低碳氮比農(nóng)村生活污水處理工藝
近年來,，隨著我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展與農(nóng)村生活水平的提高，越來越多的農(nóng)村生活污水進(jìn)入水體,，對(duì)水體環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染,。農(nóng)村生活污水的隨意排放是我國(guó)農(nóng)村地區(qū)水環(huán)境污染的主要原因。如太湖水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要污染物中,，25．1%的氮,、60%的磷源于農(nóng)村生活污水。
目前,，國(guó)家已將《農(nóng)村環(huán)境連片整治》列入環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃的重點(diǎn)治理項(xiàng)目,，其中農(nóng)村生活污水的治理列為重點(diǎn)。脫氮是污水處理的重要功能之一,，而目前傳統(tǒng)的生物脫氮方式主要是通過硝化過程將NH4+氧化成NO3-,，再通過反硝化過程將NO3-還原為N2排入大氣。在反硝化過程中需要消耗大量的有機(jī)碳源,，而目前的農(nóng)村生活污水C/N較低,，致使反硝化過程所需碳源不足，造成脫氮效率下降,。因此研究和應(yīng)用節(jié)能高效的廢水脫氮工藝技術(shù),，已成為當(dāng)今水污染控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),。厭氧氨氧化(ANAMMOX)工藝，是由荷蘭Delft理工大學(xué)根據(jù)厭氧氨氧化原理研究開發(fā)的一種新型污水生物脫氮工藝,。在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了多種生物脫氮工藝,，如:CANON、OLAND等,。但實(shí)際氨氮廢水的產(chǎn)生中往往會(huì)有一定濃度的COD,，限制了該技術(shù)在工程上的實(shí)際應(yīng)用。最近研究表明,，ANAMMOX菌可成功的氧化丙酸,，同時(shí)葡萄糖、甲酸,、丙氨酸并不影響ANAMMOX過程,，而且ANAMMOX菌能夠與異養(yǎng)反硝化菌競(jìng)爭(zhēng)利用有機(jī)物，例如丙酸,。因此對(duì)ANAMMOX與硝化/反硝化的相互關(guān)系的研究相當(dāng)活躍,，出現(xiàn)了同時(shí)亞硝化、ANAMMOX和反硝化工藝(SNAD),。
本文以模擬廢水為原水,，首先在厭氧水解酸化單元除去部分COD并同時(shí)將大分子碳源水解成小分子脂肪酸;然后進(jìn)行SNAD處理單元，通過對(duì)其運(yùn)行條件的控制,，進(jìn)行氮和COD的同時(shí)去除,。本研究首先馴化培養(yǎng)亞硝化與反硝化菌種，然后進(jìn)行SNAD生物膜的馴化培養(yǎng);然后通過水解酸化+考察氮和COD的去除能力,，實(shí)現(xiàn)自養(yǎng),、異養(yǎng)脫氮工藝的高效、低耗及長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行,。該組合工藝與傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比大大降低了運(yùn)行成本,，為農(nóng)村生活污水的高效除碳脫氮的實(shí)現(xiàn)提供新工藝和新方法。
1材料與方法
1．1實(shí)驗(yàn)原水
原水采用人工模擬污水,，其營(yíng)養(yǎng)鹽組成為:KHCO31．25,，KH2PO40．025，CaCl2·2H2O0．35,，MgSO4·7H2O0．2,，F(xiàn)eSO40．00625，EDTA0．00625,，KCl0．014,，NaCl0．01g/L。
進(jìn)行亞硝化菌培養(yǎng)與SNAD填料掛膜時(shí)通過投加NH4Cl,、乙酸與丙酸以提供NH4+-N(100～150mg/L)與COD(100mg/L),。
進(jìn)行水解酸化-SNAD組合工藝連續(xù)實(shí)驗(yàn)時(shí),，為體現(xiàn)農(nóng)村生活污水低C/N比的水質(zhì)特點(diǎn)，通過投加NH4Cl與淀粉,，模擬農(nóng)村生活污水COD配制為100～150mg/L左右,，NH+4-N濃度為50mg/L左右。
1．2實(shí)驗(yàn)裝置
本裝置是一種新型水解酸化-SNAD兩段式反應(yīng)器,，其中SNAD單元采用拔風(fēng)濺水生物濾池。生物濾池的填料采用造價(jià)低,、質(zhì)量輕,、孔隙度大的無紡布填料(填料外形尺寸為Ф40×20mm，無紡布在填料內(nèi)壁厚度為2mm,，見圖1),，填料共140個(gè)，濾池內(nèi)基質(zhì)以及氣液固三相混合均勻,，溶解氧的控制簡(jiǎn)便,。無紡布有較大的孔隙度，表面粗糙,，有利于微生物的附著,、生長(zhǎng)與繁殖，特別適合于生長(zhǎng)緩慢的微生物的培養(yǎng)及其工藝的運(yùn)行,。生物濾池填料表面生物膜由內(nèi)向外依次為ANAMMOX菌,、反硝化菌和亞硝化菌。濾池下部設(shè)置通風(fēng)口,，污水從上部濺水盤滴下,，與空氣流逆流接觸，同時(shí)發(fā)生亞硝化,、反硝化和ANAMMOX反應(yīng),，同時(shí)除碳脫氮。如圖1所示,，水解酸化池有效容積為5L,，為上流式水解反應(yīng)器，HＲT為3．6h,，實(shí)驗(yàn)期間溫度保持室溫,。生物濾池呈圓柱形，填料填充部分有效容積為6L(填料填充比為58%左右),，拔風(fēng)管高度為1m,，拔風(fēng)管口設(shè)有通氣閥門，調(diào)節(jié)裝置內(nèi)部溶解氧,，布水裝置為3條半管式溢流布水器,，間距為2cm,。濺水區(qū)由2塊交錯(cuò)的開縫PVC板(上層盤縫隙寬度為5mm，板縫比為8∶1;下層盤縫隙寬度為5mm,，板縫比為4∶1)組成,，2塊板相距20cm。從反應(yīng)第20d起,，生物濾池出水通過回流泵返回進(jìn)水口(回流比為300%),。生物濾池外纏繞一層保溫水管，通過調(diào)整恒溫水浴使反應(yīng)器內(nèi)溫度控制在34±1℃左右(從反應(yīng)第21d開始),。
用于培養(yǎng)亞硝化污泥的反應(yīng)器呈圓柱形,，設(shè)置攪拌器，有效體積為12L,，溫度控制在30℃左右,，pH范圍控制在7．5～8．0，HＲT為24h,。出水進(jìn)入沉淀池(有效體積為2L),，污泥通過蠕動(dòng)泵回流至反應(yīng)器。
用于ANAMMOX污泥培養(yǎng)與SNAD填料掛膜的反應(yīng)器為圓柱形的密閉的反應(yīng)容器,，有效體積為15L,，通過設(shè)置加熱管將溫度保持在30℃左右，pH范圍控制在7．5～8．0,，HＲT為24h,。出水進(jìn)入沉淀池(有效體積為2L)，污泥通過蠕動(dòng)泵回流至反應(yīng)器,。
1．3接種污泥
接種好氧活性污泥取自大連凌水河污水處理廠,，用于培養(yǎng)亞硝化污泥，接種污泥懸浮顆粒濃度為3000mg/L;填料上接種的反硝化菌與ANAMMOX菌種取自本實(shí)驗(yàn)室,，其中厭氧氨氧化活性為30mmol/(g·d),。
水解酸化污泥取自大連夏家河子污水處理廠，接種污泥懸浮顆粒濃度為3500mg/L,。
1．4分析方法
NH4+-N,、NO2--N、NO3--N等均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法分析,，揮發(fā)性有機(jī)酸(VFA)采用氣相色譜法,，COD采用重鉻酸鉀法，總氮采用TOC(TOC2VCPH,，Shimadzu)分析儀測(cè)定,。水中溶解氧濃度(DO)和pH分別采用溶解氧分析儀(YSI，Model55,，USA)和pH計(jì)(SartoriusAG)測(cè)定,。
1．5實(shí)驗(yàn)步驟
實(shí)驗(yàn)主要分為兩個(gè)階段:
第一階段:亞硝化污泥培養(yǎng)與SNAD填料掛膜
首先,，將凌水污水廠活性污泥投入亞硝化污泥培養(yǎng)反應(yīng)器，連續(xù)曝氣24h后,，排出懸浮污泥,。連續(xù)進(jìn)入NH4+-N廢水，通過控制溶解氧濃度實(shí)現(xiàn)亞硝化污泥的馴化培養(yǎng),。亞硝化污泥馴化階段為45d,。同時(shí)在培養(yǎng)ANAMMOX污泥的反應(yīng)器中投入填料與ANAMMOX污泥，繼續(xù)連續(xù)模擬氨氮廢水掛膜5d,。將馴化的亞硝化污泥投入?yún)捬醢毖趸囵B(yǎng)反應(yīng)器中,，控制好溫度、pH與溶解氧,，掛膜24d。為避免原水COD對(duì)自養(yǎng)脫氮菌的干擾,，最后將反硝化菌投入其中,，進(jìn)水中加入NH4+-N與有機(jī)碳源，掛膜12d,。
第二階段:水解酸化-SNAD反應(yīng)器處理模擬農(nóng)村生活廢水
將已經(jīng)掛膜的SNAD填料投入SNAD生物濾池,，同時(shí)啟動(dòng)厭氧水解酸化與SNAD單元，形成組合工藝,，并用模擬農(nóng)村生活污水進(jìn)行貫通實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,，實(shí)驗(yàn)期間為40d。
2結(jié)果與討論
2．1亞硝化污泥馴化培養(yǎng)
在亞硝化污泥培養(yǎng)反應(yīng)器中馴化45d,，分為亞硝化污泥的馴化(0～24d)以及亞硝化污泥的富集培養(yǎng)(24～45d)兩個(gè)階段,。在亞硝化污泥馴化階段，反應(yīng)器進(jìn)水NH4+-N濃度控制在97．3mg/L左右,。0～14d,，出水NH4+-N濃度均大于進(jìn)水NH4+-N濃度，先從初始的87．2mg/L增至154．7mg/L,，然后逐漸降低,。這主要是由于反應(yīng)器進(jìn)水中沒有投加有機(jī)碳源，在限氧,、缺乏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的條件下污泥中的好氧異養(yǎng)菌死亡后被厭氧分解,，產(chǎn)生NH4+-N，從而使出水中NH4+-N濃度大于進(jìn)水NH4+-N濃度,。隨著馴化過程的進(jìn)行,，出水NH4+-N濃度逐漸降低，第24d降至40．1mg/L,。在亞硝化污泥富集培養(yǎng)階段,，NH4+-N濃度提高至157．3mg/L,，此時(shí)出水NH4+-N濃度從92．3mg/L降至72．5mg/L，NH4+-N的去除率提高至50．5%,，此時(shí)污泥顏色為黃褐色,，表明了反應(yīng)器污泥當(dāng)中亞硝化污泥占據(jù)主導(dǎo)地位，經(jīng)過半個(gè)多月時(shí)間的運(yùn)行,，反應(yīng)器亞硝化污泥活性再次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),。
2．2SNAD生物膜的馴化培養(yǎng)
在已經(jīng)完成掛膜的ANAMMOX反應(yīng)器內(nèi)投入已馴養(yǎng)好的亞硝化污泥，通過控制溶解氧(0．8～1．2mg/L),，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)行半硝化和厭氧氨氧化反應(yīng)(CANON反應(yīng)),。CANON反應(yīng)運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。在CANON工藝啟動(dòng)與運(yùn)行階段,，反應(yīng)器進(jìn)水NH4+-N濃度控制在150mg/L左右,。0～12d，反應(yīng)器出水NH4+-N濃度逐漸從48．4mg/L升至76．5mg/L,。出水NO3--N濃度卻有所降低,，這主要是因?yàn)橥ㄟ^調(diào)控及優(yōu)化溶解氧，水力停留時(shí)間等條件后,，亞硝化菌在生物膜耗氧區(qū)將部分NH4+-N氧化成NO2--N,，使生物膜內(nèi)層進(jìn)行變?yōu)閰捬醐h(huán)境有利于厭氧氨氧化反應(yīng)的進(jìn)行，使有一部分硝化菌由于環(huán)境條件,，種間斗爭(zhēng)被分解,。并且在此期間內(nèi)，亞硝化細(xì)菌與ANAMMOX菌協(xié)同共生需要一段適應(yīng)期,，因此氮的轉(zhuǎn)化形式并不吻合CANON反應(yīng);隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,，亞硝化在生物膜好氧區(qū)開始逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，亞硝化細(xì)菌消耗生物膜內(nèi)部的溶解氧將部分NH4+-N氧化NO2--N,，為下一步ANAMMOX反應(yīng)提供厭氧條件,，此時(shí)ANAMMOX菌趨向于生物膜內(nèi)側(cè)生長(zhǎng)并在在厭氧環(huán)境下將剩余的NH4+-N和亞硝化產(chǎn)生的亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化成氮?dú)狻?2～24d，出水NH4+-N濃度基本保持穩(wěn)定趨勢(shì)降低,，從76．5mg/L降低至30．3mg/L,，NH4+-N去除率從47．5%增至73．3%，TN的去除率達(dá)到了70%左右,，兩種菌群對(duì)底物的去除達(dá)到平衡,，從而使得NH4+-N與NO2--N、NO3--N都能得到有效去除,，實(shí)現(xiàn)CANON自養(yǎng)脫氮,。
向已經(jīng)完成掛膜的CANON的反應(yīng)器內(nèi)投入已馴養(yǎng)好的反硝化污泥，原水中加入COD，進(jìn)行SNAD生物膜的掛膜過程,。如圖4所示,，12d以內(nèi)，出水COD濃度由87．1mg/L降至47．2mg/L,，出水NH4+-N濃度由50．7mg/L降低到36．9mg/L,，NO2--N濃度與NO3--N濃度在12d時(shí)都已降至3mg/L，表明反硝化污泥效果良好,。12d內(nèi)COD與TN去除率分別為53．4%與71．6%,，反應(yīng)器內(nèi)懸浮污泥濃度低于100mg/L，表明SNAD填料基本完成掛膜過程,。
2．3水解酸化-SNAD工藝啟動(dòng)與運(yùn)行
2．3．1水解酸化單元運(yùn)行效果
控制厭氧水解酸化HＲT為3．6h,，整個(gè)工藝運(yùn)行階段，反應(yīng)器進(jìn)出水COD濃度,、COD去除率變化如圖5所示,。進(jìn)水COD為156．2mg/L，,，此時(shí)C/N比為3∶1,。經(jīng)過水解酸化后，出水COD濃度從140mg/L降至61mg/L,，去除率逐漸提高至56．74%。在開始的4d內(nèi),，COD去除率較低,。5～10d內(nèi)出水COD濃度不斷降低，從137mg/L降至80mg/L,，接種水解酸化菌逐漸適應(yīng)新的環(huán)境,。10～18d，出水COD濃度保持在70mg/L左右,，表明水解酸化單元去除COD已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定階段,。此時(shí)出水的C/N比約為1．4∶1。Chen等人在SNAD實(shí)驗(yàn)研究中認(rèn)為最優(yōu)的C/N比為1∶2,，因此進(jìn)一步降低進(jìn)水COD濃度至100mg/L,，原水C/N比保持為2∶1。經(jīng)過20多天的連續(xù)反應(yīng),，出水COD降至30mg/L左右,，COD去除率升至69．0%，相較進(jìn)水150mg/L時(shí)去除率有明顯提高,。此時(shí)出水C/N比約為3∶5,。
VFAs的組成的對(duì)于厭氧水解酸化反應(yīng)的效果直接相關(guān)，尤其在隨后的脫氮碳源選擇和對(duì)ANAMMOX菌的生長(zhǎng)代謝上有較大的影響。在本實(shí)驗(yàn)中,，VFAs產(chǎn)物主要是乙酸,，丙酸，異丁酸,，正丁酸(圖6),。
從圖6可以看出，乙酸是厭氧水解酸化反應(yīng)的主要產(chǎn)物,，占據(jù)了總產(chǎn)物含量的70%以上,。當(dāng)投加碳源COD為150mg/L左右時(shí)，前3個(gè)樣品的VFAs/COD分別為0．35,、0．34和0．38,，4種酸所占比例則大致相似，在VFAs含量中所占比例平均為75%,，7．5%,、9%及8．5%。當(dāng)投加碳源COD為100mg/L左右時(shí),，COD去除率提高到69%,，VFAs/COD分別為0．71、0．72和0．75,，VFAs/COD提高一倍左右,，同時(shí)乙酸平均含量提高到88．4%，而異丁酸的濃度則變?yōu)?,。這主要是因?yàn)閜H值是影響水解酸化的重要因素之一,，尤其對(duì)乙酸更為明顯，由于正常情況下產(chǎn)乙酸只消耗一個(gè)三磷酸腺苷,，在低pH條件下,，一個(gè)三磷酸腺苷已經(jīng)不滿足產(chǎn)乙酸的能量，投加碳源COD為100mg/L時(shí)水解酸化反應(yīng)器內(nèi)pH值的提高(提高大約0．3左右)加快了乙酸的產(chǎn)生,。此外,，異丁酸的消失可能是由于進(jìn)水COD的降低導(dǎo)致低碳氮比從而影響對(duì)異丁酸菌活性的抑制。水解酸化單元進(jìn)出水NH4+-N濃度基本保持在50mg/L左右,。
2．3．2SNAD單元運(yùn)行效果
水解酸化出水進(jìn)入拔風(fēng)濺水生物濾池,，整個(gè)工藝運(yùn)行階段，反應(yīng)器進(jìn)出水氮化合物及COD濃度及去除率變化如圖7所示,。0～18d時(shí),，反應(yīng)器NH4+-N濃度由34．9mg/L降低到23．5mg/L，NO2--N與NO3--N平均濃度分別為5mg/L與16mg/L;COD的去除率在50%左右,。此期間內(nèi)總氮去除率不足10%,，主要因?yàn)榘物L(fēng)管通風(fēng)流速過慢且反應(yīng)器內(nèi)外溫差過小，使通風(fēng)效果不佳導(dǎo)致溶解氧濃度較低，造成NH+4-N去除率只有47．1%左右;而反應(yīng)開始至第18d,，反應(yīng)器處于室溫條件下(12℃),，此溫度下不利于亞硝化菌的生長(zhǎng)代謝，因此產(chǎn)物大多為NO3--N,，該溫度也極大地抑制了ANAMMOX反應(yīng)并影響了反硝化速率;此階段水解酸化出水的VFAs/COD較低,，同時(shí)出水未回流，導(dǎo)致反硝化脫氮效率較低;此外生物濾池進(jìn)水C/N比約為1．2∶1,，也影響了SNAD反應(yīng)的效果,。因此，從第19d起,，通過加熱手段將反應(yīng)器內(nèi)溫度控制在34±1℃左右,，同時(shí)調(diào)節(jié)通風(fēng)孔流速，提高反應(yīng)器內(nèi)部溶解氧,，濾池出水回流至進(jìn)水端,，提高濺水溶氧的效果并強(qiáng)化反硝化反應(yīng)。出水NH4+-N,、NO3--N及COD濃度逐漸降低,，第40d時(shí)分別為3、4與7mg/L,，出水NO2--N濃度為1mg/L;COD與總氮去除率分別達(dá)到76．7%與84．1%,。此外第32d進(jìn)水C/N比降至1∶1，至第40d降至3∶5,。由圖7可以看出,，反應(yīng)器C/N小于1時(shí)，NO3--N與NO2--N濃度分別從27．8,、8mg/L降至9、1mg/L,，TN去除率增至84．1%,，COD去除率提高到76．7%，反應(yīng)器運(yùn)行良好,，COD去除率在C/N為3∶5時(shí)保持穩(wěn)定,，該進(jìn)水C/N比接近SNAD工藝最優(yōu)C/N比(1∶2)。此外VFAs/COD的提高也會(huì)加快反硝化反應(yīng)速率并減小對(duì)ANAMMOX反應(yīng)的影響,，從而提高脫氮效率,。由去除的COD濃度(23mg/L，第40d)可知,，由反硝化去除的總氮約為5～6mg/L左右(按照去除1gNO3--N需要4gCOD計(jì)),，其余大部分總氮去除由ANAMMOX反應(yīng)完成。
推測(cè)SNAD生物膜的除碳脫氮機(jī)理為:亞硝化反應(yīng)在生物膜好氧區(qū)占主導(dǎo)地位，反硝化反應(yīng)與ANAMMOX反應(yīng)在生物膜厭氧區(qū)占據(jù)主導(dǎo)地位,。在生物膜好氧區(qū),，限氧條件下亞硝化菌消耗一定的溶解氧將部分NH4+-N氧化成NO2--N，同時(shí)為生物膜內(nèi)層的厭氧氨氧化與反硝化創(chuàng)造良好的厭氧環(huán)境;在生物膜厭氧區(qū),，限氧環(huán)境下剩余的COD與ANAMMOX產(chǎn)物NO3--N進(jìn)行反硝化反應(yīng),，脫氮的同時(shí)降低COD，為ANAMMOX菌提供最優(yōu)的生長(zhǎng)環(huán)境;在生物膜厭氧區(qū)內(nèi)部,，ANAMMOX菌利用剩余的NH4+-N以及亞硝化產(chǎn)物NO2--N生成氮?dú)饧吧倭康腘O3--N,。
3結(jié)語(yǔ)
通過本文試驗(yàn)結(jié)果的分析得出以下結(jié)論:
(1)水解酸化單元在C/N比2∶1條件下，COD的去除率可達(dá)到69%,，出水C/N比為3∶5;VFAs成分主要為乙酸,，丙酸和正丁酸三種，濃度含量平均分別為88．4%,、6．5%以及5．1%,，VFAs/COD為0．74。
(2)在SNAD脫氮單元,，通過亞硝化,、反硝化與厭氧氨氧化的耦合作用，COD與總氮的去除率分別可達(dá)到76．7%和84．1%,。脫氮主要由ANAMMOX反應(yīng)完成,。
(3)厭氧水解-SNAD組合工藝COD與總氮總?cè)コ史謩e達(dá)到92．8%和84．1%。
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