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    海藻糖强化SAD工艺处理高盐水脱氮除碳效能研究
    时间:2018-10-10

      厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation, ANAMMOX)工艺因其成本低、效率高引起人们的广泛关注.与传统硝化反硝化工艺相比, ANAMMOX工艺无需氧气和外加碳源, 并且污泥产量低.然而许多废水如水产加工废水、畜禽养殖废水等都含有高浓度的氮和化学需氧量(COD), 这意味着单一ANAMMOX过程很难有效地处理废水.目前, 人们对厌氧氨氧化耦合反硝化工艺(SAD)的研究兴趣越来越浓厚.在有机碳存在的环境中, 厌氧氨氧化与反硝化反应能同步发生且相互促进. ANAMMOX菌(AnAOB)与反硝化菌(HDB)的协同作用可以同时去除有机物和氨氮.另外, SAD工艺还可以解决传统生物脱氮工艺外碳源不足的问题.

      当前由于淡水资源短缺且水质下降, 海水的应用越来越受到人们的广泛关注, 尤其是在沿海地区.制革厂、食品、纺织工业以及渔业也都排放高盐度的废水, 这不可避免地产生了大量的含盐废水.盐度对微生物代谢、污染物去除以及污泥沉降等方面均会产生负面影响.微生物在高盐度条件下可以通过“相容性溶质”策略来调节渗透压以适应高盐环境.同时, 细胞内处于高离子强度时, 相容性溶质还可以作为蛋白质的稳定剂.

      海藻糖作为一种相容性溶质可以调节微生物渗透压, 添加海藻糖强化SAD工艺处理高盐废水鲜见报道.本研究通过按浓度梯度逐步提高海藻糖浓度, 探讨了海藻糖对SAD工艺处理高盐水脱氮除碳效能的影响, 并利用动力学分析了反应稳定运行的相关策略, 以期为强化SAD工艺处理高盐废水提供理论依据.

      1 材料与方法1.1 实验装置

      本实验所采用的SBR反应器如图 1所示.反应器是双层结构, 由有机玻璃制成, 有效容积为7 L, 其温度通过外室水循环控制在(35±0.5)℃.反应器用黑布包裹, 以防止光营养微生物的生长.该反应器运行一个周期包括进水0.5 h, 厌氧搅拌反应6 h, 污泥沉淀0.5 h和出水排水0.5 h.进水pH通过添加1 mol ·L-1的NaOH或HCl控制在7.4±0.2.海藻糖按浓度梯度0~0.6 mmol ·L-1逐步添加, 实验采用人工配制的模拟废水, 经高纯N2吹脱10 min以保持厌氧状态.

      图 1

    1.取样口及进出水口; 2.搅拌; 3.储水箱; 4.水浴进出水口; 5.水浴恒温控制器; 6.进水蠕动泵图 1 厌氧氨氧化耦合反硝化装置示意 

      1.2 接种污泥和实验废水

      在本研究之前, 反应器已经运行了两年多, 具有长期稳定的脱氮性能.混合液悬浮固体(MLSS)的浓度和污泥沉降比(SV)分别为11.48 g ·L-1、11%.本实验采用的合成废水是由实际海水制备而来的.废水的盐度为32 g ·L-1, NH4+-N、NO2--N和COD分别由NH4Cl、NaNO2以及葡萄糖按进水80、160和214 mg ·L-1提供.实验所采用的合成废水成分为(g ·L-1): KH2PO4 0.029、CaCl2 ·2H2O 0.136、KHCO3 1.4、MgSO4 ·7H2O 0.06, 微量元素Ⅰ(1 mL ·L-1): EDTA 5 g ·L-1, FeSO4 ·7H2O 5 g ·L-1, 微量元素Ⅱ(1 mL ·L-1): EDTA 15 g ·L-1, H3BO3 0.014 g ·L-1, MnCl2 ·4H2O 0.99 g ·L-1, CuSO4 ·5H2O 0.25 g ·L-1, ZnSO4 ·7H2O 0.43 g ·L-1, NiCl2 ·6H2O 0.19 g ·L-1, Na2MoO4 ·2H2O 0.22 g ·L-1, CoCl2 ·6H2O 0.24 g ·L-1, NaSeO4 ·10H2O 0.21 g ·L-1.

      1.3 分析项目和方法

      根据标准方法分析了NH4+-N、NO2--N、NO3--N和COD的浓度.污泥体积指数(SVI)和污泥沉降比(SV)也是基于标准方法进行测量的.对每个水样测3次取平均值. pH值: WTW pH/Oxi 340i;温度:水银温度计; 总氮去除速率(TNRR)和总氮去除率根据三氮进出水浓度和水力停留时间(HRT)得出, 如式(1)和(2)所示.

    (1)

    (2)

      式中, HRT为水力停留时间(HRT=6 h, 采样间隔t=0.5 h), cinf为进水总氮浓度(mg ·L-1); ceff为出水总氮浓度(mg ·L-1).

      厌氧氨氧化脱氮贡献率和反硝化脱氮贡献率如式(3)和(4)所示:

    (3)

    (4)

      式中, 下标中ana、den、rem、inf、eff分别代表厌氧氨氧化、反硝化、去除率、进水和出水. NH4+、NO2-和NO3-的浓度以N(mg ·L-1)表示.

      1.4 动力学模型

      Haldane模型被用来描述硝化过程中基质抑制. Ewards模型用来描述高浓度基质浓度抑制微生物的生长. Aiba模型用来描述乙醇发酵过程中产物的抑制作用. Luong模型用来描述丁醇抑制酵母的生长过程. Haldane模型和Aiba模型目前被广泛应用于拟合ANAMMOX反应器的基质抑制动力学特性.在本研究中, 这4个模型用于描述海藻糖添加对SAD处理高盐废水脱氮过程影响的动力学特性.

      (1) Haldane模型

    (5)

      式中, NRRmax为最大基质转化速率, kg ·(m3 ·d)-1; S为出水基质浓度, mg ·L-1; KS为半饱和常数, mg ·L-1; KIH为Haldane动力学常数, mg ·L-1.

      (2) Ewards模型

    (6)

      式中, KIE为动力学Ewards常数, mg ·L-1.

      (3) Aiba模型

    (7)

      式中, KIA为Luong动力学常数, mg ·L-1.

      (4) Luong模型

    (8)

      式中, Sm为微生物净生长停止时的最大基质浓度, mg ·L-1; n为Luong动力学常数, mg ·L-1.

      对于单周期内基质降解过程动力学模型, 不同的数学动力学模型运用于不同的生物反应器.修正的Logistic模型、修正的Boltzman模型和修正的Gompertz模型适合描述SBR反应器中ANAMMOX单周期内基质的降解过程.

      (5) 修正的Logistic模型

    (9)

      把式(9)与式(2)合并:

    (10)

      式中, NRE为总氮去除率(%); NREmax为最大总氮去除率(%); Rmax为最大总氮去除速率(% ·h-1); λ为延迟时间(h); t为反应时间(h).

      (6) 修正的Boltzman模型

    (11)

      把式(11)与式(2)合并:

    (12)

      式中, NREmin为最小总氮去除率(%); tc为1/2 NREmax时所对应的时间(h); td为时间常数(h).

      (7) 修正的Gompertz模型

    (13)

      把式(13)与式(2)合并:

    (14)

      2 结果与讨论2.1 长期添加海藻糖对SAD脱氮除碳效能的影响

      海藻糖强化作用下的NH4+-N、NO2--N和NO3--N进出水浓度如图 2(a)所示.当海藻糖浓度≤0.25mmol ·L-1, 出水NH4+-N和出水NO2--N逐渐下降到0 mg ·L-1, NH4+-N和NO2--N去除率逐渐上升并最终达到100%.与没有添加海藻糖时相比, NH4+-N、NO2--N和总氮去除率分别提高了50%、43%和46%.在海藻糖浓度分别为0.05、0.1、0.15、0.2和0.25 mmol ·L-1时, 平均COD去除率分别为56.87%、68.03%、75.57%、87.00%和95.95%.以上结果表明0.25 mmol ·L-1海藻糖对于SAD工艺处理高盐废水效能的提高是最有效的, 反应器的脱氮效能最佳. Vyrides等[21]报道添加K+对缓解盐度抑制有积极的作用, 然而其效用相对于添加甜菜碱处于劣势.然而海藻糖浓度为0.5mmol ·L-1时, 平均出水NH4+-N浓度为33.25 mg ·L-1, 此时NH4+-N平均去除率为58.82%, 高于没有添加海藻糖时NH4+-N平均去除率(50.38%), 去除率高出8.44%.这一结果表明0.5 mmol ·L-1海藻糖还未对ANAMMOX产生抑制作用.马春研究了在NaCl为10 g ·L-1条件下添加1mmol ·L-1甜菜碱出水NH4+-N和NO2--N减少.这一结果与本研究一致, 通过投加适量的海藻糖对于强化促进ANAMMOX和反硝化的协同作用是有效的.

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