一個(gè)新型的去除廢水中的有機(jī)物和氨氮顆粒污泥序批式反應(yīng)器

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簡(jiǎn)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(xì)菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)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(duì)微生物顆粒反硝化效率有著顯著的影響。同時(shí)結(jié)果也顯示提供可靠的混合動(dòng)力確保在反硝化時(shí)液體和顆粒大量的遷移。它可以證明在基于SBR單一顆粒可以高效穩(wěn)定去除全部的有機(jī)物和氮。第一個(gè)研究顯示微生物顆粒有能力同時(shí)去除廢水中的有機(jī)碳和氮。
關(guān)鍵字：微生物顆粒 N/COD 有機(jī)物去除 硝化反應(yīng) 反硝化反應(yīng)

　1、介紹

　　隨著更嚴(yán)格的環(huán)境規(guī)定的實(shí)施，在廢水中氮去除中高級(jí)的、經(jīng)濟(jì)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(jìn)和方法被發(fā)展和實(shí)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(diǎn)，對(duì)負(fù)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(shí)由于硝化菌對(duì)環(huán)境的敏感型以及低生長(zhǎng)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?dú)狻?/p>

　　在污水處理中好氧顆粒是一個(gè)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(duì)照常規(guī)污水處理系統(tǒng)，顆粒系統(tǒng)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。例如更大密度和更結(jié)實(shí)的微生物結(jié)構(gòu)、好的沉淀能力、和高的生物量停留時(shí)間，和有能力抵抗高有機(jī)負(fù)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(shí)去除有機(jī)碳和氮，因?yàn)閺U水經(jīng)常存在有機(jī)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?dú)?。眾所周知反硝化是一個(gè)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(shí)去除有機(jī)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(shí)去除有機(jī)物和氮的可行性，以及 [DO]和混合程度對(duì)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(yùn)行

　　四個(gè)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(gè)有相同的幾何結(jié)構(gòu)。反應(yīng)器運(yùn)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(gè)時(shí)間里，反應(yīng)器中的DO濃度超過2.0mg/L。所有反應(yīng)器運(yùn)行一個(gè)周期為4h，以一個(gè)有順序的方式：4分鐘進(jìn)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(shí)間增加到6h，即進(jìn)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(gè)試驗(yàn)：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(jìn)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(gè)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(zhǎng)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(yàn)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(gè)流量注射分析器測(cè)量（），而COD濃度用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)量。

　　2.3.2 生物種的氧利用率

　　異氧細(xì)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(jìn)行測(cè)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(jìn)干凈的BOD瓶。接著，BOD瓶加滿預(yù)先曝氣的營(yíng)養(yǎng)物和培養(yǎng)基溶液，帶有攪拌機(jī)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(gè)過程中DO濃度記錄可以計(jì)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(gè)培養(yǎng)基確定SOUR）h、（（SOUR）NH4和（SOUR）NO2）。SOUR試驗(yàn)在25℃進(jìn)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(cè)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(yùn)行20天后，4個(gè)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(gè)反應(yīng)器中好氧顆粒結(jié)構(gòu)緊密，與接種污泥對(duì)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(yùn)行一個(gè)4h循環(huán)時(shí)間時(shí)COD和硝化反應(yīng)關(guān)系。數(shù)據(jù)跳躍的點(diǎn)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(shí)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(gè)培養(yǎng)基N/COD比率10/100、20/100和30/100時(shí)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(shí)間前30分鐘氨氮去除是微生物生長(zhǎng)需求氮源替代了硝化反應(yīng)，因?yàn)樵谶@個(gè)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(shí)際上，硝化反應(yīng)主要由兩類細(xì)菌來完成，氨氮氧化菌負(fù)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(gè)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(shí)際生長(zhǎng)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(gè)運(yùn)行條件下非常低。由于好氧顆粒對(duì)照水里有更高的實(shí)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(gè)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(shí)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(jìn)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(duì)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(shí)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(shí)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(shí)際氨氮氧利用率（SOUR）NH4和實(shí)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(shí)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(jìn)水COD在曝氣階段去除，同時(shí)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(dá)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(jìn)水生物固體容易有效分離出來，高的生物濃度意味著一個(gè)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(gè)月細(xì)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(yùn)行一年多，此時(shí)試驗(yàn)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(shí)去除有機(jī)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(shí)上，大多數(shù)反硝化菌是特殊細(xì)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(duì)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?jǐn)嚢杷鼈儗?huì)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(duì)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(shí)上，反硝化酶一旦合成，好氧條件下細(xì)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(bào)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(huì)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(bào)道。

　　圖7顯示DO和培養(yǎng)基N/COD比率對(duì)整個(gè)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(xì)菌對(duì)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(xì)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(shí)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(duì)反硝化細(xì)菌的影響公式：

　　                         (1)

　　公式中：qNO3表示實(shí)際氮還原速率（mgNg-1SSmin-1）；

　　qNO3.MAX表示最大實(shí)際氮還原速率；

　　SNO3表示NO3-N濃度，mg/L;

　　Se表示有機(jī)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(gè)模型，增加硝酸鹽濃度將導(dǎo)致實(shí)際硝酸鹽減少速率變大，但是增加DO將會(huì)使實(shí)際硝酸鹽減少速率減少。這個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和這個(gè)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(gè)新型高效率基于顆粒生物反應(yīng)器被希望用于同時(shí)去除有機(jī)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(shí)去除有機(jī)物和氮。可知異養(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(shí)顆粒中異養(yǎng)細(xì)菌的活性有降低的趨勢(shì)。這就是微生物顆粒比常規(guī)活性污泥更有優(yōu)勢(shì)的原因，不同菌種可以在同一微生物模型共存，這提供細(xì)菌協(xié)作作用的平臺(tái)。在這種情況下，一個(gè)去除有機(jī)碳和氮的更緊湊的生物反應(yīng)器阿可以實(shí)現(xiàn)。DO濃度和攪拌兩個(gè)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(shí)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(jìn)一步研發(fā)去除污水中的有機(jī)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。