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厌氧氨氧化工艺的启动及影响因素试验研究

张永辉  
【摘要】:厌氧氨氧化(Anaerobic Ammonium Oxidation,ANAMMOX)是指在厌氧条件下亚硝酸盐作为氧化剂将氨氮氧化成氮气的一个高效、新型的自养生物反应过程,由于厌氧氨氧化工艺启动耗时长,且对反应的环境条件尤其敏感,进而限制了ANAMMOX工艺稳定的运行和广泛应用。因此,本文釆用了ASBR(Anaerobic Sequencing Batch Reactor)厌氧氨氧化反应器,考察了反应器在温度、有机物影响条件下的启动特性,以及在成功启动后探究了不同的降温策略、进水基质比例(亚硝/氨氮)、pH对系统脱氮性能的影响。主要的研究结果为:(1)进水pH为7.2±0.2,NH_4~+-N和NO_2~--N的浓度分别为25±0.4 mg·L~(-1)、33±0.6 mg·L~(-1),接种普通厌氧污泥,控制温度为25℃、30℃、35℃启动厌氧氨氧化。(1)不同的温度条件下厌氧氨氧化ASBR反应器均得到成功启动,R25℃、R30℃、R35℃分别历经117d、90d、75d。(2)由于温度的差异,稳定运行时,R30℃和R35℃的NH_4~+-N、NO_2~--N的去除率分别为98.4%和98.5%以及97.3%和98.1%,明显高于R25℃的91.6%和94.8%。(3)三个反应器在稳定运行期时,出水水质均较好,且厌氧氨氧化反应计量比如下:R25℃的(35)NH_4~+-N:(35)NO_2~--N:(35)NO3--N约为1:(1.37±0.02):0.22。R30℃的(35)NH_4~+-N:(35)NO_2~--N:(35)NO3--N约为1:(1.32±0.02):(0.26±0.02),R35℃的(35)NH_4~+-N:(35)NO_2~--N:(35)NO3--N约为1:(1.34±0.02):(0.28±0.02)。R30℃和R35℃较为接近厌氧氨氧化反应的理论值1:1.32:0.26。(2)进水pH为7.2±0.2,NH_4~+-N和NO_2~--N的浓度分别为25±0.4 mg·L~(-1)、33±0.6mg·L~(-1),接种普通厌氧污泥,探究30℃条件下不同浓度的COD(COD分别为15 mg·L~(-1)、30 mg·L~(-1)、50 mg·L~(-1)对应的C/NO_2~--N为0.5、1、1.5)对三个ASBR厌氧氨氧化反应器启动的影响,其实验结果为:(1)不同COD浓度时三个反应器经过长期运行,均可成功启动厌氧氨氧化反应,且该比值为0.5时NH_4~+-N、NO_2~--N和COD去除率分别为90.4%、98.3%、70.5%;比值为1的NH_4~+-N、NO_2~--N和COD的去除率分别为91.6%、98.5%、46.4%;比值为1.5的NH_4~+-N、NO_2~--N和COD的去除率分别为73.6%、98.2%、47.3%;可见,比值为0.5、1时较有利于富集厌氧氨氧化菌,且所获得的基质去除率较高、出水水质较好。(2)比值为1.5时,尽管经过长时间的驯化也可发生一定程度的厌氧氨氧化反应,但异养反硝化程度较高。(3)成功启动后,C/NO_2~--N比值为0.5的反应器运行较稳定,(35)NO_2~--N:(35)NH_4~+-N的值约为1.41~1.46;C/NO_2~--N比值为1.5的反应器运行不太稳定,(35)NO_2~--N:(35)NH_4~+-N的值在1.71~1.86之间。(3)控制厌氧氨氧化反应器的进水pH为7.2±0.2,NH_4~+-N为25±0.4 mg·L~(-1),NO_2~--N为33±0.6 mg·L~(-1)。(1)对两个高温(30℃)稳定运行的厌氧氨氧化ASBR反应器采取突然降温(R1)和阶梯式降温(R2)的方式至15℃,分别经过54d、36d的驯化后,二者表现出不同程度的厌氧氨氧化活性,R2的NH_4~+-N和NO_2~--N的去除率分别为52.4%、61.6%,R1的NH_4~+-N和NO_2~--N的去除率分别为47.6%、53.4%,厌氧氨氧化活性为R2R1,即采用阶梯式降温策略,可减少低温条件的冲击对厌氧氨氧化活性产生的不利影响。(2)对R2采取快速升温的手段至30℃,在短时间内可以再次恢复较高的脱氮性能。(4)控制ASBR厌氧氨氧化反应器进水NO_2~--N为30±0.2 mg·L~(-1),温度为30℃,pH为7.2±0.2,考察进水NO_2~--N/NH_4~+-N的不同比值对厌氧氨氧化反应器脱氮效果的影响而获得的结果为:(1)调节NO_2~--N/NH_4~+-N的值从0.9升高至1.6的过程中,NH_4~+-N、NO_2~--N的去除率先逐渐增加后降低;在NO_2~--N/NH_4~+-N的值为1.4时,NH_4~+-N、NO_2~--N的去除率分别高达96.2%、95.4%,且总氮的去除率也达到85.3%;(2)进水的NO_2~--N/NH_4~+-N值为1.4时,实际发生厌氧氨氧化的NO_2~--N/NH_4~+-N值约为1.37;NO3--N/NH_4~+-N也有增加,最后在0.25~0.28之间出现小幅波动,进一步表明实际发生厌氧氨氧化反应的比值关系更稳定。(3)进水NO_2~--N/NH_4~+-N为1.4时,周期内NH_4~+-N、NO_2~--N变化速率最大的时间段为0~1.5 h;在典型周期内,ORP、pH呈现很好的线性负相关性,y=-58.27599x+412.29934,相关系数R2高达0.96,即ORP可以作为ANAMMOX反应过程的指示性参数。(5)进水NH_4~+-N和NO_2~--N的浓度分别为21.5 mg·L~(-1)、30.6 mg·L~(-1),探究进水pH对厌氧氨氧化反应器脱氮性能影响的实验结果表明:(1)pH由7.2升高到8.5的过程中,NH_4~+-N、NO_2~--N及总氮的去除率均逐渐增加随后降低;当pH为8.3时,系统脱氮效果最佳,NH_4~+-N、NO_2~--N及总氮的去除率分别达到93.1%、97.5%和85.3%。(2)整个实验期间控制进水pH而引起系统的ORP发生了相应的变化,且ORP与pH呈现出较好的负线性相关,y=-57.364743+385.54637,R2=0.992,表明pH和ORP可以同时指示厌氧氨氧化反应的发生。


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