盐度对上流式厌氧污泥反应器脱氮性能的影响❋

于冰洁， 朱晓桐， 栾亚萍， 林久淑， 姚 晨， 季军远❋❋

(1. 中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室， 山东 青岛 266100；2. 中国海洋大学山东省海洋环境地质工程重点实验室， 山东 青岛 266100)

含硝酸盐废水若未经有效处理直接排放到水体，会给水环境带来一系列危害，引起水体富营养化，造成水生生物大量死亡，破坏水域生态系统的平衡[1]；硝态氮在人体肠道中可以被还原成亚硝酸盐，对人和生物体有致癌作用[2]。随着我国水体富营养化问题的日趋严重以及污水排放标准的提升，含硝酸盐废水的高效处理成为水处理领域关注的重点问题之一[3]。

离子交换、膜过滤和电渗析等可有效去除水中的硝酸盐，但处理成本高且易产生二次污染，需后续处理和处置[4]，近年来厌氧反硝化作为一种节能经济、高效稳定、易操作运维的生物脱氮技术，已被广泛应用于高浓度硝酸盐废水脱氮处理工程[5-8]。将反硝化颗粒污泥与高效厌氧生物反应器结合，可显著提高反应器中反硝化生物量，优化废水流态，从而大幅提升硝酸盐的容积去除速率，实现高效脱氮；工程应用中可直接减少占地面积，节省建设成本。吕亮等[9]研究了絮状污泥在厌氧折流板反应器(ABR)中厌氧反硝化脱氮性能，反应器氮容积负荷(NLR)最高仅达1.51 kg/(m3·d)，NLR继续升高则反应器效能将持续恶化。李仲伟等[10]研究了接种颗粒污泥的升流式污泥床(USB)的厌氧反硝化脱氮性能，NLR最高可达16.5 kg/(m3·d)，且此NLR下反应器出水水质稳定。相较于絮状污泥，颗粒污泥接种于厌氧反应器可大幅提高脱氮性能。近年来已大量开展缺氧膨胀床反应器(AEB)[4]和序批式反应器(SBR)[11]等反硝化颗粒污泥处理高硝氮废水研究，并对温度、碳源种类、碳氮比、pH和盐度等影响厌氧反硝化效能的因素开展了相应研究[12-16]。

1 材料与方法

1.1 实验装置

实验装置采用上流式厌氧污泥床反应器(UASB)(见图1)。反应器由有机玻璃加工而成。UASB反应器下部为反应区，顶部为分离区，分离区内部设有三相分离器。反应器高65 cm，其中反应区高45 cm，分离区高20 cm；反应区内径6 cm。UASB反应器总体积为3.5 L，其中有效体积为1.4 L。废水由蠕动泵自UASB反应器底部泵入，依次经反应区、分离区后由出水口排出，产生气体自反应器顶端排气口逸出，经气体流量计后外排。通过恒温水浴维持反应器工作温度为(35±1) ℃。

(1. 进水箱， 2. 蠕动泵， 3. 取样口， 4. 出水箱， 5. 出水口， 6. 排气口。1. Influent tank; 2. Peristaltic pump; 3. Sampling ports; 4. Effluent tank; 5. Effluent outlet; 6. Exhaust vent.)图1 实验装置图Fig. 1 Schematic diagram of experimental equipment

1.2 接种污泥和模拟废水

接种颗粒污泥取自浙江省某造纸厂IC(Internal circulation)反应器中的厌氧颗粒污泥，MLSS为32 g/L，MLVSS为18.8 g/L，VSS/SS为0.59。接种量为1.2 L。

表1 营养液、微量元素组成成分Table 1 The composition of the nutrition and the trace solutions

1.3 分析项目及测定方法

1.4 反应器运行

表2 R1反应器运行阶段进水工况Table 2 Influent water composition of R1 reactor’s operating process

表3 R2反应器运行阶段进水工况

2 结果与讨论

2.1 厌氧反硝化工艺性能

2.1.1 COD去除 R1、R2对COD去除情况如图2所示。以传统厌氧反硝化反应器所能达到的氮容积负荷(NLR)作为工艺启动判断依据，可将反应器R1、R2的运行阶段分为阶段I(启动阶段)和阶段II(效能运行阶段)；以反应器的可达到的最高氮去除速率(NRR)为判断依据，可将阶段II分为效能增稳期(P1)与效能衰减期(P2)。R1反应器(无盐)的效能增稳期(P1)为21～83 d，效能衰减期(P2)为84～98 d；R2反应器(1.5%盐度)的P1为21～97 d，P2为98～105 d。反应器R1 的进出水COD浓度、COD容积负荷(CLR)及容积去除率(CRR)分别见图2A、2B，反应器R2的进出水COD浓度、CLR及CRR分别见图2C、2D。

图2 不同盐度下反应器COD去除效能Fig.2 COD removal performance under different salinity

P1阶段，反应器R1的HRT由12 h缩短至0.83 h，出水COD浓度从101.56 mg/L增至870.59 mg/L，增幅为7.57倍；COD去除率从97.17%降至80.65%，降幅为16.52%，平均去除率为89.84%。反应器R2的HRT由12 h缩短至0.67 h，出水COD浓度从98.60 mg/L增至950.51 mg/L，增幅为8.64倍；COD去除率从98.77%降至78.95%，降幅为19.82%，平均去除率为88.68%。提高负荷使反应器的除碳性能受到影响，其中R2的出水COD浓度增幅较大，COD去除率降幅稍大，但二者平均去除率较为接近。R1的CLR自9 kg/(m3·d)增至129.6 kg/(m3·d)，CRR自8.73 kg/(m3·d)增至106 kg /(m3·d)(最高值)，CRR增量为97.3 kg/(m3·d)；R2的CLR自9.2 kg/(m3·d)增至162.3 kg/(m3·d)，CRR自9.04 kg/(m3·d)提升至127.8 kg/(m3·d)(最高值)，CRR增量为118.76 kg/(m3·d)。R2的CRR相对R1提高20.57%，1.5%盐度可明显提高反应器对有机物的去除效能，对厌氧反硝化菌的活性起到一定的促进作用。此研究结果与其他研究不同，如Rene等[27]研究盐度对有机物降解影响，得出 1.5%盐度对工艺中有机物降解能力的影响较小。

P2阶段，反应器R1的HRT由0.83 h缩短至0.67 h，出水COD浓度从870.59 mg/L继续增至1 784.70 mg/L，COD去除率从80.65%进一步降至60.34%；反应器R2的HRT由0.67 h缩短至0.50 h，出水COD浓度从950.51 mg/L增至2015.79 mg/L，COD去除率从78.95%降至55.22%。R1 的CLR虽自129.6 kg/(m3·d)继续增至162 kg/(m3·d)，增幅为25%，但此阶段CRR已由最高值(94.5 kg/(m3·d))降至89.34 kg/(m3·d) ，降幅为5.46 %，反应器性能已经恶化，R2的CLR自162.3 kg/(m3·d)虽提高至216 kg/(m3·d)，增幅为33.09%，但CRR却由最高值(127.8 kg/(m3·d))降至119.3 kg/(m3·d)，降幅为6.65%，反应器有机物去除效能同样出现恶化。该阶段反应器的CRR随着负荷的提高而降低，R2的CRR降幅稍高于R1，即1.5%盐度相对于无盐未引起的反应器效能急剧恶化，同时可使最佳除碳效果达到127.8 kg/(m3·d)，相较于无盐工况(94.5 kg/(m3·d))提高35.23%。1.5%盐度可提高厌氧反硝化工艺除碳性能。

图3 不同盐度下反应器去除 removal performance under different salinity

图4 各NLR下反应器积累及TN去除效率 accumulation and TN removal performance of DN-UASB under different NLRs

2.2 出水pH变化

图5 各NLR下反应器出水pHFig.5 pH value of DN-UASB under different NLRs

2.3 C/N变化

不同NLR工况下反应器出水平均C/N值如图6所示。启动阶段，NLR自0.6 kg/(m3·d)增至1.6 kg/(m3·d)，R1中C/N从4.11增至4.15，增幅为1%，R2中C/N从3.93增至4.15，增幅为5.5%。效能增稳期(P1)，NLR从2 kg/(m3·d)增至24 kg/(m3·d)过程中，R1中C/N从4.33降至3.68，R2中C/N从4.23降至3.67；与NLR为1.6 kg/(m3·d)相比，R1、R2的C/N降幅分别为11.33%和11.57%。

图6 各NLR下反硝化过程平均出水C/N值Fig.6 The average effluent C/N ratio of DN-UASB under different NLRs

启动阶段反硝化过程所需C/N较高，可能是主要被功能菌群用于自身生长和繁殖；后期随着氮容积负荷的提高，脱氮性能受到冲击，C/N降低。效能衰减期(P2)，R1中C/N从3.40降至3.24，降幅为4.7%；R2中C/N从3.87降至3.04，降幅为21.4%，R2中降幅较大。效能衰减期，1.5%盐度在高负荷下会抑制反硝化菌生长及代谢，导致脱氮性能恶化，硝酸盐累积，C/N显著降低。

2.4 DN-UASB运行盐度对其稳定性影响

按目前文献[34]报道的最高NLR(26.8 kg/(m3·d)为基准，将本试验反应器运行阶段划分为常负荷(≤26.8 kg/(m3·d)和高负荷(>26.8 kg/(m3·d)状态，以容积负荷(NLR、CLR)和出水浓度(TN、COD)的变异系数(Variation Coefficient)和极差(Range)作为指标，考察1.5%盐度对在常负荷、高负荷下反应器运行稳定性影响，结果见表4。

表4 反应器运行稳定性Table 4 Stability analysis of DN-UASB

由表可知，对于TN去除，常负荷下R1、R2的出水TN浓度无明显波动，均较为稳定(R1、R2的变异系数比和极差系数比分别为4.88，0.24和12.98，0.30)，R2出水TN较R1略显波动；高负荷下R1、R2的出水TN浓度相较常负荷下呈现明显波动(R1、R2的变异系数比和极差系数比分别为108.62，26.80和65.02，18.01)，R1中TN浓度较R2波动性更加明显。对于COD去除，常负荷下R1、R2的出水COD浓度无明显波动，均较为稳定(R1、R2的变异系数比和极差系数比分别为1.54，5.38和3.28，2.66)；高负荷下R1、R2的出水COD浓度相较常负荷下呈现明显波动(R1、R2的变异系数比和极差系数比分别为69.96，67.84和28.91，37.79)，与出水TN浓度波动性规律一致，1.5%盐度有助于高负荷下减少出水污染物浓度的波动，可促进反应器效能的稳定。

3 结论

(1)R1(无盐)最高NRR可达28.80 kg/(m3·d)，最高CRR可达94.50 kg/(m3·d)，R2(1.5%盐度)最高NRR可达35.52 kg/(m3·d)，最高CRR可达127.80 kg/(m3·d)，1.5%盐度会提升反应器氮容积去除率和COD容积去除率，提高反应器脱氮效能。

(3)常负荷下，1.5%盐度较无盐并未引起出水TN、COD浓度明显波动，出水水质较为稳定，出水TN、COD的变异系数比和极差系数比分别为12.98、0.30与3.28、2.66；高负荷下，1.5%盐度可减缓出水水质波动，更有利于反应器稳定运行，较无盐下可使出水TN的变异系数比和极差系数比降低40.1%与32.8%，COD的变异系数比和极差系数比降低58.7%与44.3%。