摘要:采用缺氧下向流生物膜濾池研究ANAMMOX工藝在城市生活污水深度處理中的效能,結果表明,ANAMMOX工藝不僅適用于處理高氨廢水,也可用于城市生活污水深度處理中.實驗過程中,氨氮、亞氮的消耗量及硝態氮的生成量三者之間的關系為:m(ΔNH4-N)∶m(ΔNO2-N)∶m(ΔNO3-N)=1∶(1~1.5):(0.17~0.27),ρ/(ΔTC)=0.3~1.3 mg/L.從總體脫氮效果考慮,進水中m(NO2-N):m(NH4-N)=1.3∶1是獲得良好脫氮效果的適宜配比.NO2-N在一定程度上的提高,有利于加快ANAMMOX反應的進程,當亞硝酸鹽氮質量濃度超過118.4 mg/L時,就已不是ANAMMOX的理想狀態,但此時ANAMMOX反應并沒有停止,厭氧氨氧化菌仍保持較高的活性.pH可以用來判斷ANAMMOX反應的進程,隨著ANAMMOX反應的進行,pH升高,但當ANAMMOX反應停止時,pH趨于平穩.

關鍵詞:ANAMMOX,生物膜濾池,生活污水,深度處理,脫氮,亞硝酸鹽

隨著生活水平的提高,城市污水中C/N的降低越來越不利于氮的去除,而外加碳源的高費用迫使尋求高效低耗的脫氮新工藝.近年來,厭氧氨氧化菌的發現給傳統營養鹽去除工藝的改善提供了一個契機.自從Mulder等[1-2]發現氨氮的厭氧生物氧化現象,證實了Broda[3]的預言之后,國內外學者對這一新型生物脫氮技術進行了大量的研究,各種不同類型的反應器應運而生[4-7],其目的均是為了富集世代時間長達3周[8]的厭氧氨氧化菌.但迄今為止,對厭氧氨氧化的研究大都集中于高氨廢水的處理,如污泥消化液、垃圾滲濾液等;若能將厭氧氨氧化技術開發應用于生活污水的深度處理之中,以其低耗氧、無需外加碳源、無需中和劑等諸多優點,必將會有很好的應用前景.本文以城市生活污水的二沉池出水為原水,展開了ANAMMOX在低氨廢水處理中的應用研究,對ANAMMOX反應的影響因素進行了探討,有助于進一步探明該反應機理.

1材料與方法

1·1實驗裝置本實驗裝置為一下向流生物膜濾池,材質為有機玻璃,內徑7 cm、高2 m.填料采用頁巖顆粒(粒徑2·5~5 mm),填料高度1·6 m,
以城市生活污水的二沉池出水為研究對象,二沉池出水(即本實驗的原水)水質為COD25~ 45 mg /L, TOC9~ 12mg /L, NH4 - N15~ 40mg /L, pH7.40~ 7.85, 水溫25~ 28 度 .時, ANAMMOX 濾池中的NH4 - N 去除率穩定在98%以上. 證實厭氧氨氧化技術不僅適用于高氨高溫廢水的處理, 也可用于城市污水的深度處理之中.
1.2 檢測方法
所有的監測項目均在北京工業大學水質科學與水環境恢復工程實驗室中完成2 結果與討論

2.1 3種無機氮的轉變關系
根據Van de G raaf的結論[ 9 ] , 厭氧氨氧化過程中, 氨氮、亞硝態氮的消耗與硝態氮的生成之間關系為1B1131B0122. 本實驗中這3種無機氮之間的關系m( $NH4 - N ) Bm ( $NO2 - N ) Bm ($NO3-N) = 1 B( 1 ~ 11 5 ) B(01 17 ~ 01 27 ) ,反應過程中Q( $TC ) = 013~ 113 mg /L. 說明此濾池中氨氮的去除主要依賴于厭氧氨氧化菌的作用, 厭氧氨氧化菌并非僅局限于高氨高溫廢水的處理, 還可用于城市生活污水的深度處理中, 可以作為污水生物處理的最后一道工序.

2.2 NO2 - N對ANAMMOX反應的影響厭氧氨氧化反應的基質是氨氮和亞硝酸鹽氮, 對于許多微生物, NO2- 是有毒害作用的; 國內外研究結果顯示, 亞硝酸鹽氮和氨氮的質量濃度過高均會對厭氧氨氧化過程產生抑制. ChristianFux[ 10] 、S trous[ 11 ] 認為, 當NO2 - N 的質量濃度大于100 mg /L時, 就能完全抑制厭氧氨氧化活性;而Jetten 等[ 12] 認為, 當NO2 - N 質量濃度高于280mg /L時, Anammox過程才會被NO2- 所抑制,但是當Q( NO2 - N ) > 140mg /L, 就己經不是最理想的狀態了. 對于NO2 - N 的抑制質量濃度各研究者的結論不同, 這可能與實驗水質及所采用的具體工藝形式有關, 但有一點是都認同的, 即高質量濃度的NO2 - N 會對ANAMMOX 過程產生抑制作用.以上報道均是針對高氨氮廢水的研究結果,為進一步探明ANAMMOX 工藝在處理低氨氮廢水時NO2 - N 的抑制作用, 盡量維持進水氨氮不變( Q(NH4 - N ) = 36~ 40 mg /L) , 向進水中投加不同量的亞硝酸鹽, 考察ANAMMOX 濾池運行效果,此外, 由于ANAMMOX 生物膜濾池中的生物量由懸浮生長的活性污泥絮體和固著生長的生物膜兩部分組成, 均難以精確計量污泥負荷率; 同時ANAMMOX反應沿濾層不斷進行, 參加反應的基質質量濃度也隨之降低, 而反應進行的快慢與反應物質量濃度有關, 為統一考察NO2 - N 對ANAMMOX反應的影響情況, 以濾池沿水流方向0 ~20 cm 段濾層的氨氮平均去除速率來表示NO2 -N 的抑制作用.
從圖3可以看出, 隨著進水中NO2 - N 質量濃度的提高, 氨氮的最大去除速率也隨之增大, 當進水Q(NO2 - N ) = 11814 mg /L時, 氨氮最大去除速率達最高值3128mg / ( L# m in); 但當進一步提高進水中NO2 - N 質量濃度時, 氨氮最大去除速率反而隨之降低. 這說明高質量濃度的NO2 -N (本實驗的結果為> 11814 mg /L)對ANAMMOX反應產生了抑制作用.
可見在用ANAMMOX 深度處理生活污水(低氨廢水)時, NO2 - N 在一定程度上的提高有利于加快ANAMMOX 反應的進程, 但同時也存在亞硝酸鹽氮質量濃度過高引起的抑制效應. 在本實驗中, 當亞硝酸鹽氮質量濃度超過11814 mg /L 時,就已不是ANAMMOX 的理想狀態, 亞硝酸鹽對厭氧氨氧化過程產生明顯的抑制作用, 氨氮去除速率下降. 當NO2 - N 質量濃度高達13610 mg /L時, 氨氮最大去除速率與Q ( NO2 - N ) =11814mg /L時相比, 下降了約2315%, 但高于Q(NO2 - N) < 60mg /L時的去除速率. 這說明當NO2 - N 質量濃度過高時, ANAMMOX 反應并沒有停止, 厭氧氨氧化菌仍保持較高的活性. 可見,在用ANAMMOX 深度處理生活污水(低氨廢水)時, NO2 - N 的抑制作用具有自身的特點, 與Christian Fux[ 10 ] 、Strous[ 11] 在處理高氨廢水時所得的結果有明顯的差別.

2.3 適宜m(NO2 - N)Bm(NH4 - N)配比的確定為了考察ANAMMOX 濾池總體脫氮效果, 跟蹤監測NO2 - N 和NH4 - N 的變化情況, 現僅列出m (NO2 - N ) Bm ( NH4 - N ) = 110: 1、113: 1、114: 1時的3組數據,可以看出, 當進水中m ( NO2 -N ) Bm (NH4 - N ) = 110B1時, 在沿水流方向濾層60 cm 高度處, ANAMMOX 反應即已停止, 此時,雖然還殘留有NH4 - N, 但是由于NO2 - N 不足,厭氧氨氧化菌得不到充足的電子受體, 反應停止,從而導致NH4 - N未得到完全去除.當進水中m (NO2 - N ) Bm (NH4 - N) = 115B1時(圖4( c) ), 電子受體NO2 - N 充足, 氨氮去除速率較高, 高于m (NO2 - N ) Bm (NH4 - N) [ 113B1時的速率(圖4中擬合直線段的斜率即為氨氮去除速率), 但是NH4 - N 完全去除后, 出水中仍有多余的NO2 - N; 而當m (NO2 - N ) Bm ( NH4 - N) = 113B1時(圖4 ( b) ), 電子受體與電子供體完全反應,ANAMMOX濾池出水中NO2 - N 和NH4 - N 趨于0. 從以上數據分析可見, 在將ANAMMOX應用于生活污水( 低氨廢水) 深度處理時, 進水中m( NO2 - N ) Bm ( NH4 - N ) = 113B1是獲得良好脫氮效果的適宜配比, 而這也進一步證明了MarcS trous[ 13 ] 通過元素平衡做出的厭氧氨氧化化學計量關系的推斷.

2.4 pH的變化
周少奇[ 14] 從生化反應電子流守衡原理出發,推導了厭氧氨氧化反應的生化反應計量方程式,從理論上證明ANAMMOX反應以NH4+ 作為細胞合成的氮源, 需要消耗一定的堿度, 并指出, 所有的ANAMMOX反應都有H+ 產生, 所以, 反應過程中會有pH 下降的現象. 諸多文獻也指出, ANAMMOX工藝無需供氧、無需外加有機碳源維持反硝化、亦無需額外投加酸堿中和試劑. 但是, ANAMMOX反應過程中pH 是否確無變化, 其變化趨勢如何, 迄今仍未見報道. 本實驗中以濾速2174m /h運轉ANAMMOX濾池, 當其運行穩定后, 使進水組分中m ( NO2 - N ) Bm ( NH4 - N )分別為1. 0、115、113 時, 考察隨厭氧氨氧化反應的進行, pH沿程變化情況. 其中m ( NO2 - N ) Bm ( NH4 - N )= 113B1的結