UASB 反应器中厌氧氨氧化菌脱氮效果及运行条件

UASB 反应器中厌氧氨氧化菌脱氮效果及运行条件
龚志莲;李勇;冯许;谷晋川;魏春梅
【摘要】通过UASB反应器中接种厌氧氨氧化颗粒污泥，处理模拟实验废水，检
测其厌氧脱氮效果，并探寻其最佳运行条件。

研究表明，UASB反应器中厌氧氨氧化菌具有高效的脱氮效果。

厌氧氨氧化菌对NH4＋－N和NO2－－N的适宜浓
度负荷均为220 mg／L ，水力停留时间适宜为4 h ，最适温度为35℃，最佳pH 值为8．0，在此条件下，NH4＋－N ，NO2－－N和TN的去除率分别可达97％，98．5％及88％。

%To investigate nitrogen removal efficiency of anaerobic ammonium oxidation bacteria and its optimum operation conditions ,anaerobic ammonium oxidation process is started up with inoculated granular sludge to treat the simulated wastewater in an UASB reactor .The experimental results indicate that anaerobic ammonium oxidation bacteria in UASB re-actor has high efficiency in nitrogen
removal .When influent concentrations of NH4+ -N and NO2- -N are both 220 mg/L , the removal rates of NH4+ -N ,NO2- -N and TN can reach
97% ,98 .5% and 88% respectively ,in which the optimum operation conditions follow ,hydraulic retention time ,temperature and pH are 4 h ,35℃ and 8 ,respectively .
【期刊名称】《工业安全与环保》
【年(卷),期】2016(042)009
【总页数】4页(P11-14)
【关键词】厌氧氨氧化菌;UASB;脱氮;水力停留时间;pH值;温度
【作者】龚志莲;李勇;冯许;谷晋川;魏春梅
【作者单位】西华大学食品与生物工程学院环境工程系成都610039;西南交通大学地球科学与环境工程学院成都610031;西华大学食品与生物工程学院环境工程系成都610039;西华大学食品与生物工程学院环境工程系成都610039;西华大学食品与生物工程学院环境工程系成都610039
【正文语种】中文
随着水体富营养化和环境污染的加剧，如何经济有效地控制水体氮磷污染已成为当今水环境污染控制的重大任务。

厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation, Anammox)技术突破了传统硝化反硝化生物脱氮技术的限制，具有需氧量低、经济、高效等优点而备受国内外学者的关注，尤其为低碳氮比废水提供了一条简洁经济的脱氮途径[1-4]。

但是厌氧氨氧化细菌的脱氮效率受到多种因素的影响，脱氮效果不稳定[5-8]。

本实验采用上流式厌氧污泥床(up-flow anaerobic sludge blanket, UASB) 反应器，在UASB反应器中接种本实验室已驯化好的厌氧氨氧化污泥，对其进行脱氮效果及运行条件研究，为工程实际提供参考。

1.1 实验用水和污泥
配置实验用水，其组成成分为：NaHCO3 0.5 g/L，KH2PO4 0.02 g/L，MgSO4 0.3g/L，CaCl2 0.15 g/L；微量元素营养液I，II各1 mL/L；NH4Cl和NaNO2按需要投加。

微量元素营养液I ：EDTA 5.0g/L，FeSO4 5.0g/L；微量元素营养液II：EDTA 5.0 g/L，ZnSO4 0.204 g/L，CoCl2·6H2O 0.24 g/L，
MnCl2·4H2O 0.99 g/L，CuSO4·5H2O 0.25 g/L，NiCl·6H2O 0.19g/L，
H3BO3 0.014 g/L，NaMoO4·2H2O 0.22 g/L，NaSeO4·10H2O 0.21 g/L。

用
HCl和NaOH溶液调整pH值。

反应器接种污泥为实验室已驯化好的粒径为2～7 mm的红色厌氧氨氧化颗粒污泥。

1.2 实验装置与方法
实验采用UASB反应器，该装置由有机玻璃制成，总高150 cm ，内径15 cm ，有效容积15 L，外部设有保温夹层，放置于实验室阴暗处避光，防止光抑制厌氧
氨氧化菌，由蠕动泵(BT100-1F)连续把实验用水从配水槽泵入UASB反应器底部，经与反应器底部的污泥床接触后，从其上部三相分离器出水进入出水槽，产生的气体经三相分离器后进入集气系统，UASB反应器装置如图1所示。

接种0.75 L(接种量约占反应器有效容积的5%)驯化好的厌氧氨氧化污泥在UASB
反应器中，在反应器中的高度约为4 cm，其MLSS为99.2 g/L，MLVSS为59.7 g/L，MLVSS/MLSS为0.602。

UASB反应器初始进水-N和-N的质量浓度均为
70 mg/L，待反应器稳定运行后，以50 mg/L的梯度逐步提高进水-N和-N的浓度，反应器负荷达到最大值时不再增加进水-N和-N的浓度。

检测进、出水-N，TN和出水的质量浓度变化。

研究反应器脱氮性能、抗负荷冲击能力、厌氧氨氧化菌增长情况，在此基础上研究HRT(2～8 h ) 、pH值(6.0～9.0)、温度(20～42 ℃)对厌氧氨氧化的影响。

1.3 分析方法
实验测定-N采用纳氏试剂分光光度-N测定用N-(1-萘基)-乙二胺光度-N测定采
用紫外分光光度法[9]，总氮测定用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定[9]。

温
度和pH值用Starter 3C酸度计测定。

根据反应器运行情况，每天测定进、出水pH值，-N和-N质量浓度等参数，以
此判断反应器运行情况，调整其运行参数。

2.1 UASB反应器厌氧氨氧化脱氮效果
实验初始暂定反应器进水pH值为7.5，温度35 ℃，水力停留时间24 h，反应器运行稳定后改为8 h，初始进水-N和-N的质量浓度均为70 mg/L，待反应器稳定
运行后，以50 mg/L的梯度逐步提高进水-N和-N的浓度，每天对反应器进、出
水的-N和出水的-N及TN质量浓度进行监测。

由图2和图3可以看出：运行到第7天时，出水-N和-N的质量浓度分别为
10.64 mg/L和2.1 mg/L，去除率分别为84.8%和97.1%，TN去除率为90.95%，去除率较高，去除-N摩尔数和产生-N摩尔数的比值为1∶1.15∶0.23，与文献报道的摩尔比1∶1.32∶0.26[10-11]接近，说明经过7天的运行，接种污泥的活性
得到恢复；第8～25天把进水-N和-N的质量浓度从70 mg/L均逐渐增加到220 -N和-N去除率均约为80%；运行到第26天时，把进水-N和-N质量浓度均增加到270 mg/L时，反应器出水-N和-N质量浓度分别升高到102.6 mg/L和
114.75 mg/L，去除率分别为62%和57.5%；第34天时，出水-N和-N浓度仍
然很高，可能是由于-N的浓度过高，厌氧氨氧化菌的活性受到抑制，说明270
mg/L的-N和-N浓度负荷已达到厌氧氨氧化菌的最大值；把进水-N和-N质量浓度降低至220 mg/L，运行到第39天时，出水-N和-N浓度恢复正常，质量浓度
分别为15.4 mg/L和15.4 mg/L，去除率分别为93%和93%，TN去除率为84%，反应器去除-N和产生-N摩尔比分别为1∶1∶0.21，属于文献报道的厌氧氨氧化
菌基质比正常值范围[12]。

因此，220 mg/L的-N和-N质量浓度为反应器的适宜进水浓度。

此时，在反应器中污泥高度为12 cm，增长了6 cm，体积增加了0.35 L，这是反应器中厌氧氨氧化菌的数量增加和活性提高的结果。

2.2 HRT对厌氧氨氧化菌脱氮效果的影响
在反应器进水和均为220 mg/L，温度35 ℃，pH值为7.5的条件下，分别改变
水力停留时间HRT值为8，6，4，2 h进行试验，考察HRT值对厌氧氨氧化菌脱氮效果的影响。

同一HRT值稳定运行5 d，对反应器进出水和TN每天监测1次。

由图4可看出，当HRT为8 h时，反应器平均容积负荷(以TN计) 为1.64
kg/(m3·d) ，出水平均质量浓度分别为15.4，15.4 mg/L，平均去除率分别为
93%，93%，TN的平均去除率为83%；当HRT为6 h时，反应器平均容积负荷(以TN计) 从1.64 kg/(m3·d)提高到3.28 kg/ (m3·d)，反应器出水平均质量浓度分别为9.9，7.26 mg/L，去除率分别为95.5%，96.7%，TN平均去除率为86%；当HRT为4 h时，反应器平均容积负荷(以TN计) 从3.28 kg/(m3·d)提高到6.56 kg/ (m3·d)，反应器出水平均质量浓度分别为11，8.8 mg/L，去除率分别为95%，96%，TN平均去除率为85%；当HRT为2 h时，反应器平均容积负荷(以TN计) 从6.56 kg/(m3·d)提高到13.12 kg/(m3·d)，反应器出水平均质量浓度分别为75.9，71.72 mg/L，去除率为65.5%，67.4%，TN去除率为58%。

综合考虑，
厌氧氨氧化反应器适宜的HRT为4 h，最大平均容积负荷(以TN计)为6.56
kg/(m3·d)。

2.3 温度对厌氧氨氧化菌脱氮效果的影响
在HRT为4 h，pH值约为7.5，进水-N和-N质量浓度均为220 mg/L条件下，分别选取20，25，30，35，40 ℃进行试验，考察在UASB反应器中不同温度对厌氧氨氧化菌脱氮效果的影响，同一温度值稳定运行5 d，对反应器进出水-N和TN每天监测1次，不同温度时-N和TN的平均去除率见图5。

由图5可以看出，温度对厌氧氨氧化菌脱氮效果有较大的影响。

当温度从20 ℃逐渐升高到35 ℃时，-N和TN去除率升高；温度为35 ℃时，-N和TN去除率达到最高值，分别为95%，96%及85%；当温度从35 ℃升高到40 ℃时，-N和TN去除率开始下降，但下降幅度不大；当温度从40 ℃升高到42 ℃时，-N和TN去除率大幅下降，分别为55%，60%及51%。

因此，反应器中厌氧氨氧化反应最适温度为35 ℃，超
过40 ℃厌氧氨氧化菌的脱氮效果很差。

2.4 pH值对厌氧氨氧化菌脱氮效果的影响
在HRT为4 h，温度为35 ℃，进水-N和-N质量浓度均为220 mg/L条件下，
分别选取6.0～9.0之间7个pH值进行试验，考察不同pH值对厌氧氨氧化菌脱
氮效果的影响，同一pH值稳定运行5 d，对反应器进出水-N和TN每天监测1次，不同pH值时-N和TN的平均去除率见图6。

由图6可以看出，当pH值为6.0时，-N和TN去除效果较差，厌氧氨氧化反应受到抑制；当pH值为6.5时反应器的脱氮效果有所改善，但提高不大，-N平均去除率提高到-N平均去除率提高到62%，TN平均去除率提高到51%；当pH值为7.0时反应器的脱氮效果得到了较大改善，-N平均去除率提高到-N平均去除率提高到89%，TN平均去除率提高到78%；当pH值为8.0时，-N和TN平均去除率分别为97%，98.5%及88%，去除率均达到最高值，脱氮效果好；当pH值为8.5时，-N和TN的平均去除率分别降低到90%，92%及80%，脱氮效果有所下降；当pH值为9时，-N 和TN的平均去除率分别降低到50%，55.5%及40%，由于反应呈碱性增强，脱氮效果明显下降。

因此，厌氧氨氧化菌最适pH值为8。

(1)厌氧氨氧化菌对和的适宜质量浓度约为220 mg/L。

(2)当HRT为4 h，反应器平均容积负荷(以TN计)为6.56 kg/(m3·d) 时，及TN 去除率高，脱氮效果最好。

(3)温度对厌氧氨氧化菌脱氮效果有较大的影响，当温度为20～35 ℃时，随着温度升高，脱氮效果也提高；当温度超过35～40 ℃时，由于厌氧氨氧化菌生化反应酶活性受到抑制或可能失去酶活性，厌氧氨氧化菌的脱氮效果变差。

(4)pH值对厌氧氨氧化菌脱氮效果有较明显的影响，当pH值为6.0～7.0酸性条件时，厌氧氨氧化菌活性受到抑制；当pH值达到8时，厌氧氨氧化菌脱氮效果最为明显；当 pH值超过8.5时，脱氮效果明显降低。

在pH值为8，HRT为4 h，温度为35 ℃，进水和质量浓度均约为220 mg/L条件下，和TN平均去除率分别为97%，98.5%及88%，达到最高值。

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