上流式厌氧反应器优势（一体化厌氧氨氧化反应器的优化及其稳定性研究）

上流式厌氧反应器优势（一体化厌氧氨氧化反应器的优化及其稳定性研究）1.3分析方法试验过程中利用在线设备监测反应器内NH4 、NO2-和NO3-浓度 pH值、温度和DO采用WTW便携式检测仪(340i)检测;试验末取出水检 测 其中NH4 -N采用纳氏试剂分光光度法测定; 亚硝酸盐和硝酸盐采用离子色谱检测;污泥浓度采用滤纸过滤称重法;粒径分析采用马尔文激光 粒度仪测定。试验用水进水采用北京高碑店污水处理厂初沉池出水加入NH4HCO3模拟高氨氮、低 C/N废水。进水水质为:NH4 -N:550~2800mg/L、NO2 --N: 0~ 10mg/L、COD:150~300mg/L、TP:5~8mg/L。因此进一步优化一体化厌氧氨氧化 工艺 提高系统稳定性和总氮去除负荷 实现 Anammox 菌快速大量富集对厌氧氨氧化工艺 的推广应用有重要意义.本论文以 SBR 反应器 为研究对象 考察了一体化工艺总氮去除负荷 的变化及其限制因素;并研究了反应负荷提高 过程

一体化厌氧氨氧化反应器的优化及其稳定性研究

厌氧氨氧化工艺是一种高效、节能的新型脱 氮工艺。相比传统硝化-反硝化脱氮工艺它具有 节省能量、无需外加碳源、能量回收率高、污泥 产量少等显著优势。基于厌氧氨氧化的一体化 工艺是反应器中同时存在氨氧化菌(AOB)和厌 氧氨氧化菌(Anammox) 低氧条件下AOB消耗溶脱 氮工艺[1].相比传统硝化-反硝化脱氮工艺它具有 节省能量、无需外加碳源、能量回收率高、污泥 产量少等显著优势。基于厌氧氨氧化的一体化工艺是反应器中同时存在氨氧化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌(Anammox) 低氧条件下AOB消耗溶 解氧产生NO2-为 Anammox提供底物并创造缺 氧环境 Anammox将NO2-和NH4 转化为N2。

一体化工艺具有工艺流程简单、运行管理方便、亚硝冲击负荷小等特点.经过长期的试验研究和 工程实践 厌氧氨氧化工艺在处理污泥消化液、垃圾渗滤液、味精废水、制药废水、养殖废水等高氨氮废水方面已经取得了显著的成果。目前 城市生活污水的厌氧氨氧化处理技术已经成 为研究热点 它将最大限度地提高污水的能量回收率 实现污水处理厂能量自给甚至产能。根据调查 截止到 2014 年 全世界用于处理高温、高氨氮、低 C/N 的短程硝化-厌氧氨氧化 污水处理工程已达到100座 其中88%采用一体化工艺且SBR反应器占到50% 而 DEMON工 艺占到所有SBR工艺形式的80%。

在实际运行中大多采用在线监测控制策略 其中 DO 和 pH 值是应用最广泛的控制参数 适宜的 DO 可以避 免厌氧氨氧化菌受抑制并控制硝化细菌(NOB)的增长 适宜的pH值则可以避免过高的游离氨 (FA)或游离亚硝酸(FNA)对厌氧氨氧化菌的抑制。然而 由于一体化厌氧氨氧化工艺运行精 细化程度高、操作困难、受外界环境影响大等 因素的影响 仅仅依靠 DO 和 pH 值的控制策略 往往不能实现一体化工艺的长期稳定运行.目 前 虽然关于一体化厌氧氨氧化SBR反应器的 研究较多 且在实际工程中得到较为广泛的应 用 但是有关絮体污泥和颗粒污泥的关系以及 比例对系统稳定性和反应负荷的影响研究不够 全面.而且由于厌氧氨氧化菌生长速率缓慢[10] 普遍存在反应器接种污泥缺乏现象 尤其对于城市生活污水处理厂 接种污泥的来源将是污 水处理厂主流区实现厌氧氨氧化工艺的主要问 题之一。

因此进一步优化一体化厌氧氨氧化 工艺 提高系统稳定性和总氮去除负荷 实现 Anammox 菌快速大量富集对厌氧氨氧化工艺 的推广应用有重要意义.本论文以 SBR 反应器 为研究对象 考察了一体化工艺总氮去除负荷 的变化及其限制因素;并研究了反应负荷提高 过程中游离氨、絮体污泥浓度、溶解氧等因素 对系统稳定性的影响以及曝气量与 DO、总氮 去除负荷(NRR)之间的关系 并且提出了以曝气 量作为控制反应状态的控制策略。

1 材料与方法

1.1 反应器形式及运行条件本试验采用SBR反应器 反应器内径380mm 高 1100mm 有效容积 120L 曝气设备采用微孔曝气盘和空压机.曝气量通过转子流 量计控制.反应器接种污泥来自一中试规模的SBR反应器 污泥形态为絮体污泥和颗粒污泥 接种污泥浓度为4000mg/L 其中絮体污泥(粒径<200m 下同)占 60%.颗粒平均粒径 309μm. 反应器稳定期间运行周期为 12h 负荷降低 调整为 24h。其中进水10min 连续曝气11~23h 沉 淀30min 排水20min 排水比为1/4.试验控制反应 器温度为 30℃ 后一阶段调整为34℃ pH 值控制在6.9~7.8之间.反应过程中监测 NO2-浓度 通过调整曝气量控制NO2-浓度在5~20mg/L之间。

试验用水进水采用北京高碑店污水处理厂初沉池出水加入NH4HCO3模拟高氨氮、低 C/N废水。进水水质为:NH4 -N:550~2800mg/L、NO2 --N: 0~ 10mg/L、COD:150~300mg/L、TP:5~8mg/L。

1.3分析方法试验过程中利用在线设备监测反应器内NH4 、NO2-和NO3-浓度 pH值、温度和DO采用WTW便携式检测仪(340i)检测;试验末取出水检 测 其中NH4 -N采用纳氏试剂分光光度法测定; 亚硝酸盐和硝酸盐采用离子色谱检测;污泥浓度采用滤纸过滤称重法;粒径分析采用马尔文激光 粒度仪测定。

2 结果与分析 试验共进行了118d 整体表现为随着曝气量的提高总氮去除负荷逐渐增加并最终稳定在1.1kg/(m3·d)左右 平均总氮去除率为 87%.随着反 应进行 污泥粒径逐渐增加 最终颗粒污泥平均粒 径维持在500~600μm.污泥粒径的增加是在水力剪切力和水力筛分双重作用下产生的 颗粒粒径增大一方面可以增加颗粒内部缺氧区的范围 避 免溶解氧对厌氧氨氧化菌的影响有利于反应负 荷提高 但同时又会降低传质效率使反应速率降低;另一方面 颗粒粒径过大颗粒内部产生的N2不能迅速排出 形成空腔使颗粒漂浮在水面上 容易随出水流失。所以随着反应负荷的增加 颗 粒污泥粒径最终维持在500~600m。

反应器运行稳定性影响因素分析试验期间 出现了3次明显的负荷波动现象 。结合不同的运行条件 重点分析了一体化反应器稳定运行的影响因素。

2.1.1 游离氨浓度对系统稳定性的影响 第Ⅰ阶段为反应器接种和活性恢复阶段.反应前 10d 污泥活性逐渐恢复.由于进水pH值升高 在10~16d出现了第一次负荷降低 表现为 NO2-积 累明显 溶解氧升高 总氮去除率下降。试验结果表明系统内氨氧化活性并没有发生变化 而厌氧氨氧化活性明显降低。游离氨(FA)浓度过高是厌氧氨氧化菌受抑制的主要原因。根据 NH4 和NH3的解离平衡 FA浓度随着NH4 -N浓度和pH的增加而增加。而在此阶段进水混合液NH4 -N 浓度为 450mg/L pH=8.3~8.5 对应的 FA 浓度则为 68.11~99.16mg/L。

根据已有报道 当水中 FA 浓度大于 70mg/L 时就会对厌氧氨氧化菌造成抑制 长期的运行结果也表明 当进水NH4 -N 浓度高于700mg/L时就会引起厌氧氨氧化活性的抑制 随着氨氮浓度逐渐降低厌氧氨氧化反应速率提高。通过降低 进水pH值 在7个周期内反应器总氮去除负荷从0.2kg/(m3·d)提高到 0.6kg/(m3·d) 并且维持在稳定水平 同时曝气量 30L/h 提高到 60L/h 平均总氮 去除负荷高于接种污泥反应器。该阶段反应器内污泥浓度增加并逐渐维持稳定 这是反应负荷增加的主要原因。另外 小试反应器良好的混合状态提高了传质效率 其总氮去除能 力高于中试反应器。

2.1.2 絮体污泥所占比例对系统稳定性的影响 第Ⅱ阶段反应温度从30℃提高到34℃ 反应器总 氮去除负荷迅速提高到 0.8kg/(m3 ·d)。为了促进系 统内污泥颗粒化形成 从第38d开始 每天排出8L混合液 用200μm孔径筛子筛分 颗粒污泥返回 到反应器中 絮体污泥直接排放.初始反应器混合 液污泥浓度为 5252mg/L 其中絮体污泥占到55.9%.随着絮体污泥排出 反应器总氮去除负荷 呈现下降趋势.排泥初期反应负荷下降缓慢 而从第 55d 开始发生突降 第 57d 总氮去除负荷降低到0.35kg/(m3·d) 占最高总氮去除负荷的31.3% 此时体系中絮体污泥比例下降到 27.8%.分子生物学试验表明:AOB主要存在于絮体污泥中而 Anammox 则主要存在于颗粒污泥中 大量排出絮体导致体系内微生物结构发生较大变化。

排泥初期体系中AOB是过量的 增加曝气量溶解 氧浓度升高 使得体系仍能维持较高的氨氧化活性 从而弥补了AOB流失引起的氨氧化活性下 降.然而随着排泥继续进行 体系中 AOB 进一步 流失 相反 Anammox 主要存在于颗粒中 丰度基 本保持不变.絮体污泥排放导致了反应器氨氧化 活性下降 引起亚硝浓度受限 反应负荷迅速下降. 试验结果表明一体化厌氧氨氧化反应器中保持 微生物之间的协调关系是至关重要的。为了保证体系正常运行 停止排泥并逐渐增加曝气量 经过5个周期恢复 系统达到较高的总氮去除负荷 并稳定维持在0.85kg/(m3·d) 以上结果说明 AOB 增长速率较快 系统氨氧化活性在较短时间内 得到恢复进而与厌氧氨氧化活性相匹配。

2.1.3 溶解氧对系统稳定性的影响 随着曝气量逐渐提高 溶解氧升高反应负荷逐渐增加.在反 应第76d反应器总氮去除负荷再一次出现了明显的下降。表现出氨氧化和厌氧氨氧化活性迅速 降低 溶解氧、pH值升高现象。尽管第Ⅱ阶段末停止排泥 但是由于出水中絮体流失较多 经过18d运行絮体污泥浓度仍维持在1500mg/L以下 占混合液污泥总量的32.2%.在絮体浓度较低的情况下 氨氧化活性较低 反应器内微生物耗氧速率下降 同样的曝气量下体系溶解 氧明显升高 尤其在第76d和80d溶解氧浓度提高到0.8mg/L.溶解氧的升高造成了Anammox严重抑制 引起总氮去除率下降. Joss等使用 ATU对AOB 进行抑制后同样引起氨氧化活性降 低、溶解氧升高 在很短的时间内厌氧氨氧化活 性完全受到抑制.Hubaux 等也指出少量絮体 污泥可以显著影响反应效果和体系对溶解氧的 适应能力。

在第81d 对厌氧氨氧化菌活性做了测试 进水 NH4 -N 和 NO2--N 浓度分别为 386 77.75mg/L 缺氧搅拌 3h 出水 NH4 -N和 NO2--N浓度分别为 324 0.75mg/L 对应厌氧氨氧化活性为1.11kg/(m3·d) 这进一步表明高 DO 抑制了厌 氧氨氧化菌活性 在厌氧条件下厌氧氨氧化活性 可以较快恢复。长期的试验结果表明 在絮体污泥和颗粒污 泥混合的一体化反应器中游离氨浓度、亚硝酸盐浓度、絮体污泥与颗粒污泥的相对比例以及溶解 氧浓度等是影响反应器稳定运行的关键因素。稳定的进水水质、适宜的曝气量以及合理的微生物 结构组成有利于一体化厌氧氨氧化反应器去除负荷快速提高 并促进系统运行的稳定性。

2.2 反应器总氮去除负荷限制性因素，反应器总氮去除负荷随试验运行逐渐增加。试验进行100d以后 反应器总氮去除负荷基本保持稳定。为了探究一体化厌氧氨氧化 反应器的最大总氮去除负荷 通过提高曝气量使系统中存在一定的NO2 - 积累 平均NO2--N浓度约为15mg/L 考察在NO2-浓度不受限的情况下反应去除负荷能否进一步提高.试验结果表明:该系统的最大总氮去除负荷为 1.1kg/ (m3·d)。

进一步提高曝气量会造成系统NO2-的迅速积累和溶 解氧升高 而试验中发现当NO2--N浓度大于80mg/L、溶解氧大于0.8mg/L时就会引起厌氧氨氧化菌的抑制。为了验证增加厌氧氨氧化菌是否能够进一步提高总氮去除负荷 反应第119d从反应器中排出10L混合液 并用500μm筛网筛分另外10L混合液中的颗粒污泥混合后投入到一个11.5L的SBR反应器中 反应器污泥浓度为7293mg/L 其 中絮体污泥占到39.3%.在相同的反应条件下运行15d后发现该小试反应器的总氮去除负荷并 没有提高 平均为1.067kg/(m3·d)。

说明原一体化 反应器中厌氧氨氧化菌是过量的 在氨氧化不受 限的情况下 基质的传递效率成为了限制反应负 荷进一步提高的主要因素。根据已有报道 SBR一体化厌氧氨氧化反应器的总氮去除负荷均在1.0kg/(m3·d)以下 综合分析本试验和已有的文献报道 限制一体化厌氧氨氧化SBR反应器负荷提高的原因主要有:

(1)污泥随出水流失导致体系中污泥浓度基本保持恒定(MLSS=6000mg/L)不再增加 而在MBBR或MBR反应器中可以有效持留污泥从而 达到更高的总氮去除负荷;

(2)本系统是絮体污泥和颗粒污泥的混合体系 AOB和Anammox分别主要分布在絮体污泥和颗粒污泥中 反应器溶解氧控制较低 限制了氨氧化速率 然而进一步提高溶解氧会造成厌氧氨氧化菌的抑制。已有的报道表明 在纯颗粒污泥与生物膜一体化厌氧氨氧化系统中AOB主要附着在颗粒表面 可以消耗溶解氧避免颗粒内部的Anammox受到抑制 从而可以在较高的溶解氧(0.8~1.5mg/L)条件下运行并达到更高的总氮去除负荷[1.5kg/(m3·d)]。因此合理的微生物分布结构有利于不同菌群之间的协同发展;

(3)低曝气量条件下很难 保证颗粒的混合状态 从而影响传质效率 限制氮 去除负荷的提高 所以在SBR反应器中如何促进传质也是研究重点之一。

2.3 曝气量与总氮去除负荷之间的关系在厌氧氨氧化工艺的实际应用中 通常溶解氧的调控被认为是反应器稳定运行的关键因素。然而由于受到检测设备的准确程度、反应器混合的均匀程度以及调控的滞后性等因素的影响 溶解氧往往不能及时、准确地反映系统真实的运行状态。试验发现曝气量与总氮去除负荷之间存在很好的相关性。

随曝气量的增加 总氮去除负荷逐渐提高 (NRR=0.3~1.0kgN/(m3d) Q=60~150L/h);在反应稳定阶段曝气量基本保持恒定(NRR=1.0kgN/(m3/d) Q=160L/h)。而在整个反应过程中溶解氧基本保持恒定(0.1~0.3mg/L)。很显然 当反应负荷发生变化时曝气量更能准确地反映反应器状 态.在反应器启动和稳定运行过程中 可以通过调节曝气量来调控和维持反应器处于最佳的运行状态。当反应器进水负荷发生波动时能够及时、准确地通过调整曝气量避免发生过曝气 有利于实际工程的稳定运行。

3 结论

3.1 在絮体污泥与颗粒污泥混合的一体化厌氧氨氧化系统中 絮体污泥的作用非常重要.絮体污 泥所占比例不宜小于混合液总量的30%。

3.2絮体和颗粒混合的一体化厌氧氨氧化SBR反应器的最大总氮去除负荷约为1.1kg/(m3·d)。限制负荷进一步提高的因素有生物量、传质效率和微生物分布结构 合理的微生物分布结构有利于一体化厌氧氨氧化反应器总氮去除负荷的提高。

3.3 在一定的反应器形式下 曝气量和总氮去除负荷具有很好的相关性 可以通过调整曝气量调控反应器运行状态。