SBR法常低温下生活污水短程硝化的实现及特性

中国环境科学2009,29(9)：935~940ChinaEnvironmentalScienceSBR法常、低温下生活污水短程硝化的实现及特性郑雅楠1,滝川哲夫2,郭建华3,王淑莹1,黄惠珺1,王中玮1,彭永臻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.前桥工科大学,日本前桥371-0816；3.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨150090)摘要：采用序批式反应器(SBR)处理实际生活污水,通过实时控制好氧曝气时间,在常温下快速实现短程硝化,并在低温下长期维持稳定的短程硝化.结果表明,随着温度逐渐降低,比氨氧化速率略微减缓,27℃的平均比氨氧化速率是13℃时的1.68倍,但亚硝化积累率始终维持在90%以上,该温度区间内氨氧化反应的温度系数为1.051.通过荧光原位杂交(FISH)技术对低温下维持稳定短程硝化的污泥进行种群分析发现,实时控制策略为氨氧化菌(AOB)成为优势硝化菌群创造了有利条件,AOB的相对百分含量达到8%~9%,而亚硝酸盐氧化菌(NOB)逐渐被淘洗出反应器.在低温下要实现短程硝化,可首先在常温下利用好氧曝气时间实时控制实现亚硝态氮的积累和AOB的优势生长,然后通过逐渐降温使AOB适应在低温下生长.关键词：SBR；短程硝化；氨氮化菌(AOB)；实时控制；荧光原位杂交技术(FISH)；生物脱氮中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2009)09-0935-06PartialnitrificationvianitriteatordinaryandlowtemperaturesinanSBRtreatingdomesticwastewater.ZHENGYa-nan1,AKIOTakigawa2,GUOJian-hua3,WANGShu-ying1,HUANGHui-jun1,WANGZhong-wei1,PENGYong-zhen1*(1.BeijingKeyLaboratoryofWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecovery,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China；2.MaebashiInstituteofTechnology,Kamisatory-cho,MaebashiGunma371-0816,Japan；3.SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China).ChinaEnvironmentalScience,2009,29(9)：935~940Abstract：Throughreal-timeaerationdurationcontrol,partialnitrificationwascarriedoutinalab-scaleSBRatnormaltemperaturesandmaintainedforalongtimeevenatlowtemperatures.Thespecificammoniaoxidationratewouldbereducedwithdecreaseofthetemperature.Theaveragespecificammoniaoxidationrateat27℃was1.68timesofthatat13℃.Thetemperaturecoefficientofammoniaoxidationreactioninthereactorwasascertained1.501accordingtotheArrheniusexpression.Whennitriteaccumulationratiowassteadilykeptover90%,fluorescenceinsituhybridization(FISH)wasusedtodetectthesludgepopulationstructure,whichshowedtheproportionoftheammonia-oxidizingbacteria(AOB)andnitrite-oxidizingbacteria(NOB)was8%~9%andlowerthan0.5%,respectively.Thereal-timecontrolstrategyhadapositiveeffectontheenrichmentofAOBandthelimitationorwash-outofNOB.Anadvisablestartupstrategytooperateapartialnitrificationsystematlowtemperaturescouldhavetwosteps,obtainingfirstlytheselectiveenrichmentofAOBaswellasthewashoutofNOBbyreal-timeaerationdurationcontrolunderordinarytemperatures,andthenmakingthebiomassslowlyadapttolowtemperatures.Keywords：sequencingbatchreactor(SBR)；short-cutnitrification；ammonia-oxidizingbacteria(AOB)；real-timecontrol；fluorescenceinsituhybridization(FISH)；biologicalnitrogenremoval短程脱氮较之于全程脱氮在硝化阶段可节约25%的曝气量,在反硝化阶段可节约40%的有机碳源(以甲醇计)[1],因此成为目前污水生物脱氮技术研究的热点.短程脱氮得以实现和稳定维持的关键,是将硝化过程终止于NO2--N阶段,即短程硝化.利用氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)在生理特性上的差异,已经形成了诸多实现短程硝化的控制策略,主要包括高温、低溶解氧(DO)、高游离氨抑制、实时控制等[2-4].收稿日期：2009-01-07基金项目：国家“863”项目(2006AA06Z319);国家自然科学基金资助项目(50778005)*责任作者,教授,[e-mail]936中国环境科学29卷升温可有效提高AOB和NOB的生长速率[5-6],因此高温被视为实现和维持稳定短程硝化的重要条件[7-8].将生活污水加热到较高温度需要消耗相当数量的能源,对于大型污水处理厂,具体实施的难度以及增加的能耗均不容轻视.因此,探求在常、低温条件下实现并维持稳定短程硝化的方法,建立相应的控制策略,对于短程硝化脱氮工艺广泛应用于工程实践具有重要意义.本课题组通过前期研究建立了采用实时控制实现短程硝化的方法[3,9-12].本研究采用SBR反应器处理实际生活污水,对好氧阶段的曝气时间进行实时控制,在常温条件下(20~25℃)实现短程硝化,并于低温条件下(13~19℃)维持稳定短程硝化,同时考察了常、低温条件下生活污水短程硝化特性.此外,利用荧光原位杂交技术(FISH),考察了污泥中硝化细菌(包括AOB和NOB)种群结构的演变,为短程硝化的实现和维持提供微生物层面的佐证.1材料与方法1.1进水水质和污泥采用实际生活污水,每天从某高校家属区化粪池抽取生活污水到贮水箱,进水pH值7.0~7.8,其余水质指标为(mg/L):COD160~320,NH4+-N40~80,NO2--N0.04~0.26,NO3--N0.12~1.08,TN50~100,碱度(CaCO3)280~400.SBR接种的污泥来自运行的A/O小试反应器,该反应器虽然长期在低DO下运行,但属于全程硝化,出水硝化产物以NO3--N为主,NO2--N基本检测不到.1.2SBR反应器SBR反应器装置如图1所示.反应器由有机玻璃制成,上部为圆柱形,底部呈圆锥体,高45cm,直径20cm,总有效容积10L.在反应器壁上的垂直方向设置一排间距10cm的取样口,用以取样和排水;底部设有排泥管;以黏砂块作为微孔曝气器,采用鼓风曝气,转子流量计调节曝气量;用温度传感器在线监测反应器内水温的变化.温度传感器气体流量计气泵搅拌器曝气头污泥排放口pH值、DO测定仪ORP测定仪图1SBR装置示意Fig.1Schematicdiagramofthelab-scaleSBR1.3分析方法CODCr、NO2--N、NO3--N、NH4+-N、MLSS采用标准方法测定[13],pH值、DO值采用WTWMulti340i在线测定,ORP采用WTWpH730在线测定.1.4分子荧光原位杂交技术按照Amann等[14]的操作方法进行FISH分析.采用4%多聚甲醛(PFA),4℃条件下对污泥样品固定2h.对固定后的污泥样品超声分散4min,将样品滴加在明胶包被过的载玻片上,于空气中干燥后先后浸泡于50%、80%和98%的乙醇溶液中脱水,每次3min.杂交缓冲液组成包括0.9mol/LNaCl、20mmol/LTris-HCl、0.01%SDS、甲酰胺,浓度见表1,pH7.2.将荧光标记的寡核苷酸探针溶解于杂交缓冲液中,在46℃下与污泥样品杂交2h.采用的寡核苷探针列于表1.杂交结束后,采用50mL洗脱缓冲液(表2)在48℃下洗脱15min.在干燥后的样品上滴加抗荧光衰减剂,采用OLYMPUSBX-52荧光显微镜对每个污泥样品拍摄照片,随机挑选至少20组照片,用Imageplus-pro6.0软件对种群数量进行定量分析.9期郑雅楠等：SBR法常、低温下生活污水短程硝化的实现及特性937表1FISH分析中采用的寡核苷酸探针Table116SrRNA-targetedoligonucleotideprobesused探针甲酰胺(%)荧光染料目标菌EUBmixFITCAlmostallEubacteriaNSO19055Cy3β-ProteobacteriaAOBNIT340Cy3NitrobacteriaNstpa66235Cy3Nitrospira注:EUBmix由EUB338、EUB338II、EUB338III按1:1:1比例混合而成;EUBmix杂交所需的甲酰胺浓度未特别限定,采用目标探针杂交所需的甲酰胺浓度表2FISH分析中采用的洗脱缓冲液Table2Elutionbuffersolution甲酰胺浓度(%)NaCl(g)1.0%SDS溶液(mL)100mmol/LTris-HCl溶液(mL)550.0590.510400.0720.510350.1160.510注:洗脱缓冲液中甲酰胺的浓度根据杂交缓冲液采用的甲酰胺浓度来确定;采用灭菌Mill-Q水将洗脱缓冲液补充至50mL2结果与讨论2.1常温下短程硝化的实现反应器启动阶段,水温25~27℃.采取恒定曝气量(1L/min),对曝气时间进行实时控制.每周期瞬时进水5L,硝化反应完成后,进行污泥沉淀,排出上清液5L.运行13个周期,NO2--N积累率[NO2--N/(NO2--N+NO3--N)%]即达到93.7%.第17周期进水过程中不慎流失泥水混合物2L,待反应结束后,第18周期补充原种泥1L,该周期NO2--N积累率降低至56.2%.运行至第23周期,积累率再次达到93.9%,直到第90周期均维持在85%以上,表明常温下短程硝化已成功实现.常温下实现短程硝化后,某典型周期内短程硝化效果及在线参数变化规律见图2.在好氧曝气进行至30min时,有机物基本降解完全.由图2可见,反应开始的前30min内,氨氮浓度变化不大,至227min反应结束时,氨氮消耗殆尽,基本检测不到;NO2--N浓度从反应开始时的0.19mg/L积累至21.04mg/L;NO3--N浓度从反应开始时的0.48mg/L增加至3.50mg/L,NO2--N积累率达到88.2%.从好氧曝气过程开