包埋固定化微生物用于A-O...理低C_N氨氮废水功能优化_赵国萍.pdf

80 收稿日期：作者简介：赵国萍（），男，浙江德清人，高级工程师，主要从事电厂化学，煤化工废水处理。包埋固定化微生物用于 系统处理低 氨氮废水功能优化赵国萍，尹志凯，钱虹洲，王蒋镔，陈 彪，黄建元（浙江天地环保科技股份有限公司，浙江 杭州；浙江浙能技术研究院有限公司，浙江 杭州）摘 要：为探究包埋固定化技术在处理氨氮废水中的优势，通过对调节进水 比和 测试 系统连续运行效果。结果显示，驯化后的包埋颗粒具有良好的硝化活性，比为 条件下氨氧去除率可达 以上。传统生化法结合色埋技术在 比为 变化下的平均氨氮去除率达，出水氨氮浓度均为 以下；比为 左右时氨氮去除率也能达到，明显优于传统活性污泥系统的。提高进水负荷过程中，传统生化包埋系统稳定性更好，好氧池 为 的氨氮去除率可达 以上，在 条件下的氨氮去除率可达 以上，比传统活性污泥法提高了约。关键词：包埋固定化技术；硝化提效；中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：；引 言国内的大多数废水处理厂的废水浓度低，经过预处理后再进入生化系统的废水碳氮比不高，导致传统生化法对污染物的处理效果不佳、活性污泥浓度不高等问题，严重影响系统出水水质。针对这一缺陷，固定化微生物技术应运而生，其中包埋固定化技术的应用较为广泛。包埋固定化微生物技术是用化学或物理的手段将游离微生物定位于限定的载体空间领域，并使其保持活性，反复利用的方法。在废水脱氮应用过程中，包埋技术能够高浓度富集脱氮优势菌属，延长微生物在系统中的停留时间；包埋载体还能缓解外界因素对优势菌属的影响，为微生物提供合适节能环保DOI:10.16189/ki.nygc.2023.02.012 年，第 期 81 的生长和反应空间。该工艺已经应用于一些国家的水处理工程中，并达到了良好的脱氮效果。为了进一步确认包埋颗粒在工程中的应用和运行特点，以葡萄糖作为碳源，氯化铵作氮源，设计了一套完整的 组合工艺装置进行硝化效果研究。通过优化包埋颗粒在系统中的运行参数，为包埋颗粒在实际工程中的应用提供科学基础和理论依据。材料与方法 试验水质及控制参数试验水质采用人工配水，主要成分包括葡萄糖（）、氯化铵（）、碳酸钠（）和磷酸二氢钾（），以上药品均为工业级。进水流量控制在 ，硝化混合液回流比为 。系统进水水质情况如表 所示。表 不同试验阶段系统进水水质运行阶段进水 进水 驯化阶段实验阶段 试验装置试验装置采用 系统，设计进水流量为 。整体装置为原水桶缺氧池好氧池膜池清水池，其中膜池用于泥水分离及截留包埋等微生物。装置分为、两组系统，两组系统设备完全相同，用于对比试验研究。缺氧池内设置搅拌机，好氧池采用环网式防堵曝气盘，好氧池内设置有溶解氧在线测定仪和 在线仪用于实时监测好氧池 和 值，硝化污泥混合液由膜池回流至缺氧池。包埋颗粒投加至好氧池内，好氧池出水口设置有铁丝筛网，防止包埋颗粒流失。中试装置参数如表 所示。试验材料本试验采用的包埋颗粒来自山西绿意康环境科技有限公司。主要为 的立方体，呈黑色，表面光滑，机械强度较好，密度略高于水，可以在好氧池内呈流化状态（见图）。它是采用纳米特殊高分子预聚体与特殊的竹质粉末活性炭以及纯化培养出的高效硝化细菌，经过高分子聚合成型和造粒技术所制成的专门用于去除水中氨氮以及总氮的生物催化剂材料，可以广泛应用于污水脱氮、水产养殖池循环水脱氮、自来水厂受污染水源水预处理、水族及观赏鱼池（缸）的水质稳定处理等所有的需要去除氨氮或总氮的水处理领域，具有使用方便、寿命长、绿色环保的优点。表 中试装置参数工艺设计参数实际参数差异备注原水配水系统 个 浓 药桶、个中水提升泵、个带搅拌机进水箱、两套系统各 个进水泵（设计进水 ）与设计参数一致电厂中水通过提升泵进入进水箱，通过浓药桶自动添加营养物质在进水箱中搅拌混匀缺氧池尺 寸：。容积：数量：套（带搅拌机）实际尺寸：。有效容积：缺氧池和好氧池中间隔板底部溢流孔 个 套。好氧池尺 寸：。容积：数量：套（微孔曝气盘曝气，共用 个风机，手阀调节气量。）实际尺寸：。有效容积：好氧池和 浸没式池中间隔板顶部溢流孔 个 套。浸没式池尺 寸：）。容积：数量：套（穿孔管曝气，共用 个风机，手阀调节气量。）实际尺寸：。有效容积：、系统 浸没式池前端底部各设 个潜水泵打回流至缺 氧 池，流量 图 包埋颗粒示意图节能环保 82 与传统的生物载体填料相比，包埋材料更类似于一个保护壳，能够固定和富集更多的脱氮微生物，不会因为污泥老化而脱落流失，污泥龄较长，使其能够适应各种不同水质条件。废水中的基质主要通过渗入的方式进入到颗粒内部，而微生物的代谢产物由内向外扩散的方式来完成物质交换，由于包埋材料的特殊性，包裹着的微生物不会与外界环境直接接触，使得大分子有毒有害物质难以通过颗粒孔隙进入包埋内部，显著减小了外界环境对微生物的影响。同时，包埋颗粒因受到溶解氧浓度扩散的限制，在其内部出现缺氧区域，这个区域可以为反硝化菌提供适宜的环境，使反硝化反应可以发生。因此，包埋颗粒具有在同一个颗粒中发生硝化和反硝化反应的功能。分析方法及仪器 测试采用 预制试剂（量程 哈希预制试剂）、武汉正元 智能消解仪和武汉正元 型总氮测定仪；测定采用纳式试剂分光光度法；测定采用紫外分光光度法；测定采用（萘基）乙二胺分光光度法；采用雷磁 型 计；溶解氧采用雷磁在线溶氧仪测定；分光光度计采用上海美析 型紫外 可见光分光光度计。结果与分析 包埋颗粒激活及活性测试 低负荷氨氮废水驯化过程包埋菌激活进水 配制为 左右，配制为 左右，以低浓度进水负荷对包埋菌进行驯化（包埋填充率约，进水 比仅 左右）。驯化期间 值为，温度 ，溶解氧 ，好氧池 为。去除效果及 的变化如图 所示。结果显示，驯化初期，好氧池出水氨氮与进水氨氮无明显差异，直至第 天，氨氮下降至 ，去除率达到。在 天以后，好氧池出水氨氮基本维持在 以下，到第 天时，氨氮降至 ，去除率达到，同时出水存在硝态氮和亚硝态氮的积累，亚硝态氮在驯化期间先上升至 ，然后下降至 ；硝态氮则逐渐上升并稳定在 左右。该现象也标志着包埋颗粒的驯化已基本完成。董亚梅等在驯化包埋颗粒过程中发现，保持颗粒表明足够的氨氮和溶解氧浓度能促使硝化细菌在颗粒表面优先生长。硝化细菌中的氨氧化菌能实现短程硝化过程并积累亚硝酸盐，而亚硝酸盐氧化菌则进一步将亚硝酸盐氧化成硝酸盐。图 低负荷废水驯化包埋颗粒过程中氮的变化 不同 比下的包埋颗粒硝化活性测试在 系统内测试已激活包埋颗粒的硝化特性，进水氨氮控制在 左右，通过配制不同浓度的葡萄糖控制 比，温度控制在 ，值为，为 ，好氧池 为 ，其结果如图 所示。图 不同 比下的包埋颗粒硝化活性测试结果显示，经过激活后的包埋颗粒能够快速适应 的环境，系统连续运行 天稳定后的出水氨氮在 以下，氨氮去除率高于，出水硝态氮的平均积累量为 ，亚硝态氮的平均积累量为 ，说明包埋颗粒中的硝化菌活性较好，大部分氨氮被完全氧化成节能环保 年，第 期 83 硝态氮；随着进水 比调整至 后，好氧池出水氨氮逐渐由 下降并稳定在 以下，去除率最终稳定在 左右，与 比为 的条件下相比无显著性差异，出水硝态氮含量也随着包埋颗粒硝化活性的增强而升高至 左右，亚硝态氮含量无明显变化；继续提高进水 比至，好氧池出水氨氮在 天内的平均值为 ，平均去除率为，出水硝态氮的平均值为 ，亚硝态氮均值为 ，与前 天相比明显下降；进水 比为 的情况下，包埋颗粒对氨氮的处理效果略微变差，在适应进水水质后，系统出水氨氮由初始的 下降并维持在 左右，稳定后的氨氮去除率达到 左右，但好氧池出水硝态氮浓度降低，系统稳定后的出水硝态氮为 左右，亚硝态氮浓度上升。实验结果表明，随着进水 比的提升，包埋颗粒的硝化活性出现下降，这与魏继红等的研究结果相似，其原因分析为系统内有机物的增多导致了包埋内部微生物种群的改变，异养菌的增加会与硝化菌争夺溶解氧和氨氮，氨氮主要通过异养菌的同化作用去除，而自养硝化菌的硝化作用被削弱。但从另一方面来说，有机物的增多能够在一定程度上促进反硝化微生物的作用。研究表明包埋颗粒特有的空间结构为硝化与反硝化菌的生长提供所需的厌氧、好氧微环境。因此，在有机物充足的条件下，包埋颗粒还能在一定程度上同时发挥硝化反硝化作用，这种优势不仅能在工程应用上减少设备的占地面积，还能有效降低曝气能源消耗。比变化下的传统生化包埋系统运行效果测试 系统活性污泥取自污水处理厂，经氨氮废水驯养后用于本实验，好氧池污泥浓度约 ，系统内不投加包埋颗粒，系统内投加 填充率的已激活包埋颗粒与活性污泥混合培养，改善进水 ，比较两系统的污染物去除效果，好氧池 控制在 ，好氧池 为 。系统连续运行 天，每 天提升一次 ，平均 比为，平均 比为，平均 比为，的平均 比为。实验结果如图 所示，根据配制不同的进水葡萄糖浓度来调节 ，进水 范围为 ，进水氨氮相对保持稳定，进水的平均氨氮浓度为 。比在 变化阶段，传统活性污泥系统的出水氨氮出现先下降后上升的趋势，为 左右时的平均出水氨氮为 。提升 比至，出水氨氮基本稳定在 ，平均出水氨氮浓度为 ，最低出水氨氮可达 ；而添加了包埋颗粒的系统在 比为 左右时的出水平均氨氮为 ，比为 阶段的平均出水氨氮为 ，最低出水氨氮浓度可达 ，氨氮去除效果明显优于传统活性污泥系统。主要原因分析为包埋颗粒内富集有大量活性较好的硝化微生物，提高了系统的氨氧化效率。图 不同 比下的两系统工艺运行对比两系统的出水 均维持在 以下，随进水 比的提高，两系统出水 浓度均出现下降，说明系统内的异养微生物在有机物的刺激下活性更强。而低 比实验过程中，很容易发现传统活性污泥絮体变小，结构松散等现象，等也在研究中发现类似情况。这一情况推测是由于营养物质的不足导致丝状菌等异养微生物无法快速生长并形成菌胶团骨架，游离微生物中自养菌更多，污泥沉降性能也变差。而包埋微生物的应用就能很好地解决这一难题。从 比变化下的系统污染物去除率对比结果（见图）来看，在 比变化的条件下，添加了包埋颗粒的活性污泥系统去除氨氮的效果更好。比为 左右条件下，传统活性污泥系统的平均氨氮去除率仅为，显著低于投加了包埋颗粒系统的。进水 比为 阶节能环保 84 段，传统活性污泥系统与传统生化包埋系统的平均氨氮去除率分别为 和。在 比为 左右的情况下，添加了包埋颗粒系统的平均氨氮去除率也能达到，同样高于传统活性污泥的。这也说明了传统生化包埋系统具有更好的氨氮去除效果，并在 比为 左右时其优势表现得较为显著。传统生化氨氮处理效果降低的原因主要为，低 比影响了系统微生物群落结构，导致了异养菌的减少、污泥菌胶团分解等现象，严重影响了异养菌对氨氮的同化作用，使氮源利用效率降低，从而导致了氨氮去除的不完全。而传统生化法结合色埋技术能够利用包埋颗粒内富集的硝化细菌，实现氨氮的快速去除，同时包埋颗粒表面可能还富集有部分异养微生物，它们同样可以通过同化作用去除废水中的氨氮。在 比提升过程中，两系统的 去除率也随之升高，这与异养菌活性增强密切相关。而图中发现，比在 的变化过程中，两系统的 去除率无显著差异，去除率均由左右上升至 左右。而在 比为 左右时传统生化法结合色埋技术的 去除效果较优于传统生化系统，其平均 去除率达，高于传统生化的。该原因推测为：）传统生化法结合色埋技术的硝化作用更强，产生的硝态氮和亚硝态氮更多，经回流至缺氧池进行反硝化消耗更多的；）包埋颗粒内部能形成缺氧区并富集反硝化菌，部分 在好氧池内也能通过包埋颗粒的反硝化进行降解。图 不同 比下的两系统污染物去除率 不同 下的传统活性污泥包埋系统运行效果测试 研究表面，水力停留时间（）是影响生化处理效果的关键因素之一。本实验通过调节进水流量控制好氧池 分别为 、和 ，进水 比为，测试水质均为好氧池出水水质。不同 下两系统的氨氮处理效果对比如图 所示，进水氨氮平均浓度为 。随着进水负荷的提高，两系统出水氨氮均出现一定上升，表明微生物对环境变化做出了反应。图 两系统在不同 下的氨氮去除效果 为 时，两系统的平均出水氨氮和氨氮去除率分别为 、和 和，投加了包埋颗粒的系