厭氧氨氧化處理香精廢水的研究

厭氧氨氧化處理香精廢水的研究

1精神廢水處理中國是一個(gè)重要的精材廠和消耗大國。2002年，中國的精材工量超過1.0.106g，占世界總面積的一半以上?，F(xiàn)在，中國人每年的消費(fèi)量約為400g，而中國的臺(tái)灣已經(jīng)達(dá)到2000g。因此，精材廠也有很大的發(fā)展領(lǐng)域。1909年，作為一種商品，品味酒精后，人們會(huì)感到非常寒冷。然而，如果人們欣賞這片美麗的口感，他們也會(huì)感受到精素廢水帶來的痛苦。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)1噸品味鹽超過25.30噸（陳立東等，2003），中國每年生產(chǎn)2.5.107噸高濃度品味鹽。對(duì)精細(xì)廢水處理技術(shù)的研究和應(yīng)用仍在繼續(xù)。然而，項(xiàng)目投資大、效果差、處理成本高的問題仍在繼續(xù)。楊建洲等（2002；白曉暉，2000；方世等，2001；程官文等，2000）。厭氧氨氧化(AnaerobicAmmoniaOxidation,ANAMMOX)是以氨(NH+4)為電子供體,亞硝酸鹽(NO-2)為電子受體,生成N2的生物反應(yīng)(Mulderetal.,1995).由于它能同時(shí)去除氨和亞硝酸鹽,而且無需外加有機(jī)碳源,因此,在環(huán)境工程上具有較高的開發(fā)價(jià)值(vanDongenetal.,2001;Fuxetal.,2002).但迄今為止,文獻(xiàn)報(bào)道的厭氧氨氧化研究大多采用模擬廢水或消化污泥分離液(鄭平等,1998;Strousetal.,1999;Zhangetal.,2004;胡寶蘭等,2005;金仁村等,2006),尚未拓展至其它廢水.本課題試驗(yàn)了采用厭氧氨氧化工藝進(jìn)行味精廢水脫氮處理的可行性以及相關(guān)性能.2材料和方法表面活性劑2.1cod1.1某集團(tuán)公司混合味精廢水經(jīng)生物除碳和硝化處理的出水.水質(zhì)參數(shù)為:pH7.0～8.5,COD150～200mg·L-1,SO5000～5500mg·L-1,NH+4-N250～500mg·L-1,NO-2-N250～700mg·L-1,NO-3-N0～70mg·L-1.2.2厭氧池回用預(yù)處理接種污泥取自某污水處理廠厭氧消化罐、某集團(tuán)公司廢水處理站厭氧池以及某垃圾填埋場(chǎng)廢水處理站厭氧池,混合接種,接種量為反應(yīng)器有效體積的80%.混合污泥的基本理化性狀為:TS17.9g·L-1,VS11.2g·L-1,VS/TS0.63,pH7.90,TP276mg·L-1,TN1934mg·L-1.2.3厭氧氨氧化反應(yīng)器ldk系統(tǒng)反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成,總體積6.0L,有效體積5.0L,接種污泥4.0L.廢水由蠕動(dòng)泵連續(xù)泵入反應(yīng)器底部,從上部溢流堰出水,排氣管接水封,內(nèi)置攪拌.反應(yīng)器置于(30±1)℃恒溫室中運(yùn)行,pH值控制在7.5～8.5.厭氧氨氧化反應(yīng)器系統(tǒng)的裝置與流程如圖1所示.2.4風(fēng)-電-環(huán)境法NH+4-N:水楊酸-次氯酸鹽分光光度法(國家環(huán)保局,2002);NO-2-N:N—(1-萘基)—乙二胺分光光度法(國家環(huán)保局,2002);NO-3-N:紫外分光光度法(國家環(huán)保局,2002);TS,VS:重量法(國家環(huán)保局,2002);pH值:PHS-9V型酸度計(jì)(國家環(huán)保局,2002);COD:ENOVIET99718COD測(cè)定儀.3試驗(yàn)結(jié)果3.1全廠nh+4-n的運(yùn)行效果從表1可知,啟動(dòng)初期(第1～21d)進(jìn)水NH+4-N濃度平均為29.7mg·L-1,去除率維持在50%附近;進(jìn)水NO-2-N濃度平均為61.0mg·L-1,去除率平均為89.2%.啟動(dòng)中期(第21～46d)進(jìn)水NH+4-N濃度提升到75.3mg·L-1,去除率平均為55.6%;進(jìn)水NO-2-N濃度平均為88.6mg·L-1,去除率平均為92.9%.啟動(dòng)后期(第46～71d)進(jìn)水NH+4-N濃度進(jìn)一步提高到119mg·L-1,去除率上升為64.6%;進(jìn)水NO-2-N濃度平均為157mg·L-1,去除率平均為90.2%.在整個(gè)啟動(dòng)過程中,NH+4-N容積負(fù)荷從29.7mg·L-1·d-1提升至119mg·L-1·d-1,相應(yīng)的容積去除負(fù)荷從16.0mg·L-1·d-1提高至76.9mg·L-1·d-1;NO-2-N容積負(fù)荷從61.0mg·L-1·d-1提升至157mg·L-1·d-1,相應(yīng)的容積去除負(fù)荷從54.4mg·L-1·d-1提高至142mg·L-1·d-1(圖2);總氮容積去除負(fù)荷最高達(dá)到230mg·L-1·d-1.這些指標(biāo)已與傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝的水平相當(dāng)(章非娟,1992;鄭興燦等,1998),據(jù)此認(rèn)為反應(yīng)器啟動(dòng)成功.在啟動(dòng)后期,反應(yīng)器的運(yùn)行性能穩(wěn)定,平均NO-2-N與NH+4-N去除量之比為1.85∶1,高于理論計(jì)算值1.3∶1(Strousetal.,1998;鄭平等,2004).究其原因,可能是試驗(yàn)所用的廢水為經(jīng)過生物除碳和硝化的味精廢水,除了含有硝酸鹽(亞硝酸鹽)外,還含有一定量的有機(jī)物質(zhì)(COD150～200mg·L-1),盡管厭氧氨氧化是反應(yīng)器內(nèi)的主導(dǎo)反應(yīng),可能存在某種程度的反硝化作用,致使亞硝酸消耗量偏大.3.2出水nh+4-n及no-2-n濃度在完成反應(yīng)器的啟動(dòng)后,以提高進(jìn)水基質(zhì)濃度的方式進(jìn)行了厭氧氨氧化反應(yīng)器的工作潛能試驗(yàn).在76d運(yùn)行中,保持HRT為1d不變,進(jìn)水NH+4-N濃度由126mg·L-1逐漸提高到273mg·L-1,在第71d(進(jìn)水NH+4-N濃度小于270mg·L-1)之前,出水NH+4-N濃度較低,基本維持在70mg·L-1(味精工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn),GB19431-2004)以下(圖3a).與此相應(yīng),容積負(fù)荷由126mg·L-1·d-1提高到273mg·L-1·d-1,容積去除負(fù)荷由102mg·L-1·d-1上升到最高值206mg·L-1·d-1(第66d,圖3b).與NH+4-N去除情況相似,NO-2-N進(jìn)水濃度由131mg·L-1提高到303mg·L-1,前期(1～35d)出水NO-2-N濃度比較穩(wěn)定,均在50mg·L-1以下,后期(36～76d)波動(dòng)較大(圖3a).相應(yīng)的容積負(fù)荷由131mg·L-1·d-1提高到303mg·L-1·d-1,容積去除負(fù)荷由95mg·L-1·d-1上升到最高值251mg·L-1·d-1(第56d,圖3b).3.3反應(yīng)器自恢復(fù)和人為強(qiáng)化恢復(fù)的效果在實(shí)際廢水處理工程中,難免會(huì)遇到一些干擾因素(如水質(zhì)變化、水量變化、毒物沖擊等)的影響.研究受干擾因素影響后反應(yīng)器性能的恢復(fù)能力及其調(diào)控措施,對(duì)于反應(yīng)器的操作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.在上述潛能試驗(yàn)中,超過最高負(fù)荷后反應(yīng)器處理效能迅速惡化.在進(jìn)水NH+4-N和NO-2-N濃度分別為211mg·L-1和258mg·L-1的條件下,出水濃度分別為110mg·L-1和129mg·L-1,去除率均低于50%,出水基質(zhì)濃度還有繼續(xù)升高的趨勢(shì).為了遏制反應(yīng)器處理效能惡化的勢(shì)頭,試驗(yàn)了反應(yīng)器自恢復(fù)和人為強(qiáng)化恢復(fù)的效果.反應(yīng)器自恢復(fù)是指停止進(jìn)水,在不采取其它輔助措施的條件下,依靠反應(yīng)器自身的微生物活性來恢復(fù)轉(zhuǎn)化能力.觀察發(fā)現(xiàn),停止進(jìn)水后,24h內(nèi)反應(yīng)器中的NH+4-N和NO-2-N濃度基本沒有變化(圖4a段).在反應(yīng)器自恢復(fù)沒有收到預(yù)期效果的情況下,對(duì)其采取了人為強(qiáng)化恢復(fù)措施,恢復(fù)進(jìn)水但將進(jìn)水NH+4-N和NO-2-N濃度降低至0,繼續(xù)運(yùn)行反應(yīng)器,以對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的基質(zhì)濃度進(jìn)行稀釋,12h后NH+4-N和NO-2-N濃度分別降到85.4mg·L-1和96.5mg·L-1(圖4b段);此時(shí)再停止進(jìn)水,24h內(nèi)反應(yīng)器的基質(zhì)濃度穩(wěn)步下降(圖4c段),基質(zhì)抑制被解除,厭氧氨氧化反應(yīng)器的效能得到恢復(fù).3.4ri對(duì)反應(yīng)器效能的影響反應(yīng)器進(jìn)水NO-2-N與NH+4-N的濃度比值(Ri=cNO-2-N/cNH+4-N)是影響厭氧氨氧化效能的一個(gè)重要因素.為了確定反應(yīng)器能夠適應(yīng)的Ri范圍,在保持進(jìn)水NH+4-N濃度不變、分別將Ri控制為1.0、1.2和1.4的條件下,試驗(yàn)了Ri對(duì)反應(yīng)器效能的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明,在受試的Ri范圍內(nèi),出水NO-2-N濃度隨該比值的增大而略有上升,但出水NH+4-N濃度基本保持不變,NO-2-N與NH+4-N的消耗量之比(Rs)隨Ri增大稍有上升(圖5).4分析與討論4.1反應(yīng)器的國際習(xí)慣法試驗(yàn)結(jié)果表明,反應(yīng)器的總氮(氨氮與亞硝氮之和)容積去除負(fù)荷最高達(dá)到457mg·L-1·d-1,超過了傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝的脫氮能力.測(cè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn),反應(yīng)器中的污泥濃度為1.53g·L-1,比污泥活性為0.30mg·mg-1·d-1,高于文獻(xiàn)報(bào)道值0.18mg·mg-1·d-1(vanDongenetal.,2001).在反應(yīng)器潛能的試驗(yàn)中,容積去除負(fù)荷達(dá)到最大值后即發(fā)生迅速下降的現(xiàn)象,主要原因可能是亞硝酸鹽濃度升高所致的抑制作用.據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,亞硝酸鹽對(duì)厭氧氨氧化活性有較強(qiáng)的抑制作用,一般建議將亞硝酸鹽濃度控制在70mg·L-1以下(鄭平等,2004).4.2no-2-n的降解現(xiàn)有對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)器的研究主要集中在探索反應(yīng)器性能,而很少關(guān)注反應(yīng)器的穩(wěn)定性(鄭平等,1998;vanDongenetal.,2001;Fuxetal.,2002).金仁村等(2006)通過基質(zhì)濃度沖擊和水力負(fù)荷沖擊兩方面試驗(yàn)了厭氧氨氧化生物膜反應(yīng)器、顆粒污泥床反應(yīng)器和SBR反應(yīng)器的穩(wěn)定性.受干擾因素影響后反應(yīng)器的性能恢復(fù)能力是判斷其穩(wěn)定與否的重要指標(biāo)之一,然而目前尚未見相關(guān)報(bào)道.本研究表明,NO-2-N濃度超過129mg·L-1可完全抑制厭氧氨氧化活性,此時(shí)僅憑反應(yīng)器自身保留的微生物活性很難恢復(fù)轉(zhuǎn)化能力.解除基質(zhì)抑制的有效方法之一是將反應(yīng)器內(nèi)的基質(zhì)濃度稀釋到臨界濃度以下.當(dāng)反應(yīng)器中NO-2-N降低到96.5mg·L-1以下時(shí),反應(yīng)器內(nèi)的微生物活性得到部分恢復(fù),并可逐漸恢復(fù)反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化能力.4.3ri對(duì)ri的適應(yīng)能力根據(jù)化學(xué)計(jì)量關(guān)系,在厭氧氨氧化中,Rs為1.3∶1.若Ri高于或低于Rs,理論上會(huì)導(dǎo)致其中一種反應(yīng)物的過量.由于2種反應(yīng)物對(duì)微生物都有一定毒性,任何一種反應(yīng)物的積累都不利于反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行,特別是NO-2-N,其對(duì)厭氧氨氧化菌的毒性較大.本研究證明,Ri在一定范圍內(nèi)(1.0～1.4)時(shí),反應(yīng)器對(duì)Ri有一定的適應(yīng)能力,具體表現(xiàn)為隨著Ri的提升,出水NH+4-N和NO-2-N濃度穩(wěn)定在較低的水平(均小于50mg·L-1).另外,Rs隨Ri提高稍有上升,說明反應(yīng)器中除了厭氧氨氧化還存在其它反應(yīng),當(dāng)Rs改變時(shí),厭氧氨氧化與其它反應(yīng)之間的比例也發(fā)生變化,這也提高了反應(yīng)器對(duì)Ri的適應(yīng)能力.5厭氧氨氧化工藝1)采用厭氧氨氧化工藝處理味精廢水,總氮容積去除負(fù)荷可達(dá)457mg·L-1·d-1,高于傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝.反應(yīng)器內(nèi)的比污泥活性為0.30mg·mg-1·d-1,高于文獻(xiàn)報(bào)道的0.18mg·mg