垃圾填埋場(chǎng)滲瀝液處理系統(tǒng)中sbbr工藝的脫氮機(jī)理

垃圾填埋場(chǎng)滲瀝液處理系統(tǒng)中sbbr工藝的脫氮機(jī)理

垃圾提取物是高氨氮濃度和cod含量的廢水。由于c-c1比值低、ph值低、水質(zhì)水量變化大等特點(diǎn)，已成為水處理研究領(lǐng)域的難題和熱點(diǎn)。短程硝化-厭氧化反應(yīng)的共同原理為高氨氮廢水中的脫氮提供了一種新的高效生物脫氮方法。與傳統(tǒng)的抗a-o生物脫氮方法相比，這條方法至少可以節(jié)省25%的能耗，不需要添加碳源。在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，污泥產(chǎn)量小，運(yùn)營(yíng)成本高（fux，2002）。2002年6月，世界上第一個(gè)以短程硝化-厭氧化反應(yīng)為理論基礎(chǔ)的工業(yè)裝置是荷蘭西南部的獨(dú)立衛(wèi)生機(jī)廠，該裝置由前硝化檢測(cè)器和厭氧化檢測(cè)器組成（mulder，2004）。短程硝化-厭氧氨氧化應(yīng)用有2種途徑.一種是短程硝化與厭氧氨氧化在分開(kāi)的設(shè)備中進(jìn)行.VanDongen等人利用SHARON-ANAMMOX組合系統(tǒng)處理高氨氮廢水,經(jīng)過(guò)兩年的連續(xù)運(yùn)行,SBR反應(yīng)器中超過(guò)80%的NH+4-N轉(zhuǎn)化為氮?dú)?Dongen,2001).荷蘭鹿特丹Dokhaven市政廢水處理場(chǎng)采用的就是這種工藝.另一種是短程硝化與厭氧氨氧化是在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)完成即CANON.Sliekers等人分別選用序批式反應(yīng)器(Sliekers,2002)和氣提式反應(yīng)器(Sliekers,2003),運(yùn)用該原理進(jìn)行了系列的實(shí)驗(yàn)研究,但是序批式反應(yīng)器的氧傳遞效率較差使得反應(yīng)器的處理效率較低,而氣提式反應(yīng)器則需要不斷的充入含一定濃度氧氣的混合氣體,能耗較高.序批式生物膜反應(yīng)器(SBBR)兼具生物膜反應(yīng)器和SBR反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn),結(jié)構(gòu)上更加適合培養(yǎng)世代周期較長(zhǎng)的、細(xì)胞產(chǎn)率低的氨氧化細(xì)菌,運(yùn)行方式上有利于產(chǎn)物的及時(shí)轉(zhuǎn)化和酸度的及時(shí)調(diào)節(jié)而不至造成細(xì)菌中毒現(xiàn)象.但是到目前為止,國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)很少有利用單個(gè)SBBR反應(yīng)器對(duì)垃圾滲濾液進(jìn)行處理的報(bào)道,更加缺少在單個(gè)SBBR反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)短程硝化-厭氧氨氧化的相關(guān)資料.通過(guò)自主設(shè)計(jì)的SBBR反應(yīng)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考察,以期為垃圾滲濾液的高效生物脫氮提供一種新思路.1實(shí)驗(yàn)材料和方法exeroda1.1水浴升溫控制層本實(shí)驗(yàn)中所采用的SBBR反應(yīng)器裝置(圖1)為有效容積3L的圓柱形有機(jī)玻璃容器,內(nèi)部填充半軟性纖維組合填料,掛膜成熟的填料占反應(yīng)器有效容積的30%左右.外層設(shè)計(jì)水浴恒溫控制層,本實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)微生物群落是以亞硝化細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)菌為主體,兩者的最佳生長(zhǎng)繁殖溫度都在25～35℃之間(Hellinga,1998;Jetten,1998),因此在綜合考慮各種工藝參數(shù)的同時(shí),通過(guò)溫控儀和加熱器將溫度控制在(32±0.4)℃.曝氣系統(tǒng)由空壓機(jī)和底部的3個(gè)微孔式曝氣頭(燒結(jié)砂芯)組成,通過(guò)一個(gè)可編程的時(shí)間控制器對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行調(diào)控從而實(shí)現(xiàn)間歇式運(yùn)行.1.2滲透水源水質(zhì)實(shí)驗(yàn)用滲濾液取自長(zhǎng)沙市某生活垃圾填埋場(chǎng),水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1(水質(zhì)測(cè)定均取滲濾液上清液).1.3sbbr反應(yīng)器工藝流程啟動(dòng)前,將取自長(zhǎng)沙市城市污水處理廠的回流污泥作為接種污泥投加到反應(yīng)器中,并補(bǔ)加處理廠出水充滿反應(yīng)器.SBBR的每個(gè)運(yùn)行周期為12h,分成4個(gè)階段.①進(jìn)水期:采取瞬間進(jìn)水方式,在馴化階段(0～58d)進(jìn)水滲濾液原液量逐漸由200mL提高到1000mL,其N(xiāo)H+4-N濃度在投加之前用蒸餾水以及NH4Cl調(diào)節(jié)至450mg·L-1左右,穩(wěn)定階段(58～91d)進(jìn)水穩(wěn)定在1000mL;②反應(yīng)期:由于在曝氣階段會(huì)產(chǎn)生亞硝酸鹽的積累,時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)對(duì)亞硝酸細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)菌產(chǎn)生毒害,所以根據(jù)前期準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)將曝氣段(A)設(shè)為2h,缺氧段(O)設(shè)為1h,兩者交替進(jìn)行.同時(shí)采取限制曝氣,將SBBR反應(yīng)器內(nèi)的溶解氧濃度控制在1.2～1.4mg·L-1,從而限制硝酸鹽細(xì)菌的生長(zhǎng);③沉淀期:沉淀期為反應(yīng)期的最后一個(gè)缺氧段;④潷水期:出水時(shí)間按瞬間出水計(jì)算.1.4紫外分光光度法CODCr:重鉻酸鉀法;NH+4-N:納試劑比色法;NO-3-N:酚二磺酸紫外分光光度法;NO-2-N:N-萘基-乙二胺比色法;TSS:重量法;總氮:過(guò)硫酸鉀紫外分光光度法;DO:溶解氧測(cè)定儀;pH值:pH測(cè)定儀(國(guó)家環(huán)保總局,2002).另外,由于在SBBR脫氮機(jī)理研究過(guò)程中,測(cè)樣頻繁,為減小頻繁取樣引起的水量波動(dòng),NH+4-N、NO-3-N和NO-2-N的測(cè)量改用德國(guó)Lovibond公司生產(chǎn)的ET99730分光光度計(jì),每次測(cè)量只需要0.5mL水樣.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.1sbbr回用時(shí)間及濃度反應(yīng)器的啟動(dòng)分為馴化和穩(wěn)定2個(gè)階段,馴化階段持續(xù)了58d,主要是對(duì)溫度、pH值、NH+4-N負(fù)荷、溶解氧等工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)控,使之適應(yīng)實(shí)驗(yàn)所使用的垃圾滲濾液的水質(zhì)情況,促進(jìn)亞硝酸細(xì)菌以及厭氧氨氧化細(xì)菌的生長(zhǎng),使它們成為反應(yīng)器內(nèi)的優(yōu)勢(shì)菌種.在58d的馴化階段內(nèi)獲取了預(yù)期的良好效果,脫氮效率由開(kāi)始的25%上升到95%.馴化期的進(jìn)水量變化以及反應(yīng)器脫氮效率增長(zhǎng)曲線見(jiàn)圖2,進(jìn)水量平均每6d(12個(gè)周期)增加100mL.在增加進(jìn)水之后的一到兩天,由于進(jìn)水負(fù)荷的突然加大,脫氮效率的增加速率變慢,甚至有下降的現(xiàn)象,但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的穩(wěn)定,脫氮效率又恢復(fù)到逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì).這說(shuō)明基質(zhì)濃度的沖擊性變化對(duì)載體上微生物的活性產(chǎn)生了一定的抑制性,從而影響反應(yīng)器的工作穩(wěn)定性,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的適應(yīng)調(diào)整,微生物適應(yīng)了負(fù)荷后,脫氮率又開(kāi)始逐漸上升.馴化期結(jié)束的標(biāo)志是當(dāng)進(jìn)水量維持在1000mL(此時(shí)NH+4-N負(fù)荷為300mg·L-1·d-1)時(shí),反應(yīng)器的脫氮率不再隨時(shí)間的增加而增長(zhǎng),而是上下浮動(dòng).穩(wěn)定階段持續(xù)了33d,其主要作用是提高反應(yīng)器脫氮性能的穩(wěn)定性,結(jié)果表明,SBBR進(jìn)水量穩(wěn)定在1000mL的情況下,脫氮率波動(dòng)幅度保持在±2%之內(nèi);穩(wěn)定階段后期對(duì)反應(yīng)器抗沖擊負(fù)荷性能進(jìn)行了測(cè)試,當(dāng)把進(jìn)水量從1000mL逐漸提高到1500mL的過(guò)程中,反應(yīng)器的效率有所下降,尤其是當(dāng)水量增加到1500mL的時(shí)候,脫氮效率甚至下降到60%左右.但是當(dāng)進(jìn)水量恢復(fù)到1000mL之后,脫氮效率也逐漸恢復(fù)到原有的水平(圖3).因此可以確定該反應(yīng)器的最佳氨氮負(fù)荷為300mg·L-1·d-1左右,當(dāng)氨氮負(fù)荷增高至450mg·L-1·d-1以上時(shí),對(duì)反應(yīng)器出水水質(zhì)產(chǎn)生較大的影響.2.2no-2-n的濃度變化為了分析SBBR反應(yīng)器內(nèi)部的脫氮過(guò)程及其微生物學(xué)原理,對(duì)進(jìn)入穩(wěn)定期的反應(yīng)器進(jìn)行了單個(gè)周期內(nèi)的實(shí)驗(yàn)分析,被測(cè)試的數(shù)據(jù)包括pH值、溶解氧濃度、NH+4-N、NO-3-N和NO-2-N.每隔0.5h進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量.圖4為SBBR反應(yīng)器內(nèi)NH+4-N、NO-3-N和NO-2-N濃度在一個(gè)反應(yīng)周期內(nèi)的變化,由圖可知,在一個(gè)反應(yīng)周期內(nèi),NH+4-N濃度從進(jìn)水之后的242.8mg·L-1逐步降至出水的22.8mg·L-1;在缺氧階段,NH+4-N濃度的轉(zhuǎn)化速率稍微高于曝氣階段;亞硝酸鹽在曝氣階段出現(xiàn)積累,在缺氧階段逐漸被消耗,其濃度曲線呈現(xiàn)明顯的波浪狀;硝酸鹽的產(chǎn)量很小,只在反應(yīng)周期的后2個(gè)曝氣-缺氧循環(huán)中出現(xiàn)積累,并且在缺氧結(jié)束之后,硝酸鹽的濃度又超出了檢測(cè)下限.2.3反應(yīng)器ph值的影響厭氧氨氧化細(xì)菌的培養(yǎng)和馴化過(guò)程中,pH值是一個(gè)非常重要的環(huán)境條件,pH對(duì)厭氧氨氧化過(guò)程的影響主要來(lái)自它對(duì)細(xì)菌和基質(zhì)的影響.Strous等人的研究表明,厭氧氨氧化適宜的pH范圍為6.7～8.3,最大反應(yīng)速率出現(xiàn)在pH為8.0左右(Strous,1997).而亞硝酸細(xì)菌的氨氧化和厭氧氨氧化細(xì)菌的厭氧氨氧化過(guò)程,都會(huì)對(duì)pH值產(chǎn)生一定的影響,因此必須對(duì)反應(yīng)器的pH進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控,以創(chuàng)造厭氧氨氧化反應(yīng)發(fā)生的最佳條件.但是在反應(yīng)器穩(wěn)定后,即溫度為(32.0±0.4)℃、DO為1.2～1.4mg·L-1及1000mL的進(jìn)水量的工藝參數(shù)下,通過(guò)對(duì)單個(gè)周期內(nèi)pH值變化的實(shí)驗(yàn)分析(圖5)發(fā)現(xiàn),該反應(yīng)器的pH值始終維持在7.3～7.8之間,不需要外加酸堿進(jìn)行pH的調(diào)整,為厭氧氨氧化細(xì)菌成為優(yōu)勢(shì)菌種創(chuàng)造了合適的pH值條件.其原因就在于SBBR反應(yīng)器的高頻率曝氣-缺氧交替的間歇運(yùn)行方式使曝氣段產(chǎn)生的酸能夠及時(shí)的被缺氧段產(chǎn)生的堿及時(shí)中和.3討論3.1降低溶解氧濃度對(duì)亞硝酸鹽細(xì)菌活性的影響傳統(tǒng)的全程硝化過(guò)程中,當(dāng)NH+4-N被亞硝酸細(xì)菌作為底物氧化成NO-2-N之后會(huì)隨即被硝酸細(xì)菌作為底物氧化成NO-3-N,一般不會(huì)出現(xiàn)亞硝酸鹽的積累.眾所周知,硝酸細(xì)菌能夠以NO-2-N為基質(zhì)進(jìn)行生長(zhǎng)代謝,該過(guò)程受到氧氣和亞硝酸鹽供應(yīng)量的雙重制約,因此只要控制一個(gè)制約因子(氧氣或亞硝酸鹽),就能夠抑制硝酸細(xì)菌活性,使硝化反應(yīng)停留在亞硝化階段.1993年Laanbroek發(fā)現(xiàn)降低溶解氧濃度有利于促進(jìn)亞硝酸細(xì)菌的生長(zhǎng),能夠限制硝酸細(xì)菌的生長(zhǎng)(Laanbroek,1993);Garrido等人的研究則發(fā)現(xiàn)溶解氧濃度超過(guò)2.5mg·L-1時(shí),氨會(huì)被完全轉(zhuǎn)化成硝酸鹽,溶解氧濃度介于1.0～2.0mg·L-1時(shí),亞硝酸鹽積累并達(dá)到最大值(Garrido,1997).因此,該反應(yīng)器將溶解氧作為制約因子,采取微量曝氣方式將曝氣階段的溶解氧濃度控制在1.2～1.4mg·L-1(圖6).實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了以溶解氧作為控制因子的可行性,從圖4可以看出在每個(gè)曝氣段亞硝酸鹽都迅速積累并達(dá)到最大值,硝化作用被成功的控制在亞硝酸鹽階段.同時(shí)從圖4、圖6中可以看到該反應(yīng)器運(yùn)行一個(gè)周期的過(guò)程中硝酸鹽的產(chǎn)量很小,只在反應(yīng)周期的后兩個(gè)曝氣-缺氧循環(huán)中才出現(xiàn)積累,并且在缺氧結(jié)束之后,硝酸鹽的濃度又超出了檢測(cè)下限.硝酸鹽出現(xiàn)在反應(yīng)周期后期的原因可能是由于后期NH+4-N供應(yīng)不足,氧氣相對(duì)過(guò)剩,使得環(huán)境條件有利于硝酸細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖.3.2從耐氧特性中的細(xì)菌nh+4-n和no-2-n比值對(duì)從圖4可以看出,在缺氧階段氨和亞硝酸鹽以一定的比例被同時(shí)轉(zhuǎn)化,該現(xiàn)象被認(rèn)為是厭氧氨氧化反應(yīng)的本質(zhì)特征,因此NH+4-N和NO-2-N同時(shí)被去除以及兩者的去除量之比可作為厭氧氨氧化反應(yīng)狀況的重要判據(jù)(張少輝,2004).在反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)的轉(zhuǎn)變過(guò)程中,發(fā)生氨和亞硝酸鹽的同步去除,表明反應(yīng)器中存在厭氧氨氧化作用,即厭氧氨氧化細(xì)菌以氨作為電子供體將亞硝酸鹽還原為氮?dú)?為了更好的證明這一反應(yīng)的存在,計(jì)算了在缺氧階段被消耗掉的NH+4-N和NO-2-N的比值,這個(gè)比值包括兩個(gè)數(shù)據(jù),一個(gè)是從停止曝氣開(kāi)始到缺氧段結(jié)束的過(guò)程中被消耗掉的NH+4-N和NO-2-N比值ⅰ,另一個(gè)是缺氧段的中間時(shí)刻到缺氧段結(jié)束的過(guò)程中被消耗掉的NH+4-N和NO-2-N比值ⅱ,數(shù)值見(jiàn)表2.厭氧氨氧化細(xì)菌能夠在缺氧條件下,以亞硝酸鹽為氧化劑,把氨氧化為氮?dú)夂拖跛猁},并從中獲得能量而生長(zhǎng).根據(jù)化學(xué)計(jì)量和物料衡算得到的厭氧氨氧化反應(yīng)(Verstraete,1998;Strous,1999)的過(guò)程如下:NH+4+1.32NO-2+0.425CO2→1.045N2+0.22NO-3+1.87H2O+0.09OH-+0.425CH2O通過(guò)該反應(yīng)式可以知道,在厭氧氨氧化過(guò)程中被消耗掉的NH+4-N和NO-2-N理論比值大約在0.758左右,缺氧段的比值ⅱ很接近這個(gè)比值,由此進(jìn)一步證明了SBBR反應(yīng)器的缺氧段后期,厭氧氨氧化反應(yīng)占據(jù)了主導(dǎo)地位(左劍惡,2003).但是比值ⅰ卻普遍高出理論值,可能是由于曝氣停止后,反應(yīng)器內(nèi)依然還殘留有部分溶解氧(圖6),這些溶解氧的濃度還足夠亞硝酸細(xì)菌維持一段時(shí)間的生命活動(dòng),一部分NH+4-N被亞硝酸細(xì)菌轉(zhuǎn)化成NO-2-N,在這個(gè)過(guò)程中被消耗的NH+4-N也被計(jì)算到NH+4-N的消耗總量,導(dǎo)致比值ⅰ偏大.在表2中,缺氧段4的比值ⅱ特別值得注意,它比其它的3個(gè)缺氧段的比值ⅱ要低出近27%,而實(shí)際出水中NH+4-N的濃度仍然達(dá)到22.8mg·L-1,也就是說(shuō)反應(yīng)器內(nèi)的NH+4-N即使在出水之前也沒(méi)有出現(xiàn)不足,由此推論,當(dāng)NH+4-N濃度低于一個(gè)數(shù)值之后,厭氧氨氧化細(xì)菌利用NH+4-N和NO-2-N進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng)的速率和效率都迅速下降,脫氮效率降低,一部分厭氧氨氧化細(xì)菌轉(zhuǎn)入內(nèi)源呼吸過(guò)程.剩余的NO-2-N以及在厭氧氨氧化反應(yīng)中產(chǎn)生的NO-3-N則可能通過(guò)反應(yīng)器內(nèi)少量的反硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)化為氮?dú)?4sbbr反應(yīng)器高頻率的脫氮機(jī)制1)在SBBR反應(yīng)器內(nèi)保持