匹配厌氧氨氧化的SHARON工艺启动研究.pdf

* 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 50478054 ; 国 际 科 技 合 作 重 点 项 目 2004DFA06200 ; 长沙市科技计划重点项目 K051132- 72 。 匹配厌氧氨氧化的 SHARON 工艺启动研究 * 钟琼方丽 长沙环境保护职业技术学院，长沙 410004 摘要 氧化部分氨氮到亚硝酸氮， 然后进行完全自养厌氧氨氧化反应， 即称 SHARON-ANAMMOX 工艺， 该工艺是近年 开发的针对高浓度氨氮废水生物处理较为经济合理的技术之一。其过程控制的关键是第一步亚硝化 SHARON 工艺 积累亚硝酸菌， 并使氨氮氧化到亚硝酸氮的转化率控制在 50 左右， 以最合理满足厌氧氨氧化对底物的需求。在进 水 pH 7. 6， ρ 氨氮 750 mg/L时顺利启动了 SHARON 反应器， 氨氮的转化率达 50 左右。研究结果表明， 进一步 提高氨氮浓度和进水 pH， 反应器可以维持稳定运行。 关键词 厌氧氨氧化;启动;SHARON 反应器 STUDY ON START- UP OF A SHARON REACTOR MATCHED WITH ANAMMOX PROCESS Zhong QiongFang Li Changsha Environmental Protecting ＆ Vocational Technology College，Changsha，410004，China AbstractOne of the most sustainable and successful technologies developed recently for high concentration ammonium wastewater treatment is well known as SHARON-ANAMMOX process，which partially oxidized ammonium to nitrite and subsequently anammox to nitrogen gas． One of the key points of this process is to accumulate nitrosomas in SHARON reactor and at the same time to control the conversion ratio of nitrite to ammonium around 50 ，which meets the requirements for the following ANAMMOX process． At influent pH 7. 6，and ammonium nitrogen 750 mg/L，the SHARON reactor was successfully started up，and an about 50 conversion ratio of nitrite to ammonium was also reached． Further investigation indicated that with increasing influant pH and ammonium concentration，the system kept running stable． Keywordsanaerobic ammonium oxidation;start-up;SHARON reactor SHARON 工艺 ［1- 2］是由荷兰 Delft 技术大学开发， 其主要原理是利用亚硝化菌 Nitrosomonas 和硝化菌 Nitrobacter 在不同温度下生长速度的差别， 通过控 制反应器中的污泥龄洗出硝化菌， 从而使硝化反应停 留在亚硝酸阶段， 然后进行反硝化。与传统的硝化反 硝化工艺相比， SHARON 工艺节省了从亚硝酸盐氧 化到硝酸盐所需的曝气能耗， 同时也减少了后续工艺 对碳源的需求。 1实验部分 1. 1材料 待处理污水 取自某城市污水处理厂的污泥厌氧 消化脱水回流液， 主要组成见表 1。 表 1污水水质 mg/L pH 除外 ρ CODρ NH 4-N ρ NO － 3-N ρ NO － 2-N pH碱度 550 ～ 1 500500 ～ 1 500＜ 1＜ 0. 27. 6 ～ 8. 6 2 000 ～ 4 000 接种污泥 接种剩余污泥， 取自某城市污水处理 厂。 1. 2反应装置 反应装置为一容积为40 L圆柱形玻璃容器， 以连 续 全 混 方 式 运 行 CSTR，continuous stirring tank reactor ， 采用恒流蠕动泵连续进料， 微孔曝气， 运行 过程无污泥回流。反应器装有微孔曝气装置、 自动控 温装置、 pH 测定装置和溶解氧测定装置。 1. 3测定方法 过程测定参数包括 氨氮、 硝酸氮、 亚硝酸氮、 总 氮 TKN 、 TSS、 VSS、 pH、 溶解氧 DO 。氨氮、 硝酸 氮、 亚硝酸氮、 总氮 TKN ， 采用比色法快速测定， 样 63 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期 品在分析前， 经过过滤处理。TS、 VSS 采用标准方法 测定。pH 监测采用在线 pH 计， 溶解氧检测采用在 线溶解氧检测计。 2结果和讨论 2. 1过程启动 系统通过接种以自来水稀释的 50 剩余污泥， 曝气24 h后开始运行。整个启动过程如图 1 所示。 经历 2 次失败后， 系统成功启动。第 1 阶段， 系统氨 氮浓度和 pH 均较高， 反应器启动失败; 第 2 阶段， 维 持原氨氮浓度不变， 调整 pH 到 7. 6， 反应器的启动仍 没有成功; 第 3 阶段， 调整 pH 为 7. 6， 氨氮质量浓度 为700 mg/L左右， 系统成功启动。分析前面两个阶段 失败的原因可能是 游离氨对过程的抑制作用。 图 1 SHARON 反应器的启动过程 2. 2影响因素讨论 2. 2. 1温度控制对积累亚硝酸菌的影响 图 2 表明 在较低温度范围下， 亚硝酸菌最小污泥 龄要比硝酸菌最小污泥龄长， 说明亚硝酸菌的生长速 度要低于硝酸菌; 温度超过一定范围时， 则情况相反。 图 2硝化菌亚硝化菌在不同温度下的最小污泥龄 确定温度控制在 28. 3 0. 2℃， 由于二者生长 速度的差别， 在连续反应器中， 一定的稀释率下硝酸菌 被不断洗出， 一段时间后反应器中基本为亚硝酸菌。 2. 2. 2pH 对启动过程和氨氮转化比例的影响 pH 对过程启动的影响比较复杂 首先， pH 环境 本身对生物生长的影响; 其次 pH 对水体中的离子平 衡有重要影响。由于亚硝化细菌实际是利用游离氨 作为底物， pH 的变化直接影响到底物浓度的变化， 同 时， 游离氨本身对亚硝化菌的生长有抑制作用 这种 抑制作用的表现比较复杂， 且受具体驯化方法的影 响 ［7］ 。图 3 所示， 在反应器启动初期， 进水 pH 为 8. 4， 氨氮质量浓度为1 500 mg/L， 反应器启动不成 功， pH 是主要因素。 图 3启动过程中进水和出水 pH 的变化情况 游离氨对亚硝化 包括硝化 反应过程有抑制作 用 ［9］， 尤其是在硝化菌还没有占据优势阶段， 这种影 响是致命的， 因此， SHARON 工艺启动的关键是控制 pH 在 7. 5 以下。氨氮浓度过高和较高的 pH 均能导 致硝化菌的生长被抑制。为解除这种抑制， 降低进水 氨氮的浓度， 同时调节进水 pH 在 7. 6 左右。反应器 运行初期， pH 仍有上升， 稳定运行一段时间后， pH 开 始稳定在 7. 1 ～ 7. 3。此时， 氨氮转化率达 50 。 有研究认为 ［6，8］， 氨氮转化到亚硝酸氮的比例， pH 起决定作用。但作者认为除 pH 的影响， 碱度 实 际上是无机碳源 的影响也是极为重要的。图 4 是在 稳定运行状态下， 反应器中 pH 对应的氨氮转化比 例， 可以看出 pH 6. 8 ～ 7. 0， 相应的转化比例是合 适的 约 1. 0 ～ 1. 2 。另有研究结果 ［5］认为在 pH 6. 8 ～ 7. 0， 转化比例可以达到 1. 3 左右。可能是另有 其他因素影响这种转化比例 ［10］， 如操作温度、 微生物 群体自身的特性， 或者水质因素等。 图 4稳定操作条件下不同 pH 对应的亚硝酸氮和氨氮的比例 由图 1 可以看出 当系统运行稳定一段时间后， 提高进水的氨氮浓度和 pH， 当进水 pH 8. 5， 氨氮质 量浓度为970 mg/L， 反应器仍能维持正常运行， 改变 浓度的初期， 反应器 pH 经历短暂的上升 8. 15 ， 其 后很快回落到正常水平 7. 02 ～ 7. 5 ， 出水氨氮的转 73 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期 化也稳定在 50 的水平。 3结论 SHARON 工艺可以在较高的氨氮浓度和较高的 pH 下成功启动， 并获得对氨氮约 50 的转化率。可 在15 d左右完成对亚硝化菌的富集。过程启动成功 后， 可以适应较宽的氨氮浓度， 以及 pH 值的变化。 因而可以很好的匹配后续的厌氧氨氧化工艺。该工 艺需要较高的温度 26 ～ 35 ℃ ， 因而在应用过程中 受到限制， 但对于处理来自城市污水处理厂剩余污泥 中温厌氧消化的废水 其本身温度为30 ℃ 左右， 同时 含较高浓度的氨氮 ， 则是比较好的处理工艺。 参考文献 ［1］Hellinga C，Schellen A A J C，Mulder J W，et al． The SHARON process aninnovativefornitrogenremovalfrom ammonium-rich wastewater ［J］． Water Science and Technology， 1998，37 9 135- 142． ［2］van Kempen R，Mulder J W，Uijterlinde C A，et al． Overview full scale experience of the SHARON process for treatment of rejection water of digested sludge dewatering ［J］． Water Science and Technology，2001， 44 1 145- 150． ［3］Mulder A， van de Graaf， Robertson A A， et al．Anaerobic ammonium oxidation discovered in a denitrifying fluidized bed reactor ［J］． FEMS Microbial Ecol，1995， 16 3 177- 183． ［4］Jetten，Strous M S M，van de Pas-Schoonen M， et al．The anaerobic oxidation of ammonium ［J］． FEMS Microbiol Reviews， 1998，22 5 421- 437． ［5］Christian Fux，Marc Boehler，Philipp Huber，et al．Biological treatment of ammonium-rich wastewater by partial nitritation and subsequent anaerobic ammonium oxidation anammoxin a pilot plant ［J］． Journal of Biotechology，2002， 99 3 295- 306． ［6］van Dongen U，Jetten M S M，van Loosdrecht M C M．The SHARON -Anammoxprocess for treatment of ammonium rich wastewater［J］． Water Science and Technology，2001，44 1 153- 160． ［7］Anthonisen A C，Loehr R C，Prakasam T B S，et al． Inhibition of nitrification by ammonia and nitrous acid ［J］．Journal WPCF， 1976，48 5 835- 852． ［8］Mulder J W，van Loosdrecht M C M，Hellinga C，et al． Full-scale application of the SHARON process for treatment of rejection water of digested sludge dewatering［J］． Water Science and Technology， 2001，43 11 127- 134． ［9］Olav Sliekers A，Third K A，Abma W，et al．CANON and Anammox in a gas-lift reactor ［J］． FEMS Microbiology Letters， 2003， 218 2 339- 344． ［ 10］Bernhard Wett，Wolfgang Rauch．The role of inorganic carbon limitation in biological nitrogen removal of extremely ammonia concentrated wastewater ［J］．Water Research，2003，37 5 1100- 1110． 作者通信处钟琼410082长沙市岳麓区科技新村 5 区 1 栋 302 E- mailzhongqiong5302 163． com 2012 － 02 － 13 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 9 页 或碱性溶液中使用的缺点。 4 在最佳工艺条件下， 改性壳聚糖复配 FeCl3强 化混凝处理微污染水处理效果优于聚丙烯酰胺。在 处理实际微污染水时可以代替聚丙烯酰胺。 在水生态环境不断恶化，水质处理要求不断提 高的今天， 用改性壳聚糖复配 FeCl3对微污染水进行 处理， 在降低壳聚糖水处理成本的同时， 为解决人工 合成有机高分子絮凝剂和铝系絮凝剂处理微污染水 带来的二次污染和安全隐患问题， 提供了新的思路。 参考文献 ［1］蒋挺大． 甲壳素［M］． 北京 化学工业出版社， 2003． ［2］李永明， 于水利， 唐玉霖． 壳聚糖絮凝剂在水处理中的应用研 究进展［J］． 水处理技术， 2011， 37 9 11- 14． ［3］梅纳新． 壳聚糖在水处理和饮用水净化方面的应用［J］． 安徽 农业科学， 2009， 37 3316502- 16503，16515． ［4］董磊， 乔俊莲， 张普， 等． 改性壳聚糖混凝去除太湖藻研究［J］． 环境工程， 2011， 29 5 48- 51． ［5］Defang Zeng，Juanjuan Wu，John F Kennedy．Application of a chitosan flocculant to aterreatment［J］． Carbohydrate Polymers， 2008， 71 135- 139． ［6］薛永亮， 伍钧， 杨刚． 聚硅酸铝铁 － 壳聚糖复合絮凝剂的制备与 应用［J］． 环境工程， 2010， 28 2 56- 58． ［7］蒋明， 娄金生， 谢水波， 等． 壳聚糖絮凝剂处理水源水中有机物 的试验研究［J］． 水处理技术， 2005， 31 5 15- 18． ［8］Kimberly Bell Ajy． Conventional and optimized coagulation for NOM removal［J］． J AWWA，2000，92 1047- 58． 作者通信处林静雯110044沈阳市大东区望花南街沈阳大学生 物与环工学院 E- maillintongfeng 163． com 2011 － 12 － 26 收稿 83 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期