厭氧氨氧化無紡濾布生物膜反應(yīng)器的運行

1、第3卷第6期 環(huán)境工程學(xué)報 V01.3,N。.6 1旦旦!堡壘旦 魚塾墮曼!旦&堅嬰璺!堂墾翌!i翌里璺旦翌墮!墾旦g!翌竺!i翌g !:!塑:厭氧氨氧化無紡濾布生物膜反應(yīng)器的運行王 勇 黃 勇 袁 怡 李 祥 曹貴華(蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,蘇州215011摘要氧氣是厭氧氨氧化蔭的抑制因素,通過無紡濾布生物膜系統(tǒng)內(nèi)部形成適合厭氧氨氧化菌的厭氧環(huán)境,運行62 d,實現(xiàn)0.617kg N/(md氮容積去除負荷,穩(wěn)定運行階段氨氮和啞硝氮的去除率分別為97.9%和98.7%;98mg N/L NO;-N經(jīng)24h接觸產(chǎn)生完全抑制,通過將進水亞硝氮濃度降至2040mg N/L,運行3l

2、d,成功恢復(fù)厭氧氨氧化活性,試驗 末期氮容積去除負荷為0.641kg N/(m3d。關(guān)鍵詞 厭氧氨氧化氮容積去除負荷無紡濾布生物膜反應(yīng)器NO;-N抑制中圖分類號X703.1文獻標(biāo)識碼A 文章編號1673-9108(200906.1015-04Performance of ANAMMoX bio.film reactor utilizingnOn-woven taDric CarrlersWang Yong Huang Yong Yuan Yi Li Xiang Cao Guihua(College of Environmental Science and Engineering,Suzhou

3、University of Science and Technology.SuzIlou 215011.ChmaAbstract ANAMMOX bacteria iS sensitive to oxygen which can completely inhibit its activity.Concentra tion of dissolved oxygen in wastewater along the width of biofilm decreases gradually,SO it is suitable for ANAM-MOX bacteria at the inner part

4、 of biofilm.By utilizing nonwoven fabric carriers as a fixed bed for ANAMMOXbacteria,it was successful to achieve 0.617kg N/(mdvolume loading of removal nitrogen after operation of 62days.During the steady running period,average removal rates of ammonia nitrogen and nitrite nitrogenreached 97.9%and

5、98.7%respectively.In addition.the ANAMMOX process was completely inhibited by ni-trite concentration of 98mg N/L after 24hours exposure,afterwards,by decreasing the influent nitrite concen-tration to 2040mg N/L,it took 31days to successfully restore ANAMMOX activity,finally reaching 0.641kg N/(m3dvo

6、lume loading of removal ni”ogen.Key words ANAMMOX;volume loading of removal nitrogen;bio-film reactor utilizing nonwoven fabric carriers;NO;一N inhibition厭氧氨氧化(ANAMMOX細菌在自然界氮循環(huán) 方面可以說是一個革命性的發(fā)現(xiàn)。厭氧氨氧化 是指在厭氧條件下,以亞硝酸鹽為電子受體,將氨氮 直接氧化成氮氣的生物脫氮過程,反應(yīng)方程式見式 (121。本研究采用無紡濾布作載體,以長期低負荷 (氮容積去除負荷0.0150.03kg N/(m3d運 行在厭

7、氧氨氧化狀態(tài)的ASBR(anaerobic sequencing batch reactor污泥為種泥,運行有效容積0.1L的 ASBR,以期實現(xiàn)厭氧氨氧化的穩(wěn)定運行及去除負荷基金項目:江蘇省自然科學(xué)基金資助項目(BK2002043;蘇州科技學(xué) 院青年教師基金項目(ZD964;江蘇省環(huán)境科學(xué)與工程重 點實驗室開放課題(ZD200102收稿日期:2008083I;修訂日期:2008一09221016環(huán)境工程學(xué)報 第3卷的提高。另外,確定亞硝酸鹽抑制濃度,探求產(chǎn)生抑 制后厭氧氨氧化活性恢復(fù)的操作方法。1材料與方法1.1試驗裝置與條件厭氧氨氧化ASBR反應(yīng)器裝置如圖1所示。圓 柱形反應(yīng)器有效容積0.

8、1L,加入無紡濾布做填料, 每次進水出水0.092L,排水周期根據(jù)反應(yīng)時間確 定,運行方式為整進整出。ASBR反應(yīng)器由恒溫振 蕩搖床加熱,溫度控制在(40±2,振蕩速度維持 在150r/rain。反應(yīng)器用黑色塑料布包裹,防止光照 對厭氧氨氧化菌的抑制作用。進水中的氧氣采用加 熱煮沸法去除,先將純凈水加熱煮沸,沸騰30rain, 然后密封在玻璃瓶中,冷卻后加入進水基質(zhì)。但是, 進水溶解氧沒有得到有效控制,DO濃度為1.5 1.7mg/L。恒溫振蕩器圖l 厭氧氨氧化ASBR反應(yīng)器小型試驗裝置Fig.1Small-scale experimental apparatusof ASBR wi

9、th ANAMMOX1.2接種污泥與模擬廢水厭氧氨氧化模擬廢水的成分為:KHCO,1000 mg/L,KH2P0450mg/L,MgS047H2082ms/L, CaCI,221mg/L,微量元素I、各1.25mL/L,以 NaNO:和(NH.:SO.分別提供電子受體和電子供 體,按需投加。微量元素I:EDTA 5000mg/L,FeSO。5000 mg/L。微量元素II:EDTA 15000mg/L,ZnS047H20 430mg/L,CoCl26H20240ms/L,MnCl2。4H20 990ms/L,CuS045H20250ms/L,NaM0042H20 220mg/L,NiCl26H

10、20190mg/L,NaSe04IOH20 210mg/L,H380414mg/L。 1.3分析測試項目和測試方法NH;-N:納氏試劑分光光度法;NO;-N:N一(1-奈 基-乙二胺分光光度法;NOr-N:紫外分光光度法; pH:玻璃電極法。2結(jié)果與討論2.1無紡濾布生物膜系統(tǒng)對厭氧氨氧化活性的提高 加入無紡濾布形成ANAMMOX生物膜,由于膜 表面亞硝化菌消耗溶解氧,溶解氧沿膜的厚度逐漸 降低,有利于構(gòu)造適合ANAMMOX菌生活的絕對厭 氧環(huán)境。試驗期間的氮容積去除負荷變化曲線、氨 氮,亞硝氮去除曲線如圖2所示。氮容積去除負荷的變化分為3個階段,分別對 應(yīng)厭氧氨氧化活性恢復(fù)的不同時期:試驗開

11、始到第 33d,遲滯階段;第3967d,活性提高;第6789 d,穩(wěn)定運行。遲滯階段:試驗開始到第27d,沒有加入無紡濾 布,厭氧氨氧化菌呈懸浮狀態(tài);第30一33d加入無 紡濾布。本階段NO;一N去除率較高,NH;-N去除 率波動較大,雖然第18d和第21d,進水NO;-N、 NHf.N全部去除,由于整個階段亞硝氮/氨氮消耗 比變化劇烈,仍不能看作是厭氧氨氧化反應(yīng)的穩(wěn)定 狀態(tài)。朱靜平等舊1對進水沒有進行除氧處理、穩(wěn)定 運行在厭氧氨氧化狀態(tài)的ASBR中的微生物進行檢 測,發(fā)現(xiàn)存在厭氧氨氧化菌、硝化菌、亞硝化菌和反 硝化菌,其中亞硝化菌、硝化菌、反硝化菌濃度分別 為6.5×103個/mL

12、、1.0×1010個/mL、2.5×106個/ mL。試驗期間筆者曾對本試驗污泥進行熒光原位 雜交檢測,也證實反應(yīng)器中有大量硝化菌存在。因 此,加入無紡濾布前,由于溶解氧對厭氧氨氧化菌的 抑制作用,厭氧氨氧化反應(yīng)不能成為優(yōu)勢代謝途徑, 相反,好氧硝化反應(yīng)以及內(nèi)源反硝化反應(yīng)可能占據(jù) 主導(dǎo)地位,導(dǎo)致亞硝氮的較高去除率。加入無紡濾 布形成生物膜后,膜內(nèi)層的溶解氧濃度趨近于0,適 合厭氧氨氧化菌的活性恢復(fù)和生長,厭氧氨氧化逐 步成為反應(yīng)器內(nèi)的主導(dǎo)反應(yīng)。提高階段,氨氮去除率逐步提高,與厭氧氨氧化 活性的恢復(fù)過程相對應(yīng),第39d氨氮去除率為 44.7%,第67d氨氮去除率達到90%,期

13、間亞硝氮 去除率接近100%,亞硝氮的去除可能經(jīng)過3個階 段:硝化反應(yīng)和內(nèi)源反硝化占主導(dǎo)地位一硝化反應(yīng)、 厭氧氨氧化共同主導(dǎo)一厭氧氨氧化占主導(dǎo)地位;氮 容積負荷在本階段結(jié)束時達到0.046kg N/(m d,氨氮容積去除負荷和亞硝氮容積負荷提高至 0.02kg N/(m3d,氨氮容積負荷的提高表明厭氧 氨氧化活性基本恢復(fù)。穩(wěn)定運行階段,氮容積去除負荷由0.048kg N/ (m3d提高到0.617kg N/(md。第8l一88第6期 王 勇等:厭氧氨氧化無紡濾布生物膜反應(yīng)器的運行 1017§f 魯 薹 量 糖 g 囂 袖穴 7旨 ￥Z 邑 柱 g 囂 袖.一 Z 曲 E 趟 能050

14、4030201一氰容積去除負荷15304560時間(d(a第3,73d氮容積去除負荷的變化+氮容稅去除負荷一氮氯喬積去除負荷+亞硝氰容積去除負荷5808590時間(d(b第7389d氦容積去除負荷的變化進水氨氮一進水亞硝氮一氨氮去除率一亞硝氬去除率 30.25宴20蘭15蓑o 5O時間fd(c對氮氮和亞硝氮的去除時間(d(d亞硝射氟氮消耗比及硝氯生成量的變化圖2加裝無紡濾布后厭氧氨氧化的運行情況 Fig.2Operation of ANAMMOX reactor after utilizing porous nonwoven fabric carrier8as a fixed bed for

15、anammox bacteriad,HRT=0.5d,氨氮、亞硝氮進水濃度分別為76.4 mg N/L、78mg N/L,期間氨氮平均去除率為 97.2%,亞硝氮平均去除率為98.4%;硝態(tài)氮平均 生成量為4.22mg N/L,根據(jù)Strous厭氧氨氧化理 論方程式計算的平均理論生成量為19.3mg N/L。 硝態(tài)氮生成量較低,氮容積去除負荷維持在0.27 0.30kg N/(m3d,至此可以認為厭氧氨氧化活性 完全恢復(fù),活性較高。從第88d開始維持進水濃度 不變,將HRT再縮短一半,HRT=0.25d,3個周期 平均氮容積去除負荷為0.588kg N/(md。 2.2亞硝氮對厭氧氨氧化的抑制

16、及活性恢復(fù)高濃度亞硝氮抑制厭氧氨氧化菌的活性,Strous等”。發(fā)現(xiàn)接觸濃度超過100mg N/L會產(chǎn)生完全抑 制,Strous等H。、胡寶蘭等¨1也發(fā)現(xiàn)連續(xù)運行反應(yīng)器 進水濃度大于280mg N/L同樣產(chǎn)生抑制。本試驗 98mg N/L接觸濃度產(chǎn)生抑制,反應(yīng)器氮容積去除 負荷迅速降低。試驗過程中氮容積去除負荷變化曲 線,氨氮、亞硝氮去除曲線如圖3所示。時問(d(a氮容積去除負荷的變化一氟氯去除率一亞硝氮去除率一進水氬氯一進水亞硝氯球哥篷稍3瓷EV倒髭時問(d(b對氨氦和亞硝氰的去除圖3亞硝氮產(chǎn)生抑制后厭氧氨氧化的運行情況 Fig.3Operation of ANAM MOX rea

17、ctorafter nitrite inhibition第90d,當(dāng)進水NO;-N濃度為98mg N/L時, 氮容積去除負荷由0.62kg N/(m3d降至0.033 kg N/(m3d,亞硝氮幾乎不被去除,反應(yīng)趨于停滯。第92d進水亞硝氮濃度降至6573mg N/L, 氮容積去除負荷僅為0.023kg N/(m3d,氨氮、 亞硝氮去除率分別為47.7%,一34.2%;亞硝氮出 水濃度高出進水濃度24.8mg N/L,可能是由于反 應(yīng)器內(nèi)部厭氧氨氧化菌活性受到抑制后,對氨氮的 競爭力弱于亞硝化菌,導(dǎo)致亞硝化菌將氨氮轉(zhuǎn)化為 亞硝氮,本周期消耗氨氮36.5mg N/L?？梢?厭氧 氨氧化活性正常時

18、適應(yīng)的亞硝氮濃度(6573mg N/L并不適應(yīng)產(chǎn)生抑制后的厭氧氨氧化反應(yīng)。9395d亞硝氮濃度2550mg N/L,95d氮容積去 除負荷恢復(fù)到0.2kg N/(md,但是長時間(>3 d接觸72mg N/L NO;.N仍舊抑制活性。101 111d,調(diào)整進水氨氮和亞硝氮濃度分別為36、48mg N/L,氮容積去除負荷穩(wěn)步提高;第11l d,HRT= 0.25d,氮容積去除負荷提至0.336kg N/(m3d, 至此可以初步判斷經(jīng)過10d較低濃度(NH;一N:36 mg N/L;NO;-N:48mg N/L運行厭氧氨氧化活性 完全恢復(fù)。第112d開始至試驗結(jié)束,進水亞硝氮/氨氮比值仍保持

19、1.32左右,亞硝氮濃度92105mg N/L,亞硝氮去除率72.3%一99.7%,平均去除率為1018環(huán)境工程學(xué)報 第3卷88.9%:試驗結(jié)束時氮容積去除負荷到達0.641kg N/(Ill3d,達到抑制前的負荷水平。此外,72mg N/L NO;.N不再抑制厭氧氨氧化活性,105nag N/L NO;.N也不產(chǎn)生抑制,可見,經(jīng)過初期抑制后厭氧 氨氧化菌可以適應(yīng)更高濃度的亞硝氮。崔培意話茸圖4產(chǎn)生抑制后亞硝氮/氨氮消耗比的變化Fig.4Variation in the ratio of NO;-N/NH4"一Nconversion after nitrite inhibition圖

20、5產(chǎn)生抑制后進出水硝態(tài)氮濃度的變化Fig.5NO;-N concentrations in influentand effluent after nitrite inhibitionANAMMOX反應(yīng)的一個重要特征是有部分 NO;.N轉(zhuǎn)化為NO;一N,提供無機碳合成生物有機碳 所需的電子舊3,剩余部分與NH4十-N發(fā)生反應(yīng)?；?性恢復(fù)的前期(第90106d,亞硝氮/氨氮消耗比 波動劇烈,活性恢復(fù)的后期(第107120d,亞硝 氮/氨氮消耗比較穩(wěn)定,進水氨氮和亞硝氮濃度分別 為36、48mg N/L時,亞硝氮/氨氮消耗比與進水亞 硝氮/氨氮基本吻合,比值為1.33;進水濃度提高后 (第112一1

21、20d,亞硝氮/氨氮消耗比平均值為 I.19。亞硝氮/氨氮消耗比穩(wěn)定在l左右可以作為 判斷厭氧氨氧化活性恢復(fù)的依據(jù)?；钚曰謴?fù)后硝態(tài)氮的生成量小于9mg N/L,進 水亞硝氮濃度6880nag N/L時,硝態(tài)氮生成量與 氨氮?肖耗量的比值遠低于Strous的理論比值0.26, 試驗后期反應(yīng)消耗部分進水中的硝態(tài)氮,導(dǎo)致硝態(tài) 氮出水濃度低于進水濃度。3結(jié) 論(1厭氧氨氧化菌對氧氣敏感,通過裝填無紡 濾布形成生物膜,膜外層亞硝化菌、硝化菌消耗進水 中的溶解氧,為膜內(nèi)層厭氧氨氧化菌解除氧氣的毒 性,有利于厭氧氨氧化活性的恢復(fù)與維持;此外,厭 氧氨氧化菌生長緩慢,無紡濾布生物膜系統(tǒng)可以截 留菌體,有助于厭

22、氧氨氧化菌的富集。進水溶解氧 濃度1.51.7mg/L,經(jīng)過62d培養(yǎng),成功實現(xiàn)厭氧 氨氧化活性的恢復(fù)和氮去除負荷的提高,試驗結(jié)束 時氮容積去除負荷高達0.617kg N/(md,遠高 于接種污泥原反應(yīng)器的運行負荷0.0150.03kg N/(m3d,穩(wěn)定階段硝態(tài)氮生成量低。(2亞硝氮是厭氧氨氧化的反應(yīng)基質(zhì),但是超 過一定濃度會抑制厭氧氨氧化菌的活性。試驗期間 98mg N/L NO;-N經(jīng)24h接觸后產(chǎn)生完全抑制,氮 容積去除負荷由0.617kg N/(m3d降至0.033 kg N/(m3d,活性恢復(fù)階段建議采取低NO;-N 濃度(2040mg N/L恢復(fù)方案?；謴?fù)前期72.4 nag N

23、/L NO;.N也產(chǎn)生活性抑制,恢復(fù)后期厭氧氨 氧化菌可以適應(yīng)超過前期抑制濃度的亞硝氮,經(jīng)過 3l d,氮容積去除負荷恢復(fù)至0.641kg N/(md, 達到抑制前的反應(yīng)活性。參考文獻1郝曉地,等.厭氧氨氧化技術(shù)工程化的全球現(xiàn)狀及展 望.中國給水排水,2007,23(18:15一193金仁村,胡寶蘭,鄭平,等.厭氧氨氧化反應(yīng)器性能的穩(wěn) 定性及其判據(jù).化工學(xué)報,2006,57(5:11661170 4Strous M.,Van Gerven E.,Kuenen J.G.,et a1.Effects of aerobic and mieroaerobic conditions Oil anaero

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25、mieroorgan-isms.Applied and Environmental Mierobiology,1998,50: 5895968胡宅蘭,陳旭良,鄭平.兩種Anammox反應(yīng)器性能的對 比研究.環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2005,25(4:545551 厭氧氨氧化無紡濾布生物膜反應(yīng)器的運行作者:王勇 , 黃勇 , 袁怡 , 李祥 , 曹貴華 , Wang Yong, Huang Yong, Yuan Yi, Li Xiang, Cao Guihua作者單位:蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,蘇州,215011刊名:環(huán)境工程學(xué)報 英文刊名:CHINESE JOURNAL OF ENVIRONMEN

26、TAL ENGINEERING年,卷(期:2009,3(6引用次數(shù):0次參考文獻(8條1. 郝曉地 厭氧氨氧化技術(shù)工程化的全球現(xiàn)狀及展望 期刊論文-中國給水排水 2007(182. Jetten M S M. Strous M. Katinka T P The anaerobic oxidation of ammonium 19993. 金仁村 . 胡寶蘭 . 鄭平 厭氧氨氧化反應(yīng)器性能的穩(wěn)定性及其判據(jù) 期刊論文-化工學(xué)報 2006(054. Strous M. Van Gerven E. Kuenen J G Effects of aerobic and microaerobic condi

27、tions on anaerobicammonium-oxidizing sludge 1997(065. Strous M. Kuenen J G. Jetten M S M Key physiology of anaerobic ammonium oxidation 1999(076. 朱靜平 . 胡勇有 . 閆佳 有機碳源條件下厭氧氨氧化AS-BR反應(yīng)器中的主要反應(yīng) 期刊論文-環(huán)境科學(xué) 2006(077. Strous M. Heijnen J J. Kuenen J G The sequencing batch reactor as powerful tool for the stud

28、y ofslowly growing anaerobic ammonium-oxidizing microorganisms 19988. 胡寶蘭 . 陳旭良 . 鄭平 兩種Anammox反應(yīng)器性能的對比研究 期刊論文-環(huán)境科學(xué)學(xué)報 2005(04相似文獻(7條1.學(xué)位論文 王勇 厭氧氨氧化無紡濾布生物膜反應(yīng)器的研究 2009厭氧氨氧化是自養(yǎng)微生物催化的新型脫氮反應(yīng),亞硝氮接受電子將氨氮氧化為氮氣。本文通過厭氧氨氧化研究進展的概括分析,提出了解決進水溶 解氧的抑制是厭氧氨氧化活性提高的關(guān)鍵,認為無紡濾布作為載體的生物膜反應(yīng)器能夠形成適合厭氧氨氧化菌所需的厭氧環(huán)境。因此,采用容積100mL及 2

29、.5L無紡濾布生物膜反應(yīng)器,溫度3442,pH值78.5,分別研究了鈣磷比、亞硝氮對厭氧氨氧化活性的影響;反應(yīng)器間歇運行的降解規(guī)律以及反應(yīng) 器的快速啟動。主要內(nèi)容如下:進水鈣磷比影響厭氧氨氧化活性。KH2PO4=50mg/L,Ca/P=7有利于厭氧氨氧化活性的正常發(fā)揮;Ca/P=5不利于亞硝氮穩(wěn)定去除;低 Ca/P(Ca/P=0.5,1導(dǎo)致氨氮去除率一直偏低,亞硝氮去除率呈下降趨勢。反應(yīng)器內(nèi)亞硝氮濃度為98 mg-N·L-1抑制厭氧氨氧化活性。亞硝氮抑制具有可逆性,維持較低亞硝氮濃度(2550 mg-N.L-1能夠恢復(fù)反應(yīng)活 性;但是,72mg-N·L-1亞硝氮導(dǎo)致氨氮、亞

30、硝氮去除率大幅下降,不利于厭氧氨氧化活性的恢復(fù)。生物膜反應(yīng)器間歇運行,進水亞硝氮、氨氮濃度比值約為1.3?；|(zhì)降解過程主要分為兩個階段:速度上升期和速度下降期,反應(yīng)前期(約為 020min降解速度很慢。一階指數(shù)衰減模型可以很好擬合20min以后亞硝氮、氨氮的濃度.時間曲線,速度模擬結(jié)果表明,亞硝氮降解速度始終高于氨 氮降解速度,但二者比值逐漸變小,反應(yīng)后期生成硝態(tài)氮的濃度高于亞硝氮濃度,硝態(tài)氮充當(dāng)氨氮厭氧氧化的另一電子受體,導(dǎo)致亞硝氮與氨氮的降解 速度比值降低。進水基質(zhì)濃度及水力停留時間的選擇會顯著影響反應(yīng)器氮容積去除負荷。同一進水基質(zhì)濃度,當(dāng)亞硝氮濃度降至57 mg-N·L-1,后

31、續(xù)反應(yīng)的降 解速度較慢,繼續(xù)延長反應(yīng)時間會較大幅度降低氮容積去除負荷;當(dāng)反應(yīng)進行至亞硝氮出水濃度為57mg-N·L-1,亞硝氮進水濃度75 mg-N·L-1、65mg-N·L-1的氮容積去除負荷是進水濃度45 mg-N·L-1、35 mg-N·L-1的氮容積去除負荷1.3倍。接種硝化污泥啟動厭氧氨氧化生物膜反應(yīng)器,進水溶解氧1.53.0 mg-N·L-1,114d時氮容積去除負荷達到1.11 kg-N·m-3·d-1,無紡濾布 生物膜系統(tǒng)能夠減弱溶解氧對厭氧氨氧化菌的抑制。啟動過程中反應(yīng)器低溫條件下停止運行,重新啟動后厭氧氨氧化活性迅速提升。2.期刊論文 王勇 . 黃勇 . 袁怡 . 李祥 . WANG Yong. HUANG Yong. YUAN Yi. LI Xiang 無紡濾布生物膜反應(yīng)器對厭氧氨氧 化脫氮負