氨氮對(duì)厭氧顆粒污泥產(chǎn)甲烷活性的影響

1、C N 11-2223/N清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版J T si nghua U ni v (Sci&T ech, 2005年第45卷第9期2005, V ol .45, N o.935/351294-1296氨氮對(duì)厭氧顆粒污泥產(chǎn)甲烷活性的影響何仕均, 王建龍, 趙 璇(清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院,北京100084收稿日期:2004-09-02基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(59978020作者簡(jiǎn)介:何仕均(1970-,男(漢,四川,博士研究生。摘 要:利用取自A B R 反應(yīng)器中的厭氧顆粒污泥,通過間歇試驗(yàn),研究了不同濃度氨氮對(duì)厭氧污泥產(chǎn)甲烷活性的影響以及活性恢復(fù)情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2、表明:氨氮對(duì)厭氧顆粒污泥產(chǎn)甲烷活性的影響具有多重性,當(dāng)氨氮濃度分別為0.2g/L和0.4g/L時(shí),表現(xiàn)為促進(jìn)產(chǎn)甲烷作用,二者的產(chǎn)甲烷能力分別比參考體系提高5%和10%; 當(dāng)氨氮濃度為0.8g/L時(shí),開始表現(xiàn)為抑制產(chǎn)甲烷作用,抑制程度為7%; 并且隨著氨氮濃度提高到2g /L 、3g /L 、4g /L , 厭氧顆粒污泥的產(chǎn)甲烷活性分別下降20%、28%、45%。此外,研究表明,氨氮影響產(chǎn)甲烷活性的濃度范圍與具體的操作條件,如溫度、pH 值、堿度及污泥濃度等因素有關(guān)。關(guān)鍵詞:厭氧顆粒污泥;產(chǎn)甲烷活性;氨氮;抑制中圖分類號(hào):X 17文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000-0054(200509-1294

3、-03Effect of ammo nium co ncentration o nthe m ethano genic activ ity of anaerob ic g ranular slu dgeH E Shi jun , W A N G Jian lon g , ZH A O X uan (Institu te o f Nu clear and New Energ y Technolog y , Tsinghu a Univ ersity , B eijing 100084, C hina Abstract :T he effect of vari ous am m oni um co

4、ncentrati ons on the m ethanogeni c acti vi ty of anaerobi c granular sl udge and the recovery of the bi ologi cal acti vi ty w ere i nvesti gated usi ng batch experi m ents w i th the sludge obtai ned from an operati ng anaerobi c baf fled reactor (AB R . T he experi m ental resul ts i ndi cate tha

5、t am m oni um i ons(NH+4-N have both posi ti ve and negati ve effects on anaerobi csludge, dependi ng on the i ni ti al am m oni um concentrati on. T heam m oni um enh ances the bi ogas producti on by 5%at 0.2g/Land by10%at 0.4g/Lw i threspect to the control . H ow ever, them ethanogeni c acti vi ty

6、 w as i nhi bi ted by 7%at the am m oni umconcentrati on of 0.8g/L. A s the am m oni um concentrati on i ncreased to 2, 3and 4g/L, the m ethane producti on decreased by 20%, 28%and 45%, respecti vel y, com pared w i th the control . F urtherm ore, th e resul ts al so show th at the eff ect of am m o

7、ni um on m ethanogeni cacti vi ty of anaerobi c granul ar sl udge i s dependent on several factors, such as the al kali ni ty or bufferi ng capaci ty, tem perature, pH , and th e sludge l oadi ng rates. Key w ords :anaerobi cgranular sl udge; m ethanogeni c acti vi ty;N H+4-N ; i nhi bi ti on高濃度有機(jī)廢水

8、的厭氧生物處理已經(jīng)被證明為一種經(jīng)濟(jì)有效的廢水處理技術(shù),在全世界得到了廣泛的應(yīng)用,它的優(yōu)勢(shì)在于降解有機(jī)污染物的同時(shí)可以回收利用大量可再生的能源,因而特別適合包括中國在內(nèi)的廣大發(fā)展中國家。但是,通常廢水的來源各異,成分復(fù)雜,且含有多種對(duì)微生物有毒或有害作用的有機(jī)和無機(jī)成分1。高濃度氨氮廢水就是厭氧生物處理中經(jīng)常遇到的一個(gè)難題2, 3。例如對(duì)于一些畜禽廢物或食品加工廢水的處理,采用厭氧消化工藝不易奏效。究其原因主要是廢物中含有較多的如尿素、蛋白質(zhì)等氨氮成分,高濃度的氨氮會(huì)使厭氧微生物的活動(dòng)受到一定程度的抑制,嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致整個(gè)反應(yīng)器反應(yīng)的終止。本文通過產(chǎn)甲烷毒性的測(cè)定以及毒性恢復(fù)試驗(yàn),研究了在不同濃

9、度條件下,氨氮對(duì)厭氧微生物產(chǎn)甲烷活性的影響,從而期望為厭氧生物處理高濃度氨氮廢水提供必要的參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)。1 材料與方法1. 1 試驗(yàn)用水試驗(yàn)采用葡萄糖為基質(zhì),氮、磷分別由H 2N C O N H2和K 2H P O 4提供,且m (C O D :m (N :m (P=200:5:1。為保證反應(yīng)瓶有足夠的緩沖能力,配水中加入一定量的N aH C O 3進(jìn)行堿度的調(diào)節(jié)。此外,配水中還加入適量的微量元素,如C o 、B 、C u 、N i 、F e、Zn 、M g、M n 等,以保證微生物細(xì)胞合成的需要。1. 2 試驗(yàn)污泥產(chǎn)甲烷毒性試驗(yàn)所用的厭氧顆粒污泥取自啟動(dòng)成功的A naerobi c B af

10、fl ed R eact or 反應(yīng)器(CO D4g/L, H R T 1d。產(chǎn)甲烷毒性恢復(fù)試驗(yàn)所用污泥是指在毒性試驗(yàn)結(jié)束后,去除上清液,并用清水洗過之后的厭氧顆粒污泥。1. 3 試驗(yàn)裝置試驗(yàn)采用一系列容積為250m L 的燒鍋?zhàn)鳛橥耆旌鲜椒磻?yīng)器(CST R , 置于恒溫水浴槽中,其溫度通過W M Z K -01型溫度控制儀維持(36±1 。其中的一個(gè)作為試驗(yàn)的參考體系,其余分別在不同的氨氮濃度條件下進(jìn)行。產(chǎn)生的沼氣用25m L 的史氏發(fā)酵管(Sm i th f erm entat i on t ube 計(jì)量,史氏發(fā)酵管內(nèi)裝有2m ol /L 的N aO H 的N aC l 飽和溶

11、液,沼氣中的C O 2、H2S 等氣體可以認(rèn)為被堿液完全吸收,而C H 4被保留下來。1. 4 試驗(yàn)程序產(chǎn)甲烷毒性測(cè)量 將裝有125m L 培養(yǎng)液、1030m L 厭氧顆粒污泥以及一定濃度的N H 4C l 溶液的反應(yīng)瓶經(jīng)過搖勻后放入電熱恒溫水浴鍋,保持水溫在(36±1,進(jìn)行產(chǎn)甲烷毒性試驗(yàn)。反應(yīng)前12h, 每小時(shí)記錄1次累計(jì)甲烷產(chǎn)量,隨后每2h 記錄一次讀數(shù),保持污泥與基質(zhì)充分接觸,一直到試驗(yàn)終點(diǎn)(即各試樣甲烷累計(jì)產(chǎn)量增加很小和基本停止產(chǎn)氣結(jié)束。毒性恢復(fù)試驗(yàn) 在產(chǎn)甲烷毒性試驗(yàn)中,污泥充分暴露在有毒環(huán)境中。在試驗(yàn)的終點(diǎn),使反應(yīng)瓶中的污泥沉淀,去除上清液并清洗干凈厭氧污泥,然后在各個(gè)反應(yīng)

12、瓶中加入與毒性試驗(yàn)中對(duì)照樣完全相同(質(zhì)量濃度和體積的葡萄糖培養(yǎng)液,按照與毒性試驗(yàn)相同的方法記錄累計(jì)甲烷產(chǎn)量。1. 5 產(chǎn)甲烷活性及毒物抑制程度的表示方法以累計(jì)甲烷產(chǎn)氣量Q 作為判定化學(xué)物質(zhì)在給定濃度下對(duì)綜合生物活性A m 的影響指標(biāo),計(jì)算公式為4A m =Q t /Q c , (1式中:A m 表示厭氧活性污泥的綜合生物活性指標(biāo),Q t 、Q c 分別代表考察系統(tǒng)和對(duì)照系統(tǒng)的累計(jì)甲烷產(chǎn)氣量。相應(yīng)地,代表厭氧活性污泥受到抑制程度指標(biāo)可以表達(dá)為I =1-A m . (2 當(dāng)毒物解除后,在恢復(fù)階段污泥的生物活性為A m =Q t /Q c, (3式中:Q t 、Q c 分別代表恢復(fù)期間考察系統(tǒng)和對(duì)照

13、系統(tǒng)的累計(jì)甲烷產(chǎn)氣量。2 結(jié)果與分析2. 1 氨氮濃度對(duì)污泥產(chǎn)甲烷活性的影響圖1給出了在毒性試驗(yàn)階段不同N H +4-N 濃度條件下累計(jì)產(chǎn)甲烷曲線。從圖中可以看出,當(dāng)氨氮濃度C 分別為0.2g /L 和0.4g /L 時(shí),表現(xiàn)為促進(jìn)產(chǎn)甲烷作用,二者的產(chǎn)甲烷能力分別比參考體系提高5%和10%。當(dāng)氨氮濃度為0.8g/L時(shí),開始表現(xiàn)為抑制產(chǎn)甲烷作用,抑制作用主要發(fā)生在反應(yīng)后期,相應(yīng)的抑制程度為7%; 當(dāng)氨氮濃度超過2g /L 時(shí),產(chǎn)甲烷活性顯著下降,抑制作用彌漫在整個(gè)反應(yīng)期;并且隨著氨氮濃度提高到2g /L 、3g /L 、4g /L , 厭氧顆粒污泥的產(chǎn)甲烷活性分別下降20%、28%、45%。圖1

14、 N H +4-N 濃度對(duì)產(chǎn)甲烷毒性的影響分析原因可能是氨氮(NH +4-N 在厭氧反應(yīng)器中起著多重作用。其一,N H +4-N 是厭氧微生物需要的營養(yǎng)元素來源之一,適量的N H +4-N 可以促進(jìn)產(chǎn)甲烷活性的提高;其二,N H +4-N 可以提高反應(yīng)體系的堿度,增加V F A s/AL K 的比值,從而提高體系對(duì)揮發(fā)酸的緩沖能力。但是,從另一方面,隨著N H +4-N 濃度的提高,體系中游離氨濃度不斷上升,從而對(duì)體系產(chǎn)生較強(qiáng)的抑制作用。這一結(jié)果與其他研究者的結(jié)果吻合得較好57。根據(jù)式(1(3,表1給出了本次試驗(yàn)中各個(gè)濃度條件下厭氧污泥的綜合生物活性、抑制程度、恢復(fù)期綜合生物活性計(jì)算值。從表中

15、可見,在恢復(fù)試驗(yàn)中盡管已將含有N H +4-N 的發(fā)酵液去除,但是不同濃度的N H +4-N 對(duì)產(chǎn)甲烷的抑制作用并沒有被解除,污泥在恢復(fù)試驗(yàn)中的綜合活性均低于在毒性試驗(yàn)中的綜合活性值。2. 2 污泥濃度或堿度對(duì)產(chǎn)甲烷活性的影響圖2和圖3分別給出了在保持其他條件不變,只改變污泥濃度(以T SS 計(jì)或堿度得到的相應(yīng)累計(jì)產(chǎn)甲烷曲線。從圖中可以看出,在相同的氨氮濃度2g/L時(shí),適當(dāng)提高污泥濃度或堿度可以提高系統(tǒng)對(duì)毒物或抑制物質(zhì)的忍耐能力。表1 綜合生物活性、抑制程度、恢復(fù)期綜合生物活性的計(jì)算值C /(g·L -1 A m ×100I ×100A m ×1000

16、100 01000.2105-5 0.4110-10554553 圖2 污泥濃度對(duì)產(chǎn)甲烷活性的影響 圖3 堿度對(duì)N H +4-N 產(chǎn)甲烷活性的影響圖4 毒性恢復(fù)階段累計(jì)產(chǎn)甲烷曲線2. 3 氨氮對(duì)污泥產(chǎn)甲烷活性的抑制機(jī)理圖4給出了毒性恢復(fù)階段累計(jì)產(chǎn)甲烷的變化曲線。從圖中可以看出,盡管在恢復(fù)試驗(yàn)中已將含有N H +4-N 的發(fā)酵液完全去除,但是不同濃度的N H +4-N 對(duì)產(chǎn)甲烷的抑制作用并沒有被完全解除。當(dāng)氨氮濃度小于0.8g /L 時(shí),毒性試驗(yàn)中所受的抑制作用最小,因而產(chǎn)甲烷活性恢復(fù)最快、最完全;當(dāng)氨氮濃度在24g /L 時(shí),毒性試驗(yàn)中所受的抑制作用越大,在隨后的產(chǎn)甲烷活性恢復(fù)過程中恢復(fù)越慢、

17、越不完全。根據(jù)在毒性試驗(yàn)中污泥的綜合生物活性、抑制程度以及恢復(fù)期綜合生物活性,可以確定在不同濃度條件下,氨氮對(duì)產(chǎn)甲烷毒性的分類:代謝毒素、生理毒素和殺菌性毒素。但是,由于本次試驗(yàn)歷時(shí)較短,無法對(duì)此做出比較明確的結(jié)論,尚需進(jìn)一步研究。3 結(jié) 論N H +4-N 在厭氧反應(yīng)器中可能起著多重作用。一方面,N H +4-N 是厭氧微生物需要的營養(yǎng)元素來源之一,并提供了厭氧反應(yīng)體系的部分堿度;另一方面,隨著N H +4-N 濃度的提高,體系中游離氨的濃度不斷上升,從而對(duì)體系產(chǎn)生較強(qiáng)的抑制作用。當(dāng)氨氮濃度小于0.4g /L 時(shí),對(duì)體系表現(xiàn)為促進(jìn)產(chǎn)甲烷作用;當(dāng)氨氮濃度大于0.8g/L時(shí),開始表現(xiàn)為抑制產(chǎn)甲烷

18、作用;并且隨著氨氮濃度的繼續(xù)提高,厭氧顆粒污泥的產(chǎn)甲烷活性顯著下降。同時(shí),研究表明,氨氮對(duì)厭氧污泥產(chǎn)甲烷活性的影響與反應(yīng)體系的堿度及污泥濃度等有關(guān),在一定范圍內(nèi)提高反應(yīng)體系的堿度或污泥濃度可以提高反應(yīng)器對(duì)氨氮產(chǎn)甲烷毒性的忍耐能力。參考文獻(xiàn) (Refe renc es 1董春娟, 潘青業(yè).工業(yè)廢水厭氧生物處理中的無機(jī)和有機(jī)毒性物質(zhì)J.化工環(huán)保,2001, 21(4:213216.D O N G C hunj uan, P A N Q i ngye. Inorgani c and organi c toxi cants i n anaerobi c di gesti on of i ndustri

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