厌氧氨氧化反应器的启动及运行

新疆环境保护2002,24(1):17～21　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　EnvironmentalProtectionofXinjiang

厌氧氨氧化反应器的启动及运行

魏学军1,邓华1,谈红2(11新疆昌吉糖厂,昌吉831100;21新疆阿克苏地区环境监测站,阿克苏843000)

摘要:采用污泥混合接种的方法,,亚硝基氮浓度均为20mmol/L,氨氮、1L.1L.d394155mg/L.d,氨氮、亚硝基氮和总氮的去除率保持在90%、99%和95%以上。,pH为7～715,最适温度约在

30±1℃。厌氧氨氧化随亚硝酸盐浓度的升高而下降,,当COD浓度为800±50mg/L时,厌氧氨氧化速率达到最大。

关键词:氨;硝化;反硝化;中图分类号:X70313文章编号:1008-2301(2002)01-0017-21

TheStart-upofANAMMOXReactorandItsOperationCondition.WEIXue-jun1,DENGHua1,TANHong2(1.XinjiangChangjiSugarFactory,Changji831100;2.AkusuEnvironmentalMonitoringStation,Akusu843000,China).Envi2ronmentalProtectionofXinjiang2002,24(1):17-21

Abstract:Alaboratory-scaleanaerobicammoniaoxidationreactorseededwiththemixtureofaerobicactivatedsludgeandanaerobicactivatedsludgewassuccessfullystartedup.Theinfluentconcentrationofammoniaandnitriteeachwas20mmol/Laftersuccessfulstart-up;thevolumetricloadingrateofammonia,nitriteandtotalnitrogenare10.69mmol/L.d,12.26mmol/L.dand394.55mg/L.drespectively;ammonia,nitriteandtotalnitrogenremovalwereover90%、99%and95%in2dividually.ItwasverifiedthattheoptimalpHofANAMMOXreactionwasbetween7～7.5,theoptimaltemperaturewas30

±1℃,andthehigherthenitriteconcentrationwas,thelowertheammoniaandnitriteremoval,theoptimalCODconcentra2tionvalueforthebioreactionwas800±50mg/L.

Keywords:ammonia;nitrification;denitrification;anaerobicammoniaoxidation1　前言

同时发生且成正相关,他们认为反应器内存在如下反应:

5NH4++3NO3-──→4N2+9H2O+2H+

氨氮是引起水体富营养化和环境污染的一种重要污染物质,其来源较多,排放量日益增大,除大量的生活污水、动物排泄物外,大量的工业废水,如炼油废水、某些制药废水和食品工业废水、以及垃圾填埋场渗漏水等,都含有大量的氨态氮。因此,去除氨氮成了当今废水处理系统中的一个重要问题。

厌氧氨氧化反应的发现,不仅丰富了人们的微生物学的知识,也为研究和开发生物脱氮技术提供了理论依据。1995年,荷兰Delft大学的Mulder和VandeGraaf[1～2]等人在生物脱氮流化床反应器中发现,除了

△Go=-1483.5kJ/mol

该反应是一个释能反应,理论上可为细菌的生长提供能量。据此,Mulder等人推测,发生于脱氮流化床反应器内的氨消失是细菌将氨用作电子供体(盐)所致,并把这个以氨为电子供体的反硝化反应称为厌氧氨氧化(AnaerobicAmmoniaQxidation,简称ANAM2MOX),从而证实了Brode[3]于1977年提出的关于自

然界应存在反硝化氨氧化菌(denitrifyingammonia-

反硝化作用所致的各反应物的正常消失以外,氨也可在此条件下消失。由于氨的消失与硝酸(盐)的消失

收稿日期:2001-09-22　　　修回日期:2002-02-28

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oxidizers)的预言。不久,VandeGraaf[2]等人证实,厌

近于零时,即提高进水氨和亚硝基氮的浓度,直至它们的浓度均达到20mmol/L,其中氨浓度以每次5mmol/L的梯度提高。214　分析项目与方法

氧氨氧化是一个微生物反应,反应产物为氮气。

氨氮厌氧生物氧化和传统的硝化-反硝化技术相比,具有许多优点:①不再需要外加有机物作为电子供体;②由于氧得到有效利用,供氧能耗下降;③产碱量为零,减少中和所需的化学试剂,降低运行费用,同时还能减轻二次污染。2　材料与方法211　接种污泥

实验中主要的分析项目和测定方法:COD采用重铬酸钾氧化法[4],SS、,NH4+-N为纳[5]2--N,N-二甲[6][6],总氮[4]。3　结果与讨论

311　厌氧氨氧化反应器的启动

污泥的TS为21LL0146。,用COD为200～300mg/L8～10h进行漂洗。

反应器的启动是通过合理操作,使其中的生物量得到富集,生物活性逐步提高,工艺性能不断改善并最终达到设计要求的运行过程。

厌氧氨氧化反应器成功启动的标志是在反应器中培养出活性高且适于待处理废水水质的颗粒活性污泥。影响厌氧氨氧化反应器能否成功启动的条件包括进水水质、接种污泥量、进水基质浓度、温度、pH、水力停留时间等。由于厌氧氨氧化菌生长缓慢,

好氧活性污泥取自于某污水处理厂的二沉池。污泥的TS为2144g/L,VS为1117g/L,VS/TS0148。

实验中培养出的厌氧氨氧化菌的TS为5145g/L,VS为3154g/L,VS/TS0165。212　实验用水

实验所用模拟有机废水的组成:葡萄糖1g/L,K2HPO4・3H2O52mg/L,NaHCO31.32g/L,K2HPO40.1g/L,酵母膏12mg/L。无机盐培养基的基本组成:MgSO40.04g/L,K2HPO40.2g/L。微量元素母液组成参见文

再加上在具有厌氧氨氧化活性的混培物(生物膜)中菌群非常复杂,启动耗时达两个多月。31111　启动实验结果

献[5]。

213　厌氧氨氧化反应器的启动

厌氧氨氧化反应器在无光、厌氧、30℃、pH为715左右的条件下启动。由于厌氧氨氧化菌生长缓慢,再加上在具有厌氧氨氧化活性的混培物(生物膜)中菌群非常复杂,启动实验耗时达两个多月。启动期间厌氧氨氧化反应器的工作性能及容积负荷率的变化情况见图1。

实验运行可分为三个阶段:

第一阶段为初期驯化阶段:启动初期(二周内),厌氧氨氧化反应器的工作性能不佳,NH4+-N和NO2-N的去除率分别为4411%和4116%。这一阶段

首先好氧活性污泥用无机盐培养基(氨浓度5mmol/L)进行好氧培养,富集硝化细菌,提高硝化活

性。好氧运行一周后,接种100mL好氧活性污泥于反应器中(反应器中已预先接种了600mL的厌氧颗粒污泥),转为厌氧运行。在无机培养基(氨浓度2mmol/L)中,添加亚硝酸盐(5mmol/L)和部分模拟生

活废水,以促进厌氧氨氧化菌和反硝化菌的增殖。厌氧运行三周后,用含有NH4+5mmol/L和NO2-5mmol/L的无机盐培养基和模拟生活废水(COD控制在800mg/L),正式启动厌氧氨氧化反应器。

运行不太稳定,氨氮、亚硝基氮去除率较低,并且时常发生跑泥现象,出水浑浊。反应器的酸化也较明显,因此,应不断调节pH(用118mol/LNaHCO3缓冲液)。

第二阶段为提高负荷阶段:随后(第三周),反应器的工作性能迅速改善,NH4+-N和NO2-N的去除率分别升至8115%和7811%。经过两个多月的运

在启动过程中,水力停留时间(HRT)保持不变2d。每两天取样测定一次,测定氨氮、亚硝基氮和总

氮及COD。注意pH和温度控制,无光、无氧。加大反应器负荷的依据是出水氨浓度。当出水氨浓度接

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行,进水NH4+-N和NO2-N的浓度均提高到15mmol/L,平均NH4+-N和NO2-N的去除率分别达

第三阶段为稳定运行阶段:此阶段氨氮、亚硝基氮、总氮去除率都稳定在90%以上,出水澄清,厌氧氨氧化混培菌增长较快,稳态运行时,反应器内几乎全被污泥充满。

另外,COD的去除率保持在90%以上

。

到90%和99%以上。此阶段污泥流失现象减少,厌氧颗粒污泥外包着厚厚的“外衣”好氧活性污泥,污泥的理化特性发生了变化,跑泥现象已基本不再发生。

图1　启动期间厌氧氨氧化反应器进出水总氮浓度、去除率及其容积负荷率的变化

Fig.1　Duringstartionperiod,theanaerobicammoniaoxidationreactorchangeofinletandoutlettotal

consistencyofnitrogen,deslodgingrateanditsvolumeloadrate

　　采用了好氧活性污泥和厌氧颗粒污泥混合接种的方法,成功地启动了实验室规模的厌氧氨氧化反应器。由于厌氧氨氧化菌生长缓慢,启动耗时达两个多月。对于厌氧氨氧化深入的研究和厌氧氨氧化工艺的开发,启动反应器是必不可少的重要环节。反应器的成功启动为今后的深入研究创造了条件。研究结果表明,只要操作得当,反应器可同时有效地去除氨氮和亚硝基氮这两种氮素污染物。

用含氨模拟废水运行的有关参数为:30℃,水力停留时间(HRT)为2d,进水浓度和进水亚硝基氮浓度均为20mmol/L,氨氮、亚硝基氮和总氮的容积负荷率为10169mmol/L.d,12126mmol/L.d和394155mg/L.d,氨氮、亚硝基氮和总氮的去除率保持在90%、99%和95%以上。

312　厌氧氨氧化过程的条件优化

对厌氧氨氧化反应的影响时,根据要求,将氨和亚硝酸盐配制成相应的浓度。31211　实验结果1)pH的影响

如果将生物反应速率对pH作图,即得的pH活性曲线,处于最适pH时,不仅反应速率最大,而且生物活性也较稳定。偏离最适pH,反应速率及其稳定性均受影响

。

如前所述,厌氧氨氧化反应可同时取得生物硝化和反硝化反应的效应,具有较高的利用价值。但要工程开发,还需研究和掌握其他的生长条件。研究采用分批培养厌氧氨氧化菌混培物的方法,实验中除测定基质浓度对厌氧氨氧化反应影响外,其余实验加入的氨和亚硝酸盐浓度均为5mmol/L,而当测定基质浓度

图2　pH值对厌氧氨氧化速率的影响

Fig.2　InfluenceofpHvalueontheanaerobicam2

moniaoxidationspeed

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　　由图2可看出,pH值在7～715左右时,厌氧氨氧化反应最快,因此pH值在7～715时为厌氧氨氧化反应的最适值。而当pH

现(图5),氨的厌氧转化随COD浓度的增加呈抑制型曲线。从图中看出,当COD浓度为800±50mg/L时,厌氧氨氧化速率达到最大

。

温度对生物反应有很大的影响,温度升高时,一方面酶促反应加快,另一方面酶活性的丧失也加速。如果条件保持不变,生物反应有一个最适温度,在这个温度下,两种倾向趋于平衡,它的活性最大。

实验所取温度分别为4℃、20℃、3035℃

。

图4　氨浓度对厌氧氨氧化速率的影响

Fig.4　Influenceofammoniaconsistencyon

anaerobicammoniaoxidation

speed

图3　温度对厌氧氨氧化速率的影响

Fig.3　Influenceoftemperatureonanaerobicammo2

niaoxidationspeed

　　图3反映了温度对厌氧氨氧化反应的影响,从图中看出,对于厌氧氨氧化反应,当温度从5℃升至30℃时,反应速率逐渐提高;继续升至35℃时,反应

速率反而降低;因此最适温度约在30±1℃。在4℃时,反应基本停止,说明4℃或是稍低一些的温度,是厌氧氨氧化混培菌的最低生长温度。而最适生长温度为30±1℃,说明其混培菌是嗜温型微生物。3)氨浓度与厌氧氨氧化反应

4　小结

图5　pH值对厌氧氨氧化速率的影响

Fig.5　InfluenceofCODconsistencyonanaer2

obicammoniaoxidationspeed

　　采用了好氧活性污泥和厌氧颗粒污泥混合接种的方法,成功地启动了实验室规模的厌氧氨氧化反应器。由于氨氧化菌的基质为氨,在水溶液中会产生解离,因此氨氧化反应受pH的影响,研究得到的厌氧氨氧化反应的最适pH为7～715;厌氧氨氧化反应当温度从4℃升至30℃时,反应速率逐渐提高,继续升至35℃时,反应速率反而降低,适宜温度约为30℃;观察0～15mmol/L范围内氨浓度对厌氧氨氧化速率

厌氧氨氧化速率与基质浓度有关。观察0～15mmol/L范围内氨浓度对厌氧氨氧化速率的影响发

现,反应速度与氨浓度之间呈抑制型曲线。已有不少证据表明,氨对生物有抑制作用,因此,出现图4的结果也在情理之中。4)COD浓度与厌氧氨氧化

厌氧氨氧化反应速度与COD浓度有关。测定发

第1期　　　　　　　　　　　　　　魏学军等:厌氧氨氧化反应器的启动及运行21

的影响发现,反应速率与氨浓度之间呈抑制型曲线;氨的厌氧转化随COD浓度的增加也呈抑制型曲线,当COD浓度为800±50mg/L时,厌氧氨氧化速率达到最大。参考文献

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,11(3):75-77.

:魏学军(1971-

),男,新疆昌吉人,毕业于新疆大学轻工

业系,现从事蔗糖技术开发工作。

・标准档案・

2001年颁布的环境保护行业标准

序号

[***********][***********][1**********]

名　　　　　　　　称　　　

辐射环境监测技术规范

饮食业油烟净化设备技术要求及检测技术规范

大气固定污染源镍的测定火焰原子吸收分光光度法大气固定污染源镍的测定石墨炉原子吸收分光光度法

大气固定污染源镍的测定丁二酮肟-正丁醇萃取分光光度法大气固定污染源镉的测定火焰原子吸收分光光度法大气固定污染源镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法

大气固定污染源镉的测定对-偶氮苯重氮氨基偶氮苯磺酸分光光度法大气固定污染源锡的测定石墨炉原子吸收分光光度法大气固定污染源氯苯类化合物的测定气相色谱法大气固定污染源氟化物的测定离子选择电极法大气固定污染源苯胺类的测定气相色谱法

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发布时间

2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-05-06-07-07-07-07-07-07-07-07-07-07-07-09-09-09-09-09-09-09-10-12-12-12-12-12-12-12-[***********][***********][***********]19

实施时间

2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2001-2002-2002-2002-2002-2002-2002-2002-08-08-11-11-11-11-11-11-11-11-11-11-11-12-01-01-01-01-01-01-01-　2002-04-2002-04-2002-04-2002-04-2002-04-2002-04-2002-04-[***********][***********][***********]01