SNAD反应器中颗粒污泥和絮体污泥脱氮特性

中国环境科学2015,35(10)：2996~3002ChinaEnvironmentalScienceSNAD反应器中颗粒污泥和絮体污泥脱氮特性郑照明,杨函青,马静,赵白航,陈光辉,李军*(北京工业大学水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室,北京100124)摘要：通过血清瓶批试研究了温度为30℃时,SNAD(simultaneouspartialnitrification,anaerobicammoniumoxidizationanddenitrification)反应器内的颗粒污泥R1(1~2.5mm)和絮体污泥R2(0~0.25mm)的脱氮特性.结果表明,颗粒污泥的好氧氨氮和好氧亚硝态氮氧化活性分别为0.166,0kgN/(kgVSS⋅d).厌氧氨氧化、亚硝态氮反硝化、硝态氮反硝化总氮去除速率分别为0.158,0.105,0.094kgN/(kgVSS⋅d).絮体污泥的好氧氨氮氧化活性和好氧亚硝态氮氧化活性分别为0.180,0kgN/(kgVSS⋅d).厌氧氨氧化、亚硝态氮反硝化、硝态氮反硝化总氮去除速率分别为0.026,0.096,0.108kgN/(kgVSS⋅d).颗粒污泥和絮体污泥都具有良好的亚硝化性能和反硝化性能.颗粒污泥的厌氧氨氧化性能良好,絮体污泥的厌氧氨氧化性能较差.扫描电镜显示,在SNAD颗粒污泥的表面主要是一些短杆菌和球状菌.在SNAD颗粒污泥中心区域主要为火山口状细菌.在絮体污泥中,同时存在短杆菌,球状菌和火山口状细菌.关键词：厌氧氨氧化；亚硝化；反硝化；颗粒污泥；絮体污泥中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2015)10-2996-07ThenitrogenremovalperformanceofgranulesandflocsinSNADreactor.ZHENGZhao-ming,YANGHan-qing,MAJing,ZHAOBai-hang,CHENGuang-hui,LIJun*(KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China).ChinaEnvironmentalScience,2015,35(10)：2996~3002Abstract：ThenitrogenremovalperformanceofgranulesR1(1~2.5mm)andflocsR2(0~0.25mm)retrievedfromSNAD(simultaneouspartialnitrification,anaerobicammoniumoxidizationanddenitrification)reactorwasinvestigatedbyserumbottlebatchtestsunder30℃.Tothegranules,theaerobicammoniumandaerobicnitriteoxidationactivitywere0.166and0kgN/(kgVSS⋅d),respectively.Thespecificanammoxactivity,denitrificationactivityovernitrite,denitrificationactivityovernitratewere0.158,0.105,0.094kgN/(kgVSS⋅d),respectively.Totheflocs,theaerobicammoniumandaerobicnitriteoxidationactivitywere0.180and0kgN/(kgVSS⋅d),respectively.Thespecificanammoxactivity,denitrificationactivityovernitrite,denitrificationactivityovernitratewere0.026,0.096,0.108kgN/(kgVSS⋅d),respectively.Bothgranulesandflocsexhibitedgoodpartialnitrificationactivityanddenitrificationactivity.Thespecificanammoxactivityofgranuleswasobviouswhiletheflocsshowedlittlespecificanammoxactivity.TheSEMindicatedthatthebacteriaintheouterpartoftheSNADgranuleweremainlyshortrod-shapedandspherical.IntheinnerpartoftheSNADgranule,thebacteriaweremainlycrater-shaped.Inflocs,thebacteriaweremainlyshortrod-shaped,sphericalandcrater-shaped.Keywords：anammox；nitritation；denitrification；granules；flocssludge传统生物脱氮通常采用硝化和反硝化工艺.为了保证反硝化的充分进行,需要额外投加有机碳源,不仅增加运行成本,还会导致污泥产量增加.短程硝化反硝化工艺可以减少25%的曝气量和40%的碳源[1].厌氧氨氧化菌能够在厌氧条件下将NH4+-N和NO2--N转化为氮气,无需有机碳源[2-3].SNAD工艺是指控制合适的条件,使亚硝化菌,厌氧氨氧化菌,反硝化菌在一个反应器中共存,实现总氮的高效去除.陈慧慧等[4]采用人工配水,温度控制为35℃,在生物转盘反应器内实现了SNAD工艺.徐峥勇等[5]采用间歇曝气的方收稿日期：2015-03-07基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2014ZX07201-011);北京市自然科学基金资助项目(8122005);国家自然科学基金青年基金(51308010);北京市教委面上项目(KM201210005028)*责任作者,教授,[e-mail]10期郑照明等：SNAD反应器中颗粒污泥和絮体污泥脱氮特性2997式,控制温度为30℃,在SBR反应器中启动了处理垃圾渗滤液的SNAD工艺.但是,针对城市生活污水开展的SNAD工艺研究鲜有报道.本课题组在SBR反应器中控制温度为30℃,实现了处理城市生活污水的SNAD颗粒污泥工艺[6].厌氧氨氧化菌生长缓慢,倍增时间长达11d[7],采用颗粒污泥工艺有助于提高反应器对微生物的持流能力,保证反应器的稳定运行[8].刘常敬等[9]的研究表明,以anammox颗粒污泥为核心的UASB反应器可以抵抗苯酚的毒性,实现厌氧氨氧化和反硝化的耦合脱氮.厌氧氨氧化菌对氧气非常敏感[10],颗粒污泥粒径对溶解氧的传质影响很大[11-12],可以缓解氧气对厌氧氨氧化菌的抑制.但是絮体污泥具有更好的传质效率和更大的比表面积,更有利于物质的交换[13].明确颗粒污泥和絮体污泥在SNAD反应器中的脱氮特性对于SNAD反应器的优化运行具有重要的意义.本实验采用筛网对SNAD反应器内的污泥进行筛选,得到颗粒污泥(1~2.5mm)和絮体污泥(0~0.25mm),研究颗粒污泥和絮体污泥的脱氮特性,从而为SNAD工艺的工程应用提供指导作用.1材料与方法1.1SNAD污泥与进水SNAD反应器的运行情况参照文献[6].经过74d,反应器表现出良好的脱氮性能,在第75d,从反应器中取出污泥进行污泥特性研究.SNAD颗粒污泥表面为一些灰色絮体,颗粒污泥内部为鲜红色.SNAD反应器进水为北京工业大学家属区生活污水,试验阶段主要水质指标如下:CODCr200~300mg/L;NH4+-N60~80mg/L;NO2--N1mg/L;NO3--N1mg/L;TOC50~60mg/L;TN100~140mg/L;pH为7.5~8.0;碱度300~400mg/L.1.2SNAD污泥反应器运行工况SNAD反应器采用SBR形式,装置如图1所示.反应器为圆柱形结构,高62cm,直径38cm,总体积为90L,有效容积为70.3L;在底部设置曝气盘,采用转子流量计调节曝气量;反应器中安装搅拌器(转速200r/min)来进行混合,以加强传质效果;采用温度控制箱在线监测并控制反应器内水温;排水口设置在底部以上20cm处,排水比为67.7%;SNAD反应器运行条件为:控制反应器内温度为30℃,曝气量为40L/h,周期内溶解氧为0.15~1.4mg/L,pH值不控制,控制反应周期为9h,每个周期包括进水(5min),曝气(528min),沉淀(6min),排水(6min).反应器的进水总氮负荷为0.14kgN/(m3⋅d),总氮去除负荷为0.11kgN/(m3⋅d).1391234567810121411图1SBR反应器示意Fig.1TheschematicdiagramofSBRreactor1-进水水箱;2-进水泵;3-温度探头;4-pH探头;5-溶解氧探头;6-曝气盘;7-搅拌装置;8-加热棒;9-控制系统;10-取样口;11-曝气泵;12-SBR反应器;13-进水管;14-排水管1.3分析方法NH4+-N:纳氏试剂光度法;NO2--N:N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;NO3--N:麝香草酚分光光度法;MLSS、MLVSS:重量法;DO、温度:WTW/Multi3420测定仪;扫描电镜:HitachiS-4300扫描电子显微镜;数码照片:iPhone5;扫描电镜(SEM)样品制备主要步骤:固定、冲洗、脱水、置换、干燥、粘样、镀膜.取出少量颗粒污泥,清洗2~3次后,经2.5%戊二醛固定1.5h,使用PBS清洗3遍,随后经体积分数分别为50%,70%,80%,90%和100%的乙醇进行梯度脱水,每次脱水10~15min,然后用乙酸异戊酯置换,置换后的样品于37℃干燥.干燥后,在样品表面镀上一层厚度为1500nm的金属膜,使用HitachiS−4300型扫描电镜对样品进行观察.1.4批试实验2998中国环境科学35卷1.4.1批试污泥从SNAD反应器取出污泥,于烧杯中静置沉淀,倒去上清液,加入自来水搅拌均匀,静置沉淀倒去上清液,重复3次以去除污泥中的残留基质,然后采用不锈钢筛网过滤得到颗粒污泥R1(1~2.5mm)和絮体污泥R2(0~0.25mm).絮体污泥4000r/min离心2min,取离心后的浓缩絮体污泥进行批试活性测定.1.4.2批试试验水质试验采用人工配水,主要氮素成分为NH4Cl,NaNO2,KNO3,碳源为乙酸钠,碱度采用NaHCO3调节.各脱氮活性测定时的配水组分见表1.表1脱氮活性测定时的主要配水组分(mg/L)Table1Thesyntheticwastewaterusedformeasuringnitrogenremovalperformance(mg/L)活性测定指标厌氧氨氧化亚硝态氮反硝化硝态氮反硝化好氧氨氮氧化好氧亚硝态氮氧化NH4+-N6000700NO2--N80700070NO3--N005000乙酸钠048234400NaHCO300084001.4.3批试试验装置和程序批试试验采用500mL血清瓶.污泥浓度的确定:用分析天平称取20g左右湿污泥,将污泥和模拟配水一起放入有效容积为500mL血清瓶中.同时取5g左右湿污泥用滤纸包好,经烘箱和马弗炉处理,烘干时间及温度同常规污泥浓度测量条件相同,得到干物质/湿泥、挥发性物质/湿泥的比值,然后反算血清瓶中相应的MLSS,MLVSS.厌氧氨氧化活性数值的测定方法参照文献[14-15],为了保证颗粒污泥的厌氧氨氧化活性,进行如下操作:配置泥水混合液;启动恒温磁力搅拌器,转速为200r/min,盖紧瓶塞,通氮气30min(氮气纯