HRT对UASB厌氧反硝化脱氮的影响

吴姣姣; 黎远梅; 谭东梅; 彭宏; 肖鸿

doi:10.12030/j.cjee.201711092

HRT对UASB厌氧反硝化脱氮的影响

1.
四川农业大学环境学院,成都 611130
基金项目:
四川省教育厅科研项目（16ZB0051）

Effects of HRT on anaerobic denitrification in UASB

1.
College of Environment,Sichuan Agriculture University, Chengdu 611130, China
Fund Project:

摘要: 在反硝化脱氮的影响因素方面，研究多集中在碳源种类和碳氮比（C/N）2 个方面，而对水力停留时间（HRT）的影响很少有报道。采用UASB 作为厌氧反硝化反应器，进水NO3--N 为50 mg·L-1，C/N 比固定为1.5，分别以葡萄糖和乙酸钠作碳源，研究HRT 对反硝化效果的影响。结果表明：当外加碳源为葡萄糖时,最佳HRT为6 h,此时NO3--N和TN的去除效果最好,去除率分别为79.5%和63.8%,出水NO2--N和NH4+-N浓度分别为4.69 mg·L-1和2.22 mg·L-1;当外加碳源为乙酸钠时,最佳HRT为4 h,对应的NO3--N和TN去除率分别为99.0%和91.4%,出水NO2--N和NH4+-N浓度分别为3.08 mg·L-1和0.47 mg·L-1。HRT对反硝化效果有显著影响,且跟碳源种类有关。HRT会影响反硝化菌、反硝化异化还原成铵（DNRA）细菌和其他异养菌之间的平衡。
- HRT /
- 厌氧反硝化脱氮 /
- UASB /
- 葡萄糖 /
- 乙酸钠
Abstract: As regards influencing factors of nitrogen removal by denitrification, attentions have been focused on two aspects: carbon source type and carbon/nitrogen ratio（C/N）. However, few reports referred to hydraulic retention time (HRT). In present work, effects of HRTs on anaerobic denitrification in UASB reactor were investigated. Nitrate concentration in influent was 50 mg·L-1 and the C/N ratio was 1.5. Glucose and sodium acetate were used as the sole carbon source, respectively. The experimental results showed that when the carbon source was glucose, the optimal HRT was 6 h, corresponding removal rates of NO3--N and TN were 79.5% and 63.8%, respectively. NO3--N and NH4+-N concentrations in effluent were 4.69 mg-1 and 2.22 mg·L-1, respectively. When the carbon source was sodium acetate, the optimal HRT was 4 h, corresponding removal rates of NO3--N and TN were 99.0% and 91.4%, respectively. NO2--N and NH4+-N concentrations in effluent were 3.08 mg·L-1 and 0.47 mg·L-1, respectively. The present study concluded that HRT, combined with carbon source types, had a significant effect on denitrification and HRT affected the balance among denitrifying bacteria, bacteria responsible for dissimilatory reduction of nitrate to ammonium (DNRA) and other heterotrophic bacteria.
- HRT /
- nitrogen removal by anaerobic denitrification /
- UASB /
- glucose /
- sodium acetate

缺氧/好氧（AO）工艺是最常用于高浓度含氮有机废水处理工艺之一,AO工艺反硝化前置,脱氮效率较高,但出水中仍含有一定浓度的硝酸盐,需要进一步处理,此时,经AO工艺处理后的出水中有机物浓度较原进水浓度已大大降低,呈现出低C/N比的特点。在实际工程应用中,往往不得不外加碳源来深度脱氮。

在外加碳源时,碳源种类、C/N比是影响反硝化效果的2个重要因素。在碳源种类上,之前甲醇被认为是理想的碳源,但由于其属于危化品,应用受到了限制^[1]。乙酸钠和葡萄糖作为无毒、价格低廉的外加碳源,应用越来越广泛。在C/N比方面,确定一个适当的C/N比非常重要,因为过量添加碳源不仅增加成本,还可能给反硝化脱氮带来负面影响,此外,过量的碳源还会造成出水有机物含量超标^[2]。AKUNNA等^[3]以葡萄糖作为唯一碳源,采用连续流厌氧反应器,水力停留时间（HRT）保持为10 d,实验发现:在C/N＞19.9时,硝酸盐异化还原成铵（DNRA）是硝酸盐还原的主要途径,此外,还同时产甲烷;在3.3≤C/N≤19.99时,反硝化和DNRA会同时发生;当C/N＜3.3时,只有反硝化发生。RUIZ等^[4]以乙酸钠为碳源,HRT保持为6.4 h,采用上流式污泥床反应器（USB）,发现低C/N会提高反硝化活性,而高C/N会提高产甲烷活性。当C/N为0.375时,会出现严重的亚硝酸积累,硝酸盐去除很少;C/N＞1.875时,硝酸盐可被全部去除;C/N≤3.75时,有机碳源主要被反硝化菌利用;当C/N达到37.5时,有机碳源97%以上用于产甲烷。CHIU等^[5]以乙酸钠为碳源,采用半连续流反应器,保持HRT＜50 h,运用改进的BERNET模型法对实验结果进行分析,得出:初始硝酸盐浓度越低,相应的最优C/N比越大,25、50、100和200 mg·L⁻¹的初始硝酸盐浓度对应的最优C/N比分别为2.1、1.7、1.5和0.9。前期研究^[6]表明,以乙酸钠作碳源,即使C/N低至1.5,仍可以取得较好的厌氧反硝化效果。

总的来说,当废水生物处理反应器中同时存在硝酸盐和有机物时,除同化作用外,反硝化、产甲烷和DNRA这3个反应都可能发生^[4]。反硝化脱氮效果跟C/N比、碳源种类、HRT都有关系。然而,已有研究主要关注的是碳源种类和C/N比,而重点关注HRT对反硝化影响的研究还鲜有报道。

本研究采用UASB作为厌氧反硝化反应器,选定C/N比为1.5,主要研究HRT对以葡萄糖和乙酸钠作外加碳源时反硝化效果的影响,以期为HRT的优化选择提供依据。

1 材料与方法

1.1 装置与运行方式

实验采用有机玻璃材质的上流式厌氧污泥床反应器(UASB),反应器的有效容积为1 L,高280 mm,内径70 mm,如图1所示。装置在（35±1）℃恒温水浴下运行,反应器底部进水,上部出水,采用蠕动泵调节进水流量。分别设置R1（外加碳源为葡萄糖）和R2（外加碳源为乙酸钠）2组反应器。

在进水NO₃⁻-N（以N计）浓度为50 mg·L⁻¹、C/N比为3、HRT为8 h、温度为（35±1）℃的条件下以连续运行模式启动,运行6 d后,NO₃⁻-N去除率基本达到100%,再逐次降低C/N比（3→2→1.5）,每个C/N比下连续运行6 d。之后,保持进水NO₃⁻-N浓度不变、C/N比为1.5不变,逐步改变HRT（8 h→6 h→4 h→2 h）,每个HRT下连续运行15 d,在后6 d（即第9～15天）取样分析。

图1 实验装置示意图
Fig. 1 Schematic diagram of experimental set-up

1.2 污泥特性及模拟处理水质

实验接种污泥取自成都市某污水处理厂污泥贮存池,该污泥MLSS浓度为9 860 mg·L⁻¹,污泥含固率为1.9%,MLVSS/MLSS为0.67,呈暗黑色。为R1和R2接种污泥,驯化开始前初始污泥MLSS浓度为3 000 mg·L⁻¹,经过18 d的驯化后,R1和R2中驯化污泥MLSS浓度分别为3 674和3 250 mg·L⁻¹,含水率均为99.0%,MLVSS/MLSS均为0.70,呈深黑色。

进水采用人工模拟废水,主要成分是葡萄糖或乙酸钠、硝酸钠和磷酸二氢钠,分别做碳源、氮源和磷源。每1 L自来水中溶入187.5 mg葡萄糖或256.25 mg无水乙酸钠、303.6 mg硝酸钠、3.5 mg磷酸二氢钾,另外,加入1 mL微量元素（每1 L微量元素溶液含30 mg MnCl₂·4H₂O、10 mg CuCl₂·H₂O、70 mg ZnSO₄·7H₂O、300 mg H₃BO₃、600 mg CoCl₂·6H₂O、20 mg NiCl₂·6H₂O、1 000 mg EDTA）。

1.3 分析方法

NO₃⁻-N、NO₂⁻-N、NH₄⁺-N、MLSS、MLVSS按标准方法^[7]测定,TOC和TN采用岛津TOC-V分析仪测定。各项指标测定时均重复3次。

1.4 硝酸盐转化为亚硝酸盐的转化率

硝酸盐转化成亚硝酸盐的转化率^[8]可根据式（1）计算:

R = (C(NO₂⁻-N_e) - C(NO₂⁻-N_i))/(C(NO₃⁻-N_i) –C(NO₃⁻-N_e))×100%

（1）

式中:R为硝酸盐转化成亚硝酸盐的转化率,%; C（NO₂⁻-N_i）为进水亚硝态氮的浓度,mg·L⁻¹;C(NO₃⁻-N_i)为进水硝态氮的浓度,mg·L⁻¹;C（NO₂⁻-N_e）为出水亚硝态氮的浓度,mg·L⁻¹;C（NO₃⁻-N_e）为出水硝态氮的浓度,mg·L⁻¹。

1.5 反硝化速率

反硝化速率（K_de）^[9]可根据式（2）计算:

K_de = ΔNO₃⁻-N/（VX_V）

（2）

式中:ΔNO₃⁻-N 为反硝化去除的硝态氮的量,mg;V为反应器容积,L;X_V为反应器内的MLVSS浓度,mg·L⁻¹。

2 结果与分析

2.1 HRT对NO₃⁻-N去除的影响

在反应器连续运行模式下,考察不同HRT（8、6、4和2 h）对NO₃⁻-N去除的影响,实验结果如图2所示。

图2 不同HRT下出水NO₃⁻-N浓度
Fig. 2 Nitrate concentration in effluent at different HRT

如图2所示,对R1,外加碳源为葡萄糖,C/N比为1.5时,当HRT从8 h→6 h→4 h→2 h,R1出水NO₃⁻-N浓度从17.99 mg·L⁻¹→10.26 mg·L⁻¹→13.26 mg·L⁻¹→16.60 mg·L⁻¹,相应NO₃⁻-N去除率从64.0%→79.5%→73.5%→66.8%。在R1中,有机碳源不仅被反硝化菌所利用,也会被发酵细菌等其他异养菌所利用。当HRT从8 h降至6 h时,NO₃⁻-N去除率升高,说明有更多的碳源被反硝化菌所利用。然而,当HRT从6 h进一步下降时,R1出水NO₃⁻-N浓度出现一定的回升,相应NO₃⁻-N去除率也有所下降。这表明过短的HRT会给反硝化菌带来负面影响。就本实验而言,当采用葡萄糖作为外加碳源时,HRT过短,部分葡萄糖还处于酸化发酵阶段就被水流带出,进而不能为反硝化提供足够的电子。

对R2,外加碳源为乙酸钠,C/N比为1.5时,当HRT从8 h→6 h→4 h→2 h,R2出水NO₃⁻-N浓度从0.96 mg·L⁻¹→0.92 mg·L⁻¹→0.51 mg·L⁻¹→1.27 mg·L⁻¹,相应NO₃⁻-N去除率从98.1%→98.2%→99.0%→97.5%。总体来看,即使HRT从8 h降至2 h,NO₃⁻-N去除率仍维持在很高的水平,出水NO₃⁻-N浓度很低。这说明即使HRT缩短至2 h,反硝化仍能顺利地进行。殷芳芳等^[10]指出,以乙酸钠为碳源时,2 h就能完成反硝化反应。曹相生等^[11]以乙酸钠为碳源采用序批式反应器研究污水的反硝化规律时发现,当C/N比为1时,NO₃⁻-N在155 min内反应完全;当C/N比为1.8时,NO₃⁻-N在90 min内即反应完全。这与本实验中R2对NO₃⁻-N的去除效果基本相符。

对比R1和R2来看,就NO₃⁻-N的去除效果而言,以乙酸钠为碳源明显优于葡萄糖。一个合理的解释是乙酸钠属于简单碳源,易于被反硝化菌直接利用,而葡萄糖相对复杂,需先经过酸化发酵,才能被反硝化菌有效利用。GUO等^[8]发现,以剩余活性污泥的酸化液作为碳源进行反硝化,去除的COD主要被反硝化菌所利用,而碳源换成剩余活性污泥的水解液,则去除的COD不仅被反硝化菌所利用,也会被其他异养菌所利用。其原因在于,剩余活性污泥的酸化液含有更多的乙酸等挥发性脂肪酸（VFAs）成分,更有利于被反硝化菌所利用。此外,就乙酸钠作为碳源而言,NO₃⁻-N通过异养反硝化完全还原为N₂所需的C/N比为1.5^[12],计算依据见式（3）:

0.125CH₃COO⁻ + 0.143 8NO₃⁻ + 0.143 8H⁺→0.012 2C₅H₇O₂N + 0.065 8N₂ +
0.125HCO₃⁻+ 0.063 9CO₂ +0.154 2H₂O

（3）

若以葡萄糖作为碳源,所需的C/N比则增大至1.56^[13],计算依据见式（4）:

C₆H₁₂O₆ + 2.8NO₃⁻ + 0.5NH₄⁺ + 2.3H⁺ → 0.5C₅H₇O₂N + 3.5CO₂ +6.4H₂O + 1.4N₂

（4）

换言之,在相同的C/N比条件下,葡萄糖还原的硝酸盐更少。MATEJU等^[14]研究表明,用乙酸进行反硝化时的污泥产率系数为0.07,而用葡萄糖进行反硝化时的污泥产率系数为0.18,说明葡萄糖作碳源时,有更多的COD用于了合成代谢,异养反硝化消耗的COD比例相对有所降低。

2.2 HRT对NO₂⁻-N累积、NH₄⁺-N生成的影响

在反应器连续运行模式下,考察不同HRT对NO₂⁻-N累积和NH₄⁺-N生成的影响,结果如图3所示。

图3 不同HRT下出水NO₂⁻-N浓度
Fig. 3 Nitrite concentration in effluent at different HRT

如图3所示,对R1,在C/N比为1.5时,当HRT时间从8 h→6 h→4 h→2 h,R1出水NO₂⁻-N浓度不断升高,从0.31 mg·L⁻¹→4.69 mg·L⁻¹→6.24 mg·L⁻¹→8.79 mg·L⁻¹,相应地,硝酸盐转化为亚硝酸盐的转化率不断升高,NTR值从1.0%→11.8%→17.0%→26.3%。这一结果可从反硝化过程来解释,根据简化的生物反硝化过程^[15]:

${NO}_{3}^{-} - N \overset{硝酸盐还原酶}{\to} {NO}_{2}^{-} - N \overset{亚硝酸盐还原酶}{\to} N_{2}$

（5）

亚硝酸盐还原酶和硝酸盐还原酶要竞争基质电子,且前者的活性低于后者。从反应能耗角度看,NO₃⁻-N还原成NO₂⁻-N的反应能耗E_a为3.68~4.88 kJ,而NO₂⁻-N还原成N₂的反应能耗E_j为13.86~20.08 kJ,后者明显大于前者,因此,NO₃⁻-N转换为NO₂⁻-N比NO₂⁻-N转换为N₂更容易。在低C/N下,碳源提供的能量和电子不足,NO₂⁻-N容易积累。此外,本实验中R1外加碳源为葡萄糖,HRT缩短,对葡萄糖的酸化不利,使得易被反硝化利用的碳源更紧缺,尤其对反硝化后阶段的亚硝酸盐还原不利,因此,NTR值随之增大。譬如,HRT为8 h时,R1的NTR值为1.0%,当HRT降至2 h时,NTR值显著升高至26.3%。

对R2,当HRT从8 h→6 h→4 h→2 h,R2出水NO₂⁻-N浓度从10.47 mg·L⁻¹→6.95 mg·L⁻¹→3.08 mg·L⁻¹→6.20 mg·L⁻¹,从结果看,HRT从8 h降至4 h时,出水NO₂⁻-N浓度明显降低,这说明有更多的碳源被反硝化菌所利用。值得注意的是,当HRT进一步降至2 h时,出水NO₂⁻-N浓度出现了回升,推测原因是,由于HRT过短,积累的NO₂⁻-N未及时被彻底反硝化就被水流带出。有研究表明,在序批式反应器进行反硝化实验,NO₂⁻-N浓度有先升高后降低的趋势,NO₂⁻-N需要一定时间累积达到峰值而后再降低,这一结果表明HRT对NO₂⁻-N的积累有重要的影响。

不同HRT对NH₄⁺-N生成的影响结果如图4所示。

图4 不同HRT下出水NH₄⁺ -N浓度
Fig. 4 NH₄⁺ -N concentration in effluent at different HRT

从图4可以看出,R1和R2中均有NH₄⁺-N生成,但本实验中并未在进水中加入NH₄⁺-N,这说明反应器中发生了DNRA的反应。AKUNNA等^[3]研究发现,以葡萄糖作为碳源时,有利于NO₃⁻-N还原为NH₄⁺-N,而以VFA作为碳源时,则有利于NO₃⁻-N反硝化转换为N₂。这与本实验中R1出水NH₄⁺-N浓度普遍高于R2的结果相符合。一般认为,反硝化过程是DNRA过程的主要竞争者,DNRA现象常在较高的C/N比下出现。但共培养实验显示,无论哪类细菌数量占优,都共同利用环境中的氮源和碳源,不抑制对方生长^[16]。这也解释了为什么本实验中C/N比较低,但仍然有DNRA发生的现象。当HRT从8 h→6 h→4 h→2 h,R1出水NH₄⁺-N浓度从1.14 mg·L⁻¹→2.22 mg·L⁻¹→1.38 mg·L⁻¹→1.60 mg·L⁻¹;R2出水NH₄⁺-N浓度从0.32 mg·L⁻¹→0.95 mg·L⁻¹→0.47 mg·L⁻¹→0.86 mg·L⁻¹。R1和R2的NH₄⁺-N生成量表现出相同的趋势（先升高再降低而后再升高）。以R1为例,当HRT为8 h时,出水NH₄⁺-N浓度为1.14 mg·L⁻¹,而当HRT缩短至6 h,出水NH₄⁺-N浓度升高至2.22 mg·L⁻¹。这说明HRT从8 h缩短为6 h,DNRA细菌跟反硝化菌之间的平衡发生了更有利于前者的变化。然而当HRT缩短至4 h,出水NH₄⁺-N浓度随之下降至1.38 mg·L⁻¹。推测原因,当HRT为4 h,DNRA产生的氨氮可能更多地成为了其他微生物（特别是反硝化菌）的氮源参与了合成代谢,至于是否发生了厌氧氨氧化过程导致NH₄⁺-N浓度降低,需要进一步深入研究。值得注意的是,当HRT进一步降至2 h时,出水NH₄⁺-N浓度出现了一定程度的回升,这可能是因为HRT过短,生成的NH₄⁺-N来不及被合成代谢过程消耗就进入到出水中。

2.3 HRT对TOC、TN去除效果的影响

不同HRT条件下,R1、R2中出水TOC和TN浓度如图5、图6所示。

图5 不同HRT下TOC去除情况
Fig. 5 TOC removal at different HRT

从图5可见,当HRT从8 h→6 h→4 h→2 h,R1出水TOC浓度从27.77 mg·L⁻¹→ 14.81 mg·L⁻¹→ 11.77 mg·L⁻¹→15.93 mg·L⁻¹,TOC去除率从63.0%→80.2%→84.3%→78.8%;R2出水TOC浓度从20.32 mg·L⁻¹→11.87 mg·L⁻¹→3.96 mg·L⁻¹→8.99 mg·L⁻¹,TOC去除率从72.9%→84.2%→94.7%→88.0%。总的来看,R1和R2出水TOC随HRT变化趋势是一致的。值得注意的是,当HRT从8 h缩短至4 h时,R1和R2的TOC去除率不降反升。分析原因,废水中TOC主要可能通过有机碳源参与反硝化生成二氧化碳、同化作用合成新的细胞体以及甲烷化3种途径去除,本实验中未观测到有甲烷气体产生,因此,在R1和R2中,前2种应是TOC去除的主要途径。本实验中废水C/N仅为1.5,属低C/N比废水,有机碳源主要用于反硝化,这与RUIZ等^[4]的研究结论一致。就R1而言,当HRT较长时（如8 h和6 h）,发酵细菌会跟反硝化菌争夺碳源,但发酵过程主要生成一些酸类、醇类等中间产物,并未直接将有机物全部转化成CO₂和甲烷,相应的TOC去除并不多。对R2,相对较长的HRT可能有利于其他异养菌（发酵细菌以外）同反硝化菌竞争有限的碳源,而反硝化又在去除TOC上有相对较大的贡献。此外,HRT缩短（从8 h→4 h）,UASB反应器内的上升流速增加,强化了反应器内的泥水混合,提高了传质效率,这也是R1和R2中TOC去除率不降反升的重要原因。当HRT从4 h进一步缩短至2 h时,R1和R2的TOC去除率均下降,这是因为,在过短的HRT下,一方面,反硝化消耗的碳源会减少;另一方面,溶解性微生物产物的洗出效应增强,导致出水TOC升高^[17]。

图6 不同HRT下TN去除情况
Fig. 6 TN removal at different HRT

从图6可见,当HRT从8 h→6 h→4 h→2 h,R1出水TN浓度从23.70 mg·L⁻¹→18.11 mg·L⁻¹→24.01 mg·L⁻¹→27.44 mg·L⁻¹,相应地,TN去除率从52.6%→65.8%→52.0%→45.1%;R2出水TN浓度从14.69 mg·L⁻¹→9.35 mg·L⁻¹→4.28 mg·L⁻¹→9.54 mg·L⁻¹,相应地,TN去除率从70.6%→81.3%→91.4%→80.9%。总的来看,R1和R2出水TN浓度随HRT变化趋势是一致的。就R1而言,当HRT为6 h时,TN去除效果最佳。当HRT较长（如8 h）时,在葡萄糖发酵过程中,反硝化菌以外的异养菌会消耗部分碳源,对TN去除不利。而当HRT较短（<6 h）,葡萄糖未能完全转化成易被反硝化菌利用的乙醇,对TN去除也不利。对R2,HRT为4 h时最佳,分析原因,R2以乙酸钠为碳源,易于被反硝化菌所利用,HRT为4 h可以兼顾硝酸盐还原和亚硝酸盐还原过程。苑泉等^[18]亦得出了相似的结论。

从图5、图6来看,R2出水TN和TOC浓度均低于R1。事实上,硝态氮还原成亚硝态氮、DNRA都只不过是不同氮素形态之间的转化,不会导致TN减少,去除TN只能通过异化反硝化生成气态物质（主要为N₂）以及同化作用来实现,其中,异化反硝化占主导。本实验中,R1的反硝化速率为1.23×10⁻³～5.14×10⁻³ h⁻¹,而R2的反硝化速率为2.70×10⁻³～1.07×10⁻² h⁻¹,同样的HRT条件下,R2的反硝化速率是R1的1.76～2.19倍。因此,就异化反硝化而言,乙酸钠是比葡萄糖更优质的碳源。

3 结论

1）在采用外加碳源进行UASB厌氧反硝化深度脱氮时,HRT对反硝化效果有显著影响,且跟碳源种类有关。

2）进水NO₃⁻-N浓度为50 mg⋅L⁻¹,C/N比固定为1.5,当外加碳源为葡萄糖时,最佳HRT为6 h,此时NO₃⁻-N和TN的去除效果最好,去除率分别为79.5%和63.8%;当外加碳源为乙酸钠时,最佳HRT为4 h,对应的NO₃⁻-N和TN去除率分别为99.0%和91.4%。

3）HRT会影响反硝化菌、DNRA菌和其他异养菌之间的平衡。

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本研究采用UASB作为厌氧反硝化反应器,选定C/N比为1.5,主要研究HRT对以葡萄糖和乙酸钠作外加碳源时反硝化效果的影响,以期为HRT的优化选择提供依据。