CANON工艺处理高氨氮废水

2017-03-15 05:51:02 4

  1 引言

  全程自养脱氮(completely autotrophic nitrogen removal over nitrite,CANON)是将厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation,ANAMMOX)和短程硝化(partial nitrification,PN)结合到一个反应器内的新型生物脱氮工艺(Third et al.,2001;周少奇,2000).部分氨氮首先通过氨氧化细菌(ammonia-oxidizing Bacteria,AOB)转化为亚硝态氮,剩余的氨氮和亚硝态氮被ANAMMOX菌转化为氮气而实现对氮素的去除,是一种简捷的脱氮途径,且ANAMMOX菌与AOB菌属于自养菌,倍增时间较长,故CANON工艺具有不消耗有机碳源、污泥产量少、降低曝气量等优点.但CANON工艺的运行条件极为苛刻,导致CANON工艺的应用较少,目前主要应用于垃圾渗滤液和污泥消化液)等高氨氮废水的处理.

  CANON工艺的关键在于AOB菌与ANAMMOX菌的协作共生,任何一方受到不利影响时,整个工艺都不能有效运行,而ANAMMOX菌的影响因素众多,其中磷酸盐对ANAMMOX菌有一定的抑制作用(Oshiki et al.,2011;鲍林林等,2013).CANON是多因素影响的生物脱氮过程,先前的研究主要集中在溶解氧、pH、温度和基质浓度等对该工艺的脱氮特性影响,而磷酸盐对CANON工艺的脱氮特性是否有影响,目前尚未见报道.

  工业上的化肥厂废水(主要指复合肥)和制药行业都含有较高浓度的氮和一定浓度的磷酸盐(王元月等,2013),故研究磷酸盐对CANON工艺的影响,可为CANON处理含氮磷废水提供依据,具有重要的理论和现实意义.本实验利用稳定运行的CANON工艺,考察磷酸盐对CANON工艺脱氮特性的影响,以期为实际废水的工程应用提供理论基础.

  2 材料与方法

  2.1 实验废水

  试验采用模拟废水,主要成分为(NH4)2SO4,进水磷酸盐(以P计)浓度通过投加KH2PO4来调整,其他矿质元素为CaCl2为120 mg·L-1,NaHCO3为1600 mg·L-1,MgSO4为150 mg·L-1.微量元素Ⅰ(EDTA为5000 mg·L-1,FeSO4为5000 mg·L-1)和微量元素Ⅱ(CuSO4·5H2O为250 mg·L-1,ZnSO4·7H2O为430 mg·L-1,MnCl2·4H2O为990 mg·L-1,NiCl2·6H2O为190 mg·L-1,CoCl2·6H2O为240 mg·L-1,H3BO4为14 mg·L-1,NaMoO4·2H2O为220 mg·L-1)均为1.2 mL·L-1.

  2.2 实验装置

  实验装置和工艺流程如图 1所示,反应器由有机玻璃制成,有效容积2.4 L,见图 1.废水通过恒流泵(BT—100B)将模拟废水从反应器底部泵入,出水由出水口流出,反应器内添加BM填料,规格为φ10×8,比表面积为1200 m2·m-3,载体平均湿密度约为1 mg·cm-3.用增氧泵(海利,中国)进行曝气,曝气量通过转子流量计调节,反应器底部有微孔气泡石,可以将空气进行分散.反应器中有在线工业pH计和DO溶氧仪对混合液中的pH和溶解氧实时在线监控;pH的范围保持在7.60~7.80,当混合液的pH在7.60以下时,电脑会启动加碱泵自动加入NaHCO3碱液(1 mol·L-1)进行控制;溶解氧一般通过调节曝气量控制在0.5~1.0 mg·L-1.为防止光能自养菌的生长,反应器外部包裹黑布遮光,反应器外围设有循环水套管,外接恒温水箱使反应器内温度保持在(30±1)℃.

  图 1 实验装置和工艺流程图

  2.3 分析项目和方法

  NH4+-N:纳氏试剂分光光度法(国家环保局 ,2002);NO2--N:N-(1-萘基)-乙二胺光度法(国家环保局 ,2002);NO3--N:紫外分光光度法(国家环保局,2002);MLSS、MLVSS:重量法(国家环保局 ,2002);总磷:钼锑抗分光光度法(国家环保局 ,2002);pH值:PHG8006型在线pH计;电导率:DDG8103A电导率仪;溶解氧DO:DOG8008A全自动工业溶氧仪;TN通过下式计算:TN=NH4+-N+NO2--N+NO3--N

  在反应器启动时,往反应器内加入硝化污泥和少量的ANAMMOX污泥,保持反应器内的溶解氧溶度在0.5~1.0 mg·L-1左右,整个试验分为启动运行和磷酸盐试验两个阶段,第1~31 d为反应器的启动运行阶段(A阶段),32~113 d为磷酸盐实验阶段(B阶段).

  3 结果

  3.1 CANON反应器的启动与稳定运行阶段(A阶段)

  NH4+-N、NO2--N、NO3--N和TN的变化情况分别如图 2~3所示.由图 2和图 3可知,通过增大反应器NH4+-N浓度和减小水力停留时间(hydraulic retention time,HRT)来提高反应器内的氮容积负荷,每次增大氮容积负荷时,反应器内的脱氮效率出现短期的降低后得到快速提升,CANON反应器内的脱氮效率和负荷逐渐提高.

  图 2 进出水基质浓度和NH4+-N去除率

  图 3 氮去除负荷、HRT和进出水磷酸盐浓度

  在此阶段进水磷酸盐浓度(以P计)为8 mg·L-1,作为微生物生长所需的元素.在第20 d,反应器进水NH4+-N浓度达到850 mg·L-1,HRT达到16.5 h,总氮去除负荷(NRR)达到1.1 kg·m-3·d-1,NH4+-N去除率为95.1%,TN去除率达到83.3%,之后至第31 d,反应器内的NH4+-N去除率为92.9%,NRR为1.1 kg·m-3·d-1,TN去除率达到84.1%,反应器内的脱氮效率始终保持着高效稳定的趋势,证明CANON工艺已成功启动.

  3.2 磷酸盐对CANON反应器的脱氮特性影响

  在实验第32 d开始(B阶段),保持其他试验条件不变,进行磷酸盐投加实验.试验第32~35 d,反应器内的磷酸盐浓度增至20 mg·L-1(图 2~图 3),反应器的NH4+-N去除率保持在92.1%以上,平均出水浓度为59.9 mg·L-1,NRR保持在1.0 kg·m-3·d-1,平均TN去除率为84.3%,在磷酸盐浓度为20 mg·L-1时,对反应器的影响不大.

  在第36~45 d,将磷酸盐的浓度增至30 mg·L-1期间出水NH4+-N明显降低,平均NH4+-N出水浓度达到14.2 mg·L-1,平均NO3--N出水浓度为81.6 mg·L-1,NO2--N出水浓度平均在27.7 mg·L-1,NH4+-N去除率明显升高,平均值去除率为98.3%,TN平均去除率85.3%,NRR平均在1.1 kg·m-3·d-1,可知适当增加磷酸盐的浓度,有利于促进反应器的脱氮活性.试验第46~49 d,磷酸盐的浓度升至40 mg·L-1,反应器的脱氮性能发生轻微的变化,平均出水的NH4+-N浓度为47.9 mg·L-1,NRR平均去除1.0 kg·m-3·d-1,暂时还未受到明显影响,但NH4+-N和TN的去除效果较低于磷酸盐浓度为30 mg·L-1的阶段.

  试验第50 d,磷酸盐的浓度升至50 mg·L-1(图 2~图 3).第51 d,反应器NH4+-N的出水浓度突增至225.5 mg·L-1,NH4+-N去除率从95.3%下降至72.8%,TN去除率从86.5%降至65.8%,NRR从1.1 kg·m-3·d-1减至0.8 kg·m-3·d-1,CANON工艺的脱氮性能开始受到影响.第54 d,反应器的出水NH4+-N浓度为179.1 mg·L-1左右,NRR为0.8 kg·m-3·d-1.保持反应器的运行条件不变,在第55 d继续增大进水磷酸盐的浓度至60 mg·L-1,反应器的出水NH4+-N浓度逐渐提高,第57 d时,出水升高至387.0 mg·L-1,去除率为54.9%,NRR为0.6 kg·m-3·d-1,随着磷酸盐的增加,反应器的脱氮效果逐渐变差.

  第58 d,NH4+-N去除率为59.9%,TN去除率为54.4%,反应器内的NRR达到0.4 kg·m-3·d-1,保持磷酸盐和氨氮的进水浓度不变,增大HRT至28.8 h,之后第59 d,反应器内的脱氮效率得到很大的提高,NH4+-N和TN去除率分别升至89.7%和78.8%.第61~75 d,保持HRT在28.8 h,继续提高磷酸盐的进水浓度至70 mg·L-1,此时NH4+-N和TN的平均去除率为88.9%和79.7%,NRR达到0.5 kg·m-3·d-1,NH4+-N的平均出水浓度为88.9 mg·L-1,NO2--N平均出水浓度在1.2 mg·L-1,NO3--N平均出水浓度为74.4 mg·L-1.

  第76 d,磷酸盐浓度升至80 mg·L-1.第77 d时,出水NH4+-N增至243.4 mg·L-1,NRR降至0.4 kg·m-3·d-1,至76~85 d,平均出水NH4+-N在190 mg·L-1以上,TN去除率升至68.0%.在第86 d将HRT增大至38.4 h,第88 d时出水氨氮逐渐降低至51.9 mg·L-1,NRR为0.4 kg·m-3·d-1,TN去除率升至84.2%.

  第89~98 d,使进水磷酸盐浓度升至90 mg·L-1,出水NH4+-N较前一个阶段有所升高,平均出水浓度为113.3 mg·L-1,TN去除率降至66.6%,NRR为0.3 kg·m-3·d-1.试验第99 d,再次将磷酸盐的浓度提高到100 mg·L-1,反应器的出水效果进一步恶化,TN去除率和NRR逐渐降低,到试验113 d时,出水的NH4+-N达到351.4 mg·L-1,NH4+-N和TN去除率为58.8%和52.8%,NRR降至0.28 kg·m-3·d-1.第114 d开始,停止磷酸盐实验,恢复磷酸盐进水浓度8 mg·L-1.综合以上分析,随着磷酸盐浓度的增加,反应器的脱氮性能逐渐降低,磷酸盐对CANON工艺的脱氮有一定的抑制作用.

  3.2 磷酸盐对短程硝化和ANAMMOX稳定性的影响

  由3.1节可知,磷酸盐对CANON反应器的脱氮效果有影响,可知当磷酸盐浓度增大到一定浓度时,反应器的脱氮性能效果变差,故磷酸盐可能对反应器内的菌群有一定的抑制作用,而CANON工艺的运行主要需AOB菌和ANAMMOX菌的协同作用,因此,通过分析短程硝化和ANAMMOX的稳定性来推断磷酸盐对两种菌的影响.

  短程硝化的稳定性可通过进出水Δ(NO3--N)的变化与进出水Δ(TN)变化的比值来判断短程硝化的稳定性(付昆明等,2012),当Δ(NO3--N)/Δ(TN)与0.127的差值大于0时,表明短程硝化不完全,差值越大,短程硝化的效果越不理想.

  在整个实验阶段,进出水Δ(NO3--N)/Δ(TN)的比值如图 4所示.由图 4可知,在整个实验阶段,Δ(NO3--N)/Δ(TN)的比值大部分都小于理论值0.127,平均值是0.109,其差值大部分小于0,故在整个磷酸盐实验阶段,短程硝化的效果较为稳定.

  图 4 Δ(NO3--N)/Δ(TN)的化学计量比

  ANAMMOX的效果主要通过TN的去除效果来衡量(付昆明等,2012).由图 3可知,随着磷酸盐浓度的增加,NRR的去除效果逐渐降低.如在试验第99 d,保持曝气量等其他条件不变,增大磷酸盐的浓度至100 mg·L-1时,反应器的出水氨氮进一步升高,NRR和TN去除率逐渐降低,故在磷酸盐试验中ANAMMOX的运行表现较不稳定,磷酸盐对ANAMMOX菌的稳定性有影响.因此可知,磷酸盐对CANON反应器的影响,主要是磷酸盐对ANAMMOX菌有一定的抑制作用.

  3.3 反应器内微生物浓度变化

  由下图可知,在反应器启动期间的第11 d和19 d,进水磷酸盐浓度保持在8.0 mg·L-1,11 d比19 d的微生物浓度有所降低,这可能是在启动阶段时,在新的环境下较适合AOB菌和ANAMMOX菌的生长,污泥中原有的微生物菌群大部分不适应环境而死亡,其他菌的主导优势逐渐消失或者被淘汰,且AOB菌和ANAMMOX菌的倍增时间较长,故导致CANON工艺内微生物的浓度降低.

  图 5 CANON反应器内微生物随时间的变化

  第36 d,磷酸盐浓度达到30 mg·L-1,反应器内的微生物浓度比前期的较高,反应器内的AOB菌和ANAMMOX菌在适宜的条件下得到快速的增长.在磷酸盐浓度达到30 mg·L-1的期间,反应器呈现出稳定高效的脱氮效率.第56 d,当磷酸盐浓度达到60 mg·L-1时,微生物受到明显抑制,反应器微生物浓度降低,脱氮效果变差,出水NH4+-N浓度升高,NRR下降至0.7 kg·m-3·d-1.第71 d时微生物浓度比56 d低,主要的原因可能是受磷酸盐或HRT变化的影响,第94 d和113 d在相同的HRT的条件下,随着磷酸盐浓度的增加,微生物的浓度逐渐降低.第113 d时,磷酸盐浓度达到100 mg·L-1时,反应器内的微生物浓度达到最低,脱氮效率持续降低.

  4 讨论

  CANON工艺是依靠AOB菌和ANAMMOX菌的协同作用进行生物脱氮,任何一种细菌受到不利影响时都会导致工艺的脱氮效果变差.不少学者研究了磷酸盐对ANAMMOX的影响作用(见表 1).从表 1可知,多数研究得出:一定浓度下,磷酸盐对ANAMMOX菌有一定的抑制作用,会导致ANAMMOX菌的活性降低,但影响的浓度和程度都说法不一.

  表 1 磷酸盐对ANAMMOX菌的影响研究

 

  磷酸盐对Anammox菌的影响机理目前尚未得知.可能的原因有三:其一是磷酸盐在厌氧条件下,可能转化为磷化氢,而磷化氢对厌氧微生物有一定的抑制作用.研究发现磷化氢可由厌氧微生物还原磷酸盐形成,在厌氧环境中普遍存在(Roels et al.,2011),且郭夏丽等发现磷化氢对厌氧微生物(硫酸盐还原菌)有抑制作用(郭夏丽等,2013),磷化氢可能对ANAMMOX菌有抑制作用,导致反应器的脱氮性能变差.其二是当磷酸盐浓度较高时,细菌表面可能吸附较多的磷酸盐,降低了微生物与氮素、或营养元素的接触,也能使微生物的活性受到影响.第三个可能的原因是在高浓度磷酸盐条件下,反应器内可能生成鸟粪石为主的晶体,这些晶体可能附着在微生物表面,导致微生物的反应基质缺乏,从而导致反应器的脱氮效果下降.有学者认为当磷酸盐浓度达到一定范围时,反应器内将会产生鸟粪石为主的晶体,这些晶体占据污泥之间的部分空隙后,将会阻塞水流通道,使得Anammox反应基质缺乏,从而影响反应器脱氮效果(王俊安等,2009;鲍林林等,2013),而有外国学者得出当pH值大于8.00时才较易形成鸟粪石(Doyle et al.,2002),因此,反应器内生成磷酸盐物质而附着在微生物表面,导致反应效果变差的说法有待进一步研究.

  在运行过程中,有些时候磷酸盐的出水浓度高于进水浓度,特别是当反应器受到不利影响时,容易使反应器的出水磷酸盐浓度大于进水浓度,可能的原因是:当反应器受到不利影响时,微生物的正常功能受到影响,将原先吸附在微生物表面的磷酸盐释放出来或者微生物部分死亡后裂解,释放出细胞内含磷物质,从而使出水磷酸盐浓度升高.而是否是因为磷化氢的抑制作用导致反应器的脱氮效果变差,使得出水磷酸盐浓度高于进水,也只是一种可能性的猜测.

  通过对短程硝化和ANAMMOX的稳定性分析可知,在磷酸盐试验中,Δ(NO3--N)/Δ(TN)的比值大部分都小于理论值0.127,短程硝化的效果较为理想,并没有受到磷酸盐的明显影响.而反应器TN的去除效果受到较为明显的影响,主要原因就是ANAMMOX菌受到不利影响,从而导致脱氮效果变差.这也验证了磷酸盐对ANAMMOX有抑制作用.

  试验中改变HRT后,仍能说明磷酸盐对反应器的脱氮性能有影响.在实验第50 d,由于反应器受到磷酸盐的不利影响,脱氮性能逐渐下降,反应器内的微生物受到较大影响,为了防止反应器的继续恶化,恢复反应器的稳定性,故此时增大HRT,提高系统的稳定性,增强反应器对不利影响的抵抗力,以便于后续试验的进行.等到反应器的脱氮效率得到恢复后,保持在相同的HRT的条件下,进一步增大磷酸盐浓度,研究反应器的脱氮性能,试验的结果也证明,当试验第76 d时,保持HRT为28.8 h时,增大磷酸盐的浓度时,反应器的脱氮效果进一步变差.说明试验中改变反应器的HRT后,仍能得出磷酸盐对反应器的脱氮性能有影响.

  在试验中发现,当磷酸盐浓度为30 mg·L-1时,反应器的脱氮性能达到最高,出水NH4+-N浓度降至10 mg·L-1以下,比其它浓度下的处理效果都要好.第94 d,磷酸盐浓度达到90 mg·L-1,反应器的微生物浓度比第71 d时的微生物浓度低,TN去除率降至72.6%,之后随着磷酸盐浓度的增加,CANON的脱氮性能逐渐变差,出水氨氮升高,TN和NRR逐渐降低,结果显示磷酸盐在一定的浓度下,将有利于微生物的生长,提高工艺的处理效果,而磷酸盐超过一定的浓度后,将会影响ANAMMOX菌活性,不利于工艺的稳定运行.

  运用CANON工艺处理实际含氮废水时,如化肥厂废水(主要指复合肥)和制药废水都含有较高浓度的氮和一定浓度的磷(王元月等,2013),此时需注意磷酸盐对CANON工艺的影响,采取相应措施,使得磷酸盐的浓度不抑制污泥的活性,或者适宜于污泥的生长.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。

  5 结论

  1)由于并未检测CANON反应器内微生物的种类和数量,所得结论并不一定具有普适性,所得结论仅代表本实验所得结果.在本研究中发现,CANON工艺在pH在7.60~7.80,HRT为16.5 h和温度T保持在(30±1)℃的条件下,当磷酸盐浓度为30 mg·L-1时,微生物浓度达到最大,反应器的脱氮效率达到最高,NH4+-N的平均出水浓度达到14.2 mg·L-1,平均值去除率为98.3%,TN平均去除率85.3%,NRR平均在1.1 kg·m-3·d-1.

  2)在整个磷酸盐试验过程中,短程硝化的效果较稳定,而ANAMMOX的表现效果则较差,故磷酸盐对CANON工艺的不利影响,主要是由于磷酸盐对ANAMMOX菌有一定的抑制作用.

  3)适当的磷酸盐浓度对CANON工艺有促进作用,过量的磷酸盐则会对工艺有抑制作用.在HRT保持为16.5 h,当磷酸盐浓度大于40 mg·L-1时,反应器内的微生物浓度和总氮去除效果开始逐渐降低;在第113 d,磷酸盐浓度达到100 mg·L-1时,NRR和TN去除率持续下降,分别为0.28 kg·m-3·d-1和52.8%,微生物浓度达到最低.

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