鄭照明,李 軍,楊京月,杜 佳

(北京工業(yè)大學,北京市水質科學與水環(huán)境恢復工程重點實驗室,北京 100122)

SNAD工藝在不同間歇曝氣工況下的脫氮性能

鄭照明,李 軍*,楊京月,杜 佳

(北京工業(yè)大學,北京市水質科學與水環(huán)境恢復工程重點實驗室,北京 100122)

探討了城市污水SNAD生物膜反應器在高溶解氧工況下的脫氮性能. SBR反應器以城市生活污水為進水,反應器內放置鮑爾環(huán)生物膜載體,控制溫度為30℃,采用間歇曝氣方式,曝氣階段曝氣量為500L/h,溶解氧濃度達5mg/L.階段1控制曝氣和非曝氣時間都為20min,生物膜的NOB活性較低,反應器具有良好的脫氮性能.反應器的總氮平均去除率和出水總氮濃度平均值分別為89%和11mg/L.階段2、階段3和階段4研究了曝氣時間對反應器脫氮性能的影響.曝氣時間對生物膜的厭氧氨氧化活性影響較小,對生物膜的NOB活性影響較大.階段3控制曝氣時間為60min,生物膜的NOB活性較低,反應器的總氮平均去除率和出水總氮濃度平均值分別為83%和14mg/L.階段4控制曝氣時間為160m in,生物膜的NOB活性較高,反應器的總氮平均去除率降低至50%,出水總氮濃度平均值為35mg/L.

SNAD；生物膜反應器；生活污水；不同間歇曝氣工況

含氮污水的大量排放會造成水體富營養(yǎng)化.傳統(tǒng)生物脫氮采用硝化反硝化技術,存在著曝氣能耗高,污泥產量大,需要額外投加碳源等缺點[1].厭氧氨氧化是一種經濟環(huán)保的脫氮工藝.在厭氧條件下,厭氧氨氧化菌利用亞硝酸鹽氮作為電子受體氧化氨氮,無需消耗有機碳源[2].研究表明在SNAD工藝中,亞硝化菌、厭氧氨氧化菌和反硝化菌可以在一個反應器中相互合作,實現(xiàn)氮素和有機物的去除[3-5].但是SNAD工藝多集中于處理高氨氮高溫污水,鮮有關于處理城市生活污水的報道[6-7].

溶解氧濃度對SNAD工藝的脫氮性能具有重要影響[8].因為高濃度溶解氧會抑制厭氧氨氧化菌的活性并且促進NOB的代謝生長,降低反應器的總氮去除能力,所以許多研究在低溶解氧條件下運行SNAD工藝[9-11].但是低濃度溶解氧不利于AOB (ammonia oxidizing bacteria)活性的發(fā)揮,導致反應器的脫氮性能低下.研究表明采用生物膜工藝和間歇曝氣方式可以有效緩解溶解氧對厭氧氨氧化菌的抑制作用[12-13].此外,間歇曝氣工況對NOB的活性具有強烈的抑制作用[8,14].因為從缺氧進入好氧階段, NOB比AOB需要更長的滯后期才能恢復活性[15].但是,當間歇曝氣工況中的曝氣時間較長時,厭氧氨氧化菌的活性可能受到抑制, NOB的活性可能增強,導致SNAD工藝的脫氮性能降低.因此有必要研究間歇曝氣工況中曝氣時間對SNAD生物膜工藝脫氮性能的影響.

本實驗擬研究城市生活污水SNAD生物膜工藝在高溶解氧工況下的脫氮性能.考察不同間歇曝氣工況對反應器脫氮性能的影響,從而為SNAD工藝在城市污水處理中的工程應用提供指導作用.

1 材料和方法

1.1 實驗裝置-SNAD生物膜反應器

反應器采用SBR運行方式,安裝PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)反應器的自動運行,周期運行完畢之后馬上進行下一個周期,裝置如圖1所示.反應器為圓柱形結構,高79cm,直徑為38cm,有效容積為89.5L,反應器內填充鮑爾環(huán)作為生物膜載體(K3 載體,AnoxKaldnes,北京),鮑爾環(huán)生物膜照片如圖2所示,鮑爾環(huán)的直徑為25mm,分成多個小格,每個小格的直徑為4mm,鮑爾環(huán)堆積體積為34L,反應器有效盛水容積為77.7L,每周期排水63L,排水比為81%.在底部設置曝氣盤,采用溫度控制箱在線監(jiān)測并控制反應器內水溫,反應器側壁(距底部以上20cm處)安裝水力攪拌器,排水口設置在底部以上20cm處,排水口直徑為20mm.

圖2 SNAD生物膜反應器中鮑爾環(huán)照片F(xiàn)ig.2 The photo of Kaldnes ring in SNAD biofilmreactor

1.2 SNAD生物膜反應器進水和運行工況

反應器進水采用北京工業(yè)大學家屬區(qū)生活污水,試驗階段主要水質指標如下: CODCr200～300mg/L;60～80mg/L;＜1mg/L;＜1mg/L; TOC 50～60mg/L; TN 100～140mg/L; pH為7.5～8.0;堿度300～400mg/L.

實驗采用的反應器前期已經實現(xiàn)良好的SNAD脫氮性能.整個實驗過程曝氣量控制為500L/h,溫度控制為30℃.實驗分為4個階段,周期運行工況為:進水(5min),間歇曝氣工況,后曝氣(20min),沉淀(10min),排水(10min),靜置(1min).間歇曝氣工況由曝氣階段和非曝氣階段組成,在非曝氣階段,曝氣停止,水力攪拌器啟動,使載體在反應器內處于流化狀態(tài),增加微生物和底物的接觸.階段1為SNAD生物膜反應器高效脫氮階段,階段2至階段4研究了曝氣時間對反應器脫氮性能的影響,各階段間歇曝氣工況的設置見表1.

表1 SNAD生物膜反應器運行工況Table 1 Operation conditions in the SNAD biofilmreactor

1.3 批試實驗裝置及其運行條件

1.3.1 批試污泥 取階段1(20d)、階段2(40d)、階段3(60d)和階段4(80d)反應器中的鮑爾環(huán)進行生物膜的脫氮活性測定.實驗前將鮑爾環(huán)置于30℃自來水中洗去表面的殘留基質.

1.3.2 批試實驗水質 實驗采用模擬廢水,配水氮素組分為NH4Cl和NaNO2.碳源采用無水乙酸鈉.其他微量元素組分濃度參照Tang等[16]的文獻.各脫氮活性測定時的配水組分見表2.

表2 批試實驗主要配水組分(mg/L)Table 2 The synthetic wastewater of batch tests (mg/L)

1.3.3 批試實驗裝置和程序 實驗采用1000mL燒杯,燒杯內放置50個鮑爾環(huán),進行3次平行重復實驗.厭氧氨氧化和反硝化活性測定步驟參照文獻[16-17]:(1)配置泥水混合液; (2)啟動恒溫磁力攪拌器,轉速為500r/min,用保鮮膜密封燒杯口,通氮氣10min (氮氣純度99.999%); (3)停止通氮氣,將燒杯連同磁力攪拌器放入30℃的恒溫培養(yǎng)箱中. NOB活性測定: (1)配置泥水混合液; (2)往燒杯中鼓入空氣,曝氣量控制為250mL/min (周期內DO大于6mg/L),啟動恒溫磁力攪拌器,轉速為500r/min,將燒杯連同磁力攪拌器放入30℃的恒溫培養(yǎng)箱中.每隔一定時間取樣測定主要組分濃度.污泥活性計算根據(jù)公式(1).

式中:濃度單位為mg/L;計時終點單位為min;揮發(fā)性物質質量單位為g.計時終點的確定:若在取樣的時間內,批試裝置內的或濃度低于10mg/L,則以或NO2-N濃度剛低于10mg/L的取樣時刻為計時終點;若在取樣的時間內,批試裝置內的或濃度始終高于10mg/L,則以取樣結束的時刻為計時終點.污泥活性單位為: kg N/(kg VSS·d).

1.3.4 鮑爾環(huán)污泥濃度的確定 用牙簽刮落鮑爾環(huán)表面附著較為松散的生物膜,將殘留有生物膜的鮑爾環(huán)放于燒杯中,盛適量水,采用超聲設備(VCX105PB)進行處理,振幅設定為90%,超聲時間為30min.待鮑爾環(huán)表面的生物膜完全脫落,將超聲后的泥水混合液和前面的松散污泥混合用濾紙過濾,將截留污泥的濾紙經烘箱和馬弗爐處理,烘干時間及溫度與常規(guī)污泥濃度測量條件相同,得到鮑爾環(huán)污泥的干物質量和揮發(fā)性物質質量.

1.4 分析方法

1.5 計算方法

式中: COD和NO2-N單位為mg/L.

采用Y△NO/△NH+?N評價SNAD反應器的脫氮性能,其計算公X式如4下[4]:

式中: C為濃度,單位為mg/L.

2 結果與討論

2.1 階段1中SNAD生物膜反應器的脫氮性能階段1(1～20d), SNAD生物膜反應器采用間歇曝氣模式,曝氣和非曝氣時間都為20min.曝氣階段曝氣量控制為500L/h,反應器內的溶解氧濃度達5.60mg/L.圖3為反應器的氮素和COD去除性能,反應器具有良好的SNAD脫氮性能.反應器的NH4+-N、COD和TIN平均去除率分別為95%、75%和89%,△NOx-N/△NH4+-N平均值為0.04.出水NH4+-N、NO3-N、TIN和COD濃度平均值分別為2,7,11,56mg/L.圖4、圖5和圖6分別為各階段生物膜的批試NOB、厭氧氨氧化和反硝化活性測定過程中氮素濃度的變化情況.批試結果表明階段1生物膜的厭氧氨氧化、反硝化和NOB活性分別為0.267kg TIN/(kg VSS·d), 0.211kg NO2-N/(kg VSS·d)和0.053kg NO2-N/(kg VSS·d),生物膜具有良好的SNAD脫氮性能.

圖3 SNAD生物膜反應器的脫氮性能和COD去除性能Fig.3 Evolution of nitrogen compounds and COD removal performance of the reactor

溶解氧會對厭氧氨氧化菌的活性產生抑制作用[20].一些研究表明生物膜工藝和間歇曝氣方式可以有效地緩解溶解氧對厭氧氨氧化菌的抑制作用[21-22].在SNAD生物膜工藝中,AOB傾向于生長在生物膜的外表面,厭氧氨氧化菌傾向于生長在生物膜的內部[23-24].因此,生物膜表面的AOB和異養(yǎng)菌對于溶解氧的消耗有助于維持生物膜內部較低的溶解氧濃度[25-26].此外,生物膜對于溶解氧的傳質存在阻礙作用,可以為生物膜內部的厭氧氨氧化菌創(chuàng)造有利的厭氧環(huán)境[27-28]. Morales等[29]在高溶解氧工況下運行SNAD顆粒污泥工藝(溶解氧濃度為3.0mg/L),微電極分析結果表明當溶液中的溶解氧濃度分別為4和8mg/L時,在顆粒污泥內部150和250 μm處,溶解氧的濃度降低為0mg/L. Sobotka等[8]采用間歇曝氣方式運行SNAD活性污泥工藝,控制曝氣和非曝氣時間分別為9,18min,曝氣階段反應器內的溶解氧濃度為0.8～1.0mg/L,反應器的TIN去除率為72%～89%.Yang等[12]采用間歇曝氣方式運行SNAD生物膜工藝,控制曝氣和非曝氣時間分別為15和45min,曝氣階段反應器內的溶解氧濃度為3.5mg/L,反應器的TIN去除率達到88%.本研究曝氣階段SNAD生物膜反應器內的溶解氧高達5.60mg/L,生物膜的厚度達到2mm(圖2),可以有效地緩解溶解氧對厭氧氨氧化菌的抑制作用.

圖4 NOB活性測定過程中亞硝酸鹽氮濃度變化情況Fig.4 Evolution ofconcentrations in batch tests: the measurement of NOB activity

圖5 厭氧氨氧化活性測定過程中氮素濃度變化情況Fig.5 Evolution of nitrogen concentrations in batch tests: the measurement of anammox activity

雖然階段1曝氣階段反應器內的溶解氧濃度高達5.60mg/L,但是SNAD生物膜的NOB活性較低. Zekker等[13]和Yang等[12]也報道了相似的研究結果. Winkler等[24]指出,NOB傾向于生長在生物膜的外表面,厭氧氨氧化菌和反硝化菌傾向于生長在生物膜的內部.因此,NOB比厭氧氨氧化菌和反硝化菌更容易獲取底物亞硝酸鹽氮[12].但是,間歇曝氣方式有助于抑制NOB的活性[14,30]. Kornaros等[15]的研究表明,從缺氧階段進入好氧階段, NOB活性恢復的滯后期比AOB更長. Bournazou等[31]的研究表明,NOB從缺氧階段進入好氧階段時, NOB的活性降低,而且缺氧時間長度和NOB的活性降低程度成正相關關系.此外,van等[32]的研究表明,厭氧氨氧化菌對NO2-N的半飽和常數(shù)為0.2～5μmol/L,反硝化菌對NO2-N的半飽和常數(shù)為4～25μmol/L, NOB對NO2-N的半飽和常數(shù)為12～955μmol/L,厭氧氨氧化菌和反硝化菌對NO2-N的親和能力比NOB更強,有助于抑制NOB的活性.綜上所述,階段1中間歇曝氣工況以及厭氧氨氧化菌和反硝化菌對NO2-N的競爭是SNAD生物膜中NOB活性受到抑制的關鍵因素.

圖6 反硝化活性測定過程中亞硝酸鹽氮濃度變化情況Fig.6 Evolution of NO2-N concentrations in batch tests: the measurement of denitrification activity

2.2 曝氣時間長度對SNAD生物膜反應器脫氮性能的影響

階段2(21～40d)、階段3(41～60d)和階段4(61～80d)研究了曝氣時間對SNAD生物膜反應器脫氮性能的影響.階段2和階段3采用間歇曝氣模式,曝氣時間分別控制為40和60min,非曝氣時間都控制為20min.階段4為連續(xù)曝氣模式,曝氣時間為160min.階段2、3和4曝氣階段曝氣量都控制為500L/h,反應器內的溶解氧濃度高達4.6mg/L.如圖3所示,階段2和3反應器的TIN去除效果良好,階段4反應器的TIN去除效果較差.在階段2、3和4末期,出水TIN濃度平均值分別為10、14和35mg/L,TIN平均去除率分別為87%、83%和50%.△/△平均值分別為0.047、0.045和0.344.出水濃度平均值分別為5,8,15mg/L,出水濃度都小于2mg/L,出水濃度平均值分別為5, 4, 21mg/L,出水COD濃度平均值分別為61,67, 80mg/L.階段4出水濃度高于階段2和3,表明階段4出現(xiàn)了NOB的大量增殖.階段2、3和4生物膜的厭氧氨氧化活性相差不大,分別為0.269,0.288,0.274kg TIN/(kg VSS·d)(圖5).階段2、3和4生物膜的NOB活性分別為0.020、0.021和0.246kg/(kg VSS·d)(圖4).階段4生物膜的NOB活性高于階段2和3,和反應器的脫氮性能一致.

以往的研究表明,控制間歇曝氣工況中的好氧時間和缺氧時間分別為5～30min和15～45min,可以有效的抑制SNAD反應器中的NOB活性[12-14].在階段3中,曝氣階段的時間長達60min, NOB從缺氧階段進入好氧階段可以恢復其活性.此外,該階段溶解氧濃度高達5mg/L,有助于加快NOB的代謝活性并且減少好氧階段的活性滯后時間[14].但是該階段生物膜的NOB活性較低,分析原因,在好氧階段初期, NOB經過活性滯后期才能發(fā)揮活性,實際可供NOB進行代謝的時間不足60min.此外,在不同的曝氣時間工況下,厭氧氨氧化菌的活性較高,厭氧氨氧化菌和反硝化菌可以表現(xiàn)出較強的亞硝酸鹽氮競爭能力,反應器內的亞硝酸鹽氮濃度較低,有助于抑制NOB的活性.因此,在階段2和3中,當曝氣時間長度小于60min時,相比于曝氣時間長度,厭氧氨氧化菌和反硝化菌對NOB活性的影響較大.

階段4曝氣時間為160min, SNAD生物膜的NOB活性較高.反應器的TIN平均去除率下降至50%,出水濃度平均值增加到21mg/L.生物膜的NOB活性達到0.246kg/(kg VSS·d).階段4生物膜的厭氧氨氧化活性與階段2和3相似.因此,厭氧氨氧化菌和反硝化菌仍然可以表現(xiàn)較強的亞硝酸鹽氮競爭能力.但是由于階段4的曝氣時間長達160min, NOB有更長的時間利用亞硝酸鹽氮進行代謝生長,緩解了缺氧階段以及厭氧氨氧化菌和反硝化菌對NOB活性的抑制作用,所以生物膜的NOB活性增加.但是其他研究報道一體式亞硝化-厭氧氨氧化工藝可以在連續(xù)曝氣的工況下表現(xiàn)出較高的總氮去除率. Yang等[12]采用移動床生物膜反應器運行SNAD工藝,控制溶解氧濃度為1.5mg/L,反應器的總氮去除率達到76.1%. Cema等[21]取得了相似的研究結果,控制溶解氧濃度為2.5mg/L,生物膜反應器表現(xiàn)出良好的總氮去除性能.在實際工程中,當采用連續(xù)曝氣工況時,控制一體式亞硝化/厭氧氨氧化生物膜工藝中的溶解氧濃度在1.5mg/L以下可以有效地抑制NOB的活性[33].在本研究中,連續(xù)曝氣階段的溶解氧濃度高于其他研究,從而導致了NOB活性的增加[21,33].因此,有必要研究該連續(xù)曝氣SNAD生物膜反應器在較低溶解氧濃度下的脫氮性能.

2.3 各階段SNAD生物膜反應器周期內氮素濃度變化

圖7 各階段反應器周期內氮素濃度變化Fig.7 Evolution of nitrogen compounds during one cycle of operation in different phases

圖7為階段1(20d)、階段2(40d)、階段3(60d)和階段4(80d)反應器周期內pH值,DO和各基質濃度隨時間的變化情況.各階段曝氣過程中的溶解氧濃度均大于4mg/L.硝化過程會導致pH值下降,厭氧氨氧化和反硝化過程會導致pH值上升.在曝氣階段,硝化過程對pH的影響較大, pH值下降;在非曝氣階段,厭氧氨氧化和反硝化過程對pH的影響較大, pH值上升.階段1、2和3周期內曝氣結束時刻最高的濃度分別為3.5, 5.1,7.0mg/L,非曝氣結束時刻最高的濃度分別為2.7,3.5,4.3mg/L,周期內濃度小于7.0mg/L.間歇曝氣階段厭氧氨氧化菌和反硝化菌對亞硝酸鹽氮的利用降低了反應器內的亞硝酸鹽氮濃度,有助于抑制NOB的代謝生長.階段4周期內濃度小于4mg/L,出水濃度為19.4mg/L.由于該階段生物膜的NOB活性較高, NOB可以在曝氣過程中獲取的亞硝酸鹽氮,導致反應器內的亞硝酸鹽氮濃度較低.

3 結論

3.1 采用間歇曝氣策略,控制曝氣和非曝氣時間都為20min,曝氣階段反應器內的溶解氧濃度達5.60mg/L,城市污水SNAD生物膜反應器可以取得良好的脫氮性能.反應器的、COD和TIN平均去除率分別為95%、75%和89%, Δ/Δ平均值為0.04.出水、、TIN和COD濃度平均值分別為2,7,11, 56mg/L.生物膜的厭氧氨氧化、反硝化和NOB活性分別為0.267kg TIN/(kg VSS·d), 0.211kg/(kg VSS·d)和0.053kg/ (kg VSS·d).

3.2 在高溶解氧(＞4mg/L)和間歇曝氣工況下,控制曝氣時間小于60min,生物膜的NOB活性較小,周期內的濃度小于7mg/L,反應器具有良好的總氮去除性能.控制曝氣時間為160min,生物膜的NOB活性增加,周期內濃度小于4mg/L,反應器的總氮去除性能變差.有必要研究該SNAD生物膜反應器在連續(xù)曝氣和較低溶解氧濃度下的脫氮性能.

3.3 生物膜可以有效地緩解溶解氧對厭氧氨氧化菌的抑制作用.在高溶解氧(＞4mg/L)和間歇曝氣工況下,曝氣時間對生物膜的厭氧氨氧化活性影響較小,對生物膜的NOB活性影響較大.階段1、2、3和4的曝氣時間分別為20,40,60,160min,生物膜的厭氧氨氧化活性分別為0.267,0.269, 0.288,0.274kg TIN/(kg VSS·d).生物膜的NOB活性分別為0.053,0.020,0.021,0.246kg/(kg VSS·d).

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Nitrogen removal performance of the SNAD process under different intermittent aerobic conditions.

ZHENG Zhao-ming, LI Jun*, YANG Jing-yue, Du Jia
(Beijing Key Laboratory of Water Science and Water Environmental Restoration, Beijing University of Technology, Beijing 100022, China). China Environmental Science, 2017,37(2)：511～519

The simultaneous partial nitrification, anammox and denitrification (SNAD) process for treating domestic wastewater was investigated under high dissolved oxygen (DO) concentration. Intermittent aerobic condition was operated in a sequencing batch reactor (SBR) with the air flowrate of 500L/h at 30℃. The DO concentration was up to 5mg/L. Domestic wastewater was used as influent and Kaldnes rings were used as biomass carriers. In phase 1, the reactor was operated with the aerobic time and non-aerobic time of both 20min. As a result, the biofilmperformed lownitrite oxidizing bacteria (NOB) activity and the reactor achieved high nitrogen removal performance. The average total inorganic nitrogen (TIN) removal efficiency reached 89% with the average effluent TIN concentration of 11mg/L. Besides, the effect of the aerobic time on the SNAD biofilmreactor performance was evaluated during phase 2, phase 3 and phase 4. The results showed that the length of aerobic time p layed a little effect on the anammox activity of the SNAD biofilm, while the NOB activity was largely affected by the length of aerobic time. In phase 3, the aerobic time was controlled at 60min. As a result, the biofilmperformed lowNOB activity and the reactor achieved high nitrogen removal performance. The average TIN removal efficiency reached 83% with the average effluent TIN concentration of 14mg/L. The aerobic time of phase 4was controlled at 160min. On the contrary, the biofilmperformed high NOB activity and the reactor performed poor nitrogen removal performance. The average TIN removal efficiency decreased to 50% with the average effluent TIN concentration of 35mg/L.

SNAD；biofilmreactor；domestic wastewater；different intermittent aerobic conditions

X703.5

A

1000-6923(2017)02-0511-09

鄭照明(1989-),男,浙江嵊州市人,北京工業(yè)大學博士研究生,主要從事厭氧氨氧化,亞硝化和SNAD工藝研究.發(fā)表論文6篇.

2016-05-30

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2015ZX 07202-013)

* 責任作者, 教授, jglijun@bjut.edu.cn