、亚硝态氮和氨氮均采用国家标准方法进行测定。2结果与讨论2.1有机碳源对一体化厌氧氨氧化反应器脱氮性能的影响试验运行共计21d，3个试验阶段的反应器进出水水质变化情况见图2至图5。由图2可见，在第一阶段中，进水不添加COD，反应器运行条件与稳定运行时保持一致，进水的氨氮浓度约为255.7mg/L，出水的氨氮浓度约为3.0mg/L，氨氮的去除率高达98.8%;在第二阶段中，进水氨氮浓度约为258.1mg/L，进水投加COD约为50mg/L，投加COD后，出水氨氮浓度快速上升，并最终维持在34mg/L左右，氨氮的去除率降至85%左右;在第三阶段中，进水氨氮浓度约为254.9mg/L，将进水COD浓度提升至100mg/L，出水的氨氮浓度也迅速升高至58mg/L，氨氮的去除率仅为77%。由图3可见，试验过程中进水的亚硝态氮浓度维持在1.5～2.0mg/L，3个阶段出水的亚硝态氮浓度均在0～2mg/L之间波动，但总体维持在1.0mg/L左右，说明COD浓度的变化对出水的亚硝态氮浓度并没有造成太明显的影响。由图4可见，试验过程中出水的硝态氮浓度与进水的COD浓度存在明显的负相关性。在第一阶段中，进水的COD浓度为0mg/L，出水的硝态氮浓度约为28mg/L，ΔTN/ΔNO-3约为8.2，与理论值接近;在第二阶段中，进水COD浓度为50mg/L，出水硝态氮浓度约为25mg/L，ΔTN/ΔNO-3约为8.2，反应器运行情况与第一阶段较为接近;在第三阶段中，将进水的COD浓度提升至100mg/L时，出水硝态氮浓度则迅速降低至20.5mg/L，ΔTN/ΔNO-3上升至9.1。分析原因认为：硝态氮浓度的变化可能是由于反应器内本身处于相对厌氧的环境，增加COD浓度之后，增强了内源反硝化反应，促进了硝态氮的消耗。由图5可见，试验过程中随着进水COD浓度的增加，反应器出水的TN浓度逐渐升高，TN去除率呈下降趋势。在第一阶段中，进水TN浓度约为257.9mg/L左右，出水TN浓度约为32mg/L左右，TN去除率约为87.8%;在第二阶段中，进水TN浓度约为260.2mg/L，出水TN浓度上升至60mg/L，TN去除率降低至76%;在第三阶段中，进水TN浓度约为257.3mg/L，出水TN浓度则上升至80mg/L，TN去除率下降至69%。通过对比图2和图5可以看出：出水TN浓度的变化趋势与氨氮浓度的变化趋势基本一致，说明出水氨氮浓度的上升是出水TN浓度上升的主要原因。在进水COD浓度上升的情况下，出水氨氮、TN浓度也随之升高，可能的原因主要有：①反硝化消耗了系统内的亚硝态氮。由于反应器内处于一个相对缺氧的环境，COD浓度的增加使得反硝化作用增强，消耗了部分的亚硝酸盐与硝酸盐，导致厌氧氨氧化阶段可供利用的底物减少，最终导致氨氮的去除率进一步降低;②异养菌消耗了系统内的溶解氧。由于反应器中尚存部分异养菌，进水中增加的COD浓度给异养菌提供了养料，异养菌的作用消耗部分溶解氧，致使短程硝化过程受到抑制，氨氮转化率降低。2.2有机碳源对一体化厌氧氨氧化反应器脱氮性能影响的机理2.2.1验证试验一验证试验一是在上述3个阶段后进行，试验开始前，反应器出水水质情况见图5，验证试验一开始后反应器进出水水质变化情况见图6至图9。由图6可见，进水的氨氮浓度约为252.8mg/L，随着试验的进行，出水的氨氮浓度呈现出逐渐降低的趋势，从开始时的58mg/L逐渐降至34mg/L，氨氮的去除率从77%逐渐升至86%。由图7可见，进水的亚硝态浓度约为50.6mg/L，随着试验的进行，出水的亚硝态氮浓度则呈现逐渐上升的趋势，从开始时的0.9mg/L逐渐升至20mg/L左右。由此说明，在进水中补充亚硝态氮将有利于氨氮的进一步去除，进而确定反硝化过程是增加COD后氨氮去除率下降的原因之一，该过程消耗了系统内部的亚硝态氮，进而限制了厌氧氨氧化过程的进行。由图8可见，与第三阶段进水未添加亚硝酸盐的运行情况相比，验证试验一出水硝态氮浓度明显升高，从开始时的20mg/L升至27mg/L左右，接近第一阶段水平。由图9可见，总氮的去除情况相对稳定，由于进水中添加了亚硝态氮，进水总氮浓度升高到了304mg/L，出水的总氮浓度与未添加亚硝态氮之前差别不大，均在80mg/L左右，但出水总氮的去除率从原来的69%升至73%左右。2.2.2验证试验二验证试验二在验证试验一后继续运行，调节槽曝气量由原来的0.4L/min上升至0.6L/min，但进水中不再补充亚硝态氮。验证试验二反应器进出水水质变化情况见图10至图13。由图10可见，进水氨氮浓度约为253.6mg/L，随着试验的进行，出水氨氮浓度快速下降，反应器运行40h后，氨氮浓度降低至2.8mg/L，之后一直稳定在2mg/L，氨氮去除率从86%迅速升至98.9%。由图11可见，进水的亚硝态氮浓度约为1.7mg/L，增加曝气量后，出水的亚硝态氮浓度迅速降低，由原来的20mg/L迅速降至3.8mg/L，并趋于稳定。由图12可见，进水的硝态氮浓度约为0.8mg/L，增加曝气量后，出水的硝态氮浓度变化幅度不大，基本稳定在28mg/L，ΔTN/ΔNO-3约为8.0，基本接近于理论值。由图13可见，进水的总氮浓度约256.1mg/L，增加曝气量后，出水的总氮浓度随着反应的进行迅速降低，并最终稳定在34mg/L，总氮去除率从73%迅速升至86.5%，反应器运行效果基本恢复到未添加COD时的水平。由此可见，进水添加COD促进传统反硝化以及异养菌消耗溶解氧，是一体化厌氧氨氧化反应器脱氮性能下降的原因，其中异养菌消耗溶解氧，进而造成反应器内溶解氧不足，抑制了短程硝化过程的进行，是反应器恶化的主要原因。在进水中补充亚硝态氮能够改善反应器的运行情况，但效果不佳，出水的氨氮浓度仍达到34mg/L左右，反应器总氮的去除率仅为73%。在调节槽中增加曝气量后，出水的氨氮浓度迅速下降至3mg/L，总氮去除率上升至86%，与未添加COD时的脱氮性能基本一致。综上所述，一体化厌氧氨氧化反应器对高浓度COD较为敏感。当进水COD浓度约为50mg/L时，即可导致系统总氮去除效果大幅度降低，当将进水COD浓度提高至100mg/L时，出水总氮去除率仅为69%。造成反应器出水总氮去除率下降的原因主要是：投加COD后，反应器内异养菌活性增强，部分异养菌降解COD而消耗溶解氧，导致亚硝化过程溶解氧缺失，抑制了亚硝化过程的进行，进而抑制了厌氧氨氧化过程的进行，从而造成出水氨氮浓度上升。此外，由于传统反硝化作用，部分亚硝态氮在此过程被转化，造成厌氧氨氧化阶段亚硝态氮的缺失，最终导致出水氨氮浓度升高。当进水COD浓度约为100mg/L时，同时增加调节槽曝气量至0.6L/min，系统出水水质可显著提升，总氮去除率恢复至未投加COD时的水平。3结论(1)一体化厌氧氨氧化反应器对COD浓度较为敏感。进水中不添加COD时，反应器运行效果良好，系统氨氮去除率高达98.8%，TN去除率达87.8%;当进水COD浓度为50mg/L时，即可导致系统TN去除效果大幅度降低;当进水COD浓度上升至100mg/L时，TN去除率仅为69%。(2)造成反应器TN去除率下降的原因主要是：进水中投加COD后，反应器内异养菌活性增强，部分异养菌为降解COD而消耗溶解氧，导致亚硝化过程溶解氧缺失，抑制了亚硝化过程的进行，进而抑制了厌氧氨氧化过程的进行，从而造成出水氨氮浓度上升。当进水COD浓度为100mg/L时，并增加调节槽曝气量至0.6L/min，反应器运行脱氮性能显著提高，TN去除率可达86%，与未添加COD时的脱氮性能基本一致。(3)在COD存在的情况下，传统反硝化过程也是一体化厌氧氨氧化反应器脱氮性能下降的一个原因。在反硝化过程中，一部分的亚硝态氮被转化，造成厌氧氨氧化过程亚硝态氮的缺失，厌氧氨氧化过程由于底物缺失而难以进行，进而导致出水氨氮浓度上升。《安全与环境工程》作者：谭发，王敦球，金樾，华文强，张文杰