硫代硫酸盐驱动自养反硝化耦合厌氧氨氧化强化总氮去除

2022-03-09刘锋张雪智王苏琴冯震葛丹丹杨洋

化工进展 2022年2期

刘锋，张雪智，王苏琴，冯震，葛丹丹，杨洋

（1 苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏苏州 215009；2 城市生活污水资源化利用技术国家地方联合工程实验室，江苏苏州 215009）

厌氧氨氧化技术（anaerobic ammonia oxidation,ANAMMOX）是指氨氮在厌氧条件下发生氧化，是由一类自养的ANAMMOX 菌介导的氨氮和亚硝酸盐之间电子转移生成N的生化反应，被视为高氨氮废水最具前景的处理方式。但是ANAMMOX菌需要以亚硝酸盐作为电子受体，且ANAMMOX过程中会不可避免地产生硝酸盐，进水总氮（TN）的11%左右会继续以硝酸盐的形式残留，从而导致出水总氮无法彻底去除，脱氮性能无法进一步提高，如式(2)。

该耦合系统可同时节省电子供体的投入，减少污泥产量，以及减少温室气体NO和废水中残留氮化合物的生成。基于上述耦合反应机制，本实验构建了硫代硫酸盐驱动自养反硝化和ANAMMOX耦合的完全自养脱氮系统，探究耦合系统启动与稳定运行期间的脱氮性能以及S/N比对脱氮效果的影响，分析耦合系统运行时各物质的转化，得出SADN和ANAMMOX两种反应的耦合机制。

1 材料与方法

1.1 实验装置

实验装置采用的是搅拌上流式厌氧污泥床（UASB）反应器。如图1 所示，该反应器材质为有机玻璃，反应器总高800mm，直径90mm，有效高度480mm，有效容积为3.0L。反应器运行方式为上流式，通过蠕动泵从反应器底部进水，顶部设有三相分离器进行泥水分离。为使反应器内泥水充分接触反应，在顶部安装机械搅拌机进行搅拌，搅拌速度控制在60r/min。反应器外层为水循环加热层，通过连接恒温水浴箱将反应器内温度维持在(36±1)℃。为避免光照对ANAMMOX 菌的伤害，反应器外部用黑色海绵包裹覆盖，起到保温避光的作用。

图1 实验装置图

1.2 接种污泥和实验用水

硫自养反硝化的接种污泥为浙江安吉某豆制品加工厂厌氧塔颗粒污泥，粒径为2～5mm，污泥浓度为2.5g/L。接种的ANAMMOX颗粒污泥取自实验室长期运行的ANAMMOX反应器，粒径为2～5mm，污泥浓度为2.5g/L。

实验用水采用人工配水，进水主要由NaNO、NHCl、NaSO组成，以及1ml/L微量元素液，各个阶段运行参数详见表1。在阶段Ⅰ和Ⅱ使用NaHCO调节进水pH至8.0左右。

表1 反应器不同阶段的运行条件

1.3 批次实验

表2 污泥活性批次实验设计

1.4 分析项目与方法

1.5 计算

SADN途径对TN去除的贡献率计算如式(5)。

2 结果与讨论

2.1 硫代硫酸钠自养反硝化运行性能

图2 反应器不同阶段脱氮性能

图3 反应器不同阶段硫酸盐变化

图4 反应器不同阶段pH变化

2.2 耦合脱氮系统的启动与稳定运行

2.3 不同S/N比对耦合系统脱氮效果影响

2.4 SADN-ANAMMOX脱氮系统耦合机制

通过式(4)和式(5)分别估算ANAMMOX和SADN两种反应途径在耦合系统中对TN 去除的贡献率。如图6所示，在阶段Ⅲ开始时，ANAMMOX途径对总氮去除的贡献率为37.9%，之后逐渐升高至93.9%，并持续保持在这一水平。相比之下，SADN途径对总氮去除的贡献率在阶段Ⅲ开始时为62.1%，之后在结束时降低至7.9%。计算结果证明，TN 去除率与ANAMMOX 和SADN 脱氮贡献率有着紧密联系。TN 去除率越高，ANAMMOX 脱氮贡献率就越高，SADN 脱氮贡献率就越低。在耦合系统中，绝大部分的TN 是通过ANAMMOX 途径去除的，ANAMMOX 途径占据耦合系统脱氮的主导地位，在长期运行中对TN 去除的贡献率保持在80%以上。