基于匹配多因素和响应面法的厌氧氨氧化脱氮除碳优化

陈永志 袁忠玲 张民安 张明 秦彦荣 安芳娇

(1.兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省污水处理行业技术中心，甘肃 兰州 730070；3.甘肃省黄河水环境重点实验室，甘肃 兰州 730070)

厌氧氨氧化(Anammox)工艺是在缺氧条件下，以亚硝酸盐为电子受体将氨氮转化为氮气，同时伴随着以亚硝酸盐为电子供体固定CO2并产生硝酸盐。与传统生物脱氮处理工艺相比，该工艺具有脱氮效率高、污泥产率低及能耗低[1- 2]等优点，已成为最有前景的生物脱氮工艺之一[3- 4]。在Anammox过程中氮素化学计量比为1：1.32：0.26[5]：

1 材料与方法

1.1 试验装置

图1为厌氧序批式反应器(ASBR)装置示意图，由圆柱形无色有机玻璃构成(直径φ=14 cm，高h=45 cm，体积V=5 L)；侧壁垂直方向设置取样口，底部安装排泥口，顶端开设排气孔，反应产生的气体经水封瓶排出，反应器外侧用黑色塑料布包裹，以防止光线对Anammox菌活性产生影响；温控仪控制恒温条件，pH计监控酸碱度。

1—ASBR反应器；2—排水口；3—排泥口；4—搅拌器；5—水封瓶；6—缓冲瓶；7—pH、ORP检测仪；8—温控仪

1.2 试验用水水质及检测方法

以笔者所在实验室实现部分硝化的生活污水为原水，添加定量NaNO2或CH3COONa作为厌氧氨氧化ASBR反应器进水，控制温度为(24±0.5)℃、pH值为8.0～8.2，不同条件下的ASBR进水水质见表1、2和3。

表1 不同基质比条件下的ASBR进水水质Table 1 Water quality of influent of ASBR under different ratios

1.3 接种污泥

种泥取自笔者所在实验室厌氧氨氧化反应器中的活性污泥，具有良好的脱氮性能，其MLSS为3 150 mg/L，MLVSS为2 450 mg/L。

表2 不同HRT条件下的ASBR进水水质Table 2 Water quality of influent of ASBR under different HRT

表3 不同C/N比条件下的ASBR进水水质Table 3 Water quality of influent of ASBR under different

1.4 计算方法

(1)

D=1-A

(2)

1.5 响应面法优化实验

设计总氮去除率(TNR，Y)为响应值，基质比(A)、HRT(B)和C/N比(C)为3个试验因素，进行三因素三水平的Box-Behnken中心组合试验。运用Design-Eepert V 8.0.6软件系统进行响应面分析，建立回归模型，试验各因素水平及编码见表4。

表4 实验影响因素和水平

2 结果与讨论

2.1 基质比对反应器各主要指标的影响

2.1.1 基质比对氮素去除的影响

质量浓度的变化

2.1.2 氮素的化学计量比

2.1.3 系统的脱氮除碳分析

2.1.4 典型周期内氮素和COD的去除

2.2 HRT对反应器各主要指标的影响

2.2.1 HRT对氮素去除的影响

2.2.2 氮素的化学计量比

2.2.3 系统的脱氮除碳分析

质量浓度的变化

2.3 C/N比对反应器各主要指标的影响

2.3.1 C/N比对氮素去除的影响

2.3.2 系统的脱氮除碳分析

图4(c)为不同C/N比条件下Anammox及反硝化脱氮的贡献率。当C/N比分别为2～3、3～5、5～7和7～9时，Anammox的平均脱氮贡献率分别为80.03%、78.84%、67.92%和48.57%，反硝化平均脱氮贡献率分别为19.97%、21.16%、32.08%和51.43%。图4(d)为典型周期内不同C/N比下Anammox对脱氮贡献率的变化特性。当C/N比为2～3、3～5时，进水中有机碳源浓度较低，系统内Anammox占主导，反硝化菌活性较弱，随C/N比增大，反硝化作用增加。C/N比为5～7时，Anammox贡献率下降明显，当C/N比为7～9时，Anammox贡献率逐渐削弱。这主要是因为：当进水中有机碳源过量时，将抑制Anammox菌的生长与繁殖，其生长率仅为0.066，是反硝化菌的1/5，在热力学上Anammox反应比反硝化反应更难进行[24]。

(a)氮素去除特征

2.4 多因素影响下的总氮去除特性

2.4.1 模型拟合及显著性分析

响应面试验结果见表5。

表5 响应面实验设计矩阵和结果Table 5 Experimental design matrix and results of response surface method

使用Design-Expert 软件对表5中的TNR结果进行多元回归拟合分析，所建立的二次回归模型为：Y=90.00-1.63A+1.75B+2.88C+0.75AB-0.50AC-0.25BC-2.25A2-4.00B2-6.25C2，对此模型进行显著性分析，结果见表6。

表6 回归模型方差分析

此响应模型用以下参数检验[25]：R2=0.991 8>0.95，说明模型相关性很好；调整确定系数AdjR2为0.981 2，接近1，说明大部分的试验数据变异性可用回归模型解释；AdjR2-PreR2=0.112 6<0.2(其中，PreR2为预测确定系数)，说明基质比、HRT和C/N比对TNR的影响显著；偏差系数C.V.=8.1%<10%，信噪比为27.985，大于4.011，可见模型的准确性和精密度很好，说明回归模型可很好地预测响应值，试验方法可靠。

对响应模型进行显著性分析：较小的P值能表现相关系数的显著性，P<0.05时认为模型显著，P<0.000 1时认为模型极显著[26]。TNR的P<0.000 1，表明模型极显著，即模型在整个回归区域内拟合较好，回归方程一次项A(基质比)和B(HRT)对响应值影响显著，C(C/N比)对响应值影响极显著，根据各因素的P值可知影响TNR顺序为：C/N比>HRT>基质比。

2.4.2 响应曲面分析及模型验证

对响应模型进行显著性分析：通过软件分析响应面法的数据，对基质比、HRT和C/N比3个显著影响因素进行两两作图(3D曲面图和等高线图)，分析在一个因素等于中心值的条件下，另外两个因素对TNR的交互影响作用，见图5-7。

图5 基质比和HRT对TNR的交互影响作用Fig.5 Interaction effect of substrate ratio and HRT on TN removal rate

图6 基质比和C/N比对TNR的交互影响作用Fig.6 Interaction effect of substrate ratio and C/N ratio on TN removal rate

图7 HRT和C/N比对TNR的交互影响作用

响应曲面法的优化结果表明，厌氧氨氧化脱氮除碳的最佳匹配参数为：C/N比为4.28，HRT为 33.48 h，基质比为 1.46，并通过平行试验进行验证，得TNR为90.12%±0.1%；而TNR预测值为 90.71%，说明该模型可真实反映各因素对Anammox工艺脱氮的影响。

3 结论

(4)应用响应面法优化模型，基质比、HRT和C/N比均对ASBR系统脱氮除碳效能有显著影响，其影响程度为：C/N比>HRT>基质比。最佳匹配方案为：C/N比为4.28 、HRT为 33.48 h，基质比为 1.46。试验验证表明，该模型可对系统的脱氮除碳效果进行优化和预测。