新型填料厌氧氨氧化反应器的设计与启动

苏慧，周铎，贾兰，吕美婷，魏恒彬，苏林



新型填料厌氧氨氧化反应器的设计与启动

苏慧，周铎*，贾兰，吕美婷，魏恒彬，苏林

（辽宁工业大学 化学与环境工程学院， 辽宁 锦州 121001）

为了提高厌氧氨氧化反应器的启动速度和水处理效率，自主研发一种新型的掺杂电气石的陶粒填料，附加聚氨酯软性填料，设计一种适合该复合式填料的一体化厌氧氨氧化反应器，并进行启动实验研究。结果表明，在进行污泥回流的情况下，该新型载体厌氧氨氧化反应器对废水的脱氮效果较好，NH3-N 和TN去除率约为95 %以上，出现比较明显的污泥分层现象。因此，电气石陶粒+聚氨酯组合填料可作为一体化厌氧氨氧化反应器的载体并对反应器的快速启动具有促进作用。

厌氧氨氧化； 反应器； 生物脱氮

厌氧氨氧化是指在厌氧或缺氧条件下，微生物将氨氮有机物直接转变成的氮气的生物氧化过程。它的发现也丰富了人们对自然界氮素的转化路径的认识。厌氧氨氧化工艺在环境工程领域己被广泛报道，并已有实际工程运用[1]。基于微生物的基质多样性和代谢多样性，自厌氧氨氧化菌种被发现以来,国内外学者采用各种各样的反应器和不同的接种污泥在实验室启动了厌氧氨氧化反应器。考虑到厌氧氨氧化菌倍增时间长，产率系数低以及它自养生物的特点，采用能有效截留微生物的工艺可以为顺利启动该工艺打下良好基础[2-3]。

电气石是一种环状硅酸盐晶体矿物。大量的科学研究证明，电气石能自发调节水体的氧化还原电位和pH值，具有减少水分子簇团，改善微循环，提高脱氢酶活性和促进微生物的新陈代谢等功能，且电气石的化学性质稳定，价格低廉。笔者试图将具有特殊功效的电气石及多种添加剂掺杂在一起烧制成一种具有电气石特殊功能的新型陶粒，为生物膜水处理系统提供一种能够提高载体的挂膜效率和污水处理效率的功能性载体[4-5]。

当前，在生物膜工艺中常用的微生物载体的生物亲和性、稳定性、力学性能、挂膜效果方面还存在很多不足，使水处理效率难以提高。因此，笔者研制出一种特殊功能性生物膜载体电气石陶粒，试图将电气石陶粒与聚氨酯软性填料有机结合，既保持了软性填料比表面积大，挂膜速度快的特性，又保持了陶粒空隙可变，长期运行不堵塞的特点；既避免了软性填料在长期使用中出现的结团厌氧，产生短流动力消耗大，氧利用率低等弊病，又避免了陶粒填料比表面积小且光滑，开始阶段难以挂膜的缺点。电气石陶粒+聚氨酯组合填料不仅具备了软硬填料的特征优势，同时又增添了电气石的特殊功效，本试验设计一种新型的以电气石陶粒+聚氨酯为填料的厌氧氨氧化反应器并进行启动过程研究，对于提高载体的挂膜速度和反应器的水处理效率具有着重要的意义。

1 实验部分

1.1 电气石陶粒制备

将电气石、干污泥、粉煤灰、秸秆、助熔剂、粘合剂等原料经过干燥、粉碎后按一定配比混合均匀，放入成球机中，造成约直径为2 cm的球粒，将球粒生料自然干燥、温养、烘干处理，至含水率降低到30%以下，最后将颗粒生料放在马弗炉中烧制成为陶粒[6-7]，制备流程如图1所示。

图1 陶粒制备流程

1.2 实验装置

本实验采用自行设计的厌氧氨氧化反应器，主要包括主反应器、进水池、温控系统和气体收集系统等。反应器材料采用有机玻璃，反应器内径190 mm，高1 000 mm，有效容积31 L，内置固定式球形掺杂电气石陶粒与聚氨酯软体载体，为了保证水质以及溶解氧的分布均匀，将填料均匀分布在反应器中，设计了三层填料固定层，如图2所示。主反应器侧面设置4个取样口，主反应器外层设置保温夹层，由温控系统为反应器持续提供热源。反应器运行时，进水泵将配水桶废水打入反应器中，反应器内设置 pH 在线、温度在线检查系统。底部向上运动的过程中，与生物填料上的生物膜充分接触，从而发挥降解污水中有机污染物的作用。

图2 实验装置

1.3 实验用水和接种污泥

试验用污水采用人工配水，由营养微量和微生物所需的微量金属元素配，pH控制在7.5~7.6。如表1，温度32 ℃，溶解氧1.8 mg/L[8]。

表1 试验用水

表2 主要指标检测方法

1.4 试验方法

根据国家《水和废水监测分析方法》[9]规定的水质检测标准进行实验指标测试，主要检测指标包括：COD、TP、NH3-N，分析检测方法见表2所示。

2 启动运行结果与分析

分别以陶粒、聚氨酯、电气石陶粒+聚氨酯为载体，反应器启动运行期间，进水NH3-N 的质量浓度为 130～190 mg/L，进水TN的质量浓度在140~200 mg/L，温度控制为32 ℃。系统分别运行30 d左右，情况如图 3、4、5 所示。

图3 以陶粒为载体的反应器运行情况

由图3可知，陶粒为载体的反应器NH3-N 去除率均在85%左右，最高达87.5%；TN 去除率均在87%左右，最高达88.5%。以陶粒为载体时，启动挂膜时间较长，去除率略低于其它两个载体。

由图4 可知，实验运行3 d 后，NH3-N 的质量浓度稳定于11～15 mg/L，NH3-N去除率长时间稳定在94%左右。反应器表现出较高的去除率，但后期由于软性填料容易结团，剩余污泥不易脱落，从而性质不够稳定。聚氨酯块降低反应器内水体的流动性，部分短程硝化污泥附着于聚氨酯块之后无法及时获得DO，进而降低了系统对NH3-N 的去除效果。

图4 以聚氨酯为载体的反应器运行情况

图5 以电气石陶粒+聚氨酯的反应器运行情况

3 结论

本论文将电气石陶粒与聚氨酯填料有机结合，设计一种新型填料的厌氧氨氧化反应器，通过人工配水模拟高氨氮污水，考察此新型反应器的脱氮效能。通过对比陶粒填料、聚氨酯填料和电气石陶粒+聚氨酯填料的脱氮效果，得出以下结论：

（1）陶粒填料、聚氨酯填料和电气石陶粒+聚氨酯填料的厌氧氨氧化反应器氨氮的去除率分别为85%，94%和95%左右。

（2）新型填料的厌氧氨氧化反应器表现出有较高的脱氮效率，且运行稳定。

[1] 王淑莹, 王晓霞, 彭永臻,等. 一体化厌氧氨氧化反硝化除磷并联短程硝化处理低碳城市污水的装置和方法:, CN104817177A[P]. 2015.

[2] 程军, 张亮, 杨延栋,等. 一体化厌氧氨氧化反应器的优化及其稳定性研究[J]. 中国环境科学, 2016, 36(4):1027-1032.

[3]曹天昊，土淑荣，苗蕾，等.不同基质浓度下SBR进水方式对厌氧氨氧化的影响[J].中国环境利学，2015,35(8):2334-2341.

[4] Ali M, Chai LYTang C J, et al. The increasing interest of ANAMMOX research in China: Bacteria, process development,and application [J]. Biomed Research International, 2013.

[5] 谭发, 王敦球, 金樾,等. 新型一体化厌氧氨氧化反应器启动研究[J]. 水处理技术, 2016(7):110-113.

[6] 郑盼,赵光,贾兰等,一种利用污水污泥、粉煤灰烧轻质电气石陶粒的制备方法，发明公开号：105036709A.

[7] 贾兰, 童欢欢, 周继梅,等. 新型功能性陶粒制备及水处理效能研究[J]. 东北农业大学学报, 2016(10):74-82.

[8] 贾兰,赵光,张婷婷等.新型陶粒载体——序批式生物膜反应器系统工艺参数优化[J].水处理技术43（1）：111-115.

[9] 《水和废水检测分析方法》(2002年12月第四版)[S]. 北京：中国标准出版社, 2002.

Design and Startup of a New Type of Anaerobic Ammonium Oxidation Reactor

,

（Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001, China）

In order to improve the starting speed and water treatment efficiency of anaerobic ammonium oxidation reactor, a new type of tourmaline-doped ceramic filler was developed, polyurethane soft filler was also used. An integrated anaerobic ammonium oxidation reactor suitable for the composite packing was designed, and startup experiment was carried out. The results showed that the removal efficiency of NH3-N and TN was about 95%. Therefore, the tourmaline ceramic + polyurethane composite filler can be used as a carrier for the integrated anaerobic ammonium oxidation reactor and has a catalytic effect on the rapid start-up of the reactor.

anaerobic ammonia oxidation; reactor; biological denitrification

X 522

A

1004-0935（2017）04-0337-04

2017-02-17

辽宁工业大学大学生创新创业训练计划项目（201601060）。

苏慧（1993-），男，甘肃省兰州市人，2017年毕业于辽宁工业大学环境科学专业。

周铎（1982-），男，实验师，硕士，研究方向：微生物水处理技术。