隨著水體富營(yíng)養(yǎng)化日益嚴(yán)重，氮素污染防治已成為當(dāng)今水污染>控制領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)話題，盡管傳統(tǒng)的生物脫氮工藝可以達(dá)到良好的脫氮效果，但是其仍然存在著很多弊端，例如：工藝流程長(zhǎng)、能耗高、碳源消耗量大等。因此開發(fā)和推廣新型脫氮技術(shù)已成為必然。其中，厭氧氨氧化生物脫氮技術(shù)具有耗能低、占地面積小、節(jié)省碳源、污泥產(chǎn)量少等優(yōu)點(diǎn)〔1, 2〕，成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。
目前，對(duì)厭氧氨氧化技術(shù)的研究國(guó)內(nèi)外差距較大，國(guó)外起步較早，主要集中在對(duì)脫氮機(jī)理的深入研究以及實(shí)際工程的應(yīng)用研究;而國(guó)內(nèi)對(duì)厭氧氨氧化技術(shù)的研究絕大多數(shù)處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，主要集中在以下三點(diǎn)：厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動(dòng)、影響因素的研究和微生物特性的研究〔3〕。啟動(dòng)成功的厭氧氨氧化反應(yīng)器具有良好的脫氮效果，如：唐崇檢等〔4〕研究了高負(fù)荷厭氧氨氧化EGSB反應(yīng)器的運(yùn)行狀況，該反應(yīng)器經(jīng)過(guò)230 d的連續(xù)運(yùn)行之后，獲得容積基質(zhì)氮物去除速率為50.75 kg/(m3·d);王凱等〔5〕采用短程SBR聯(lián)合厭氧氨氧化處理晚期垃圾滲濾液，在運(yùn)行穩(wěn)定后總氮去除率達(dá)90%以上。
雖然厭氧氨氧化技術(shù)有著很廣闊的應(yīng)用前景，但到目前為止，國(guó)內(nèi)此項(xiàng)技術(shù)還沒(méi)有完全應(yīng)用到實(shí)際工程中去，原因是厭氧氨氧化菌代謝十分緩慢，大概2～3個(gè)星期才增殖1次〔6〕，導(dǎo)致反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng);同時(shí)，厭氧氨氧化菌對(duì)溫度、pH、溶解氧等環(huán)境因素要求苛刻，實(shí)際工程中很難控制。筆者通過(guò)接種好氧絮狀污泥和厭氧顆粒污泥來(lái)培養(yǎng)馴化厭氧氨氧化污泥，對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動(dòng)情況作了探究。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)采用3個(gè)相同的自制玻璃反應(yīng)器模擬厭氧序批式反應(yīng)器(ASBR)，如圖 1所示。
圖 1 實(shí)驗(yàn)裝置
1—進(jìn)水池；2—恒溫水浴槽；3、4、5—ASBR；6、7、8—出水集水瓶；9—溫控儀
反應(yīng)器內(nèi)徑124 mm、外徑140 mm、壁厚8 mm、高度260 mm，總?cè)莘e2.8 L，有效液體容積為2.5 L，其中接種污泥1 L，模擬廢水1.5 L，反應(yīng)器置于恒溫水槽中，水槽溫度控制在34~36 ℃。
1.2 接種污泥與模擬廢水
試驗(yàn)接種污泥分別為好氧絮狀污泥和厭氧顆粒污泥，其中好氧污泥取自某市A2O工藝污水處理廠二沉池進(jìn)水，厭氧污泥為本課題組實(shí)驗(yàn)室原有的ASBR中的厭氧顆粒污泥。模擬廢水為人工配制，其具體組成： KH2PO4 0.027 g/L、CaCl2 0.136 g/L、MgSO4·7H2O 0.300 g/L、NaHCO3 1.000 g/L、微量元素濃縮液Ⅰ1 ml/L、微量元素濃縮液Ⅱ1 ml/L，NH4Cl、NaNO2按需投加。其中微量元素濃縮液Ⅰ的組成為：EDTA 5 g/L、FeSO4 5 g/L。微量元素濃縮液Ⅱ的組成為：EDTA 15 g/L、ZnSO4·7H2O 0.43 g/L、CoCl2·6H2O 0.24 g/L、MnCl2·4H2O 0.99 g/L、CuSO4·5H2O 0.25 g/L、NaMoO4·2H2O 0.22 g/L、NiCl2·6H2O 0.19 g/L、NaSeO4·10H2O 0.21 g/L、H3BO4 0.014 g/L〔7, 8〕。
1.3 分析項(xiàng)目與方法
氨氮：納氏試劑分光光度法;亞硝氮：N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;硝氮：紫外分光光度法;pH：pH計(jì);污泥粒徑：激光粒度分析儀;混合液懸浮固體濃度(MLSS)和混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度(MLVSS)：標(biāo)準(zhǔn)重量法。
1.4 試驗(yàn)方法
將3個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行編號(hào)，其中1號(hào)反應(yīng)器不接種污泥，只注入模擬廢水，在相同條件下檢測(cè)在30 d內(nèi)NH4+ 與NO2-濃度的變化，驗(yàn)證NH4+ 與NO2-的厭氧氨氧化反應(yīng)是否存在化學(xué)作用;2號(hào)反應(yīng)器接種好氧污泥;3號(hào)反應(yīng)器接種厭氧顆粒污泥。2號(hào)、3號(hào)反應(yīng)器中的MLSS分別為4.46、7.39 g/L，MLVSS分別為2.72、5.00 g/L，起始污泥體積平均粒徑分別為89.92、600.21 μm。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行嚴(yán)格密封，對(duì)進(jìn)水未進(jìn)行脫氧處理，反應(yīng)器內(nèi)pH在7.0～8.5。反應(yīng)器進(jìn)水5 min、出水5 min，進(jìn)出水量均為1 L，反應(yīng)器內(nèi)未設(shè)攪拌裝置，每隔2 h搖晃1次。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程分為兩個(gè)階段，即污泥適應(yīng)期和污泥活性提升期。在污泥適應(yīng)期，進(jìn)水氨氮與亞硝氮質(zhì)量濃度控制為50~80 mg/L，水力停留時(shí)間為3 d;當(dāng)出現(xiàn)厭氧氨氧化現(xiàn)象后進(jìn)入污泥活性提升期，在污泥活性提升期，進(jìn)水氨氮與亞硝氮質(zhì)量濃度控制為80~150 mg/L左右，水力停留時(shí)間為3 d。定期檢測(cè)出水氮素的濃度，分析氮素去除情況，并每隔1個(gè)月檢測(cè)污泥粒徑的變化。
2 結(jié)果與討論
2.1 空白實(shí)驗(yàn)
檢測(cè)30 d內(nèi)1號(hào)反應(yīng)器內(nèi)氮素濃度的變化，結(jié)果如圖 2所示。
圖 2 空白實(shí)驗(yàn)中氮素濃度的變化
從圖 2可以看出，在純基質(zhì)條件下，氮素濃度沒(méi)有減小的趨勢(shì)，說(shuō)明NH4+ 與NO2-在本實(shí)驗(yàn)條件下，不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因此，在2號(hào)、3號(hào)反應(yīng)器中，若氨氮與亞硝氮濃度同時(shí)減少則不會(huì)是由化學(xué)作用引起的。
2.2 反應(yīng)器的啟動(dòng)
2號(hào)反應(yīng)器的啟動(dòng)情況如圖 3所示。
從圖 3可以看出，在第70天以前(污泥適應(yīng)期)，出水氨氮濃度不穩(wěn)定，幾乎沒(méi)有去除，甚至有升高的現(xiàn)象，原因是微生物不適應(yīng)新環(huán)境，部分微生物死亡，細(xì)胞破裂，細(xì)胞內(nèi)的氨氮物質(zhì)釋放出來(lái)，導(dǎo)致出水氨氮濃度升高。這一點(diǎn)與劉守勇等結(jié)論一致〔9〕。而亞硝氮一開始去除率就達(dá)到了90%以上，這是因?yàn)榻臃N污泥中有大量的異養(yǎng)反硝化菌，進(jìn)入新的厭氧環(huán)境后利用污泥中剩余的有機(jī)質(zhì)作為電子供體，亞硝氮為電子受體發(fā)生了異養(yǎng)反硝化反應(yīng)。在第13天，出水亞硝氮濃度突然急劇升高，而氨氮出水濃度突然降低，通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)體系中溶解氧高于0.5 mg/L。由此可以判斷體系中有好氧氨氧化菌，當(dāng)溶解氧濃度達(dá)到一定范圍后，好氧氨氧化菌將氨氮氧化為亞硝氮或硝態(tài)氮，而35 ℃正好利于亞硝氮的積累，所以氨氮濃度降低而亞硝氮濃度升高。通過(guò)對(duì)反應(yīng)器的密封性進(jìn)行完善，到第30天時(shí)恢復(fù)正常。隨著體系中有機(jī)質(zhì)的量越來(lái)越少，異養(yǎng)反硝化作用越來(lái)越弱，表現(xiàn)為亞硝氮的去除率逐漸降低。在第70天以后，通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)氨氮和亞硝氮出水濃度均出現(xiàn)降低現(xiàn)象，氨氮與亞硝氮得以同時(shí)去除，說(shuō)明體系中出現(xiàn)了厭氧氨氧化反應(yīng)，故實(shí)驗(yàn)進(jìn)入第二階段，即污泥活性提升期。在第70天—第87天，氨氮的去除率逐漸上升，亞硝氮的去除率逐漸降低，亞硝氮與氨氮的去除量之比(物質(zhì)的量之比，下同)大于理論的1.32〔9〕。這段時(shí)間內(nèi)體系中既有反硝化反應(yīng)也有厭氧氨氧化反應(yīng)。在第87天以后，氨氮與亞硝氮去除率均呈逐漸上升趨勢(shì)。此時(shí)，體系內(nèi)的反硝化反應(yīng)已停止，厭氧氨氧化反應(yīng)為主要脫氮途徑。到第120天的時(shí)候，氨氮、亞硝氮的去除率分別達(dá)到44.6%、57.5%，且氨氮去除量和亞硝氮去除量、硝態(tài)氮生成量之比平均為1∶1.28∶0.23，接近理論比值1∶1.32∶0.26〔10〕。污泥顏色由起初的土黃色變成褐色。根據(jù)厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動(dòng)成功的特點(diǎn)，即氨氮去除量和亞硝氮去除量、硝態(tài)氮生成量之比接近1∶1.32∶0.26，厭氧氨氧化污泥為褐色、紅褐色、暗紅色〔3〕，能夠說(shuō)明2號(hào)厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動(dòng)成功。
圖 3 2號(hào)反應(yīng)器的啟動(dòng)
2.3 3號(hào)反應(yīng)器的啟動(dòng)
3號(hào)反應(yīng)器的啟動(dòng)情況如圖 4所示。
圖 4 3號(hào)反應(yīng)器的啟動(dòng)
從圖 3(a)可以看出，第1天—第40天為污泥適應(yīng)期，氮素出水濃度的變化跟2號(hào)反應(yīng)器的情況類似。40 d以后，氨氮、亞硝氮開始得以同時(shí)去除，實(shí)驗(yàn)進(jìn)入污泥活性提升期，第40天—第80天期間體系中存在異氧反硝化和厭氧氨氧化兩種脫氮途徑。從第80天開始反硝化反應(yīng)結(jié)束，厭氧氨氧化反應(yīng)成為主要的脫氮途徑，且脫氮效果逐漸上升，到第120天時(shí)，3號(hào)反應(yīng)器中氨氮與亞硝氮的去除率分別達(dá)到了64.2%和71.7%，且氨氮去除量和亞硝氮去除量、硝態(tài)氮生成量之比平均為1∶1.23∶0.23，接近理論值(1∶1.32∶0.26)。觀察反應(yīng)器內(nèi)污泥外觀可以看到污泥表面成暗紅色。說(shuō)明3號(hào)反應(yīng)器中厭氧氨氧化反應(yīng)啟動(dòng)成功，且效果優(yōu)于2號(hào)反應(yīng)器。
2.4 污泥粒徑的變化
每隔一個(gè)月對(duì)污泥粒徑的大小進(jìn)行檢測(cè)，4個(gè)月來(lái)污泥粒徑的變化如表 1所示。
從表 1可以看出，2號(hào)反應(yīng)器內(nèi)污泥粒徑逐漸變大，而3號(hào)反應(yīng)器內(nèi)污泥粒徑先是變小，然后隨著時(shí)間的推移逐漸變大，這是因?yàn)?號(hào)反應(yīng)器接種的污泥本身是絮狀的，進(jìn)入新的厭氧環(huán)境后，受環(huán)境的影響，污泥形態(tài)逐漸顆粒化，故可檢測(cè)出粒徑逐漸變大。而3號(hào)反應(yīng)器接種的是在厭氧異養(yǎng)環(huán)境中已經(jīng)形成的顆粒污泥，當(dāng)其進(jìn)入新的自養(yǎng)環(huán)境后，起初不適應(yīng)環(huán)境導(dǎo)致顆粒變小〔11〕，隨著培養(yǎng)時(shí)間的進(jìn)行，污泥粒徑逐漸增大。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
(1)在35 ℃的恒溫條件下不論接種好氧絮狀污泥還是厭氧顆粒污泥，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的培養(yǎng)都可成功啟動(dòng)厭氧氨氧化反應(yīng)，且經(jīng)過(guò)120 d的培養(yǎng)，二者對(duì)氨氮和亞硝氮的去除率分別達(dá)到了44.6%、57.5%和64.2%、71.7%。
(2)經(jīng)過(guò)120 d的培養(yǎng)，2、3號(hào)反應(yīng)器內(nèi)氨氮去除量與亞硝氮去除量、硝態(tài)氮生成量之比分別為1∶1.28∶0.23和1∶1.23∶0.23，接近理論值(1∶1.32∶0.26)。2號(hào)反應(yīng)器內(nèi)污泥顏色由土黃色變?yōu)楹稚?號(hào)反應(yīng)器內(nèi)污泥顏色由純黑色變?yōu)楹谏袏A雜著暗紅色。
(3)不論是啟動(dòng)時(shí)間還是氮素去除率，3號(hào)反應(yīng)器均優(yōu)于2號(hào)反應(yīng)器，說(shuō)明以厭氧顆粒污泥為接種污泥來(lái)啟動(dòng)厭氧氨氧化反應(yīng)效果更好。
