固定化微生物對焦化廢水的單級生物脫氮

固定化微生物對焦化廢水的單級生物脫氮摘要用PVA鋁鹽法把硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌混合固定于球形顆粒中，通過在固定化反應(yīng)器中的序批式試驗，考察了C/N、溫度、DO、pH值、停留時間等因素對混合固定化細(xì)菌單級生物脫氮系統(tǒng)的影響及其規(guī)律，實現(xiàn)了混合固定化細(xì)菌在好氧條件下的同時硝化反硝化，使焦化廢水達(dá)標(biāo)排放。關(guān)鍵詞脫氮固定化焦化廢水PVA-鋁鹽法同時硝化反硝化單級生物脫氮RealizationSimultaneousNitrificationandDenitrificationofTheCokingWastewaterbyImmobilizedBacteriaAbstractNitrobacteriaanddenitrificatebacteriawerebothimmobilizedinglobesgrainsbymethodofPVA-Aluminate.Basedonsequencingbatchexperimentsinimmobilizedreactor,theeffectsofthefactorssuchasC/N,temperature,DO,pHandretentiontimeonsinglebiologicaldenitrificationsystemofcombinedimmobilizedbacteriaswereinvestigated,andtheregulationwassimultaneouslyattained.Simultaneousnitrificationanddenitrificationcanberealizedinaerobicconditionwithcombinedimmobilizedbacterias.Thecokingwastewatercanbedischargedinaccordwiththenationalprimarydischargestandard.KeywordsDenitrificationImmobilizationCokingwastewaterPVA-AluminateSimultaneousnitrificationanddenitrification(SND)Singlebiologicaldenitrification1前言焦化廠生產(chǎn)過程排放大量含氨氮、油、酚類、多環(huán)芳香族化合物及雜環(huán)化合物等有毒、有害物質(zhì)的廢水，有些甚至在廢水中的濃度已達(dá)到微生物可耐受極限[1]，其中的氨氮濃度高，較難達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)外焦化廢水大多使用生化處理法，但對氨氮處理效果不能令人滿意。近幾年的研究表明，硝化和反硝化可在同一反應(yīng)器中同時發(fā)生，許多實際運行中的好氧硝化池中也常常發(fā)現(xiàn)有10%～30%的總氮損失，這一現(xiàn)象被稱為同時硝化反硝化(SND)，又稱為單級生物脫氮[2-6]。這主要是由于微生物反應(yīng)構(gòu)筑的溶解氧梯度造成的。微生物固定化技術(shù)，是指利用化學(xué)或物理手段將游離的微生物或酶定位于限定的空間區(qū)域并使其保持活性和可反復(fù)使用的一種基本技術(shù)[7]。由于氧擴散的限制，在固定化微生物顆粒中存在著好氧區(qū)和缺氧區(qū)或無氧區(qū)，這個結(jié)構(gòu)使硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌能夠在同一反應(yīng)器中存在，也使硝化反應(yīng)和反硝化能同時進(jìn)行?，F(xiàn)在國內(nèi)外對于模擬廢水或生活污水的固定化微生物單級生物脫氮研究比較多，但是對于在焦化廢水的研究運用，罕有報道。本文把硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌混合固定，使其在焦化廢水中實現(xiàn)同時硝化和反硝化，實現(xiàn)焦化廢水的脫氮，達(dá)到焦化廢水中氨氮的一級排放標(biāo)準(zhǔn)。2材料與方法 2.1菌種和試驗水樣實驗用細(xì)菌取自某企業(yè)污水處理廠的二沉池回流污泥。經(jīng)過硝化培養(yǎng)基、反硝化培養(yǎng)基和實際焦化廢水的馴化、富集得到。在固定化前分別取富集的硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌在高速離心分離機上以3000r/min離心10分鐘后，放置到4℃的冰箱中保存待用。試驗用的實際廢水取自該廠脫氰脫酚后的廢水。其中COD在550mg/L，氨氮濃度為280mg/L。實驗中在焦化廢水中加入NaHCO3、Na2CO3、K2HPO4調(diào)節(jié)pH值及磷酸鹽濃度。當(dāng)研究C/N對脫氮影響時，通過加入不同葡萄糖的量改變COD的值；研究pH值對脫氮影響時，通過加入不同NaHCO3、Na2CO3的量改變pH值。2.2混合固定化微生物的制備采用PVA鋁鹽法[8]作為固定化方法。3焦化廢水單級生物脫氮試驗3.1C/N對單級脫氮速率的影響實驗中，焦化廢水中氨氮為280mg/L，焦化廢水原水中的CODcr為550mg/L，因此原水中的C/N比約為2。通過加入不同量的葡萄糖以改變進(jìn)水廢水中的C/N值，以考察有機物質(zhì)的量對混合固定化細(xì)菌脫氮過程的影響。圖3.1表示，反應(yīng)8h后，出水中NH3-N、NO2-、NO3-、TN隨C/N變化曲線。從圖中可以看出，隨著C/N的增大，NH3-N、NO2-、NO3-、TN都逐漸下降。說明有機物質(zhì)對脫氮過程非常重要。當(dāng)C/N≥9時，經(jīng)過8h的反應(yīng)，廢水中的各種氮的濃度都已經(jīng)比較低。說明混合固定化具有同時硝化反硝化作用，能夠?qū)U水中氮的去除。在圖3.2中，硝化速率和脫氮速率都隨著C/N的增大而增大。在反應(yīng)中，碳源主要通過反硝化作用對脫氮過程產(chǎn)生影響，因而圖中脫氮速率的增長幅度明顯大于硝化，圖3.3中的去除率曲線也是一樣。氨氮去除率變化不大，而總氮的脫氮速率和去除率隨著C/N的變化升高很快。因此，碳源對總氮的影響比較大。由此可以得出，通過混合固定化可以徹底脫氮。由于混合固定化硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)同時進(jìn)行，因此有機碳源主要通過影響反硝化過程從而直接決定混合固定體系的脫氮速率。當(dāng)C/N為9左右時，脫氮速率最高。此時，焦化廢水經(jīng)過8h的反應(yīng)，NH4+-N和總氮的去除率都超過95%，出水達(dá)到了排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。3.2pH值對單級生物脫氮速率的影響pH值是影響生物脫氮的一個重要因素。硝化過程的最適宜pH值為8.0～8.4，而反硝化過程的最適宜pH

值為7.0～7.5[9]。在硝化菌和反硝化菌混合固定的單級生物脫氮系統(tǒng)中，硝化過程和反硝化過程是同時進(jìn)行、相互影響、相互制約的。因此，對于硝化菌和反硝化菌混合固定的單級脫氮過程，需要探索出一個最適宜pH值。試驗中通過改變Na2CO3、NaHCO3的量調(diào)節(jié)pH值，研究了pH值對單級生物脫氮的影響。從圖3.4中可知，硝化速率和脫氮速率兩條曲線的趨勢比較相近，脫氮與硝化反應(yīng)的最適宜的pH值在8.3左右。實驗結(jié)果表明，混合固定化細(xì)菌的單級生物脫氮過程與普通生物脫氮過程一樣，脫氮速率是受硝化速率控制的，說明硝化過程是生物脫氮過程的控制步驟。所以在試驗和實際應(yīng)用中應(yīng)該優(yōu)先考慮各個因素對硝化作用的影響，從而提高整個系統(tǒng)的脫氮速率。3.3溶解氧對單級生物脫氮的影響實驗中通過改變?nèi)芙庋醯闹?，考察了溶解氧濃度對單級生物脫氮的影響。在圖3.5中，最適宜的DO為4mg/L～5mg/L間。當(dāng)DO為1mg/L～2mg/L時，反應(yīng)器中用于硝化的溶解氧低，而且由于氣量小，混合固定化細(xì)菌不能在反應(yīng)器中充分流化，傳質(zhì)性能也比較差，所以雖然反硝化效果好，但硝化速率較低，所以脫氮速率也比較低。隨著氣量的增大，溶解氧的逐步上升，硝化速率和反硝化速率也逐漸升高。但是當(dāng)DO＞5mg/L時，硝化速率和脫氮速率都反而下降?？赡苁怯捎贒O的上升，氧在固定化顆粒中傳遞的推動力增大，勢必使顆粒內(nèi)部DO也增大，從而縮小了顆粒內(nèi)部缺氧區(qū)的范圍，使反硝化受到抑制，從而使脫氮速率降低。當(dāng)DO＞5mg/L時，在實驗中也發(fā)現(xiàn)了NO2-和NO3-的積累，降低了脫氮速率，這對于硝化作用也是不利的。因此，可以看出，在硝化菌和反硝化菌混合固定的體系中，硝化過程和反硝化過程是完成生物單級脫氮的兩個互相影響的重要過程。在實驗體系中，應(yīng)控制適宜的DO值，使硝化過程和反硝化過程能夠很好的匹配達(dá)到平衡，在短時間內(nèi)達(dá)到良好的脫氮效果。3.4溫度對單級生物脫氮速率的影響在不同溫度下測定游離細(xì)菌和混合固定化細(xì)菌的硝化速率。選取溫度為15℃、19℃、25℃、31℃、35℃、38℃。溫度的影響如下圖3.6所示：圖3.6表示了溫度和脫氮速率之間的關(guān)系。由圖可知，混合固定化細(xì)菌由于自身結(jié)構(gòu)和具有兩種細(xì)菌的緣故，在反應(yīng)器中脫氮速率明顯高于游離硝化細(xì)菌，具有SND效應(yīng)?；旌瞎潭ɑ?xì)菌的最佳脫氮溫度是35℃。在游離硝化細(xì)菌的反應(yīng)器中最適宜溫度為30℃，而15℃脫氮速率最低，僅為30℃時的43.9%。而混合固定化細(xì)菌系統(tǒng)中，最低的15℃時脫氮速率是最佳35℃時的75.3%?？梢姕囟葘旌瞎潭ɑ?xì)菌脫氮過程的影響比對游離細(xì)菌脫氮過程的影響少，即固定化能夠降低微生物細(xì)胞對溫度的敏感性，并且增強對高溫的抵抗力。通常焦化廢水的出水溫度是35℃～40℃。因此，用固定化微生物處理焦化廢水時，可以不用對廢水進(jìn)行冷卻而直接處理。另外，一般微生物在溫度較低時，活性和適宜溫度時相比，會下降很多。而混合固定化細(xì)菌在低溫時也具有較高的脫氮速率，細(xì)胞經(jīng)固定化減少了低溫對微生物的影響，這樣就能在冬天用于低溫環(huán)境中的脫氮處理。3.5停留時間根據(jù)對單級生物脫氮系統(tǒng)影響因素的研究，確定了反應(yīng)的最適宜條件：C/N=9；DO=4mg/L～5mg/L；pH值=8.3；溫度為35℃左右，在此條件下對焦化廢水進(jìn)行脫氮處理，定時測定反應(yīng)過程中的NH3-N，NO2--N和NO3--N。由圖3.7可以看出，用硝化菌和反硝化菌混合固定化細(xì)菌來處理含有高濃度氨氮的焦化廢水，在碳源充足、一定的溶解氧，適宜的溫度和pH值條件下，經(jīng)過8h的反應(yīng)時間，出水中氨氮、亞硝酸氮、硝酸氮的含量均較低。同時還可以發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)過程中，硝化反應(yīng)的產(chǎn)物——亞硝酸氮和硝酸氮并沒有發(fā)生累積，其濃度始終保持較低的水平。這說明混合固定化細(xì)菌的同時硝化反硝化作用比較好，在固定化微生物的內(nèi)部缺氧空間為其中的反硝化細(xì)菌提供了良好的反硝化環(huán)境；同時還說明硝化反應(yīng)是脫氮反應(yīng)的控制步驟，生物單級脫氮所需反應(yīng)時間由硝化反應(yīng)時間決定。在本實驗中，混合固定顆粒在固定化生物反應(yīng)器中反應(yīng)停留8h后，出水氨氮濃度降到2.16mg/L，達(dá)到了國標(biāo)中對焦化廢水行業(yè)氨氮出水濃度小于15mg/L的要求，而且出水中的硝酸氮和亞硝酸氮維持在很低的水平，因此確定混合固定化單級生物脫氮系統(tǒng)的反應(yīng)停留時間為8h。3.6單級生物脫氮的穩(wěn)定性雖然在實驗中，混合固定化細(xì)菌組成的單級生物脫氮系統(tǒng)能夠?qū)够瘡U水之中的氨氮的到有效的去除，但是作為一種好的處理方法，還必須具有較高的穩(wěn)定性，能夠長期穩(wěn)定的處理廢水。因此在最適宜條件下對焦化廢水進(jìn)行序批式試驗，研究其脫氮的穩(wěn)定程度。圖3.8中，對焦化廢水在固定化反應(yīng)器中經(jīng)過10天的連續(xù)序批式試驗，結(jié)果氨氮的去除率超過97%，氨氮降到15mg/L以下，達(dá)到焦化行業(yè)廢水的一級排放標(biāo)準(zhǔn)；而且總氮的去除率也達(dá)到了90%以上。處理效果良好，反應(yīng)穩(wěn)定。4結(jié)論對單級生物脫氮影響因素的研究表明，單級脫氮反應(yīng)的最適宜條件：C/N=9；DO=4mg/L～5mg/L；pH值=8.3；溫度為35℃左右；反應(yīng)停留時間8h。在此條件下進(jìn)行序批式操作，固定化微生物脫氮穩(wěn)定性好，氨氮的去除率大于95%，總氮的去除率大于90%，脫氮效果理想。處理后，焦化廢水中的氨氮小于15mg/L，達(dá)到國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)。 參考文獻(xiàn)：1.彭黨聰，袁林江，任勇翔等.焦化廢水生物脫氮除碳技術(shù)研究.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報，1998，30(4)：349～3522.MunchEVetal.Simultaneousnitrification-denitrificationinbench-scalesequencingbatchreactors.WaterRes，1996，30(2)：227～2863.HongW.Zhao，DonaldsMavinicetal.controllingfactorsforSimultaneousnitrificationanddenitrificationinatwo-stageintermittentaerationprocesstreatingdomesticsewage.WaterResearch，1999，33(4)：961～9704．RobertsonL.A.，VanNeilE.W.J.，TorremansR.A.M.etal.SimultaneousnitrificationanddenitrificationinaerobicCh