铵氮对ASBR装置厌氧污泥产甲烷活性的影响

2020-05-17顾向阳李世超包新荣

中国沼气 2020年5期

关键词：转化率稳态反应器

陈锷，顾向阳，李媛，李世超，包新荣

(1.甘肃省环境监测中心站, 兰州 730020；2.南京农业大学农业部环境微生物工程重点开放实验室, 南京 210095)

1 材料与方法

1.1 实验装置及运行

实验装置、运行方式及人工合成废水母液配方见文献[7]。

1.2 不同浓度铵氮对厌氧污泥产甲烷活性影响的实验设计

1.3 厌氧污泥产甲烷活性毒性负荷判定方法

本研究设计了两种方法用于确定盐分的毒性浓度。第1种方法依据ASBR稳态运行条件下，日均甲烷产量与进水NH4Cl浓度的关系来判断，其原理是在未抑制范围内，各驯化后反应器日均甲烷产量基本一致，而在毒性浓度下厌氧污泥产甲烷活性受抑制，甲烷产量将随之下降。第2种方法依据甲烷转化率与进水NH4Cl浓度的关系判断，其原理是在非抑制浓度下，甲烷转化率即单位质量COD经厌氧转化生成的甲烷气体体积是个定值，在毒性浓度下将导致甲烷转化率下降。

1.4 检测分析方法

pH值采用雷磁25型pH计进行测定。总有机碳(TOC)采用日本岛津公司VCSN型TOC测定仪进行测定。

2 结果与讨论

在两相厌氧消化工艺处理餐厨垃圾的过程中，肉禽类等含氮物质的厌氧分解会使产酸相滤出液中存在一定浓度的铵氮[9]，可能影响后续ASBR的运行效果，为此以模拟混合酸为进水基质研究不同浓度铵氮对厌氧污泥产甲烷活性的影响。从图1可以看出，当进水铵氮浓度为0.5 g·L-1时，TOC去除率同对照相比无明显差异，整个运行阶段TOC去除率无明显波动，大致稳定在70%～82%之间；而当铵氮浓度处于1～7.5 g·L-1时，TOC去除率随铵氮浓度升高明显下降，但各ASBR反应器TOC去除率的变化趋势较为相似，即运行初期TOC去除率随运行时间的延长缓慢下降直至达到最低值，随后维持稳定。各ASBR反应器达到稳态运行的时间因进水铵氮浓度有所不同，如进水铵氮浓度升至1～1.5 g·L-1和3～4.5 g·L-1时，分别运行5 d和10 d后达到各自的稳态运行状态，而当进水铵氮浓度升至6 g·L-1和7.5 g·L-1时，系统运行17 d后才达到稳态运行状态。从图1还可以看出当进水铵氮浓度≤0.5 g·L-1时，对TOC去除率影响不大，整个运行期间TOC去除率稳定在75%左右；当进水铵氮浓度≥1 g·L-1时对各反应器稳态运行时TOC去除率有较大影响，比如进水铵氮浓度为1 g·L-1和1.5 g·L-1时，TOC去除率分别降至64%和58%；当铵氮浓度增加至3 g·L-1和4.5 g·L-1时，TOC去除率分别下降为44%和43%；而当铵氮浓度升到6 g·L-1以上时，TOC去除率降至不足20%。总体来看，铵氮浓度处于0.5 g·L-1以上时，随着系统铵氮浓度的提高，ASBR的运行效率逐渐下降，说明较高的铵氮浓度会对厌氧污泥产甲烷活性产生抑制作用，这与陈祥的研究结果厌氧发酵产甲烷过程氨氮添加浓度1.0 g·L-1为氨抑制浓度阈值的研究结论基本一致[10]。

图1 不同浓度铵氮下TOC去除率

从图1和图2可以看出，进水铵氮浓度不同，各ASBR反应器每日甲烷产量的变化趋势也有所差异。进水铵氮浓度在0～1 g·L-1之间时，在系统运行前4 d内甲烷产量均在逐渐提高，随后大体上在同一水平上波动，由于各自日均甲烷气量在810～850 mL之间，差异并不明显，因此可认为铵氮浓度在1 g·L-1以下时对厌氧污泥的甲烷发酵无较大影响；当进水铵氮浓度为1.5 g·L-1时，其甲烷产量亦随运行时间的延长在逐渐增加，至第4天时达到最高值，而后逐渐下降，第7天时降至最低值，随后稳态运行。上述4个反应器运行初始(1～4 d)产气量的上升现象说明低浓度铵氮可以促进有机酸的甲烷发酵，这与低浓度氨氮对餐厨垃圾厌氧发酵产甲烷有一定的促进作用的研究结果相一致[10]。当进水氨氮浓度为3 g·L-1时，甲烷产量随运行时间延长缓慢上升，至第15天达到最大产气量(800 mL)后又逐渐回落，第17天时降至最低值600 mL，随后趋于稳态运行；在进水铵氮浓度为4.5 g·L-1时，其ASBR内的产气量在第2天时就迅速蹿升至最高值910 mL，再逐渐下降，第4天时降到最低值705 mL，随后保持稳态运行直至实验结束；而当进水铵氮浓度升至6和7.5 g·L-1时，运行初期甲烷产量随运行时间的延长呈缓慢下降的态势，10 d后降到最低值，随后稳态运行。

图2 不同浓度铵氮下每日甲烷产量的变化

从图3和图4可以看出，当进水铵氮浓度较低(0～1 g·L-1)时，日均甲烷产量无显著差异；超过1 g·L-1后，进水铵氮浓度对稳态运行时各反应器的甲烷产量有显著影响，甲烷产量随着铵氮浓度的升高而降低。当铵氮浓度为1.5 g·L-1，3 g·L-1，4.5 g·L-1，6 g·L-1和7.5 g·L-1时，对应反应器的日均甲烷产量分别为713 mL，664 mL，659 mL，379 mL和387 mL，较对照反应器的日均甲烷气量(833 mL)分别下降了14%，20%，21%，55%和54%，这说明进水铵氮浓度高于1.5 g·L-1时对厌氧污泥产甲烷活性产生了明显的抑制作用。经分析，甲烷日均产量与铵氮浓度间呈现明显负相关关系，两者的关系符合线性方程：

图3 稳态运行期间不同铵氮浓度下混合酸的日均甲烷产量

图4 稳态运行期间不同铵氮浓度下混合酸的甲烷转化率

y=-64.581x+853.4(R2=0.8862)

由该方程可得出，使污泥甲烷产量下降10%和50%的铵氮浓度分别为1.61 g·L-1和6.82 g·L-1。

比较不同进水铵氮浓度条件下甲烷转化率的变化亦可得出同样的结果，在铵氮浓度为0～1 g·L-1时，污泥的甲烷转化率无显著差异(0.25 L·g-1COD)，但随着铵氮浓度的逐步提高，对应ASBR中厌氧污泥的甲烷转化率呈明显下降趋势，比如在进水铵氮浓度为1.5 g·L-1，3 g·L-1，4.5 g·L-1，6 g·L-1和7.5 g·L-1时，污泥的甲烷转化率分别降至0.21 L·g-1COD，0.2 L·g-1COD，0.2 L·g-1COD，0.11 L·g-1COD和0.12 L·g-1COD，较对照ASBR中的甲烷转化率分别下降15%，20%，20%，55%和54%，再次说明当铵氮浓度在1.5～7.5 g·L-1之间时，对厌氧污泥的产甲烷活性具有明显抑制作用。统计分析表明，在该浓度范围内，厌氧污泥的甲烷转化率与铵氮浓度之间呈现负相关关系，两者的关系符合线性关系：

y=-0.0208x+0.2641(R2=0.8747)

由此可得出，使厌氧污泥活性下降10%和50%的铵氮浓度分别为1.88 g·L-1和6.69 g·L-1。