ASBR反应器厌氧氨氧化脱氮工艺特性与控制策略

中国环境科学2013,33(12)：2176~2183ChinaEnvironmentalScienceASBR反应器厌氧氨氧化脱氮Ⅰ:工艺特性与控制策略于德爽,李伟刚,李津*(青岛大学化学化工与环境学院,环境工程系,山东青岛266071)摘要：采用ASBR厌氧氨氧化(ANAMMOX)反应器,考察了反应器启动特性并提出了反应器优化启动策略,并且从基质控制和环境控制两方面分析了ANAMMOX工艺过程控制策略.启动优越性表现为:17d结束菌体自溶,出现了ANAMMOX现象;第51d由物料衡算知AAOB的产量超过反硝化菌;经100多d的培养,获得了砖红色小颗粒状污泥.由基质控制分析可知,要实现稳定运行,需控制进水NO2--N浓度低于240mg/L,否则会受到亚硝酸盐的抑制.由环境控制分析可知,ΔpH与进水流量Q的乘积(ΔpH.Q)同氨氮去除负荷之间存在良好的线性关系,pH值可以用作反应器运行状况的指示性参数.同时发现,稳定阶段周期内的ORP与pH值具有良好线性关系,ORP可以表述氨氮去除速率的变化趋势,根据ORP曲线的“转折点”得到了ANAMMOX反应脱氮延迟时间.关键词：厌氧氨氧化；ASBR反应器；调控策略；稳定性中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2013)12-2176-08NitrogenremovalintheAnammoxsequencingbatchreactorⅠ:Performanceandcontrolstrategies.YUDe-shuang,LIWei-gang,LIJin*(DepartmentofEnvironmentalEngineering,CollegeofChemicalScienceandEngineering,QingdaoUniversity,Qingdao266071,China).ChinaEnvironmentalScience,2013,33(12)：2176~2183Abstract：Thestart-upofANAMMOXprocessusingasequencingbatchreactorwasinvestigatedandthecharacteristicsandcontrolstrategiesduringstart-upwereexplored.Furthermore,processcontrolstrategieswerealsoanalyzedfromtwoaspectsofsubstratecontrolandenvironmentcontrol.ANAMMOXphenomenonwasobservedafter17dayswiththeendofcelllysisphase.Thus,bythematerialbalance,dailyproductionofANAMMOXbacteriawasmorethandenitrifyingbacteria.Thegranularred-brownANAMMOXsludgewasobtainedafter100-daystart-up.WhentheANAMMOXreactorwassuccessfullystarted-up,theanalysisoftheeffectsofsubstratesconcentrationsindicatedthattheANAMMOXprocesswasinhibitedwhenthenitriteconcentrationwashigherthan240mg/L.TheanalysisoftheoperationprocessindicatedagoodcorrelationbetweenNH4+-NremovalrateandthevalueofΔpH·Q.Therefore,thepHwassimpleindicatorofANAMMOXperformance.Theoxidation-reductionpotential(ORP)wasasparameterforindicatingtheperformanceoftheANAMMOXreactor,andtheresultsshowedthatagoodcorrelationbetweenORPandpH.Simultaneously,ORPwasusedtodescribethetrendofthevariedNH4+-Nremovalrate,andthedelaytimeofnitrogenremovalobtainedfromthe‘turningpoint’oftheORPcurve.Keywords：ANAMMOX；anaerobicsequencingbatchreactor；controlstrategy；stability厌氧氨氧化(ANAMMOX)是在厌氧条件下,厌氧氨氧化菌(AAOB)以亚硝酸盐(NO2--N)为电子受体氧化氨(NH4+-N)生成氮气,反应如式(1)所示[1].该工艺是目前已知的最为简洁而又经济的生物脱氮途径,开发和应用前景广阔[2-3].然而,由于AAOB为自养型细菌,生长极为缓慢,世代周期长(约11d)并且对生长环境要求苛刻[1],致使ANAMMOX反应器启动时间较长,过程稳定性较差,限制了该工艺的推广应用.+-+423-2320.50.152NH1.32NO0.066HCO0.13H1.02N0.26NO0.066CHON2.03HO+++→+++(1)优化反应器启动策略,实现过程稳定性控制是解决ANAMMOX实际应用瓶颈的重要手段.但目前鲜有报道反应器启动优化策略以及稳定性控制策略的研究.因此,本试验研究了ASBR反应器启动优化策略并且从基质控制和环境控制出发探讨了ANAMMOX运行稳定性控制的策略方法,旨在为ANAMMOX工艺的工收稿日期：2013-03-18基金项目：国家自然科学基金资助项目(51078191,51278258);青岛市应用基础研究项目(13-1-4-203-jch)*责任作者,讲师,[e-mail]12期于德爽等：ASBR反应器厌氧氨氧化脱氮Ⅰ:工艺特性与控制策略2177程应用提供参考.1材料与方法1.1试验用水和接种污泥采用人工配水,其组成参考唐崇俭等[4]所采用的添加量并加以修改.其中NH4+-N和NO2--N由NH4Cl和NaNO2提供.接种3L厌氧消化污泥,取自青岛某污水处理厂消化池,接种污泥MLSS为11.80g/L,VSS为8.85g/L.1.2试验装置和运行条件ASBR反应器由有机玻璃制成的细高型圆柱体,高520mm,直径150mm,总体积8L,有效容积7L.在反应器壁的垂直方向设置一排取样口(取样、排水),底部设有排泥口,上部设有出气口,反应产生的气体经缓冲瓶和水封瓶后排出.反应器通过恒温水浴箱保持温度在(35±0.2)℃,进水通过1mol/L的盐酸调节控制pH值为7.5±0.2,反应器外部用黑色遮光布包裹,进水采用氮气脱氧,防止DO的抑制作用.1.3分析项目与方法NH4+-N:纳氏试剂分光光度法;NO3--N:麝香草酚分光光度法;NO2--N:N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;TN:过硫酸钾氧化分光光度法;MLSS/VSS:重量法;pH/DO/ORP:德国WTWpH/ORP/Oxi340i手提式多参数测试仪.1.4污泥预处理方法将接种的厌氧污泥在此试验前一周进行污泥的淘洗.放置污泥到5L带塞塑料桶中,用无机盐溶液(KH2PO4=10mg/L,CaCl2=5.6mg/L,MgSO4=300mg/L)反复冲洗污泥并反复摇匀,静置0.5h后将杂质撇去,清洗后的污泥倒入反应器中,添加人工配水预培养(不加NH4+-N),设置HRT为24h(包括进水15min、反应23h、沉淀30min、排水15min),搅拌器转速设置为90r/min,污泥沉淀后排掉上清液和沉降性能差的絮状悬浮污泥.每2d将污泥全部排出,再用无机盐水反复冲洗污泥及反应器壁3次以上,去除杂质和淘汰死亡漂浮的菌落.2结果与讨论2.1反应器的启动运行根据ANAMMOX工艺启动特点,可将启动过程分为4个阶段,涉及到的生物过程有:菌体自溶作用、反硝化作用和厌氧氨氧化作用.第Ⅰ阶段:菌体自溶期(第1~16d)反应器水力停留时间(HRT)设置为24h,NH4+-N和NO2--N起始浓度为30mg/L和40mg/L.如图1所示,该阶段NO2--N去除100%,出水NH4+-N最高为123.78mg/L,最低为52.46mg/L(第16d),出水未检测到NO3--N.第Ⅱ阶段:活性迟滞期(第17~45d)保持进水基质浓度和HRT不变,从第17d开始,出水NH4+-N浓度开始低于进水.该阶段平均NH4+-N去除率为7.99%,NH4+-N去除负荷为2.40[mg/(L⋅d)],反应器中已基本形成了无机的自养环境,具有了微弱的厌氧氨氧化作用.同时发现出水NO2--N和NO3--N仍然为0,表明菌体自溶和反硝化是反应器的主导反应.结合厌氧氨氧化的反应式(式1),经物料衡算知,反硝化作用所致NO2--N去除负荷为36.83[mg/(L⋅d)],占NO2--N去除速率的92.07%.010203040500204060801001201407.47.57.67.77.87.98.08.18.2时间(d)浓度(mg/L)pH值图1菌体自溶阶段和活性迟滞阶段的基质变化曲线Fig.1Substratesevolutionduringtheautolysisphaseandlagphase进水氨氮进水亚硝态氮进水pH值出水氨氮出水亚硝态氮出水pH值第Ⅲ阶段:活性提高期(第46~142d)如图2所示,随着基质浓度逐步升高(NH4+-N、NO2--N浓度由约40mg/L和53mg/L升高至约140mg/L和185mg/L)以及HRT的逐步缩小(由12h逐步2178中国环境科学33卷缩减为3h),总氮去除负荷(TNRR)由170[mg/(L⋅d)]升高至2299[mg/(L⋅d)],NH4+-N去除率由79.31%升高到了96.39%,NH4+-N去除负荷由63.45[mg/(L⋅d)]升高到1110[mg/(L⋅d)](提高了近17倍).由物料衡算知,厌氧氨氧化对NO2--N去除的贡献率由活性迟滞阶段的7.93%升高到100%,反硝化逐渐减弱,ANAMMOX逐渐成为反应器的主导反应.出水开始检测到NO3--N,NO3--N浓度呈稳步增长的趋势,由开始的1.28mg/L增长到35.65mg/L,根据反应式1知,转化140mg/LNH4+-N理论上会产生36.40mg/LNO3--N,实际值小于理论值,推断反应器内仍然存在一定的反硝化作用.由物料衡算知,反硝化作用所致容积NO3--N去除负荷由13.94[mg/(L⋅d)]缩减为该阶段末的6.00[mg/(L⋅d)](表1).同时发现反应器内出现了许多红褐色小颗粒污泥.第Ⅳ阶段:活性稳定期(第143~168d)保持HRT为3h不变,进水NH4+-N和NO2--N浓度分别由140mg/L和185mg/L上升为150mg/L和200mg/L,容积去除负荷没有随着容积负荷增加而升高,TNRR的平均值约为2288[mg/(L⋅d)].浓度升高后,NH4+-N和NO2--N平均去除率分别为93.51%、92.93%.出水NO3--N均值为35.95mg/L,由物料衡算知,反硝化作用所致容积NO3--N去除负荷减小至4.15[mg/(L⋅d)],反硝化作用已经很微弱了.同时用肉眼观察到反应器中砖红色污泥越来越多,颗粒越来越大.2.2菌群生长特性据报道,细胞自溶率为113gVSS/gNH4+-N[5],反硝化菌细胞产率为0.323gVSS/gNO2--N,0.452gVSS/gNO3--N[6],AAOB细胞产率为0.089gVSS/gNH4+-N[1,7-8].ANAMMOX工艺的启动过程实质上是反应系统中AAOB生物量积累增