比对煤气化废水厌氧段处理效能影响

2016-10-13杨世东廖路花

硅酸盐通报 2016年8期

杨世东，廖路花

(1.东北电力大学建筑工程学院，吉林 132012；2.广西建设职业技术学院，南宁 530007)

杨世东1，廖路花2

(1.东北电力大学建筑工程学院，吉林 132012；2.广西建设职业技术学院，南宁 530007)

进水稀释配比R为75%的条件下，研究了厌氧氨氧化与反硝化的耦合作用。进水氨氮为(140±5) mg/L，COD为(900±5) mg/L，通过改变厌氧反应器中亚硝酸盐氮与氨氮的质量浓度比(化学计量比)，以考察不同亚硝态氮浓度对厌氧段总氮与有机物的去除效果。实验结果表明，在化学计量比为1.6的条件下，TN去除率高达73.58%，COD去除率为81.61%。结果表明，合适的化学计量比，可以强化厌氧氨氧化与反硝化的协同作用，提高系统的脱氮除碳效能。

煤气化废水；厌氧氨氧化；反硝化；化学计量比；脱氮除碳

1 引言

煤气化废水是∶一种典型的高氨高酚难降解的有机废水[1-3]。厌氧技术在处理难降解废水时具有明显的优势，如处理能力强(有机负荷高)、提高废水的可生化性、剩余污泥少、节能、运行成本低、处理效果好等[4-6]。传统的厌氧技术也存在缺点，最显著的不足为出水氨氮含量高。新型的生物脱氮技术-厌氧氨氧化工艺(ANAMMOX)的出现正好解决了这一问题。该工艺是在厌氧或缺氧的条件下，以亚硝酸盐为电子受体，由自养菌直接将氨氮转化为氮气，同时生成少量硝酸盐的生物过程[7-9]。由于厌氧氨氧化菌为自养菌，在高浓度有机碳源条件下，厌氧氨氧化菌活性会受到抑制，严重影响脱氮效果[10]。所以可以考虑在厌氧除碳的同时，实现反硝化与厌氧氨氧化的耦合。

鉴于此，本试验在最佳进水配比75%的条件下[17]，通过改变亚硝态氮与氨氮的化学计量比来改变厌氧反应器中亚硝态氮的含量，以考察不同亚硝态氮与氨氮化学计量比对厌氧段总氮与有机物的去除效果，分析厌氧氨氧化和异养反硝化各自对氮的去除贡献，同时考察化学计量比的改变对有机物去除影响。最终确定高酚高浓度COD条件下厌氧段进水的亚硝态氮与氨氮的最佳化学计量比。

2 试验

2.1 试验装置

厌氧反应器有效容积为2.5 L，高40 cm，直径10 cm。采用蠕动泵控制流量。反应器避光置于恒温水浴箱内，温度维持在35 ℃左右，HRT为30 h，进水pH值用NaOH和HCl调节控制在7.0左右。

2.2 接种污泥

本试验从吉林市污水厂引入剩余污泥，作为种泥进行培养驯化，在培养驯化的开始，主要以生活污水为主，同时加入少量的模拟煤气化废水，在培养驯化过程中逐步加大废水比重减少生活污水的比例，使活性污泥在增长的过程中，能逐渐适应这种废水并具有处理它的能力即使微生物逐渐适应新的生活环境下得到驯化。成功接种后的污泥浓度达5000 mg/L左右。

2.3 模拟废水组成

试验采用人工配水，厌氧反应器进水组成：葡萄糖230～250 mg/L，挥发酚150～250 mg/L，氨氮140～145 mg/L，硫氰酸盐20～50 mg/L，硫化物20～50 mg/L，吡啶类化合物20～40 mg/L，呋喃类化合物20～40 mg/L，吲哚类化合物20～30 mg/L，苯类化合物100～150 mg/L；KH2PO427 mg/L，CaCl2·2H2O 180 mg/L，MgSO4·7H2O 300 mg/L，NaHCO30.5 g/L，微量元素浓缩液Ⅰ和微量元素浓缩液Ⅱ各1 ml/L[18]。

2.4 分析项目与方法

2.5 试验方法

其中进水稀释配比R为含亚硝态氮、硝态氮的人工配水和进入厌氧段的进水流量比。人工配水中的亚硝酸盐和硝酸盐分别由亚硝酸钠和硝酸钠提供，然后采用用自来水溶解稀释而成，通过蠕动泵泵入厌氧反应器底部。

3 结果与讨论

3.1 不同化学计量比对氮去除效果

从图1可看出，在0.8～1.6之间的化学计量比下，出水氨氮基本较稳定，维持在32 mg/L左右，而在两端时，出水氨氮较高，含量大约为40 mg/L。亚硝态氮与总氮出水规律相似，进水氮负荷较小时，即化学计量比为0.5和0.8时，出水亚硝态氮含量可维持在10 mg/L以下，出水总氮含量为(48±5.0) mg/L。随着进水氮负荷的增加，亚硝态氮与总氮出水浓度基本上呈上升趋势，但在化学计量比为1.6时，亚硝态氮和总氮去除量是最大的。出水硝态氮含量呈无规律变化。

图1 进出水含量变化曲线Fig.in influent and effluent

图2 化学计量比对去除影响Fig.2 Stoichiometric ratio on -N removal

图3 化学计量比对去除影响Fig.3 Stoichiometric ratio on -N removal

图4 化学计量比对去除影响Fig.4 Stoichiometric ratio on -N removal

图5 化学计量比对TN去除影响Fig.5 Stoichiometric ratio on TN removal

图6 化学计量比对厌氧氨氧化与异养反硝化对氮去除影响Fig.6 Effect of stoichiometric ratio on nitrogen removal by anaerobic ammonium oxidation and heterotrophic denitrification

3.2 不同化学计量比对氮去除效果分析

从图6可看出，随着化学计量比的增加，总氮去除量基本上是呈上升趋势的。与计量比为1.6时相比，计量比为2.0时，总氮去除量相对减少了23 mg/L。但是较其他计量比下的总氮去除量，计量比为2.0时的总氮去除量还是最高的。

通过分析理论所需亚硝态氮量与实际去除的亚硝态氮可知，化学计量比<1.32情况下，进水亚硝态氮浓度表现为不足，不足部分的补偿通过硝态氮部分反硝化实现。由此得知，硝态氮的引入可弥补进水亚硝态氮不足带来的负面影响。化学计量比≥1.32情况下，进水亚硝态氮浓度能够满足厌氧氨氧化与异养反硝化的基质竞争需求。且在化学计量比为1.6时，总氮的去除量达到最大值，此时厌氧氨氧化对总氮的去除贡献与异氧反硝化的相当，两者去除贡献在50%左右。实现较好的竞争与协同效果。同时，该计量比与进水配比为75%条件下的氨氮/亚硝态氮的去除量比值1.51接近，进一步证实了进水配比选定为75%的合理性。

表1 厌氧氨氧化与反硝化对氮去除计算结果Tab.1 Calculation results of anaerobic ammonium oxidation and denitrification on nitrogen removal /mg·L-1

3.3 不同化学计量比对有机物去除效果

图7、8中53～59 d、61～66 d、43～51 d、23～29 d、67～72 d、74～79 d的化学计量比分别为0.5、0.8、1.0、1.32、1.6、2.0，进出水浓度取其测定数据平均值。进出水挥发酚、总酚、COD含量及变化趋势见图7、8。

从图7、8可看出，在相同的化学计量比下挥发酚、总酚、COD去除特性大致相同。相对其他计量比下的出水情况，计量比为0.5时，出水挥发酚、总酚及COD浓度波动幅度较大，且在化学计量比1.6时，挥发酚、总酚、COD出水浓度最小，分别为19.89 mg/L、36.71 mg/L、165.89 mg/L。

图7 进出水酚变化曲线Fig.7 Content change curve of influent and effluent phenol

图8 不同化学计量比下酚及COD去除特性Fig.8 Phenol & COD removal characteristics under different stoichiometric ratio

3.4 不同化学计量比对厌氧段有机物去除效果分析

从图9、10、11看出，挥发酚、总酚、COD的去除规律基本一致。化学计量比从0.5增加到0.8和从1.6增加到2.0两个区间，去除率都是呈现下降趋势。化学计量比在0.8～1.32条件下，有机物去除增长较平稳，去除率仅从79.3%增加到81.61%。当计量比增加到1.6时，去除率增长相对较大，此时总酚去除率最大，达83.4%。

表2 反硝化COD去除结果Tab.2 Denitrification COD removal results /mg·L-1

图9 化学计量比对挥发酚去除影响Fig.9 Stoichiometric ratio on volatiel phenol removal

图10 化学计量比对总酚去除影响Fig.10 Stoichiometric ratio on total phenol removal

图11 化学计量比对COD去除影响Fig.11 Stoichiometric ratio on COD removal

从表2可看出，异养反硝化去除的COD基本上是随化学计量比的增加而增加的，从0.8增加到1.0时，出现反常现象，经反硝化去除的COD量减少了7.97 mg/L。在1.6的化学计量比下，反硝化去除的COD量最大。从实验测得，在化学计量比0.5、0.8、1.0、1.32、1.6、2.0下COD的总去除量分别为769.08 mg/L、714.76 mg/L、719.22 mg/L、721.29 mg/L、734.7 mg/L、696.43 mg/L。从对于化学计量比下COD去除量分析知，在化学计量比为0.5时，由于进水的亚硝态氮浓度仅为40 mg/L，所以对甲烷菌的影响很小，所以COD的去除量是最大的。随着化学计量比的增加，甲烷菌受到的影响程度基本上是逐渐增加的，其COD去除量分别为732.23 mg/L、631.8 mg/L、644.33 mg/L、609.63 mg/L、573.4 mg/L、567.3 mg/L。故在各化学计量比下异养反硝化对COD去除量贡献率分别为4.8%、11.61%、10.41%、15.48%、21.96%、18.54%。结果表明，在化学计量比为1.6时，异养反硝化对COD的去除贡献最大。且化学计量比为1.6时，C/N比为4.18，这与75%进水配比下的C/N 4.21很接近，故也有较好的脱氮除碳效果，且效能较其也高一些。

4 结论

(1)化学计量比小于1.32情况下，进水亚硝态氮浓度表现为不足，不足部分的补偿通过硝态氮部分反硝化实现，表明硝态氮的引入可强化厌氧氨氧化作用，实现厌氧氨氧化与异养反硝化较好的耦合效果；当化学计量比大于等于1.32时，进水亚硝态氮浓度能够满足厌氧氨氧化与异养反硝化的基质竞争需求;

(2)随着化学计量比的增加，异养厌氧菌受影响程度逐渐增加，但在合适的计量比1.6下，反硝化和异养厌氧菌亦能实现较好的耦合作用，TN、COD去除率分别为73.58%、80.1%。且异养厌氧菌在与反硝化耦合中占主导，对COD去除贡献率为78.04%;

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YANGShi-dong1，LIAOLu-hua2

(1.School of Civil Engineering and ArchitectureNortheast Dianli University,Jilin 132012,China;2.Guangxi Polytechnic of Construction,Nanning 530007,China)