UASB反应器中高盐含氮废水脱氮过程研究

高燕群，倪伟敏，赵　樑,周　霞

(杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 310036)

UASB反应器中高盐含氮废水脱氮过程研究

高燕群，倪伟敏，赵樑,周霞

(杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 310036)

摘要：通过实验研究了在不同盐质量浓度、碳氮比和HRT条件下，高盐含氮废水的反硝化过程中碳源加入、TN、NO3-N和NO2-N的变化规律.分析结果表明：废水反硝化污泥在UASB反应器中经过驯化后可以适应氯离子质量浓度为0~20 g/L的盐质量浓度环境.脱氮性能随着HRT增加和进水C/N增加而提高；而NO2-N积累也随着HRT增加和进水C/N增加而降低.经过优化反应条件，较适宜的条件为进水C/N=3∶1，HRT=7.08 hr.

关键词：废水反硝化；UASB反应器；硝态氮去除率；亚硝态氮积累率

0引言

高盐硝态氮废水(如化工废水、湿法烟气脱硫脱硝废水)如果不经过处理就排放到水体中，会给水环境带来一系列的危害：水体的富营养化，水体黑臭，水生生物大量死亡，破坏水域生态系统的平衡；硝态氮在人体肠道中可以被还原成亚硝酸盐，亚硝酸盐对人和生物体都有致癌作用[1].生物反硝化技术能把硝态氮通过异养反硝化菌转化为氮气排放，业已用来去除硝态氮废水.USAB反应器[2]利用微生物细胞固定化技术-污泥颗粒化实现了水力停留时间和污泥停留时间的分享，从而延长了污泥泥龄，保持了高质量浓度的污泥.同时，由产气和进水形成的上升液流和上窜气泡对反应区内的污泥颗粒产生重要的分级作用.这种作用不仅影响污泥颗粒化进程 ,还对形成的颗粒污泥的质量有很大影响.这种搅拌作用实现了污泥与基质的充分接触.三相分离器的应用省却了辅助脱气装置 ,能收集从反应区产生的气体 ,同时使分离器上的悬浮物沉淀下来 ,使沉淀性能良好的污泥能保留在反应器内.而探究废水反硝化过程在UASB反应器中的工艺优化，则可使污水处理过程更有效和降低污水处理成本.

影响废水脱氮的因素有很多，如杜海波等[3]研究了溶解氧、污泥回流比、厌氧区硝态氮环境温度等主要因素，同时，对进水pH值、生物反应池不同的进水方式等间接因素也做了系统的分析.而盐度对废水生物处理的影响主要有两方面：一方面认为，盐度的提高不会抑制微生物的生长，相反促进了一些耐盐菌的生长，使反应器内微生物浓度增加，降低污泥负荷，氯化钠的加入能够提高污泥的絮凝性，有利于污泥沉降[4]；另一方面认为，高盐度对微生物生长有抑制作用，表现为抑制微生物代谢酶的活性，致使微生物生长缓慢，反应速率降低，同时高盐度使废水的密度增加，活性污泥易上浮流失，不利于污泥沉降[5].因此，探究高盐含氮废水反硝化过程在反应设备中的最佳反应条件很有必要.本文通过实验研究了在不同盐质量浓度、碳氮比和硝态氮质量浓度的条件下，废水反硝化过程中TOC、NO3-N和NO2-N的变化规律来实现废水反硝化过程在UASB反应器中工艺优化.

1实验材料与方法

1．1　颗粒污泥

本实验用颗粒污泥由污水处理厂厌氧消化污泥作为污泥种培养而来.颗粒污泥主要由微生物、无机矿物以及有机的胞外多聚物组成.

1.2　水样

本实验用水样按不同实验条件配制而成.

1.3　实验装置

本实验采用的UASB反应器由杭州某水处理设备厂加工制作而成.

废水实验装置，由污泥反应区、气液固三相分离器(包括沉淀区)和气室三部分组成，污泥床区高1 600 mm，内径52 mm，沉降区高400 mm，总容积为7 L，外接有水浴控温装置.实验装置见图1.在底部反应区内存留大量厌氧污泥，具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥层，污泥悬浮高度在800～1 000 mm，污泥浓度MLSS=20~25 g/L，MLVSS/MLSS=0.60.

图1　UASB实验装置简图Fig. 1　Unit diagram of UASB device

1.4　实验项目与方法(表1)

1.4.1盐质量浓度对反硝化过程在UASB反应器中的影响

水样按照初始C/N=3∶1、ρ(NO3-N)= 400 mg/L、pH=8配制，水浴恒温35 ℃，进水流速控制在0.58 L/h.氯离子质量浓度为1~ 20 g/L.实验时间为运行直至出水质量浓度稳定，期间每隔2 h采样分析TOC、NO3-N和NO2-N的指标，处理分析实验结果.

1.4.2碳氮比对反硝化过程在UASB反应器中的影响

以葡萄糖为碳源，HRT=7.06 hr，ρ(NO3-N)= 400 mg/L，ρ(Cl)= 20 g/L，pH=7.5，温度35 ℃，初始C/N为3∶1到1∶2之间.实验时间为3 d，待实验反应稳定后，分别测TOC、NO3-N和NO2-N的指标，处理分析实验结果.

1.4.3HRT对反硝化过程在UASB反应器中的影响

以葡萄糖为碳源，C/N=3∶1，ρ(NO3-N)=400 mg/L，ρ(Cl)=20 g/L，pH=7.5，温度35 ℃.HRT为1.6~7.08 hr.分别测TOC、NO3-N和NO2-N的指标，处理分析实验结果.

表1　实验过程中使用的分析方法与分析仪器

(1)

(2)

(3)

(4)

其中：η(NO3-N)为硝态氮去除率，η(TN) 为TN去除率，C0为初始硝态氮质量浓度(mg/L)，C1为稳态硝态氮质量浓度(mg/L)，C2为稳态亚硝态氮质量浓度(mg/L)，TN0为初始总氮(mg/L)，TN1为稳态总氮(mg/L)，TOC0为初始TOC(mg/L)，TOC1为稳态TOC(mg/L).

2实验结果与讨论

2.1　盐质量浓度对反硝化过程在UASB反应器中的影响

由图2中NO3-N去除率、TN去除率和NO2-N积累率的变化规律可以看出：当ρ(Cl)=1～20 g/L时，NO3-N去除率都在99%上下波动，变化幅度很小；当ρ(Cl)> 10 g/L以后， NO3-N去除率则有小幅度增加，这与王昊等[8]的研究结果一致，由此看出氯离子质量浓度对NO3-N去除率影响不明显；同一氯离子浓度区间内TN去除率在86%左右波动，且波动幅度小于0.5%，由此可见在此区间内氯离子浓度对TN去除率影响亦不明显；NO2-N积累率不到0.5%，且波动幅度也极小，氯离子浓度对NO2-N积累率影响不大.

实验条件：进水C/N=3∶1，ρ(NO3-N)=400 mg/L，pH=8，T=35 ℃，进水流速0.58 L/h图2　氯离子质量浓度对NO3-N去除率、TN去除率、NO2-N积累率的影响Fig. 2　Effect of concentration of chloride ion on the removalrate of NO3-N and TN and the accumulation rate of NO2-N

由图3可以看出，随着氯离子质量浓度增大，ΔC/ΔN也在增大.氯离子质量浓度在20 g/L时，脱氮效果较好，说明驯化后反硝化污泥可以耐受20 g/L氯离子质量浓度以下的废水水质条件.同时，从结果可以得出，随着氯离子质量浓度逐渐提高，反硝化污泥逐渐适应盐质量浓度环境，NO3-N去除率、TN去除率均能够维持一定水平，并且NO2-N的积累率逐渐下降.但ΔC/ΔN随着氯离子质量浓度提高而增加.

实验条件：进水C/N=3∶1, ρ(NO3-N)=400 m/L,pH=8,T=35 ℃,进水流速0.58 L/h图3　氯离子质量浓度对ΔC/ΔN的影响Fig. 3　Effect of concentration of chloride ionon ΔC/ΔN

2.2　碳氮比对反硝化过程在UASB反应器中的影响

由图4中NO3-N去除率、TN去除率和NO2-N积累率的变化规律可以看出，随着进水C/N的减小，出水NO3-N去除率和TN去除率均出现下降的趋势，这与王翠等[9]的研究结果相吻合.C/N在3∶1到1∶2的变化区间中，NO3-N去除率从99.1%下降到58.45%，TN去除率从89.9%下降到10.3%.NO2-N积累率则表现出上升的趋势，从1.1%上升到46.54%.

实验条件：葡萄糖为碳源，HRT=7.06 hr，ρ(NO3-N)=400 mg/L，ρ(Cl)=20 g/L，pH=7.5，T=35 ℃图4　碳氮比对NO3-N去除率、TN去除率、NO2-N积累率的影响Fig. 4　Effect of C/N on the removal rate of NO3-N, theremoval rate of TN, NO2-N accumulation rate

由图5可以看出，随着C/N的减小，ΔC/ΔN在逐渐增大.C/N在3∶1到1∶2的变化区间中，ΔC/ΔN从1.39增大到3.25.综合结果可以得出C/N为3∶1时，NO3-N去除率和TN去除率都是最大值，而NO2-N积累率则最小，则说明NO3-N转化较为彻底，脱氮效果最好.

实验条件：葡萄糖为碳源，HRT=7.06 hr，ρ(NO3-N)=400 mg/L，ρ(Cl)=20 g/L，pH=7.5，T=35 ℃图5　碳氮比对ΔC/ΔN的影响Fig. 5　Effect of C/N on ΔC/ΔN

2.3　HRT对反硝化过程在UASB反应器中的影响

由图6中NO3-N去除率、TN去除率和NO2-N积累率的变化规律可以看出，当HRT=1.6～7.08 hr，随着HRT逐渐增大，NO3-N去除率和TN去除率亦逐渐增大，NO3-N去除率从67.39%增加到99.1%，TN去除率从10.3%增加到89.9%.NO2-N积累率却随着HRT的增大而减小，从41.6%减小到1.1%.其中HRT=1.6～3.5 hr的变化规律和令云芳等[10]的研究结果一致.

实验条件：葡萄糖为碳源，进水C/N=3∶1，ρ(NO3-N)=400 mg/L，ρ(Cl)=20 g/L，pH=7.5，T=35 ℃图6　HRT对NO3-N去除率、TN去除率、NO2-N积累率的影响Fig. 6　Effect of HRT on the removal rate of NO3-N,the removal rate of TN, NO2-N accumulation rate

由图7中ΔC/ΔN的变化规律可知，当HRT逐渐增大时，ΔC/ΔN逐步降低.ΔC/ΔN从2.62降低到1.4.综合实验结果可得，NO3-N去除率和TN去除率在HRT为7.08 hr时最大，而NO2-N积累率则最小.

实验条件：葡萄糖为碳源，进水C/N=3∶1，ρ(NO3-N)=400 mg/L，ρ(Cl)=20 g/L，pH=7.5，T=35 ℃图7　HRT对消耗的C/N的影响Fig. 7　Effect of HRT on ΔC/ΔN

3结论

1) 实验结果可以得出，当ρ(Cl)=15～20 g/L时，NO3-N去除率、TN去除率和ΔC/ΔN都比较高，所以氯离子质量浓度在15~20 g/L时脱氮效果最好.

2) 综合结果可以得出,进水C/N为3∶1时，NO3-N去除率和TN去除率都是最大值，而NO2-N积累率则最小，脱氮效果最好.

3) HRT控制在7.08 hr时，NO3-N去除率和TN去除率最大，而NO2-N积累率则最小，脱氮效果最好.

参考文献:

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Denitrification Process for the Wastewater Containing Nitrogen with High

Salinity in UASB Reactor

GAO Yanqun, NI Weimin, ZHAO Liang, ZHOU Xia

(College of Life and Environmental Science, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China)

Abstract:This paper studies the change rules of carbon source, TN, NO3-N and NO2-N in the denitrification process for the wastewater containing nitrogen with different salinity, C/N ratio and HRT condition. The results show that after the acclimation in the UASB reactor, the wastewater denitrification sludge is able to adjust to the circumstance with the concentration of chloride ion between 0~20 g/L. Nitrogen removal can raise along with the increasing of C/N ratio or HRT. However, NO2-N accumulation rate is the direct opposite of nitrogen removal. The optimization conditions are C/N=3∶1 and HRT=7.08 hr.

Key words:wastewater denitrification; UASB reactor; removal rate of NO3-N; NO2-N accumulation rate

第14卷第1期2015年1月杭州师范大学学报(自然科学版)JournalofHangzhouNormalUniversity(NaturalScienceEdition)Vol.14No.1Jan.2015

文章编号:1674-232X(2015)01-0055-05

中图分类号:X703.1

文献标志码:A

doi:10.3969/j.issn.1674-232X.2015.01.010

通信作者：倪伟敏(1978-)，男，讲师，博士，主要从事污染控制与资源化研究.E-mail:weiminni@hznu.edu.cn

基金项目:浙江省创新团队科研项目(2012R10039-18)；浙江省新苗计划项目(2014R421056)；杭州师范大学本科创新能力提升工程项目.

收稿日期：2014-06-15