ANAMMOX富集与优化停曝比对MBRSNAD工艺的影响

中国环境科学2019,39(6)：2370~2377ChinaEnvironmentalScienceANAMMOX富集与优化停曝比对MBR-SNAD工艺的影响张凯1,张志华2,王朝朝3,李军1*,侯连刚1,梁东博1,丁凡1(1.北京工业大学建筑工程学院,城市污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室,北京100124；2.邢台医学高等专科学校,河北邢台054000；3.河北工程大学能源与环境工程学院,河北邯郸056038)摘要：采用膜生物反应器(MBR)研究了厌氧氨氧化细菌在富集过程中的活性变化,在启动全程自养脱氮(CANON)工艺中以恒定曝气量,通过优化停曝比实现氨氧化细菌(AerAOB)和厌氧氨氧化细菌(AnAOB)协同脱氮并且有效抑制亚硝酸盐氧化菌(NOB)的活性,然后添加有机物(乙酸钠)逐步启动同步亚硝化-厌氧氨氧化耦合异养反硝化(SNAD)工艺.结果表明,在厌氧氨氧化细菌富集过程中,通过不断缩短水力停留时间(HRT)提高进水氮负荷的方式强化厌氧氨氧化细菌活性,其平均活性由0.603mgN/(h·gVSS)提高到了8.1mgN/(h·gVSS);当恒定曝气量为50mL/min,停曝比为4:10(min:min)时,AerAOB和AnAOB对氨氮的去除量分别占总氨氮去除量的58.8%和41.2%,NOB氧化亚硝态氮的量占总硝态氮生成量的15.3%,成功抑制了NOB的活性;当C/N比为0.5,调整停曝比为4:15后,反硝化过程氮去除量占总氮去除率的20.9%,厌氧氨氧化过程氮去除量占总氮去除率的79.1%,实现了AerAOB、AnAOB和反硝化细菌(DNB)协同脱氮的目的.关键词：停曝比；同步亚硝化-厌氧氨氧化耦合异养反硝化(SNAD)；水力停留时间(HRT)；微生物活性；脱氮途径中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2019)06-2370-08EffectofANAMMOXenrichmentandoptimizationofnon-aeration/aerationratioinMBR-SNADprocess.ZHANGKai1,ZHANGZhi-hua2,WANGZhao-zhao3,LIJun1*,HOULian-gang1,LIANGDong-bo1,DINGFan1(1.NationalEngineeringLaboratoryofUrbanSewageAdvancedTreatmentandResourceUtilizationTechnology,TheCollegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China；2.XingtaiMedicalCollege,Xingtai054000,China；3.CollegeofEnergyandEnvironmentalEngineering,HebeiUniversityofEngineering,Handan056038,China).ChinaEnvironmentalScience,2019,39(6)：2370~2377Abstract：Theactivitychangesofanaerobicammonia-oxidizingbacteriaduringtheenrichmentprocesswasstudiedbasedonthemembranebioreactor(MBR).Completelyautotrophicnitrogenremovalovernitrite(CANON)processwasstartedupbyconstantaerationrate.Simultaneousdenitrificationofammoniaoxidizingbacteria(AerAOB)andanaerobicammoniaoxidizingbacteria(AnAOB)byoptimizingtheintermittentaerationandeffectivelyinhibitingtheactivityofnitriteoxidizingbacteria(NOB),thenthesimultaneousnitrification,anammoxanddenitrification(SNAD)processwasstartedupsuccessfullybyaddingthethecarbonsource(sodiumacetate).Theresultsshowedthatenhancedtheactivityofanaerobicammonia-oxidizingbacteriaduringtheenrichmentprocessofanaerobicammonia-oxidizingbacteriabycontinuouslyshorteningthehydraulicretentiontime(HRT)andincreasinginfluentnitrogenloading.Theaverageactivityoftheanaerobicammonia-oxidizingbacteriaincreasedfrom0.603mgN/(h·gVSS)to8.1mgN/(h·gVSS).Whentheconstantaerationratewas50mL/minandtheintermittentaeration(non-aerationtime:aerationtime,mim/min)was4:10,theremovalofammoniumbyAerAOBandAnAOBaccountedfor58.8%and41.2%ofthetotalammoniumremovalrespectively,andtheamountofnitritenitrogenoxidizedbyNOBaccountedfor15.3%ofthetotalnitratenitrogenproduction,successfullyinhibitingtheactivityofNOB.WhentheC/Nratiowas0.5andtheintermittentaerationwasadjustedto4:15,thenitrogenremovalrateinthedenitrificationprocessaccountedfor20.9%ofthetotalnitrogenremovalrate,andthenitrogenremovalrateintheanaerobicammoniaoxidationprocessaccountedfor79.1%ofthetotalnitrogenremovalrate.ThepurposeofsynergisticdenitrificationofAerAOB,AnAOBanddenitrifyingbacteria(DNB)wasachievedfinally.Keywords：non-aeration/aerationratio；SNAD；hydraulicretentiontime(HRT)；microbialactivity；denitrificationpathway厌氧氨氧化(ANAMMOX)生物脱氮技术是厌氧氨氧化菌以NO2--N与NH4+-N为底物基质反应转换为N2和NO3--N的过程,然而厌氧氨氧化只能去除90%以氨和亚硝酸形式存在的氮,仍有10%的氮转化为NO3--N,不能被去除[1].近年来,研究发现,厌氧氨氧化菌与反硝化菌能共存于同一反应器中收稿日期：2018-11-06基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07103-001);北京工业大学研究生科技基金(ykj-2018-00400)*责任作者,教授,[e-mail]6期张凯等：ANAMMOX富集与优化停曝比对MBR-SNAD工艺的影响2371并形成一定的协同作用,由于反硝化过程中会消耗有机物进而减轻有机物对厌氧氨氧化菌的抑制作用,同时在消耗NO3--N的同时,会促进厌氧氨氧化反应的正向反应[2].在单级反应器内实现同步亚硝化、厌氧氨氧化耦合异养反硝化(SNAD)成为提高低C/N比污水脱氮效能的一种有效方法[3-4],SNAD工艺能够有效解决厌氧氨氧化活性受到反应器内溶解氧以及有机物的影响[5-6].SNAD工艺是指在单级反应器内同步实现短程硝化、厌氧氨氧化自养脱氮以及异养反硝化脱氮的耦合过程.此外,具有异养反硝化代谢功能的厌氧氨氧化菌[7]与具有厌氧氨氧化代谢功能的反硝化菌[8]的发现,也为厌氧氨氧化与反硝化的耦合提供了微生物学依据.近来,MBR反应器在自养脱氮工艺的启动方面受到广泛关注,由于MBR反应器依靠膜组件的高效分离作用实现生物量完全截留,适宜培养生长缓慢的AnAOB,且培养的AnAOB活性较高[9].Hendrickx等[10]采用MBR反应器在低温条件下(10℃)成功实现了AnAOB(以CandidatusBrocadiafulgida为主的菌种)的富集;Wang等[11]在低温条件下(进水温度1~10℃)采用MBR反应器成功启动了CANON工艺,MBR反应器有利于实现AnAOB的富集以及与AerAOB的耦合.王琳等[12]研究发现厌/好氧时间为20/40min时,短程硝化能力最强,间歇曝气的厌氧阶段能够强化AerAOB的活性表达;蔡庆等[13]采用交替限氧-厌氧和低充放比(30%)运行模式,成功实现短程硝化和自养脱氮的过程,因此曝停比和溶解氧对短程硝化和自养脱氮具有较大影响.本研究采用MBR作为启动SNAD过程的反应器,通过缩短HRT增大进水氮负荷的策略强化富集厌氧氨氧化菌,以恒定曝气量为基础,优化CANON过程中的停曝比,实现AerAOB和AnAOB耦合的完全自养脱氮过程,同时淘汰亚硝酸盐氧化菌(NOB),添加有机物逐步实现SNAD的耦合脱氮除碳工艺,分析在不同阶段功能菌的活性和脱氮功能菌的脱氮途径及其脱氮贡献率.1材料与方法1.1实验装置及运行条件采用MBR作为启动SNAD工艺的反应器.MBR反应器由有机玻璃制成,在圆柱形反应器外套有水浴,反应器内径17cm,水浴夹层6cm,在反应器内设置有2个搅拌器,在反应器侧壁设置3个出水口,高度分别为H1=29cm;H2=36cm;H3=58cm,有效容积分别为V1=26.3L;V2=32.6L;V3=53.3L,本实验采用有效容积为32.6L,反应器内设置中空纤维膜组件,膜丝外径3mm,有效过滤面积0.519m2,膜组件最大长度33cm;高20cm,膜孔径0.03μm,在反应器底部设置曝气盘,通过气体流量计控制曝气量恒定为50mL/min,反应器主体由黑色塑料包裹避光,水浴套筒使反应器内部温度恒定在(30±2)℃左右.具体运行条件见表1所示.表1各阶段运行参数Table1Operatingparametersofeachstage实验过程阶段时间(d)停曝比(min/min)NH4+-N(mg/L)NO2--N(mg/L)C/N厌氧氨氧化污泥富集过程Ⅰ1~18871.492.9Ⅱ190~2064:10201.0102.9Ⅲ208~2202:10197.161.4Ⅳ222~2342:20187.023.0Ⅴ236~2724:15192.621.6CANON启动运行过程Ⅵ274~3404:10200.321.6Ⅶ342~3804:15187.519.80.5SNAD启动运行过程Ⅷ382~4224:15198.821.30.51.2实验用水及接种污泥实验用水采用人工合成污水,主要成分含有NH4Cl、NaNO2、乙酸钠、NaHCO3、KH2PO4、MgSO4·7H2O、CaCl2·2H2O、FeSO4;接种污泥为厌氧氨氧化絮状污泥,MLSS浓度为2530mg/L;微量元素Ⅰ(g/L)