焦化废水中总氮深度去除研究

由于工农业的迅速发展及生活水平的提高导致大量氮氧化物在自然环境中的积累, 不仅破坏生态平衡, 造成水体富营养化, 而且具有致癌、致畸、致突变的“三致”作用.目前污水处理厂的脱氮技术普遍采用传统的硝化反硝化原理, 受制于脱氮处理技术、水质稳定性、处理能耗等, 实现废水氮素液零排放难度很大.我国主要污水处理厂出水NH⁴⁺-N基本都能满足限值5.0 mg·L-1的一级A排放标准, 而TN(总氮)普遍超过15.0 mg·L-1, 氮的主要形态为NO^3--N.若在水处理主体工艺的基础上投加碳源、提高回流比会造成物耗及能耗的增加, 破坏现有工艺的稳定性, 因此需追加深度处理单元.针对低C/N值的二级生物出水, 需外加碳源(如甲醇、乙酸、葡萄糖等)来完成异养反硝化作用, 其操作难度大、运营成本高, 还会有COD溢出或亚硝酸盐累积的风险.自养反硝化因其可利用无机化合物(如S、S^2-、Fe、Fe²⁺、H₂等)作为反硝化电子供体, 具有污泥产率低、二次污染少等优点, 目前得到越来越多的关注.

黄铁矿自养反硝化工艺因具有设备简单、无需外加碳源以及价格低廉等优点而被关注.有研究表明, 黄铁矿自养反硝化工艺存在启动时间长、硝酸盐还原速率低及表面易钝化等缺点, 限制了其在污水厂深度脱氮方面的开发应用.在可用于自养反硝化的化合物中, 二价和三价铁被广泛应用于污水处理工艺的不同阶段, 如污水一级处理中的前混凝剂(CEPA)以及生物进水前控制硫化物浓度的预处理和下水道系统.尽管二价铁盐的使用可以高效实现硫化物的控制, 但后续产生的化学污泥硫铁含量高, 难以处理, 根据化学计量方程式(1):

(1)

硫化亚铁(FeS)是主要产物, 其低价态硫和铁可以作为自养反硝化的电子供体, 根据化学计量方程(2)进行, 具有反应启动时间短、出水pH值稳定、副产物少等优点.含硫铁化学污泥作为电子供体自养反硝化硝酸根的深度脱氮方法, 实现以废治废, 在水处理工艺过程中原位利用废物, 提高出水水质, 绿色与清洁生产相结合的技术特征, 具有潜在的工程应用价值.

(2)

因此, 本研究以韶钢焦化废水处理厂预处理产生的黑色含硫铁化学污泥(硫铁泥)作为自养反硝化的电子供体, 对实验室尺度集成垂直上流式生物悬浮床反应器的进出水水质连续监测并进行间歇实验得出反应过程中NO^3--N、NO^2--N浓度的变化; 探究新工艺一段时间内运行的稳定性、NO^3--N还原动力学、NO^2--N还原及累积动力学; 基于硫铁泥及主要功能微生物反硝化脱氮的作用机制, 对污泥物理化学性质和微生物群落进行分析, 有助于理解该生物化学过程和优化反应器的运行条件.

1 材料与方法

1.1 废水和化学硫铁泥

广东韶钢焦化废水处理二期工程的废水处理流程为一级预处理、生物系统(A/O/H/O工艺)、后混凝, 该工程稳定运行多年, 保持着高效的污染物去除效率, 当进水COD和酚浓度分别为1.3×103~2.8×103 mg·L-1和143~535 mg·L-1, 生物系统对COD和酚的去除率达到95.0%和99.9%以上.实验室所用废水取自焦化废水处理厂二期工程的二级生物出水, 废水取回后4℃低温保存, 主要水质指标范围如表 1所示.

表 1 韶钢二期焦化废水处理工程生物出水主要水质指标范围

硫铁泥来源于韶钢焦化废水处理二期工程一级预处理工艺亚铁盐絮凝沉淀单元, 预处理前后废水的主要水质指标变化为: TOC值和S^2-浓度分别从1 355.7 mg·L-1和523.7 mg·L-1降至1 284.2 mg·L-1和7.2 mg·L-1.取预处理单元重力沉降30 min后的化学污泥1 L, 加无氧去离子水反复清洗至外排上清液COD值小于5.0 mg·L-1.密封保存清洗后的硫铁泥1 L, 取搅拌均匀的硫铁泥10 mL, 真空冷冻干燥称量质量0.37 g, 即保存1 L混合物中硫铁泥的浓度为37 g·L-1.从含硫铁化学污泥的EDS谱图(图 1)可以看出硫铁泥的粒径基本在50 μm以内, 颗粒间有团聚, 元素成分为: Fe 51.55%, S 18.93%, C 15.40%, O 11.77%, Na 1.67%, Ca 0.56%, Al 0.13%, 其中Fe和S的总含量占比为70.48%.

图 1 污泥的扫描电镜和M点的EDS谱图

1.2 实验装置与运行条件

采用一种类似于UASB(上流式厌氧污泥床反应器)集成垂直上流式生物悬浮床反应器, 装置如图 2所示.反应器为有机玻璃材质的柱型反应器, 内径为5 cm, 高50 cm, 有效工作体积1 000 mL, 在反应器10 cm和45 cm高度处设置取样口, 出水方式为上端溢流出水, 排气口设置在反应器顶端, 采用水封的方式.反应器系统包括温控系统、进水系统、反应系统、气动搅拌系统和出水系统.整个系统控制在缺氧状态.

图 2 集成垂直上流式生物悬浮床反应器

反应器接种污泥为已经在实验室稳定运行6个月的UASB中的污泥, UASB反应器进水为模拟废水, 主要成分Na₂S₂O₃·₅H₂O 5.00 g·L-1、NaNO3 2.00 g·L-1, 氮负荷达到0.74 g·(L·d)-1, Thiobacillus(硫自养反硝化菌)在污泥中存在, 丰度为25.73%. 0.30 L接种污泥(MLSS=3.69 g·L-1)与0.40 L硫铁泥(37.0 g·L-1)充分混合后加入到反应器中, 从反应器底部曝纯氮气(50 mL·min-1)20 min去除反应器中氧气, 形成缺氧环境(DO < 0.10 mg·L-1).废水经蠕动泵从装置底部连续输送到反应器中, 通过调节蠕动泵的转速来考察水力停留时间(HRT)对总氮的去除、亚硝酸盐累积、硫酸盐及pH的变化、铁离子释放的影响.系统连续运行90 d, 反应温度为常温25℃, 每2 d进出水各取样一次.取反应器稳定运行3个月含硫铁泥和污泥的混合物做间歇实验, 用去离子水清洗5遍, 加实验废水至1 000 mL曝氮气搅拌, 每间隔一定时间采集水样.

1.3 分析方法

样品分析之前通过0.45 μm水系滤膜过滤. pH值采用便携式pH计(SX731, 三星, 中国)进行测定; 二价铁、三价铁及总铁采用邻菲啰啉紫外分光光度法(EVOLUTION300, Thermo Scientific, 美国)测定; 化学需氧量(COD)使用哈希COD快速分析仪(DR3900, HACH, 美国)测定; 总有机碳(TOC)采用TOC分析仪(TOC-Vcpn, Shimadzu, 日本)测定; 阴离子(NO^3-、NO^2-、SO₄^2-)采用离子色谱(ICS-900, Dionex, 美国)测定; TON为NO^3--N和NO^2--N的加和; UV254采用紫外分光光度计(EVOLUTION300, Thermo Scientific, 美国)测定; 采用扫描电子显微镜和其自带的X射线能谱仪(GENESIS XM, EDAX公司, 美国)对污泥进行形貌表征和元素分析.

1.4 微生物多样性分析

实验使用Ezup柱式土壤基因组DNA抽提试剂盒(上海生工)提取污泥样品DNA.称取200 mg污泥样品, 通过Buffer SCL裂解污泥样品, 释放出基因组DNA, 然后通过Buffer SP和氯仿去除蛋白质等杂质, Buffer SB去除样品中腐殖酸, 避免对后续实验的干扰.最后将所得DNA溶液置于-20℃保存, 用于后续实验.

将提取的DNA样品进行PCR扩增, 然后用1%琼脂糖凝胶电泳检测, 以确定污泥样品的DNA是否被提取出来. PCR的扩增区域为16S rRNA的V4-V5区, 细菌16S rRNA扩增引物采用通用引物(515F/907R).引物名称和引物序列分别是515F(5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3′)和907R(5′-CCGTCAATTCMTTTRAGTTT-3′).通过热循环扩增含有2x Premix Taq(Takara生物技术, Dalian Co.Ltd, 中国)(25 μL)、Primer-F(10 mmol)、Primer-R(10 mmol)、DNA模板(60 ng), 共50 μL的PCR反应体系. PCR扩增的条件为94℃预变性4 min, 94℃下变性30 s, 52℃退火30 s, 72℃延伸30 s, 72℃下延伸10 min, 最后温度降至4℃保存.将待检测样品DNA送至广州美格生物科技有限公司进行微生物群落组成和多样性检测.

2 结果与讨论

2.1 氮的去除与效率评价

2.1.1 反应器稳定运行期的脱氮性能

稳定的脱氮性能需要借助于反应器效果的检验, 为此建立了连续流的集成垂直上流式生物悬浮床反应器, 考察了硫铁泥作为电子供体脱氮的可行性及HRT对反应器脱氮性能的影响. 图 3为90 d连续运行期TON、NO^3--N、NO^2--N浓度变化.当进水TON浓度为(75.37±1.42) mg·L-1、, NO3--N占比达到98.96%的水质条件下, 采取调节HRT及改变进水氮负荷的运行方式, HRT为24 h即实现了95%的TON去除率, 出水中NO^3--N、NO^2--N的浓度分别下降到(2.27±1.09) mg·L-1、(1.55±1.25) mg·L-1, 反应器表现出了优异的脱氮性能, 暴露出硫铁泥作为深度脱氮电子供体的可行性, 以上作为运行的第一阶段.而第二阶段, HRT缩短为18 h, 氮负荷的增加曾导致出水NO^3--N、NO2--N浓度升高, 分别为(8.55±1.68) mg·L-1、(25.45±3.65) mg·L-1, NO2--N的累积率达34.05%, 其原因被认为是以无机固体电子供体的反应动力学限制.经过HRT的调整, 反应器进入第三阶段, 系统逐渐恢复正常, 反硝化效率恢复至反应器运行初期.第三阶段的TON氮负荷达到4.20 mg·(L·h)-1, 与苏晓磊等和Li等的研究结果相比较, 发现硫铁泥比磁黄铁矿(FeS2)和硫磺作为自养反硝化电子供体, 更能缩短系统的反应器启动时间和提高氮负荷条件下的NO^3--N还原速率.获得这种结果的原因被认为是硫铁泥具有更大的颗粒比表面积, 表面不易钝化并便于微生物挂膜, 在反应热力学方面表现出优势.

图 3 反应器稳定运行期的脱氮性能

2.1.2 化学硫铁泥的反硝化动力学

反应过程中NO3--N、NO2--N浓度的变化所反映的动力学为物料关系提供认识基础. 图 4为反应器稳定运行3个月含硫铁泥和污泥的混合物间歇实验其运行过程的NO^3--N、NO^2--N、SO42-浓度变化.从中可以看出: NO^3--N、NO^2--N初始浓度分别为75.31 mg·L-1、1.58 mg·L-1, 反应到第6 h, NO^3--N浓度降至4.29 mg·L-1, 去除率为94.15%, NO^2--N的浓度达到最大值48.02 mg·L-1, 累积率为61.67%;第6~18 h, NO^3--N浓度波动不大, NO^2--N浓度从48.02 mg·L-1下降到0.78 mg·L-1; 此外第12 h, NO^2--N的累积率约为22.44%, 与连续运行第二阶段(HRT=12 h)的NO2--N的累积率非常接近; 在第18 h, 出水TON浓度为1.52 mg·L-1, 去除率达到98.02%, 与连续运行的第三阶段(HRT=18 h)相吻合.