一個新型的去除廢水中的有機物和氨氮顆粒污泥序批式反應(yīng)器

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簡介： 在序批式反應(yīng)器（SBR）中微生物在不同N/COD比率的培養(yǎng)基中培養(yǎng)。結(jié)果，顯示異養(yǎng)型細菌、硝化細菌和反硝化細菌可以在微生物顆粒中和平共處，然而增加培養(yǎng)基N/COD比率導(dǎo)致顆粒中三種菌種的數(shù)量重大變化。在高N/COD比率的培養(yǎng)基馴化提高了顆粒中硝化和反硝化菌種的活性，然而增加培養(yǎng)基的N/COD比率顆粒中的異養(yǎng)菌的數(shù)量減少。發(fā)現(xiàn)溶解氧[DO]濃度對微生物顆粒反硝化效率有著顯著的影響。同時結(jié)果也顯示提供可靠的混合動力確保在反硝化時液體和顆粒大量的遷移。它可以證明在基于SBR單一顆?？梢愿咝Х€(wěn)定去除全部的有機物和氮。第一個研究顯示微生物顆粒有能力同時去除廢水中的有機碳和氮。
關(guān)鍵字：微生物顆粒 N/COD 有機物去除 硝化反應(yīng) 反硝化反應(yīng)

　1、介紹

　　隨著更嚴格的環(huán)境規(guī)定的實施，在廢水中氮去除中高級的、經(jīng)濟有效的技術(shù)變得越來越來重要了。從廢水去除氮的許多改進和方法被發(fā)展和實施?；旧?，去除氮的那些工藝可以分類為懸浮污泥和固定膜培養(yǎng)。那些懸浮污泥系統(tǒng)有污泥膨脹。大容積的缺點，對負荷沖擊很敏感，然而固定膜系統(tǒng)有生物膜相關(guān)的堵塞和脫落等等問題。同時由于硝化菌對環(huán)境的敏感型以及低生長速率，它非常困難在常規(guī)懸浮和固定培養(yǎng)廢水處理系統(tǒng)中獲得和維持足夠的硝化生物量，然而硝化是反硝化的第一步，反硝化是轉(zhuǎn)化亞硝酸鹽和硝酸鹽為氮氣。

　　在污水處理中好氧顆粒是一個最近描述的現(xiàn)象和在積極的調(diào)查中潛在的生物代名詞。對照常規(guī)污水處理系統(tǒng)，顆粒系統(tǒng)有幾個優(yōu)點。例如更大密度和更結(jié)實的微生物結(jié)構(gòu)、好的沉淀能力、和高的生物量停留時間，和有能力抵抗高有機負荷率。好氧顆粒技術(shù)似乎有潛在的挑戰(zhàn)廢水氨氮的去除。因此，非常希望混合好氧顆粒有能力同時去除有機碳和氮，因為廢水經(jīng)常存在有機物和氮。完全氮去除包括硝化和反硝化。硝化成的亞硝酸鹽和硝酸鹽要求通過反硝化生成 氮氣。眾所周知反硝化是一個厭氧過程，它受到溶解氧[DO]影響。到目前為此，非常少的資料關(guān)于微生物顆粒同時去除有機物和氮。因此，本課題主要研究好氧顆粒在不同底物N/COD比率的發(fā)展，在單一的顆粒生物反應(yīng)器同時去除有機物和氮的可行性，以及 [DO]和混合程度對微生物顆粒反硝化效率的影響。

　　2 材料和方法

　　2.1 反應(yīng)器的建立和運行

　　四個有效容積為2.4L的圓柱（8厘米高，6厘米直徑）用作序批式反應(yīng)器（SBR），和每一個有相同的幾何結(jié)構(gòu)。反應(yīng)器運行了一年多。340天前，反應(yīng)器1－4（R1至R4）被供應(yīng)空氣流量2.4L/min，相當(dāng)于表面上升空氣速度2.4cm/min。在這個時間里，反應(yīng)器中的DO濃度超過2.0mg/L。所有反應(yīng)器運行一個周期為4h，以一個有順序的方式：4分鐘進水，230分鐘曝氣，2分鐘沉淀和4分鐘排水。排水端口在圓柱反應(yīng)器的中部。340天以后，為了觀察在不同底物N/COD比率培養(yǎng)的微生物顆粒的反硝化性能，SBR的循環(huán)時間增加到6h，即進水4分鐘，230分鐘曝氣，2h厭氧或缺氧階段，2分鐘沉淀，和4分鐘排水。做以下三 個試驗：⑴342天后，所有反應(yīng)器的DO濃度降低到0.8mg/L，通過減少空氣流量至1.0L/min；⑵350天后，反應(yīng)器DO進一步降低至0.5 mg/L，通過降低曝氣量至0.5L/min；⑶355天后，所有的反應(yīng)器停止曝氣，創(chuàng)造一個無DO的環(huán)境。在厭氧或缺氧階段，在反硝化階段乙醇作為外加碳源加入反應(yīng)器，其濃度為600mg/L。

　　2.2 媒介物

　　反應(yīng)器1－4接種650ml新鮮活性污泥（相當(dāng)于3000mg/L的懸浮固體），來自于當(dāng)?shù)厥姓鬯幚韽S的污泥。反應(yīng)器初始生物量濃度為每升2000mg干重。人工底物主要是作為單一碳源的乙醇，氯化銨，重碳酸鈉，和其它必要元素。乙醇化學(xué)需氧氧量固定為500mg/L,而在R1至R4中氨氮濃度從25變化到150mg/L，各自底物N/COD比率分別為5/100－30/100。為了滿足硝化菌生長要求，所有反應(yīng)器中的重碳酸鹽與氨氮的比值保持常數(shù)值8.0mg/mg。在人工廢水中微量元素在別處可以發(fā)現(xiàn)。反應(yīng)器的pH降低到8.2－7.5的范圍。試驗溫度控制在25℃。

　　2.3 分析方法

　　2.3.1 溶液中氨氮和氮的濃度

　　氨，亞硝酸鹽，和硝酸鹽濃度用一個流量注射分析器測量（），而COD濃度用標(biāo)準(zhǔn)方法測量。

　　2.3.2 生物種的氧利用率

　　異氧細菌的生物種氧利用率（SOUR）h和氨氮氧化菌及亞硝酸鹽氧化菌的氨氮與亞硝酸生物種氧利用率（（SOUR）NH4和（SOUR）NO2），可以通過標(biāo)準(zhǔn)方法進行測量（APHA，1998.）。一定數(shù)量顆粒樣本用自來水小心洗干凈，然后放進干凈的BOD瓶。接著，BOD瓶加滿預(yù)先曝氣的營養(yǎng)物和培養(yǎng)基溶液，帶有攪拌機置的氧傳感的探針立即插入BOD瓶中。間隔15S記錄DO的減少量。根據(jù)整個過程中DO濃度記錄可以計算出生物種的氧利用率。生物量、COD、NH4-N和NO2-N濃度分別保持為500、400、20和20mg/L常數(shù)，乙醇、NH4Cl和NaNO2各個培養(yǎng)基確定SOUR）h、（（SOUR）NH4和（SOUR）NO2）。SOUR試驗在25℃進行。

　　2.3.3 顆粒的物理性質(zhì)

　　用激光粒子尺寸分析系統(tǒng)（Malvern Mastersizer series 2600）或者圖象分析儀（Quantimner 500 image Analyzer,Lecia Cambridge Insttuments）。懸浮固體（SS）和揮發(fā)性懸浮固體（VSS）用標(biāo)準(zhǔn)方法測量（APHA,1998）.

　　3 結(jié)果

　　3.1 不同培養(yǎng)基N/COD比率的好氧顆粒

　　接種污泥平均絮狀尺寸為90υm。運行20天后，4個反應(yīng)器的好氧顆粒形成了。好氧顆粒尺寸逐漸穩(wěn)定下來。40天后，R1、R2、R3和R4的平均直徑分別為1.9mm、1.5mm、0.5mm、0.4mm。在穩(wěn)定狀態(tài)下反應(yīng)器里的生物量濃度增加超過了10gSS/L。當(dāng)培養(yǎng)基N/COD比率從5/100增加到30/100，VSS/SS比率從0.94降到0.79。微生物觀察顯示4個反應(yīng)器中好氧顆粒結(jié)構(gòu)緊密，與接種污泥對比其外部形狀有明顯的球形。

　　3.2 好氧條件下COD和硝化反應(yīng)關(guān)系

　　圖2顯示反應(yīng)器R1至R4運行一個4h循環(huán)時間時COD和硝化反應(yīng)關(guān)系。數(shù)據(jù)跳躍的點是：⑴幾乎所有流入COD在開始30分鐘去除；⑵培養(yǎng)基N/COD比率為5/100時反應(yīng)器R1沒有亞硝酸鹽和硝酸鹽產(chǎn)生，可以觀察到在各個培養(yǎng)基N/COD比率10/100、20/100和30/100時COD和硝化反應(yīng)關(guān)系；⑶COD去除后在反應(yīng)器R2至R4中完全硝化反應(yīng)發(fā)生；⑷在循環(huán)時間前30分鐘氨氮去除是微生物生長需求氮源替代了硝化反應(yīng)，因為在這個階段既沒有亞硝酸鹽產(chǎn)生也沒有硝酸鹽產(chǎn)生；⑸就亞硝酸鹽形成來說不能看到緩慢硝酸鹽產(chǎn)物；實際上，硝化反應(yīng)主要由兩類細菌來完成，氨氮氧化菌負責(zé)亞硝酸鹽形成，亞硝酸氧化菌轉(zhuǎn)化亞硝酸鹽為硝酸鹽。在正常培養(yǎng)條件下，至少有兩個因素影響硝化反應(yīng)效率，在微生物種群中氨氮氧化菌與亞硝酸氧化菌的實際生長率，以及在該系統(tǒng)兩種菌種的比率關(guān)系。

　　3.3 在沒有攪拌無DO條件下的反硝化

　　圖3顯示在厭氧條件下反應(yīng)器R2至R4中COD和反硝化關(guān)系。可以看到反應(yīng)器中少量的反硝化反應(yīng)發(fā)生。反應(yīng)器R2至R4總的氮去除率分別為21、24和26％，但是COD去除率在這個運行條件下非常低。由于好氧顆粒對照水里有更高的實際重力，沒有充分的攪拌情況下他們將沉淀到反應(yīng)器底部。這將導(dǎo)致顆粒與培養(yǎng)基溶液接觸不充分，結(jié)果，由于缺乏攪拌物質(zhì)傳質(zhì)受到限制，這就是觀察到反硝化效率低的原因（圖3）。   

　　3.4 DO為0.5mg/L攪拌下反硝化反應(yīng)

　　在這個階段，反應(yīng)器DO維持在0.5mg/L，通過控制曝氣率，但確保固－液混合。圖4顯示反應(yīng)器R2至R4中COD和反硝化關(guān)系。它顯示在反應(yīng)器R2至R4中完全反硝化發(fā)生。2h缺氧階段所有硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮。在反應(yīng)器R2至R4實際總氮去除率分別為0.42、0.85、0.91mgNg-1SSmin-1。那些值可以與常規(guī)生物處理所得數(shù)值進行比較。

　　3.5 DO為0.8mg/L攪拌下反硝化反應(yīng)

　　為了研究DO對微生物顆粒反硝化的影響，通過增加曝氣速率將所有反應(yīng)器中的DO濃度增加到0.8mg/L。圖5顯示反應(yīng)器R2至R4中DO濃度0.8mg/L時COD與反硝化的關(guān)系。反應(yīng)器R2至R4氮的去除效率大約為40％，但是所有的反應(yīng)器排出的水硝酸鹽濃度依然很高，與DO濃度0.5mg/L呈現(xiàn)的結(jié)果（圖4）相比較只發(fā)生了部分反硝化。圖4和圖5顯示微生物顆粒中反硝化菌的活性受高濃度DO抑制。顯然DO不是它們合成物質(zhì)抑制劑而是充當(dāng)反硝化還原酶活性抑制劑，當(dāng)溶解氧濃度大于1.0mg/L時反硝化可以被忽略。

　　3.6 異養(yǎng)菌、硝化菌和反硝化菌的活性

　　氨氮氧化劑和亞硝酸氧化劑各自活性被實際氨氮氧利用率（SOUR）NH4和實際氮氧利用率（SOUR）NO2描述，但是異養(yǎng)菌的活性可以根據(jù)它的實際異養(yǎng)菌氧利用率（SOUR）h來量化。不同培養(yǎng)基N/COD比率下好氧顆粒穩(wěn)態(tài)培養(yǎng)的（SOUR）NH4、、（SOUR）NO2和（SOUR）NO2在圖6顯示。圖7顯示了（SOUR）NH4、和（SOUR）NO2氮減少速率（qobs）。高濃度DO導(dǎo)致低反硝化活性，從圖7中qobs可以知道，好氧顆粒反硝化菌似乎與培養(yǎng)基N/COD比率或者硝化菌量成正比。

　　4 討論

　　圖1顯示微生物顆粒在培養(yǎng)基N/COD比率5/100至30/100范圍內(nèi)可以形成。超過95％進水COD在曝氣階段去除，同時氨完全轉(zhuǎn)化為硝酸鹽（圖2）。在反應(yīng)器R1至R4中培養(yǎng)的好氧顆粒的沉淀速度大于60m/h，所有反應(yīng)器中的生物停留量達到9gVSS/L。常規(guī)活性污泥沉淀速率小于10m/h。與常規(guī)生物絮狀比較，滿意的好氧顆粒沉降速率可以確保進水生物固體容易有效分離出來，高的生物濃度意味著一個緊密的、小型的好氧顆粒污泥反應(yīng)器可以研發(fā)出來。好氧顆粒污泥反應(yīng)器2－4星期可以訓(xùn)化好，而厭氧顆粒系統(tǒng)（UASB等）至少需要4個月細心訓(xùn)化才能成熟。在本研究中，好氧顆粒污泥反應(yīng)器穩(wěn)定運行一年多，此時試驗已經(jīng)結(jié)束了。那些結(jié)果顯示好氧顆粒的利用可以提高現(xiàn)有的污水處理廠同時去除有機物和氮能力是可行的、有益的。

　　從圖2－6可知異養(yǎng)菌、硝化菌和反硝化菌在不同培養(yǎng)基N/COD比率里培養(yǎng)可以共存。事實上，大多數(shù)反硝化菌是特殊細菌，廣泛分布于各種各樣的生理和分類群體中。在好氧條

　　件下，它們利用氧作為最終電子受體。圖3－5揭示了DO和攪拌對微生物顆粒反硝化效率影響。由于微生物培養(yǎng)的顆粒非常重，如果沒有充分攪拌它們將會全部沉淀到反應(yīng)器底部。結(jié)果，顆粒和溶解氮接觸非常差，圖3可知反硝化不能有效發(fā)生。因此在以顆粒為基本生物反應(yīng)器里為了取得有效反硝化效率，一定量攪拌是必須的，確保顆粒和溶解氮好的接觸。在攪拌的條件下，從圖4和5可知DO小于0.5mg/L對反硝化非常有利，微生物顆粒反硝化DO濃度0.8mg/L受到抑制。事實上，反硝化酶一旦合成，好氧條件下細菌保持它，但是其功能受高濃度DO的抑制。另一方面廣泛地報道在某種程度上溶解氧抑制反硝化地每一步。

　　圖6顯示氨氮和亞硝酸氧化菌的活性隨著培養(yǎng)基N/COD比率增加而大大提高了，然而在好氧顆粒中異養(yǎng)菌的活性迅速減少了。結(jié)果顯示當(dāng)增加培養(yǎng)基N/COD比率少數(shù)硝化菌數(shù)量會逐漸超過異養(yǎng)菌數(shù)量，異養(yǎng)菌的主導(dǎo)地位越來越小了。相似的現(xiàn)象在生物膜反應(yīng)器也有報道。

　　圖7顯示DO和培養(yǎng)基N/COD比率對整個微生物顆粒反硝化菌數(shù)量活性影響。早期討論可知，反硝化細菌對生物反應(yīng)器中DO濃度非常敏感。在0.5mg/L的DO下，反硝化細菌的活性比在0.8mg/L的DO活性大得多。在DO濃度0.5mg/L下，在反應(yīng)器R2至R4培養(yǎng)的微生物顆粒的各自實際總氮去除率為0.42、0.85和0.91mgN/(gSS.min),這可以與常規(guī)反硝化處理所獲得活性數(shù)據(jù)相比較。我們知道隨著培養(yǎng)基N/COD比率增加qobs也增加，圖6可知增加培養(yǎng)基N/COD比率導(dǎo)致好氧顆粒中的反硝化菌數(shù)量增加，圖2顯示在反應(yīng)器中硝酸鹽濃度

　　也增加了。Batchlor(1982)提出了描述DO和硝酸鹽濃度對反硝化細菌的影響公式：

　　                         (1)

　　公式中：qNO3表示實際氮還原速率（mgNg-1SSmin-1）；

　　qNO3.MAX表示最大實際氮還原速率；

　　SNO3表示NO3-N濃度，mg/L;

　　Se表示有機培養(yǎng)基半反應(yīng)速率常數(shù),mg/L;

　　KO表示氧半反應(yīng)速率常數(shù)，mg/L;

　　根據(jù)這個模型，增加硝酸鹽濃度將導(dǎo)致實際硝酸鹽減少速率變大，但是增加DO將會使實際硝酸鹽減少速率減少。這個試驗數(shù)據(jù)和這個模型預(yù)期效果相吻合。結(jié)果，從本課題可知異養(yǎng)菌、硝化菌和反硝化菌可以在微生物顆粒相共存，一個新型高效率基于顆粒生物反應(yīng)器被希望用于同時去除有機物和氮。

　　5 結(jié)論

　　微生物顆粒在反應(yīng)器SBRS不同培養(yǎng)基N/COD比率培養(yǎng)有能力同時去除有機物和氮?？芍愷B(yǎng)菌、硝化菌和反硝化菌在顆粒中能共存，在顆粒微生物數(shù)量變化與培養(yǎng)基N/COD比率有很大的關(guān)系。微生物顆粒在高培養(yǎng)基N/COD比率培養(yǎng)可以提高硝化和反硝化活性，同時顆粒中異養(yǎng)細菌的活性有降低的趨勢。這就是微生物顆粒比常規(guī)活性污泥更有優(yōu)勢的原因，不同菌種可以在同一微生物模型共存，這提供細菌協(xié)作作用的平臺。在這種情況下，一個去除有機碳和氮的更緊湊的生物反應(yīng)器阿可以實現(xiàn)。DO濃度和攪拌兩個因素影響微生物顆粒反硝化的效率。完全反硝化在DO濃度0.5mg/L可以取得，同時攪拌為了確保顆粒和溶解氮足夠接觸是有必要的，否則微生物顆粒反硝化非常緩慢，這篇論文打開了環(huán)境工程者進一步研發(fā)去除污水中的有機物和氮兩種物質(zhì)的新穎的、緊湊的和高效率基于顆粒生物處理工藝。