海绵铁对硫酸盐型厌氧氨氧化脱氮除硫性能影响

2024-01-19刘泓序祝彦均王萌

长春工程学院学报（自然科学版） 2023年4期

刘泓序,祝彦均,王萌

(1.长春建筑学院城建学院,长春 130607;2.北京工业大学水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室,北京 100124;3.东北电力设计院,长春 130021)

0 引言

尽管该机理被许多学者研究探讨,但由于硫酸盐型厌氧氨氧化容易受到外界环境干扰、相关功能菌类生长速度慢、启动时间过长等多种原因使该工艺距离实际应用依然有一定的距离。研究表明多种电子受体都可以启动厌氧氨氧化反应[2]。并且在S-ANAMMOX体系中,脱氮的功能菌也包括厌氧氨氧化菌及反硝化菌[3],所以硫酸盐型厌氧氨氧化的大多数控制条件以及功能菌种的生长环境与传统厌氧氨氧化的控制条件与生长环境基本相同。但由于参与反应的功能菌群对外界环境的变化比较敏感,所以目前应用硫酸盐型厌氧氨氧化的重要阻碍在于启动S-ANAMMOX时间过长以及稳定性较差,因此如何缩短该反应的启动时间以及提高处理效果的稳定性还需要进一步研究。

在污水处理中,填料不仅能改变生物反应器内的水力条件还可以增加生物膜的吸附性。生物脱氮技术处理废水的过程中,往往通过类似搅拌等措施增加微生物与废水的接触面积来提高脱氮效果,向体系中投加固体填料可以使微生物在填料上挂膜生长,进而保证反应器的稳定运行,加快S-ANAMMOX反应功能菌群及其絮凝体的富集速度。海绵铁作为一种常见的填料,其具有比表面积较大、还原能力较强、内部结构疏松多孔等特点,并且生物海绵铁比普通有机多孔载体拥有更好的脱氮除磷能力[4],可作为厌氧氨氧化反应的填料。本研究对海绵铁效能进行试验分析,并将其投加至硫酸盐型厌氧氨氧化系统中作为填料,探究其对系统同步脱氮除硫性能的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料与装置

1.1.1 海绵铁填料

海绵铁表面有许多杂质,因此在进行试验之前应对海绵铁进行预处理以去除表面杂质。首先将海绵铁在体积分数5%的NaOH溶液中浸泡1 h,以去除海绵铁表面的有机污染物;然后用1 mol/L的HCl浸泡0.5 h,在浸泡的过程中进行搅拌,以去除表面的金属氧化物和无机杂质;然后将处理过的海绵铁进行清洗并干燥;最后将其进行密封保存以备使用。

1.1.2 试验装置与仪器

试验装置为两个平行自控的ASBR反应器,如图1所示。反应器与水箱为有机玻璃制成,并在反应器外部用黑色保温棉包裹进行避光处理。反应器的半径为55 mm,高度为210 mm,水浴隔层厚度为20 mm,有效容积为2.0 L。通过温控装置将水箱中的水温度控制在30 ℃左右,经水泵将水箱中的水输送到反应器水浴隔层中,以便控制反应器的内部温度在30 ℃左右。另外为了方便试验的进行,要严格控制进水溶解氧的质量浓度,反应装置采用了时间继电器装置和溶解氧测定仪,将计量泵、机械搅拌器和电磁阀连接到时间继电器上,使反应器实现自动进水、反应和出水。

1.温控装置;2.水泵;3.水箱;4.机械搅拌器;5.曝气头;6.排泥口;7.时间继电器图1 ASBR反应器

反应器的运行过程分为5个阶段,分别是进水、反应、沉淀、出水和闲置阶段。进水阶段是通过计量泵以相同流量将人工配水输送至反应器中;反应阶段开启机械搅拌器使污泥与废水充分反应,反应时间为24 h;沉淀阶段停止搅拌,沉淀时间为24 h,使污泥充分沉降下来,保证出水澄清;出水阶段开启电磁阀使水排出反应器,并对出水中的各个指标进行检测;闲置阶段对反应器进行维护。

1.1.3 接种污泥及试验用水

本试验采用的污泥是由课题组驯化保存的厌氧氨氧化(ANAMMOX)污泥和取自长春东南污水处理厂厌氧段污泥组成。将这两种污泥进行混合后平均投入到两个反应器中,逐渐提高进水中污染物的质量浓度从而对污泥进行驯化培养。反应器以人工模拟工业废水作为系统进水,配水组成:葡萄糖230～250 mg/L,氨氮100～400 mg/L,硫酸盐50～150 mg/L,硫化物20～50 mg/L,KH2PO427 mg/L,CaCl2·2H2O 180 mg/L,MgSO4·7H2O 300 mg/L,NaHCO30.5 mg/L,微量元素浓缩液Ⅰ和微量元素浓缩液Ⅱ各1 ml/L[5]。

1.2 试验方法

1.2.1 海绵铁不同粒径及投加量效果分析

1.2.2 不同pH下海绵铁对污染物去除效果的分析

取30 g不同粒径的海绵铁放入250 mL锥形瓶中,并加入200 mL除氧处理后的模拟废水。依次改变废水pH为6.0、6.5、7.0、7.5、8.0及8.5,将密封好的锥形瓶置于30℃、140转/min的恒温振荡器中震荡 48 h,将水样过滤后对废水的各个指标进行测定,确定最佳pH并分析不同pH体系中Fe2+、Fe3+的质量浓度变化。

1.2.3 海绵铁对ASBR反应器脱氮除硫的影响

将接种污泥平均投加至两个ASBR反应器中,分别命名为A与B。两个反应器内通入模拟工业废水对接种污泥进行培养驯化,待反应器稳定运行后,将300 g粒径为1～2 mm的海绵铁投加至B反应器中,A保持原样作为对照试验。检测90 d反应器各出水水质指标并比较 A、B 两个反应器脱氮除硫性能,判断海绵铁对ASBR反应器运行效果的影响。

2 结果与分析

2.1 不同粒径及投加量的海绵铁对水中氮素及硫酸盐去除效果

(a)粒径及投加量对的影响

(b)粒径及投加量对的去除效果

(c)粒径及投加量对的去除效果

(d)粒径及投加量对的去除效果图2 不同粒径及投加量的海绵铁对水中氮素及硫酸盐的去除效果

2.2 不同pH下海绵铁对水中氮素及硫酸盐去除效果

(a)不同pH值下的去除效果

(b)不同pH值下的去除效果图3 不同pH下海绵铁对水中氮素及硫酸盐的去除效果

由图4可以看出,进水中Fe2+的质量浓度为6.8 mg/L左右,在pH为6.0条件下系统中的Fe2+质量浓度最高,投加粒径为1～2 mm海绵铁的锥形瓶,出水Fe2+的质量浓度提高到9.4 mg/L。随着进水pH的增加,体系中生成的Fe2+的质量浓度逐渐降低。而不同pH下,海绵铁对水中Fe3+的质量浓度几乎没有影响,出水中Fe3+的平均质量浓度在0.47 mg/L左右。这是因为生成的Fe3+绝大多数以Fe(OH)3的形式存在,只有少量的3价铁以离子形式存在于水中。并且反应结束后对锥形瓶中的海绵铁进行观察,可以发现在海绵铁上附着了一层红褐色的絮状沉淀。

图4 投加海绵铁对体系中Fe2+和Fe3+的影响

2.3 海绵铁对系统脱氮除硫性能对比

两个反应器90 d运行情况如图5所示,结果表明在试验期间未加入海绵铁的A反应器出水中各污染物的质量浓度比加入海绵铁的反应器B的污染物出水质量浓度高。

(a)反应器A与B进出水质量浓度及去除率

(b)反应器A与B进出水质量浓度及去除率

(c)反应器A与B进出水质量浓度及去除率

(d)反应器A与B进出水TN质量浓度及去除率图5 反应器90 d运行结果

反应器A、B经过90 d运行后,反应器中的污泥颜色均为棕色,表明反应器已经完成初启动,并且由于硫酸盐型厌氧氨氧化反应会生成 S0(硫单质),污泥附着在硫单质上使其结构呈颗粒状,如图6(a)所示。并且待反应器启动完成后对两个反应器的混合液悬浮固体质量浓度(MLSS)进行检测,A反应器中MLSS为 2.1 g/L,B 反应器中MLSS为2.5 g/L。分析可能由两个方面原因导致,一方面是海绵铁对反应器中的微生物有截留能力;另一方面是Fe2+为硫酸盐型厌氧氨氧化反应的必备元素,海绵铁能够析出该元素,对细菌的生长有促进作用。

(a)A反应器

(b)B反应器图6 反应器中污泥形态

2.4 微生物群落结构分析

取投加海绵铁的B反应器和未投加海绵铁的A反应器在运行第90天的活性污泥样品,离心冷冻保存送至深圳微生态科技有限公司进行高通量测序分析[8]。根据检测结果,分析投加海绵铁前后对反应体系微生物菌群结构及多样性的影响差异。

图7比较了A反应器(未投加海绵铁)和B反应器(投加海绵铁)污泥样品中的细菌群落在门级别上的差异,微生物所占比例<1%的归为其他。

A反应器门水平分布

B反应器门水平分布图7 反应器门水平分布

由图7可以看出,在反应器中一共检测到21个门类的微生物,其中有9个门类的微生物相对丰度在1%以上。在A、B两个反应器中占微生物总数比例较高的门有Proteobacteria、Planctomycetes、Chloroflexi和Chlorobi,是反应器中的优势菌门,在A、B两个反应器中4个菌门的所占比例分别为44.36%和46.28%,25.1%和26.02%,11.09%和6.39%,2.69%和6.44%。

在A、B两个反应器中占微生物总数比例最高的门是Proteobacteria,Proteobacteria是细菌门类中重要的组成部门,与反应相关的氨氧化菌和硝化细菌都是属于这个门类[9],同时与硫循环有关的细菌也属于这个门类,如Desulfobacter。Planctomycetes是严格的厌氧微生物,其中ANAMMOX菌就属于此门类。Chloroflexi在反应器中的占比也较高,有研究者发现在脱氮反应器中该门类微生物所占比例较高,此门类中包括许多丝状菌,能够降解反应器中的死细胞[3]。B反应器中Planctomycetes和Proteobacteria所占比例均比A反应器中高,说明向反应器中投加海绵铁能够促进这两个门类微生物的生长。