UASB反應(yīng)器培養(yǎng)厭氧氨氧化菌的試驗研究

1、UASB反響器培養(yǎng)厭氧氨氧化菌的試驗研究論文導(dǎo)讀：以期為厭氧氨氧化工藝的啟動提供理論依據(jù)。并比照了不同接種污泥濃度下UASB反響器的運行效果。圖8厭氧氨氧化菌電鏡掃描圖。電鏡掃描，UASB反響器培養(yǎng)厭氧氨氧化菌的試驗研究。關(guān)鍵詞：厭氧氨氧化，UASB反響器，脫氮，電鏡掃描三峽庫區(qū)眾多的畜禽養(yǎng)殖場建在次級支流沿岸，畜禽排放物大多未經(jīng)處理直接排入水體，畜禽糞尿已成為三峽水庫的主要污染源之一，嚴重威脅三峽庫區(qū)水環(huán)境平安，且隨著經(jīng)濟的開展，養(yǎng)殖業(yè)必將進一步開展，其畜禽糞尿必定會對環(huán)境造成更嚴重的影響。針對畜禽糞尿厭氧處理后存在可生化性差、C/N比小及好氧后處理系統(tǒng)反硝化碳源缺乏，提出采用厭氧氨氧化工藝

2、處理畜禽糞尿厭氧后處理液中的氮源。厭氧氨氧化技術(shù)的關(guān)鍵性瓶頸問題即厭氧氨氧化菌生長緩慢【1】，且對生長環(huán)境要求苛刻，厭氧氨氧化反響器啟動困難，限制了厭氧氨氧化技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用，因此，厭氧氨氧化反響器的啟動成為眾多學(xué)者研究的重點。國外主要應(yīng)用了流化床反響器【2】、序批式反響器【3】、生物轉(zhuǎn)盤反響器【4】及氣提式反響器【5】進行厭氧氨氧化反響器啟動的研究；針對在UASB反響器中的啟動，國內(nèi)進行了一定的研究：沈平【6】分別接種混合污泥和河底污泥，經(jīng)過320d和264d的運行，均成功實現(xiàn)了厭氧氨氧化；周少奇【7】在3.2L UASB接種滲濾液處理污泥于低濃度氮素條件下進行厭氧氨氧化的啟動；左劍惡

3、在較高溫度下于2.8L UASB反響器進行厭氧氨氧化的啟動；張龍應(yīng)用2.5L UASB反響器接種混合污泥并于較高溫度下進行厭氧氨氧化菌的培養(yǎng)，以上學(xué)者的研究均得出了有意義的結(jié)論，且說明厭氧氨氧化菌完全能應(yīng)用于USAB反響器中，但是在其研究中，UASB反響器容積相對較小、運行溫度相對較高，且未見不同污泥濃度下UASB反響器厭氧氨氧化污泥培養(yǎng)效果的研究報道。本文利用有機質(zhì)垃圾培養(yǎng)的厭氧消化污泥于8.5L UASB反響器富集培養(yǎng)厭氧氨氧化菌，并比照了不同接種污泥濃度下UASB反響器的運行效果，以期為厭氧氨氧化工藝的啟動提供理論依據(jù)，同時為后期畜禽糞尿厭氧消化液氮素的去除做前期準備。1 材料與方法1.

4、1 接種污泥及模擬廢水接種污泥取自課題組應(yīng)用有機質(zhì)垃圾培養(yǎng)出的厭氧消化污泥，污泥含水率為91%，其MLSS和MLVSS分別為90.5g/L和46.2g/L，pH為7.30，碳酸氫鹽堿度8000mg/L。1、2號R1、R2反響器分別接種3L和5L厭氧污泥，反響器內(nèi)污泥濃度分別為31.94g MLSS/L和53.23g MLSS/L。試驗廢水采用人工模擬無機廢水，由根本元素、微量元素、NH4+-N和NO2- -N等組成，其成分分別為KH2PO4 136mg/L，MgSO4.7H2O 27.2 mg/L，CaCl2 300 mg/L，微量元素和微量元素各1ml/L，微量元素組成為EDTA 5g/L，

5、FeSO4 5g/L；微量元素組成為 EDTA 15g/L，ZnSO4-7H2O 430 mg/L，CoCl2-6H2O 240 mg/L，MnCl2-4H2O 990 mg/L，CuSO4-5H2O 250 mg/L，Na2MnO4-2H2O 220 mg/L，NiCl2-6H2O 190 mg/L，Na2SeO4-10H2O 210mg/L，H3BO4 14 mg/L，以NaHCO3和HCl溶液調(diào)節(jié)進水pH值。發(fā)表論文，電鏡掃描。1.2 試驗方法試驗過程中采用兩套UASB反響器，反響裝置如圖1所示，R1、R2反響器外表包裹避光材料，反響器有效容積均為8.5L，利用循環(huán)水控制反響器內(nèi)溫度為3

6、01，循環(huán)水量為120300ml/min，循環(huán)水池體積均為15.0L，循環(huán)泵24h連續(xù)工作，進樣通過間歇式的方法加至循環(huán)水池，水力停留時間為12d，進水pH為7.98.1。圖1 UASB反響器示意圖Fig. 1 Schematicdiagram of UASB reactor1-溫控儀；2-進樣；3-恒溫循環(huán)水池；4-循環(huán)水泵；5-UASB反響器；6-污泥取樣；7-出水；8-三相別離器；9-氣體流量計；10-排氣1-temperature controller; 2-influent; 3-cyclicthermostatic pool; 4-cyclic pump; 5-UASB react

7、or; 6-sludge sampling; 7-effluent;8-gas-solid-liquid separator;9-gas flowmeter; 10-exhaust.廢水水質(zhì)指標測試方法：NH4+-N：納氏試劑比色法；NO3-N：紫外分光光度法；NO2- - N：N-1- 萘基乙二胺比色法；COD：HACH替代試劑比色法；MLSS和MLVSS：標準重量法；DO：溶氧儀法；pH值：玻璃電極法；堿度：酸式滴定法；生物相：KYKY-1000型掃描電鏡。2. 結(jié)果與討論接種不同濃度的污泥于R1、R2反響器，應(yīng)用模擬無機廢水于UASB反響器進行厭氧氨氧化污泥的培養(yǎng)，R1反響器歷時150d

8、，R2反響器歷時200d，污泥培養(yǎng)過程中對R1和R1反響器運行狀況進行監(jiān)測，定期分析兩反響器進、出水氨氮、亞硝氮及出水硝氮濃度，指出反響器主要歷經(jīng)污泥適應(yīng)階段、活性提高及穩(wěn)定運行階段、活性抑制階段。2.1 污泥適應(yīng)階段比照R1反響器實驗過程中進出水氨氮、亞硝氮及硝氮濃度的變化情況及各自的去除率見圖2和圖3，反響器污泥適應(yīng)階段從第1d到第45d，期間氨氮濃度為4080mg/L，亞硝氮濃度為4080mg/L，氨氮、亞硝氮和總氮的容積負荷分別為0.050.10 kg-m-3-d-1、0.040.10kg-m-3-d-1、0.090.20kg-m-3-d-1，此階段初期氨氮的去除率較低，但是隨著反響器

9、的運行，氨氮去除率逐漸升高，達70%左右；此階段的亞硝氮在初期即有較好的去除效果，去除率從65%逐漸升高到90%以上，推測其原因是接種污泥中含有異養(yǎng)反硝化菌，它可以利用污泥中的碳源進行反硝化反響去除亞硝氮，此階段后期有機質(zhì)被耗完，隨著氨氮和亞硝氮去除率的增加，反響器中厭氧氨氧化現(xiàn)象逐漸明顯。發(fā)表論文，電鏡掃描。此階段出水pH值在7.38.2之間，大局部出水pH值小于進水pH值，R1反響器中污泥顏色變化不明顯。圖2 R1反響器NH4+-N的變化曲線Fig 2 Variation of ammonium nitrogen in No. 1 reactor圖3 R1反響器NO2-N、NO3- -N濃

10、度變化Fig 3 Variation ofnitrite and nitrate content in No. 1 reactorR2反響器實驗過程中進出水氨氮、亞硝氮和硝氮濃度的變化情況及各自的去除率見圖4和圖5，R2反響器適應(yīng)期為80d左右，期間氨氮濃度為40100mg/L，亞硝氮濃度為40100mg/L，氨氮、亞硝氮和總氮的容積負荷分別為0.050.10 kg-m-3-d-1、0.050.12 kg-m-3-d-1和0.100.22 kg-m-3-d-1，此階段初期氨氮去除率較低，只有2040%，這是由于R2反響器厭氧消化污泥接種濃度高，其中含有豐富的水解酸化菌和有機質(zhì)，初期有機質(zhì)被異養(yǎng)

11、水解酸化菌利用后分解產(chǎn)生局部氨氮，因此初期氨氮去除率較低，此階段后期氨氮去除率逐漸增加，從60%逐漸升高至99%左右；此階段初期亞硝氮去除率較高，幾乎沒有硝氮產(chǎn)生，同樣是因為反響器中的反硝化菌利用剩余有機碳源發(fā)生了反硝化反響，此階段后期，有機質(zhì)被消耗完，隨著氨氮和亞硝氮去除率的增加，反響器的厭氧氨氧化現(xiàn)象明顯，此階段出水pH值在7.58.3之間，局部出水pH值小于進水pH值，R2反響器污泥顏色由黑色向淺褐色轉(zhuǎn)變。圖4 R2反響器NH4+-N濃度變化Fig 4 Variation of ammonium nitrogen in No. 2 reactor圖5 R2反響器NO2-N、NO3- -N

12、濃度變化Fig 5 Variation ofnitrite and nitrate content in No. 2 reactor2.2 活性提高及穩(wěn)定運行階段比照此階段R1反響器從第45d穩(wěn)定運行至第130d，期間氨氮濃度為80150mg/L，亞硝氮濃度為80150mg/L，氨氮、亞硝氮和總氮的容積負荷分別為0.100.18 kg-m-3-d-1、0.100.18 kg-m-3-d-1、0.200.36 kg-m-3-d-1，此階段氨氮去除率主要在90%98%之間，亞硝氮去除率主要91100%之間，有一定量的硝氮產(chǎn)生，總氮去除率在80%以上，厭氧氨氧化反響器成功啟動并穩(wěn)定運行，出水pH值在

13、8.18.3之間，反響器DO在00.10mg/L，污泥顏色完全轉(zhuǎn)變?yōu)榧t褐色。此階段R2反響器從第80d穩(wěn)定運行至第185d，期間氨氮濃度為100270mg/L，亞硝氮濃度為100270mg/L，氨氮、亞硝氮和總氮的容積負荷分別為0.100.32 kg-m-3-d-1、0.120.32kg-m-3-d-1、0.220.64kg-m-3-d-1，此階段氨氮去除率主要在96%100%之間，亞硝氮去除率主要97100%之間，出水有一定的硝氮產(chǎn)生，總氮去除率在8085%之間，厭氧氨氧化反響器成功啟動并在較高負荷下穩(wěn)定運行，出水pH值在8.18.5之間，反響器DO在00.05mg/L，污泥顏色由淺褐色轉(zhuǎn)變

14、為紅棕色。2.3 活性抑制階段比照當R1反響器氨氮和亞硝氮濃度增加至210 mg/L左右時，氨氮去除率維持在90%以上，亞硝氮去除率降至50%左右，有大量的硝氮產(chǎn)生，其濃度約150180mg/L，總氮去除率只有3040%，反響器污泥活性受到抑制，推測其原因可能是污泥接種濃度低，啟動初期反響器出現(xiàn)了微生物流失現(xiàn)象，故反響器中污泥濃度較小，導(dǎo)致反響器抗負荷沖擊能力較低；另外監(jiān)測出水DO發(fā)現(xiàn)，反響器中DO提高至0.5mg/L左右，檢測發(fā)現(xiàn)循環(huán)過程中有曝氣發(fā)生，溶液中DO的存在使氨氮局部氧化為亞硝氮和硝氮，從而氨氮有較高的去除率，總氮去除率卻較低，反響器出水pH值在7.88.2之間，后期通過降低進水氨

15、氮、亞硝氮濃度恢復(fù)污泥厭氧氨氧化活性，經(jīng)過10d的運行，反響器污泥表現(xiàn)出良好的厭氧氨氧化活性。發(fā)表論文，電鏡掃描。當R2反響器氨氮和亞硝氮濃度增加至340 mg/L左右時，氨氮去除率維持在99%左右，亞硝氮去除率在98%左右，但是反響器中有較多硝氮產(chǎn)生，其濃度約130150mg/L，總氮去除率為75%左右，反響器污泥活性受到輕微抑制，出水DO在00.08 mg/L，出水pH值在7.98.3之間，后期通過增大水力停留時間至3d，反響器總氮去除率升高，很快恢復(fù)其較高的厭氧氨氧化活性。由上面的結(jié)果分析得出，在UASB反響器進行厭氧氨氧化菌培養(yǎng)時，有機質(zhì)垃圾培養(yǎng)出的厭氧污泥可以作為培養(yǎng)厭氧氨氧化菌的接

16、種污泥，且高濃度接種污泥濃度更有利于進行厭氧氨氧化菌的富集培養(yǎng)，其進水氨氮、亞硝氮濃度更高，抗負荷沖擊能力更強，因此，進行厭氧氨氧化反響器啟動時宜選擇適宜的接種污泥濃度。2.4 比照R1和R2反響器的三氮比圖6 R1反響器三氮比Fig 6 Ration of the three nitrogen in No. 1 reactor圖7 R2反響器三氮比Fig 7 Ration of the three nitrogen in No.2 reactor2.5 厭氧氨氧化反響器污泥生物相R1反響器內(nèi)污泥顏色由最初的黑色變?yōu)榧t褐色；R2反響器內(nèi)污泥顏色由最初的黑色變?yōu)榧t棕色。啟動初期進水流量為120m

17、l/min時出水有較多污泥流失，穩(wěn)定期進水流量增加至300 ml/min，出水仍較清澈，主要是因為反響器內(nèi)形成了顆粒污泥，后期R1和R2反響器內(nèi)分別形成了0.51mm和12mm左右的顆粒污泥，對后期污泥進行系列預(yù)處理，利用掃描電鏡觀察污泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖8所示，由圖發(fā)現(xiàn)污泥中存在較多細菌，且多為球形菌和桿菌，與Graff【2】、雒懷對厭氧氨氧化菌的描述相似。發(fā)表論文，電鏡掃描。 A R1反響器污泥B R1反響器污泥C R2反響器污泥D R2反響器污泥圖8 厭氧氨氧化菌電鏡掃描圖Fig 8 SEM photos with anammox function3. 結(jié)論針對畜禽糞尿厭氧處理后存在可生化性

18、差、C/N比小及好氧后處理系統(tǒng)反硝化碳源缺乏提出采用厭氧氨氧化工藝處理畜禽糞尿厭氧后處理液，本文于UASB反響器接種不同濃度的厭氧污泥進行厭氧氨氧化菌的培養(yǎng)，主要得到以下結(jié)論：低污泥濃度下的R1反響器經(jīng)過130d運行，進水氨氮和亞硝氮濃度為150mg/L，TN負荷為0.36kg-m-3-d-1，TN去除率在80%以上；高污泥濃度下的R2反響器經(jīng)過200d運行，進水氨氮和亞硝氮濃度為340mg/L，TN負荷為0.80kg-m-3-d-1，TN去除率在7585%，較高的厭氧污泥接種濃度更有利于厭氧氨氧化菌的培養(yǎng)。發(fā)表論文，電鏡掃描。R1和R2反響器穩(wěn)定運行期去除的NH4+-N和NO2- -N量與N

19、O3- -N生成量之比分別為1:1.11.2:0.250.45和1:1.11.2:0.300.40，出水pH值大于進水pH值。發(fā)表論文，電鏡掃描。R1和R2反響器中所培養(yǎng)的厭氧氨氧化污泥分別為紅褐色及紅棕色,掃描電鏡觀察污泥中的細菌多為形狀不規(guī)那么的球狀菌和桿菌。參考文獻【1】Strous M, Heijnen J J, Kuenen J G. The sequencing batch reactor as apowerful tool for the study of slowly growing anaerobic ammonium-oxidizingmicroorganisms . Ap

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