ASBR反应器内厌氧氨氧化的快速启动及其脱氮性能研究

摘要

以城市生活污水为基本水质进行配水,采用ASBR研究了厌氧氨氧化的快速启动过程及脱氮性能。试验条件如下:温度(T)为(35±1)℃、水力停留时间(HRT)为24h、进水pH为7.2～7.5,进水NH4-N、NO2-N浓度均为40～160mg/L,TN负荷为0.08～0.34kgTN/m3·d,按2∶1混合接种好氧短程硝化污泥和厌氧氨氧化污泥,经49天运行成功启动厌氧氨氧化反应器,并实现稳定运行。实验结果表明:稳定运行期NH4+-N、NO2-N去除率分别达96%、98%;NH4+-N、NO2-N去除量与NO3-N生成量比值为1∶1.05∶0.29,较为接近理论值;成功启动的反应器出水。pH高于进水;系统TN去除率平均值为79.7%;反应器内存在反硝化与厌氧氨氧化的协同作用,实现了部分COD去除;经SEM扫描电镜观察污泥菌群种类较为单一,多为球状菌,有漏斗状缺口。
　　 通过对稳定运行阶段周期内NH4+-N、NO2-N、NO3-N以及COD、pH值变化情况分析,可以得出:在进水未进行脱氧处理的情况下,反应器内同时存在好氧硝化、厌氧氨氧化和反硝化作用,在反应进行前2h左右,主要发生好氧硝化作用,将少量NH4+-N或NO2--N转化为NO3-N,使得NO3-N浓度升高幅度较大,同时为其它厌氧反应解除氧毒;之后主要发生厌氧氨氧化作用及少量的反硝化作用,使NH4+-N和NO2-N出现同比例去除,NO3-N浓度保持稳定;最后发生的是厌氧氨氧化作用和反硝化的协同作用,通过非完全反硝化作用将NO3-N反硝化为NO2-N,为厌氧氨氧化作用提供底物NO2-N。
　　 实现稳定运行后,对影响因素如进水基质氮(NH4+-N和NO2-N)浓度、水力停留时间和温度等进行研究,通过对系统脱氮性能和运行稳定性的分析,得出以下结论:
　　 (1)进水基质氮浓度:在此实验阶段,控制其它进水和运行条件不变的情况下,同时将进水NH4-N和NO2-N浓度由70mg/L提高到160mg/L。当进水NH4+-N和NO2-N浓度同时提高至100mg/L后,两者去除率仍接近100%,TN去除率达85%;当进水NH4+-N和NO2-N浓度同时提高至130mg/L后,两者去除率由100%分别降至80%和90%左右,TN去除率降至80%左右,厌氧氨氧化菌活性开始受到抑制;当进水NH4+-N和NO2-N浓度同时提高至160mg/L后,两者去除率分别迅速降至60%和71%,TN去除率降至60%左右,反应器脱氮性能受到明显影响,厌氧氨氧化菌和反硝化菌活性均受到抑制;当进水NH4+-N和NO2-N浓度同时由160/mg/L降至80mg/L后,两者去除率可在较短时间内恢复至87%和91%,TN去除率恢复至75%,并在之后的20天内维持稳定运行。当系统COD/TN比保持在1～1.6时,TN去除达80%以上,系统具有较高的脱氮性能;厌氧氨氧化污泥培养过程中TN去除速率与运行天数之间的关系为:R=0.50·t+3.26。
　　 (2)HRT:控制进水NH4+-N和NO2-N浓度在70mg/L左右,T为(35±1)℃,进水pH约7.2。当HRT为24h时,NH4+-N和NO2-N去除率均达100%,TN去除率达85%,系统脱氮性能较好;当HRT缩短至18h后,NH4+-N和NO2-N去除率仍接近100%,TN去除率为80%,但NO3-N生成量有所升高,说明由于反应时间的不足,反硝化作用对于系统氮素脱除的贡献减弱:当HRT由18h继续缩短至12h后,系统脱氮性能受到明显影响,NH4+-N和NO2-N去除率迅速降至58.8%和66.7%,TN去除率降至52.9%,由于反应时间的不足,厌氧氨氧化和反硝化作用在系统氮素去除中的贡献均减弱。将HRT控制在18h时,厌氧氨氧化作用最佳。
　　 (3)温度:在此实验阶段,控制进水NH4+-N和NO2-N浓度在70mg/L左右,HRT为24h,进水pH约7.2。当T为35+1℃时,反应器NH4+-N、NO2-N去除率均接近100%,NO3-N生成量约20mg/L,TN去除率达83%,系统脱氮性能和运行稳定性均较好;当温度由35±1℃降至25±1℃后,系统脱氮性能受到轻微影响,NH4+-N去除率下降10%,NO2-N去除率下降15%,NO3-N生成量降低3mg/L,TN去除率下降8%,厌氧氨氧化菌在系统氮素脱除中的贡献降低14.3%,但反硝化细菌仍具有良好的反应活性;当温度由25±1℃降至15±1℃后,系统脱氮性能受到较严重影响,NH4+-N、NO2-N去除率分别降至57.1%和67%,TN去除率平均值为62.6%,NO3-N生成量为负值,低温对厌氧氨氧化菌的抑制更为严重。采用Ratkowsky模型对实验数据进行拟合,获得了本实验条件下厌氧氨氧化速率与温度之间的关系为R=[0.62·(T-17.04)]2·(1-exp[0.05·(T-43.28)])2,得出当温度为31℃时,厌氧氨氧化速率最高,约为12mgN/gVSS·d。