3BERS耦合脱氮系统运行特性研究

中国环境科学2014,34(11)：2817~2823ChinaEnvironmentalScience3BER-S耦合脱氮系统运行特性研究孟成成1,2,郝瑞霞1*,王建超1,王润众1,任晓克1,赵文莉1(1.北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京100124；2.中交第二航务工程勘察设计院有限公司,湖北武汉430071)摘要：为了强化三维电极生物膜脱氮工艺(3BER)的脱氮效果,将3BER与硫自养反硝化技术耦合成3BER-S工艺,用于低碳氮比城市污水厂尾水的深度脱氮处理.与3BER对比研究结果表明,3BER-S工艺在TN去除率、系统pH平衡能力和NO2--N积累方面均优于3BER工艺;当进水C(NO3--N)=35±2mg/L,TOC:N:P=10.7:10:1,pH=7.0~7.5时,3BER-S耦合工艺对TN和NO3--N的去除效率分别为85%和94%,分别比3BER高15%和10%;出水中NO2--N的浓度为3.04mg/L,比3BER低2mg/L.3BER-S中硫自养反硝化作用定量分析表明,硫自养脱氮作用在整个脱氮过程中所占比例为14.07%,单质硫的有效利用率达到79.5%,硫自养反硝化过程对稳定3BER-S系统出水pH值起重要作用.根据3BER-S中微生物基于反硝化细菌特异性基因nirS的克隆文库结果,系统中反硝化细菌都与β变形菌纲中的细菌有较高的同源性,其中61.41%的反硝化细菌属于陶厄氏菌属(Thauera);脱氮硫杆菌和嗜酸菌属(Acidovorax)分别占3.50%和19.30%.表明当碳源比较充足时,3BER-S工艺的脱氮作用主要以异养反硝化过程为主,以单质硫和氢为电子供体的自养反硝化脱氮作用也占有一定比例.关键词：再生水；电极生物膜；单质硫；脱氮；反硝化细菌中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2014)11-2817-07Studyontheperformanceforacoupleddenitrifyingsystemof3BER-S.MENGCheng-cheng1,2,HAORui-xia1*,WANGJian-chao1,WANGRun-zhong1,RENXiao-ke1,ZHAOWen-li1(1.KeyLaboratoryofWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China；2.CCCCSecondHarborConsultantsCo.,Ltd,Wuhan,430071,China).ChinaEnvironmentalScience,2014,34(11)：2817~2823Abstract：Toimprovethedenitrogenationeffectofthree-dimensionalbiofilm-electrodereactor(3BER),3BER-Scoupledsystemof3BERandsulfurautotrophicdenitrificationtechnologyhasbeenappliedfornitrateremovalofsimulatedmunicipalwastewatertreatmentplant(WWTP)effluentwithlowcarbon-nitrogenratio(C/N).Resultsofthecomparativetestbetween3BERand3BER-Sindicatedthat3BER-SwassuperiorinTNremovalefficiency,pHbufferingandnitritenitrogenaccumulation.WhenTOC:TN:P=10.7:10:1,C(NO3--N)=35±2mg/LandpH=7.0~7.5intheinfluentofthesystems,theaveragetotalnitrogenandnitrateremovalefficiencywasabout85%and94%for3BER-S,whichwas15%and10%higherthan3BERrespectively.Andtheaverageaccumulationofnitritenitrogenwas3.04mg/Lfor3BER-S,whichwas2mg/Llowerthan3BER.Thequantitativeanalysisofsulfurautotrophicdenitrificationprocessin3BER-Sshowedthattheeffectiveavailabilityofelementalsulfurwasabout79.5%,andsulfurautotrophicdenitrificationprocessaccounted14.07percentofwholedenitrificationprocesswhichplayedanimportantroleinbufferingpHofthecoupledsystem.Basedontheclonelibraryofnitritereductasegenes(nirS)fragments,allthedenitrifyingbacteriain3BER-SsystemshowedahighsimilaritywithBetaproteobacteria,inwhichThauera,ThiobacillusdenitrificansandAcidovoraxhaveaaccountedfor61.41%,3.50%and19.30%respectively.Thereforewhentheorganiccarbonsourcewassufficientrelativelyininfluentof3BER-S,theheterotrophicdenitrificationprocessplayedthedominantrole,aswellashydrogenotrophicandsulfurautotrophicdenitrificationprocessesoweacertainproportioninthesystem.Keywords：reclaimedwater；biofilm-electrode；sulfur；denitrification；denitrifyingbacteria三维电极生物膜技术是在以氢气为电子供体的自养反硝化基础上发展起来的一种生物膜法与电化学相结合的水处理技术.该工艺在微弱电流作用下,阴极产生的氢气能被微生物利用进收稿日期：2014-02-18基金项目：北京市自然科学基金项目(8132017);国家自然科学基金项目(51378028)*责任作者,教授,[e-mail]2818中国环境科学34卷行自养反硝化脱氮,在一定程度上减少了填料生物膜异养反硝化过程所需的碳源消耗[1-3].对于城市污水厂尾水,由于其碳氮比较低,若要保证较高的总氮去除效率,仍然需要补充甲醇、乙醇和乙酸等有机碳源,增加了处理成本,且有机物投加量也不易控制.通过强化三维电极生物膜工艺的自养反硝化过程,可以有效避免由于投加有机碳源产生的处理成本增加和二次污染问题,并且自养菌合成的生物量较少,对出水浊度影响也相对较小[4-6]硫自养反硝化是指硫细菌以还原态硫为电子供体,完成自养反硝化脱氮的过程,该过程适用于低碳氮比污水的脱氮处理[7].将三维电极生物膜工艺与硫自养反硝化技术相耦合用于生物反硝化脱氮处理,能够进一步减少有机碳源的消耗,同时对系统出水pH值具有一定的稳定作用.硫自养反硝化过程产生的H+既能促进阴极的产氢气作用,又能中和氢自养反硝化和异养反硝化过程产生的OH-,为反硝化细菌提供中性环境,有利于反硝化过程的进行[8].王海燕等[4-5]提出一种电化学氢自养与硫自养集成的反硝化脱氮系统用于地下水脱氮处理,其主体部分为硫自养段和氢自养段,在进水C(NO3--N)=30mg/L,pH=8.0时,系统NO3--N的去除率达到90%以上,出水中SO42-的积累量为170mg/L,硫自养段和氢自养段出水的pH值分别在7.1和7.5左右.将这两种自养反硝化过程集成,既可减少以硫作为电子供体产生的SO42-,也可以使硫自养反硝化产生的H+作为电化学产氢的前驱物.Wan等[8-9]通过改变反应器的有效容积和组成形式对该集成工艺进行了深入研究,并确定了其最佳反应条件.本文将三维电极生物膜工艺与硫自养反硝化工艺结合在一起,形成耦合脱氮系统(3BER-S),异养生物反硝化、氢自养生物反硝化和硫自养生物反硝化作用在同一空间中进行,有利于发挥各种微生物在碳源利用和代谢产物的互补协同作用.通过与3BER对比运行,研究3BER-S耦合系统对城市污水厂尾水脱氮特性及平衡系统酸碱度的能力,为城市污水厂尾水深度脱氮技术提供参考.1材料与方法1.1试验设备1.1.1试验装置采用连续升流式反硝化生物滤柱反应器,结构如图1.反应器内径25cm,高度1.4m,有效容积22L.以石墨棒作为阳极,置于反应器的正中央;为增大阴极区的表面积,便于微生物的附着和提高阴极H2的产率,以内夹聚丙烯晴活性炭纤维的双层泡沫镍作为阴极,沿反应器内壁布置.在反应器外壁包裹一层厚度为1.5cm的保温棉,以维持反应器内部温度恒定.3BER-S反应器的阴极和阳极之间充满体积比为8:1的颗粒活性炭和硫磺颗粒的均匀混合物,其中活性炭颗粒的粒径为5~8mm,硫磺颗粒的粒径为3~5mm;3BER工艺反应器仅使用活性炭颗粒作为填料.反应器承托层高度为0.1m,填料高度为0.96m.218334546791011图1试验装置示意Fig.1Schematiclayoutof3BER-Sand3BER1.直流电源;2.阳极;3.阴极;4.填料(3BER-S:颗粒活性炭+硫磺颗粒,3BER:颗粒活性炭);5.取样口;6.承托层(石英砂);7.布水板;8.出水口;9.反冲洗水管;10.蠕动泵;11.储水容器1.1.2分析仪器TOC和TN:TOC/TN分析仪(JenamultiN/C3100);pH:上海三信PHS-3CPH计;NO3--N、NO2--N和SO42-:Metrohm861离子色谱仪.11期孟成成等：3BER-S耦合脱氮系统运行特性研究28191.2试验用水采用CH3COONa、KNO3和KH2PO4人工配水,模拟城市污水厂尾水水质,TOC:N:P质量浓度比为10.7:10:1,其中C(NO3--N)=35±2mg/L.用1mol/L的盐酸和1mol/LNaOH溶液调节配水的pH,使pH值维持在7.0~7.5之间.1.3试验方法按照接种、挂膜和驯化的顺序启动3BER-S和3BER反应器,接种污泥取自北京某污水处理厂回流污泥,污泥浓度为5.25g/L,具体参考Hao[2]和李素梅等[10]提供的三维电极生物膜反应器启动方法.启动成功后,将3BER-S反应器和3BER反应器在相同条件下对比运行,维持反应器温度在15～18℃,电极间的电流为60mA,水力停留时间(HRT)为12h,NO3--N的浓度为35mg/L,TOC与TN的比值为1.07:1,同时检测出水水质变化情况,检测项目包括NO3--N、NO2--N、SO42-、pH值、TOC和TN.稳定运行一个月后,取3BER-S反应器中的生物膜,采用基于nirS基因的克隆文库分子生物学技术对生物膜中的反硝化细菌群落进行分析[11-12].2结果与分析2.1工作原理在以石墨为阳极的3BER-S反应器中,阳极主要发生碳的电解反应[2].阴极以产氢为主,阴极区的异养反硝化细菌、氢自养反硝化细菌和硫自养反硝化细菌分别以有机碳源、H2和单质硫为电子供体进行反硝化脱氮.阳极区发生的电化学反应:C+2