处理城市污水的UASB-短程硝化厌氧氨氧化MBBR联合工艺

处理城市污水的UASB--短程硝化/厌氧氨氧化MBBR联合工艺亮点：侧流工艺向主流工艺的转移减低了系统对于溶氧的需求；主流厌氧氨氧化在25°C的条件下运行了16个月；得出了间歇曝气的最佳持续时间为15min；悬浮状态的AOB/NOB活性率是生物膜上附着状态的两倍；厌氧氨氧化菌的活性维持了与侧流状态相同的水平；摘要：本研究测试了上流式厌氧污泥床（UASB）反应器与厌氧氨氧化移动床生物膜反应器（MBBR）的联合体系对于城市主流污水的处理效果。在从污泥水过渡到主干污水的五个月时间内研究了亚硝酸菌（AOB）与硝酸盐细菌（NOB）的竞争。出水的终处理系统运行持续时间为16个月。进水中氨氮浓度的降低大大减少了水中悬浮生物量，而后者导致亚硝酸盐产生的重要贡献者。本研究同时测试了溶解氧浓度以及短暂缺氧状态对NOB产生的影响和抑制机制。结果表明，缺氧状态的持续时间不会影响NOB的代谢恢复。较之AOB和NOB两种菌与氧气的密切关系，氧的扩散对于生物膜系统中的氮转化起到了更为重要的作用。1.引言未来污水处理的发展趋势是将污水视作一种资源，尽可能以沼气形式回收其中的能量，同时满足对于移除营养物质的要求。在这样的系统中，初步的处理可以是通过沉淀、混凝和絮凝作用对有机物的去除，或者是高效活性污泥法来通过污泥最大化去除水中的有机质，抑或是诸如上流式厌氧污泥床反应器中使用到的厌氧污水处理方法。通过有机物去除步骤之后的出水具有较低的COD/N比，意味着在预处理之后，引入短程硝化/厌氧氨氧化这样的脱氮工艺十分有利，也可以最大程度地实现处理工艺的经济效益。通过厌氧氨氧化来进行污水脱氮最大的困难是，AOB菌在生物量中的累积以及NOB菌生长所产生的抑制。迄今为止，许多研究提出了在类似主流状态下通过厌氧氨氧化进行脱氮处理的成功例子。但是对有关在类似主流状态下全程自养脱氮工艺的运行研究却很有限。Wett等研究了实际规模中高效活性污泥法（HRAS）的出水从侧流污泥回水中对AOB菌以及厌氧氨氧化菌的富集。Lotti等人研究了对市政污水在19°c时运行HRAS之后采用颗粒污泥反应器处理的效果。在反应器运行的稳定期，观测结果表明平均脱氮效率为29%，在最佳工况段到达了48.8%。在Malamis等人的研究中，联合了去除有机物的UASB与从采用Demon脱氮技术的污水厂中接种的自养脱氮序批式活性污泥法反应器，并将联合工艺在30°的运行条件下应用到人工合成的模拟污水的处理中。这一联合系统运行了98天并且在最后的60天里维持了稳定的脱氮效果.研究集中在了厌氧氨氧化的脱氮效果上，因此并没有说明NOB菌的脱氮以及累积脱氮效率。DeClippeleir等人研究了一个处理模拟污水的生物转盘在运行温度从30°C降至14°C的360天里的效果。测得总氮的脱除效率介于34%（于17°C)与54%（于29°C）之间。当采用主流污水的运行温度是，反应器在COD/N比在0~2之间的不同状态下运行了80天，平均脱除效率为23~45%。Hu等人将处理高浓度模拟废水的厌氧氨氧化反应器改造成全程自养脱氮反应器，并在氨氮浓度为70mg/L，温度为12°C的条件下运行。在向主流处理转化之后，反应器运行了158天表现出了超过90%的脱除效率并且在出水中并没有监测到硝酸盐。这是唯一一个在全程自养脱氮反应器低温下处理低浓度废水是没有表现出NOB菌生长的研究。总而言之，将全程自养脱氮系统在主流污水状态下运行已经取得了显著的研究进展。然而，大多数的研究中，系统运行的持续时间都不超过1年；只有在DeClippeleir等人对于低氮浓度污水处理的研究中，持续运行了440天。也只有Lotii和Wett两个研究团队使用到了未对成分进行人工调整的实际经预处理的市政污水。并且最终也没有研究涉及到了全程自养脱氮MBBR对市政污水的研究。对于AOB菌和NOB菌受溶解氧影响程度大小在这些文献（参阅Blackburne，Wett，Wiesmann等人的研究）中观点并不一致。另外，氧的扩散对于生物膜上AOB菌与NOB菌之间的竞争并没有得到充分研究。利用间歇曝气来汰选NOB菌在研究文献中被频繁提到，针对NOB菌的抑制机制也存在不同的解释。（Al-Omari；Kornaros等）本研究的目的是测试UASB和自养脱氮MBBR结合系统对于主流污水的处理效果。研究者观测了在从侧流向主流污水过渡中处理系统的稳定性和长期接受UASB出水的自养脱氮MBBR中微生物群落。分析了MBBR中AOB菌，NOB菌，以及厌氧氨氧化菌在生物膜和悬浮生物量中的相互影响。同时在短期的试验中调查了NOB菌的抑制途径，然后在持续的运行状态下对这些途径进行了测试。2.方法2.1实验设置这个处理系统由两个反应器--处理有机物的UASB以及自养脱氮的MBBR所组成。UASB的容积为6.2m3，其进水来自于斯德哥尔摩的日处理量为24m3的Henriksdal污水处理厂的初级处理出水。这一进水大致具有100mg/L的COD以及42mg/L的总氮浓度。UASB的运行温度维持在了20°C。MBBR的容积为100L并且以40%的填充率加入了载有硝化以及厌氧氨氧化细菌KaldnesK1填料（生物膜的总面积为40m2）。在本研究之前，该MBBR用在了关于侧流污泥水处理的一个为期三年的研究中（Winkler；Yang，2013）。反应器中的成分在转速为100rpm的机械式搅拌器作用下混匀，反应器内的温度维持在了25°C。该反应器同时安装了在线检测仪，可以实时测量溶解氧，pH，氧化还原电势以及电导率。溶解氧浓度通过曝气强度控制器维持在了一个适宜的水平。系统中同时使用到了连续和间歇式的曝气方式。MBBR的出水再经过一个沉淀池，将悬浮的生物沉淀下来，并可以将这些沉淀物进行活性测试。研究分成了两个阶段。在第一个阶段中，自养脱氮反应器处理的是厌氧消化污泥水与经UASB以及孔径为20um的纤维过滤器滤后的出水的混合物。（混合液的成分见表1）水中的氨氮浓度通过变更污泥水与主干污水的配比设置了递减的梯度。在第二个阶段中，自养脱氮反应器仅处理UASB反应器的出水（成分见表2）在此过程中对不同曝气方式的影响进行了研究。2.2活性测试本研究中对比厌氧氨氧化活性（SAA）的监测使用到的是Dapena-Mora等人所提出的方法。这种方法的核心是测量在厌氧氨氧化菌反应过程中所增加的氮气气压。另外对于生物膜上和悬浮态中的好氧细菌活性采用的是Gut等人提出的测量方法--选用氧气利用率（OUR）这一指标来表征。异样硝化的活性通过分析了在脱氮过程中液态培养基上硝酸盐浓度水平来反映。2.3短暂缺氧的实验为了研究短暂缺氧状态对于NOB菌的抑制机制的研究，将附着态的生物（膜上微生物）置于控制溶氧供应和控制溶氧与亚硝酸盐浓度的条件下培养。前一种条件中，培养基的配置是通过在5.34mmol/L的磷酸盐缓冲液中加入NaHCO3以及NaNO2至这两种物质在混合液中的浓度分别为：10mmol/L和15mmol/L（亚硝酸根），最后在将混合液曝气至溶解氧水平为大于6mg/L。完成配置之后，将微生物接种到培养基上，并通过HACH-HQd40溶氧测量仪来监测溶氧水平培养基到达缺氧状态的时间。针对微生物缺氧状态培养的不同持续时间进行了多组测试，完成设定的时间后，溶解氧的浓度通过用充氧缓冲基质置换一部分的液体培养基迅速增至2mg/L并在此之后重新测定了溶解氧浓度的减少趋势。对第二个实验，在磷酸盐缓冲液中调整碱度至10mmol/L，氨氮浓度至50mgN/L(加入NH4Cl)，并且在接种微生物之后监测溶解氧的衰减趋势。AOB菌以及NOB菌在实验中一直处于活性状态。当氧气耗尽之后，通过化学分析确定厌氧氨氧化菌在5min之内消耗了剩下的亚硝酸盐。在缺氧阶段，添加入提供亚硝酸根的物质和N-烯丙基硫脲（Gut等人在研究中提出的针对AOB菌的抑制物）至最终浓度水平分别为15mg(亚硝态氮)/L以及12mg/L,溶解氧浓度增至2mg/L同时NOB菌所消耗的氧气也得到了测定。在以上两个实验中，缺氧态的持续时间在20min至15h范围内的不同梯度都进行了测试。氧气的消耗速率通过计算溶氧水平降低的斜率来获得。2.4溶氧对于AOB菌以及NOB菌生长速率影响的研究：AOB菌和NOB菌的生长速率通过氧气消耗来表征。氧吸收率（OUR）通过完全冲洗的载体来测量，洗液为5.34mmol/L磷酸盐缓冲液混合NaHCO3溶剂至10mmol/L。根据氮源的不同进行了分组实验，分别为：只加氨氮，只加亚硝酸盐，以及同时加入两种物质。最后的浓度水平分别是：50mg（氨氮）/L,15mg(亚硝态氮)/L。在实验过程中没有加入任何的抑制剂，氧浓度水平从6mg/L到0mg/L都进行了测量。2.5分析方法对不同氮源，COD以及碱度的分析采用到的是Lange博士的比色法（LCK303，LCK341，LCK340，LCK314，LCK362，LCK238）。所有的样品在分析之前都先通过了0.45um滤膜进行的过滤。MBBR的微生物总量通过标准法来进行了测定（APHA，1998）3.结果与讨论3.1UASB反应器的效果鉴于通过UASB处理市政污水已经研究得相当充分并且也全面应用了，本研究关注的是UASB的脱氮效果。研究过程中对于整个运行期污水中COD和TN浓度在通过UASB反应器前后的改变都进行了测量。生物气产量为175L/d（其中甲烷占了52%），也就是说处理1m3的污水可以产生7.3L的生物气。进水与出水的总氮浓度没有变化，出水的COD浓度为61mg/L。3.2主流污水状态：3.2.1氮的转化路线MBBR的进水中的氨氮浓度通过变更污泥水与主干污水的配比设置了递减的梯度。（表1）在最初的三个时期(Ia-Ic），水力停留时间（HRT）逐渐减少到了0.6~0.8天（这是在Henrikasal污水厂生物处理段常见的停留时间）,并且在运行的整个过程一直维持了这个水平。氮的容积负荷（NLR）在进水中氨氮浓度降低过程的Ia到Ig阶段从1.79减少到了0.21gN/(m2d)。在MBBR最初运行的时期（Ia）,处理的是未经稀释的污泥水，系统表现出较高的脱氮效率（平均86%），脱氮速率（1.6gN/(m2d)）；以及2.5天的水力停留时间，接近于厌氧氨氧化反应化学计量浓度水平的硝酸盐产量。（表1A）在Ib-Ie阶段，脱氮效率表现出显著地下降。由于平衡总氮负荷与供氧十分困难，系统中会出现欠曝气（Ib-Ic阶段）和过曝气（Id-Ie）的阶段使得平均脱氮效率降低到60~65%。从If阶段开始，当进水中的氨氮浓度减少到平均108mgN/L时，系统中观测到显著地硝酸盐积累（源于被去除的氨氮）（见表1A）。在最初的五个阶段，硝酸盐的产生接近于或者低于自养脱氮反应的化学计量水平；然而，在If-Ig阶段间，30~70%的氨氮都被NOB菌氧化成硝酸盐，从而导致了低的脱氮效率（43%左右）。在IIa阶段，MBBR处理的是未经添加其他成分的UASB出水，硝酸盐持续累积。正由于此，系统在本阶段和所有氨氮转化为硝酸盐过程中的脱氮效率分别仅为35%和53%。3.2.2细菌的活动生物膜上厌氧氨氧化菌的活动在最开始的五个渐进阶段都处于较为稳定的状态（表1B），即使脱氮效率缩小了三倍。在后续的阶段中，当进水中的氨氮浓度进一步缩小，SAA减小到了1.2-1.5gN/(m2d)。在整个渐进阶段，异养的反硝化菌的活性都稳定在0.32±0.14gN/（m2d）的范围内。AOB菌在Ia-If阶段处于相当稳定的活性水平，平均在3.5-5.5gO2/(m2d)范围内；但是在Ig时期减少到2.5gO2/(m2d)。在Ia-If阶段,悬浮污泥对氧气的利用大多源自AOB菌活动，应为NOB菌以及异养菌的活性水平低于仪器检测限。但是从Ia到If的过程中，AOB的活性水平减少了三倍，从6.5gO2/(m2d)到2gO2/(m2d)。从Ig阶段开始，异养菌的活性增加到1gO2/(m2d)同时NOB的增加到0.5gO2/(m2d)。通过与3.3.3中讨论到的相似的试验方法发现