进水配比对煤气化废水厌氧段处理效能影响

杨世东，廖路花

(东北电力大学建筑工程学院，吉林　132012)



进水配比对煤气化废水厌氧段处理效能影响

杨世东，廖路花

(东北电力大学建筑工程学院，吉林132012)

在温度35℃ pH值7.0左右，HRT为30 h的厌氧反应器中，研究了厌氧氨氧化与反硝化的耦合作用。进水氨氮为70～120 mg/L左右，COD为800～1200 mg/L左右条件下，将含亚硝酸盐和硝酸盐浓度人工配水按厌氧进水配比引入反应器中，氨氮、亚硝态氮进水浓度分别为75.43 mg/L、99.87 mg/L时，总氮负荷为233.82 mg/(L·d)，考察不同进水配比R(0～100%)对厌氧反应器的脱氮除碳效能影响。实验结果表明，在进水配比为75%条件下，系统氨氮、亚硝态氮去除率达55.71%、63.65%，TN去除率最高达64.56%，COD去除率达80%左右。结果表明，适当的进水配比，不仅可以达到稀释厌氧进水的作用，还可以促使厌氧氨氧化与反硝化的协同脱氮除碳效果。

煤气化废水; 厌氧氨氧化; 反硝化; 进水配比; 脱氮除碳

1　引　言

厌氧氨氧化工艺是一种极具发展前景的生物脱氮技术[1,2]。与传统的生物脱氮技术相比，具有需氧量低，运转费用低，不需外加碳源，污泥产量少等优点[3,4]。该工艺是在厌氧或缺氧的条件下，以亚硝酸盐为电子受体，由自养菌直接将氨氮转化为氮气的生物过程[5]。由于厌氧氨氧化菌为自养菌，在高浓度有机碳源条件下，厌氧氨氧化菌活性会受到抑制，严重影响脱氮效果[6]。煤气化废水[7-9]是一种典型的高氨高酚难降解的有机废水，在厌氧条件下实现理想的厌氧氨氧化效果比较困难。故研究在厌氧除碳的同时，实现厌氧氨氧化与反硝化的耦合，同步脱氮除碳极具工程意义。有研究表明少量有机物存在条件下，对厌氧氨氧化活性影响不大，而大量有机物(如葡萄糖)的加入[11]，在明显抑制其厌氧氨氧化活性的同时，污泥会表现出较高的反硝化活性。研究表明在苯酚存在的条件下厌氧氨氧化与反硝化的耦合也是可行的[12]。虽然两者存在基质亚硝酸盐的竞争，但是反硝化菌的存在，可解除有机物对厌氧氨氧化菌的抑制作用。并且反硝化菌是在缺氧条件下生存，可消耗由进水引入的少许O2，为厌氧氨氧化菌解除O2对其影响。同时反硝化产生的CO2可为厌氧氧化菌提供无机碳源。而厌氧氨氧化反应生成的硝酸盐可为反硝化反应提供基质。所以，两者可在竞争中协同实现同步脱氮除碳目的。

在高浓度有机碳源基质条件下，研究厌氧氨氧化与反硝化耦合脱氮除碳性能的报导还很少。而煤气化废水是一种典型的高氨含酚废水，鉴于此，本文通过模拟煤气化废水，研究厌氧氨氧化耦合异氧反硝化在厌氧反应器中的处理效能。由于原水中含有高浓度的氨氮且COD浓度较高，亚硝态氮、硝态氮含量甚微，故在厌氧段拟引入亚硝酸盐氮来实现氨氧化并引入硝酸盐氮考察厌氧反硝化可能性，同时加入硝态氮可避免低的氧化还原电位，有利于产甲烷菌的生长，即将含亚硝酸盐和硝酸盐浓度的人工配水按厌氧进水配比R引入厌氧反应器，以此研究厌氧段的脱氮除碳效果。

2　试　验

2.1试验装置

厌氧反应器有效容积为2.5 L，高40 cm，直径10 cm。采用蠕动泵控制流量。反应器避光置于恒温水浴箱内，温度维持在35℃左右，HRT为30 h，进水pH值用NaOH和HCl调节控制在7.0左右。

2.2模拟废水组成

试验采用人工配水，厌氧反应器进水组成：葡萄糖230～250 mg/L，挥发酚150～250 mg/L，氨氮100～200 mg/L，硫氰酸盐20～50 mg/L，硫化物20～50 mg/L，吡啶类化合物20～40 mg/L，呋喃类化合物20～40 mg/L，吲哚类化合物20～30 mg/L，苯类化合物100～150 mg/L;KH2PO427 mg/L，CaCl2·2H2O 180 mg/L，MgSO4·7H2O 300 mg/L，NaHCO30.5 g/L，微量元素浓缩液Ⅰ和微量元素浓缩液Ⅱ各1 mg/L[10]。

2.3分析项目与方法

2.4试验方法

在试验之前，厌氧反应器运行已长达半年，通过设计正交实验确定了最佳运行条件，HRT为30 h，温度35℃，pH值为7.0左右。在此条件下，挥发酚、总酚、COD进水浓度分别为200～240 mg/L，390～420 mg/L，1400～1600 mg/L条件下，其去除率分别达48.35%、51.37%和51.63%。在最佳的厌氧运行环境下，为减轻高浓度有机物对厌氧氨氧化反应的抑制作用，将含有亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的人工无机配水引入厌氧反应器，达到稀释厌氧进水的同时，为其提供亚硝酸盐基质，实现厌氧氨氧化、反硝化和异养厌氧菌的耦合，进而实现有机物与氮的同步去除。

进水稀释配比R即含亚硝态氮、硝态氮的人工配水和进入厌氧段的进水流量比。人工配水中的亚硝酸盐和硝酸盐分别由亚硝酸钠和硝酸钠提供，然后采用用自来水溶解稀释而成，通过蠕动泵泵入厌氧反应器底部。

3　结果与讨论

3.1不同进水配比R对氮去除效果

图1　进出水含量变化曲线Fig.1　Content change curve of influent and effluent

图2　进水配比对-N去除影响Fig.2　Influent ratio on -N removal

图3　进水配比对-N去除影响Fig.3　Influent ratio on -N removal

从图4看出，硝态氮在进水浓度为30 mg/L左右时，进水配比为50%时，平均去除率最高，达98.97%。在进水配比为25%和进水配比为100%条件下，两者去除率相当，去除率在80%以上。与亚硝态氮规律相反的是，硝态氮在进水配比为75%时，其去除率是最低的，平均去除率为77.52%。而总氮在进水配比为75%时，其去除规律与亚硝态氮一致，去除率在此时达到最大值64.56%，在进水配比为100%时，去除率最低，平均去除率仅为48.76%。

图4　进水配比对-N去除影响Fig.4　Influent ratio on -N removal

图5　进水配比对TN去除影响Fig.5　Influent ratio on TN removal

3.2不同进水配比R对氮去除效果分析

图6　进水配比去除量影响Fig.6　Influent ratio on removal amount of

表1　厌氧氨氧化与反硝化对氮去除计算结果

3.3不同进水配比R有机物去除效果

图7　进出水酚、COD含量变化曲线Fig.7　Content change curve of influent and effluent phenol,COD

图7中1～11 d、12～19 d、20～29 d、30～40 d的进水配比R分别为25%、50%、75%、100%。进出水挥发酚、总酚、COD含量及变化趋势见图7。从图7可看出，挥发酚和总酚从进水配比为25%增加到50%时，即经稀释之后，在25%时挥发酚的去除量为90 mg/L左右，在50%时其去除量为71 mg/L左右，去除效果没有什么提高，COD的去除量相对也减少了80 mg/L左右。这有可能是引入硝酸盐亚硝酸盐溶液初期，由于进水的ORP 发生了变化，对厌氧反应器中的厌氧菌产生了影响。高的ORP导致严格厌氧菌活性的降低，从而使酚类的降解率变小了。在当进水配比从50%增加到75%时，去除效果增加较显著，COD去除量较进水配比为25%的增加了30 mg/L左右200，较进水配比为50%的COD去除量增加了200 mg/L左右。这是由于经过前期约20 d的硝酸盐和亚硝酸盐的引入，部分厌氧菌被驯化适应了原水的条件。或者是更适应环境条件的种群发展起来，从而适应了新的水质。这样去除率又得到了回复。继续增加进水配比，去除效果却不是很明显，出水挥发酚浓度还是维持在20 mg/L，总酚浓度的去除量也没有明显增加，COD的去除量反而减少了。稀释配比的增加，一方面使原水的ORP进一步提高，另一方ORP对厌氧菌的影响却进一步增大。二者的综合作用使得COD降解率的提高缓慢。

图8　进水配比对挥发酚去除影响Fig.8　Influent ratio on volatiel phenol removal

图9　进水配比对总酚去除影响Fig.9　Influent ratio on total phenol removal

从图8、9可看出，挥发酚与总酚随进水配比的增加，两者的去除规律是大致相同的。有机物去除效果最好的区间都是在75%～100%，去除率基本维持在80%左右。且在进水配比为75%时，COD的去除量是最大的，高达721.29 mg/L。

图10　进水配比对COD去除影响Fig.10　Influent ratio on COD removal

图11　进水配比对各污染物去除影响Fig.11　Influence of influent ratio on the removal of pollutants

表2　反硝化COD去除结果

从表2可知，随着进水配比的增加，反硝化作用呈下降趋势。这是因为反硝化菌是异养菌，以有机物为碳源进行生长繁殖。随着进水配比的增加，有机物浓度是逐渐降低的，导致反硝化菌在厌氧段的活力下降。虽然反硝化对COD的去除量减少了，但从图11看出，酚类化合物和COD的去除率基本上与进水配比呈正相关。说明在厌氧反应器中，除了存在异养反硝化菌和厌氧氨氧化菌之外，还有其他的异养厌氧菌。这跟戚绪亮[13]研究EGSB反应器的结果及祖波等[14]对厌氧反应器中实现耦合研究结果类似。并且异养厌氧菌活性随进水配比的增加而增加。从进水挥发酚浓度和反硝化去除的COD量可推知，反硝化菌主要以酚类化合物为有机底物进行反应的，所以本试验厌氧段反硝化菌主要为苯酚反硝化菌。大多数情况下，酚类化合物的存在会抑制厌氧氨氧化菌的活性，但是该抑制可以通过培驯解除，且可实现厌氧氨氧化菌对苯酚表现出较强的抵抗力[15]。从表3可知，进水配比在25%、50%、75%、100%情况下，COD的去除量分别为698.22 mg/L、461.82 mg/L、721.292 mg/L、639.242 mg/L，所以反硝化在对应各配比下的COD去除贡献率分别20%、28.52%、15.48%、4.94%。

3.4不同进水配比R对厌氧段整体效果分析

从图2～5、图7～10可看出，除了总氮与亚硝态氮从配比75%增加到100%时，其去除率是下降的之外，其他各测定指标去除率基本与进水配比呈正相关，且当配比从75%增加到100%时，去除率提高不明显，增长特别缓慢，斜率趋近于零。所以进水配比选择在75%是较合适的。进水配比为75%时，C/N比为4.21，COD和氨氮的去除量在4个配比中时最大的。这说明在较低的C/N下，有利于COD和氨氮的去除，即有利于厌氧氨氧化与反硝化的耦合此结果与冉春秋等[16]研究结论相同。所以总氮的去除是厌氧氨氧化与反硝化耦合作用的结果。

4　结　论

(1)采用模拟煤气化废水，在温度35℃、进水pH值在7.0左右、HRT为30 h，COD浓度为800～1200 mg/L厌氧条件下，可实现厌氧氨氧化、异养反硝化和异养厌氧菌的耦合。TN去除为异养反硝化与厌氧氨氧化共同作用下的结果，COD的去除为异养反硝化和异养厌氧菌协同与竞争作用下的结果;

(2)在厌氧氨氧化、异养反硝化和异养厌氧菌耦合的厌氧系统中，三者存在协同与竞争关系。进水配比的不同可以改变三者之间的协同与竞争效果。进水配比为75%条件下，异养反硝化和厌氧氨氧化耦合效果最好，TN去除率达64.56%，异养反硝化菌与异养厌氧菌的耦合作用也较好，COD去除率为80.1%，仅比100%的进水配比COD去除率低1.38%;

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Effect of Influent Ratio on Anaerobic Treatment of Coal Gasification Wastewater

YANG Shi-dong，LIAO Lu-hua

(School of Civil Engineering and Architecture Northeast Dianli University,Jilin 132012,China)

The synactic effect of anammox coupling with heterotrophic denitrification process was investigated in an anaerobic reactor with an influent at the temperature of 35℃，pH of 7.0，hydraulic detention time (HRT) of 30 h. The nitrate and nitrite solution with different ratio (R=0-100%) to raw waste water was introduced into the influent with ammonia of 70-120 mg/L，COD concentration of 800-1200 mg/L before entering the anaerobic reactor to investigate the removal of nitrogen and organics. The experimental results show that in the influent ratio is 75%，the removal of ammonia，nitrite，total nitrogen (TN) and COD can reach 55.71%，63.65%，64.56% and 80%，respectively，under the condition of ammonia nitrogen，nitrite nitrogen influent concentration of 75.43 mg/L 99.87 mg/La TN load of 233.82 mg/(L·d). The results show that the optimum dilution can not only dilute the raw waste water but also achieve co-effect of anammox and anaerobic denitrification by dosing appropriate nitrate and nitrate.

coal gasification wastewater;anaerobic ammonium oxidation;denitrification；influent ratio;removal of carbon and nitrogen

吉林省科技厅自然科学基金项目(2015010190JC)；吉林省科技发展计划项目(20130206006SF)

杨世东(1978-)，男，博士，硕导.主要从事污水生物处理方面的研究.

廖路花，硕士研究生.

X703

A

1001-1625(2016)02-0392-07