MUCT工艺处理生活污水短程脱氮的实现及硝化菌群动态变化曾薇

2016年6月CIESCJournalJune2016第67卷第6期化工学报Vol.67No.6DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151853MUCT工艺处理生活污水短程脱氮的实现及硝化菌群动态变化曾薇，张洁，纪兆华，王安其，彭永臻（北京工业大学环境与能源工程学院，北京100124）摘要：采用连续流MUCT工艺处理实际生活污水，研究短程生物脱氮的实现，并采用实时荧光定量PCR方法（quantitativerealtimePCR，QPCR）分析全程脱氮向短程脱氮转变过程中氨氧化细菌（ammonia-oxidizingbacteria，AOB）和亚硝酸盐氧化菌（nitrite-oxidizingbacteria，NOB）的动态变化。通过降低溶解氧浓度为0.5mg·L−1和缩短水力停留时间为6h，实现短程硝化，亚硝酸盐积累率达到90%。在短程硝化稳定运行阶段总氮去除率高达90%以上，远远大于全程阶段的74%。QPCR结果表明全程脱氮阶段水力停留时间的缩短使AOB细胞数呈现下降的趋势，NOB细胞总数稳定维持在108cells·(gdriedsludge)−1。短程脱氮阶段，AOB细胞数小幅度上升，由3.17×106cells·(gdriedsludge)−1增长到1.32×107cells·(gdriedsludge)−1，同时AOB占全菌的比例也小幅度增长。NOB的细胞数在5.9×107～1.78×108cells·(gdriedsludge)−1之间波动。NOB占全菌的比例由1.44%下降到0.47%。因此，MUCT工艺处理实际生活污水的系统中NOB丰度降低及活性抑制是实现并维持短程生物脱氮的重要原因。短程脱氮运行期间由于控制低溶解氧浓度和短的水力停留时间，AOB丰度及相对含量没有显著增加，甚至下降，但不会影响氨氮和总氮的去除。关键词：生活污水；氨氧化细菌；亚硝酸盐氧化菌；短程脱氮；全程脱氮；实时荧光定量PCR中图分类号：X703.1文献标志码：A文章编号：0438—1157（2016）06—2533—09Shortcutnitrification-denitrificationandpopulationdynamicsofnitrifyingbacteriainMUCTprocesstreatingdomesticwastewaterZENGWei,ZHANGJie,JIZhaohua,WANGAnqi,PENGYongzhen(CollegeofEnvironmentalandEnergyEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)Abstract:Shortcutnitrification-denitrificationandpopulationdynamicsofammoniaoxidizingbacteria(AOB)andnitriteoxidizingbacteria(NOB)wereinvestigatedinacontinuousflowMUCTreactortreatingrealdomesticwastewater.Shortcutnitrification-denitrificationwasachievedbycontrollinglowdissolvedoxygen(DO)concentrationof0.5mg·L−1andshorthydraulicretentiontime(HRT)of6h.Nitriteaccumulationratiosreachedabove90%.TNremovalinthephaseofshortcutnitrification-denitrificationwasupto90%,farhigherthancompletenitrificationwith74%ofTNremoval.TheresultsofquantitativerealtimePCR(QPCR)indicatedthatduringcompletenitrification-denitrificationAOBabundanceexhibitedadeclinetendency,decreasingfrom1.69×109cells·(gdriedsludge)−1to3.76×107cells·(gdriedsludge)−1,andNOBabundancemaintainedat108cells·(gdriedsludge)−1.Duringshortcutnitrification-denitrification,theabundanceofAOBslightlyincreasedfrom3.17×106cells·(gdriedsludge)−1to1.32×107cells·(gdriedsludge)−1accompaniedwithaslightincreaseofratioofAOBtototalbacteria.TheabundanceofNOBfluctuatedinarangeof5.9×107—1.78×108cells·(gdried2015-12-08收到初稿，2016-02-24收到修改稿。联系人及第一作者：曾薇（1974—），女，教授。基金项目：国家自然科学基金项目（51278007，51578016）；国家高技术研究发展计划项目（2012AA063406）。Receiveddate:2015-12-08.Correspondingauthor:Prof.ZENGWei,[e-mail]:supportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(51278007,51578016)andtheNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentProgramofChina(2012AA063406).化工学报第67卷·2534·sludge)−1.TheratioofNOBtototalbacteriadroppedfrom1.44%to0.47%.Therefore,theabundancedecreaseandbioactivitiesinhibitionofNOBweretheimportantfactorstoachieveshortcutnitrification-denitrificationinMUCTprocesstreatingrealdomesticwastewater.Duringshortcutnitrification-denitrificationduetolowDOconcentrationandshortHRT,AOBabundanceandtheirrelativedistributiondidnotincrease,evendescended.Butthatdidnotinfluencetheremovalofammoniaandtotalnitrogen.Keywords:domesticwastewater;ammoniaoxidizingbacteria;nitriteoxidizingbacteria;shortcutnitrification-denitrification;completenitrification-denitrification;realtimequantitativePCR引言生物脱氮由于经济、高效的特点被广泛应用于污水处理过程中。污水生物脱氮包括硝化过程和反硝化过程[1]。其中硝化过程又包括两个阶段，4NH-N+被氧化为2NO-N−的亚硝化阶段，以及2NO-N−被氧化为3NO-N−的硝化阶段。氨氧化细菌（ammoniumoxidizingbacteria，AOB）是亚硝化阶段的重要功能微生物[2]，其活性及其数量决定了4NH-N+的去除效果。亚硝酸盐氧化细菌（nitriteoxidizingbacteria，NOB）则是继续氧化2NO-N−的重要菌群。短程生物脱氮是将硝化反应控制在亚硝化阶段，获得稳定的亚硝酸盐积累，然后将2NO-N−还原为氮气[1]。与传统生物脱氮相比，短程脱氮由于反应历程的缩短，在理论上可减少25%硝化需氧量、40%反硝化碳源、50%污泥产量和反硝化池容积[3]。对于低C/N比城市生活污水处理，短程脱氮技术（short-cutnitrificationanddenitrification）具有更强的实用价值。有研究表明，DO浓度[4-6]、pH[7]、污泥停留时间（sludgeretentiontime，SRT）[8-9]、水力停留时间（hydraulicretentiontime，HRT）[10]、游离氨（FA）和游离亚硝酸（FNA）浓度[11-13]会影响AOB和NOB的活性或者相对增长速率。因此通过适当调控反应条件，使系统中AOB的相对生长速率或活性高于NOB，从而实现短程脱氮，达到节省能耗的目的。目前关于短程硝化反硝化的研究多集中于特殊种类的工业废水或人工配水，关于城市污水短程脱氮的研究较少，而且以易于运行调控的间歇式SBR系统为主。大规模城市污水处理以连续流工艺为主，其调控手段非常有限，与间歇式SBR完全不同[14]。目前A2O、MUCT等连续流工艺是城市污水处理厂广泛采用的工艺。本研究的目的是通过运行条件的调控，在处理实际生活污水的连续流系统中实现全程脱氮向短程脱氮的转化，并分析短程脱氮实现的机理。1材料与方法1.1实验装置本研究采用MUCT工艺，MUCT工艺实验装图1MUCT工艺实验装置Fig.1SchematicdiagramofMUCTprocess1—wastewater;2—pump;3—influent;4—mixer;5—anaerobiczone;6—firstanoxiczone;7—secondanoxiczone;8—aerobiczone;9—airpump;10—airflowmeter;11—DOprobe;12—airdiffuser;13—valve;14—settler;15—effluent;16—sludgerecycle;17—anoxicrecycle;18—nitrificationrecycle;19—wastesludge第6期曾薇等：MUCT工艺处理生活污水短程脱氮的实现及硝化菌群动态变化·2535·置如图1所示，反应区域由合建式的主反应区和二沉池组成。主反应区容积63.5L，二沉池有效容积24L。主反应区分为7个格室，其中第1个格室为厌氧区，第2个格室为缺氧一区，第3、4个格室为缺氧二区，第5～7个格室为好氧区。厌氧区、缺氧一区、缺氧二区、好氧区体积比1:1:2:3。厌氧区、缺氧一区、缺氧二区、好氧区都是通过溢流口溢流到下一个区域。上述4个区域都是通过机械搅拌器使泥水混合均匀，好氧区通过微孔曝气器提供氧气。原水进入厌氧区，二沉池污泥回流到缺氧一区，回流比为R1，目的是通过缺氧反硝化去除掉大量的硝态氮及亚硝态氮，保证厌氧区严格的厌氧环境。缺氧一区混合液回流到厌氧区，回流比为R2。硝化液从好氧区最后一个格室回流到缺氧二区第1个格室，回流比为R3。实验期间反应器的进水流量、各个回流比均由蠕动泵控制。污泥停留时间（SRT）控制在30d±5d，污泥浓度控制在（4000±500）mg·L−1。1.2实验水质和接种污泥实验用水取自于北京工业大学西校区家属院化粪池生活污水，经过实验室外沉淀池沉淀后进入实验室的原水箱作为反应器的进水。各项水质指标见表1。接种污泥取自北京市某城市污水处理厂二沉池回流污泥，有较好的脱氮除磷能力，属全程硝化污泥，硝化性能良好。1.3水质检测方法水样经0.45μm中性滤纸过滤后，COD、4NH-N+、2NO-N−、3NO-N−和34PO-P−按照国家环保