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随着工业化和城市化进程的加快,过量氨氮进入水体,氮素污染问题日益严重。由于硝化反硝化生物脱氮工艺存在着能耗大、需投加中和试剂和碳源等运行成本高的弊病,国内外学者纷纷把研究目光投向与传统生物脱氮理论相反的生化过程--厌氧氨氧化。厌氧氨氧化(AnaerobicAmmoniumOxidation,Anammox)是在厌氧条件下,厌氧氨氧化菌以NH4+为电子供体、NO2-为电子受体,直接将氨氮和亚硝酸盐氮转化为N2的呼吸代谢生化反应。
本研究在一个容积为16.8L(4×4.2L)的厌氧折流板反应器(AnaerobicBaffledReactor,ABR)中以厌氧污泥混合河涌底泥为接种源用模拟废水启动厌氧氨氧化(Anaerobicammoniumoxidation,Anammox)反应,然后将该工艺应用于经脱硫和水解酸化的制革废水(以下简称制革废水)脱氮处理中。
厌氧氨氧化反应历时4个月成功启动,当NH3-N和NO2--N容积负荷分别为3.91g/(m3·d)和3.21g/(m3·d)时,平均去除率分别为85.7%和98.8%。系统连续运行期间厌氧氨氧化功能菌群得到富集。利用荧光原位杂交(FluorescenceinSituHybridization,FISH)技术进行分析,发现反应器稳定运行时厌氧氨氧化菌群占总生物量的比例比反应器启动增加了的0.4~5.1倍(因格室先后而异)。
为发掘ABR系统的脱氮潜能,以缩短HRT或增加进水NH3-N和NO2--N浓度的方式来逐步提高反应器运行负荷。最后,当NH3-N和NO2--N容积负荷分别达到65.53g/(m3·d)和68.46g/(m3·d)时,其平均去除率分别为76.3%和91.3%,厌氧氨氧化速率为8.28mgNH3-N/(mgVSS·d),并培育出粒径为1.7mm~2.5mm的颗粒污泥。利用扫描电镜(SEM)观察培育得到颗粒污泥与接种颗粒污泥,发现经驯化的ABR系统内优势菌群发生明显变化,微生物种类已变得较为单一。
ABR系统对模拟废水表现出显著的脱氮能力后,通入NH3-N浓度为90-150mg/L、COD浓度为500-1500mg/L的制革废水,在人工投加NO2-的条件下系统连续运行15d后基本丧失了氨氮去除能力。重新用模拟配水对ABR脱氮功能进行良性恢复时,厌氧氨氧化功能在系统连续运行26天后得到快速恢复,整个运行过程呈现出与前阶段驯化时基本相同的规律。
ABR反应器前增设微量曝气的SBR亚硝化步骤,该过程去除了部分NH3-N、有机物和毒素,解除制革废水对厌氧氨氧化抑制的效应物,并生成适量NO2-而无需另外添加。在曝气量为3.12L/min,水力停留时间(HRT)为8h时,NO2--N与NH3-N的比值为1.17,出水满足后续厌氧氨氧化反应的要求。将在此条件下运行的SBR出水通入ABR进行后续处理。水质检测结果表明,ABR系统内同时发生了厌氧氨氧化反应、反硝化反应和甲烷化反应。亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺连续14d稳定运行,NH3-N、NO2--N和COD的平均去除率分别为78%、99.7%和49.3%。该工艺目前仍在运行中。
由SBR-ABR串联的亚硝化-厌氧氨氧化工艺节能、高效,是一项极具前景的生物脱氮技术。随着废水处理的全面自动化,该工艺的各操作阶段及各项运行指标可通过计算机加以控制,便于自控运行,易于维护管理,从而有利于该工艺的推广应用。