不同DO下SBBR亚硝酸型同步脱氮及N2O释放特性巩有奎

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20181333不同DO下SBBR亚硝酸型同步脱氮及N2O释放特性巩有奎1,2任丽芳1彭永臻2烟台职业学院建筑工程系，山东，烟台，264000；北京工业大学城镇污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室，北京，100124）摘要：在(20±2.0)oC条件下，以实际生活污水为处理对象，以碳纤维为填料（填充率35%），利用序批式生物膜（sequencingbatchbiofilmreactor，SBBR）反应器，通过限氧曝气，成功实现了亚硝酸型同步生物脱氮（simultaneousnitrificationanddenitrification，SND）过程。荧光原位杂交技术（fluorescencein-situhybridization，FISH）半定量表明，氨氧化菌（ammoniaoxidizingbacteria,AOB）是硝化系统中的优势菌种。微生物将外碳源以聚β–羟基烷酸酯(poly-β-hydroxyalkanoate，PHA)的形式储存在体内，作为后续反硝化过程所需内碳源。DO=0.5mg/L，SBBR系统NH4+-N和TN去除率分别98%和80.47%，SND效率达77.9%。出水NOx--N小于10mg/L，且以NO2--N为主。DO=2.0、1.2和0.5mg/L时，系统N2O释放量分别为1.38、2.39和1.65mg/L。AOB的好氧反硝化过程和低氧条件下以PHA作为内碳源的NOx--N反硝化过程，都会导致N2O释放。低DO水平是实现亚硝酸型同步脱氮过程和降低N2O释放的关键因素。低DO促进了AOB的竞争优势，形成了良好的缺氧微环境，降低了COD降解速率，为反硝化过程提供外碳源作为电子供体，从而降低了N2O释放量。关键词：亚硝酸型同步硝化反硝化；溶解氧；N2O；PHA中图分类号：X703.1CharactericsofsimultaneousnitrificationanddenitrificationvianitriteandN2OemissionininSBBRunderdifferentDOconcentrationsGONGYoukui1,2,RENLifang1,PENGYongzhen2(1.Departmentofarchitectureengineering,YantaiVocationalCollege,YantaiShandong,264000,NationalEngineeringLaboratoryforAdvancedMunicipalWastewaterTreatmentandReuseTechnology,Beijing100124)Abstract:Atnormaltemperatureof(20±2.0)oC,usingactualdomesticwastewaterasinfluentsubstrateandcarbonfibreasbiologicalcarriers(fillingrate35%),thesimultaneousnitrificationanddenitrificationvianitritewasachievedinasequencingbatchbiofilmreactorunderlimitedDOconcentrations.Theresultsoffluorescencein-situhybridization(FISH)demonstratedthattheammoniaoxidizingbacteria(AOB)becamethedominantspeciesinthenitrificationprocessunderlimitedDOconcentration.Duringtheanoxicandtheinitialaerobicprocess,theexternalCODwastakenupandconvertedtopolyhydroxyalkanoate(PHA),whichcanbeusedasinternalcarbonsourcesforthefollowingdenitrification.DO=0.5mg/L,theNH4+-Nremoval,TNremovalandsimultaneousnitrificationanddenitrificationefficiencywasmorethan95%,80.4%and77.9%,respectively.TheconcentrationofNOx--Nintheeffluentwaslessthan10mg/LandmainlyintheformofNO2--N.WhentheDOconcentrationwascontrolledat2.0,1.2and0.5mg/L,theN2Oemissionwas1.38,2.39and1.65mg/L,respectively.BoththeaerobicdenitrificationprocessofAOBandthedenitrificationofNOx--NwithPHAascarbonsourceatthepresenceofloweroxygencanleadtothereleaseofN2O.ThelongtimeoflowerDOconditionspromotedAOB'scompetitiveadvantage,formedamicro-environmentfordenitrifiers,reducedtheCODdegradationrate,andprovidedanexternalcarbonsourceasanelectronicdonorfordenitrification,therebyreducingN2Oemissions.Keywords:simultaneousnitrificationanddenitrificationvianitrite;DO;N2O;PHA收稿日期：2018-00-00修回日期：2018-00-00第一作者：巩有奎（1977—），男，博士，副教授，[e-mail]基金项目：国家自然科学基金项目（51508008），烟职博士基金2018002号2018-12-2015:22:15引言同步硝化反硝化（simultaneousnitrificationanddenitrification，SND）是指通过控制操作条件，在同一反应器内同时进行硝化和反硝化过程，从而达到生物脱氮的目的。与传统生物脱氮过程相比，SND具有反应时间短、节省碳源和减少反应器容积等优点[1-3]。近年来，在传统SND的基础上，产生了亚硝酸型同步脱氮工艺，即：将SND中的硝化过程控制在NO2-阶段，并将其在同步发生的反硝化过程中去除。该工艺集合了短程和同步生物脱氮的优点，在低碳氮比生活污水脱氮过程中具有明显优势[4]。与活性污泥系统相比，生物膜内部同时存在好氧区和缺氧微环境，其中，好氧区主要进行有机物氧化和硝化作用，缺氧区同时进行反硝化过程，实现同步脱氮[5-7]。N2O是一种重要温室气体，其所产生的温室效应是CO2的320倍。尽管N2O在大气中的含量很少，但是已成为当前最重要的臭氧层破坏气体[8,9]。人为活动所导致的N2O释放已成为影响生态系统、威胁人类生存的重大问题。其中，污水生物脱氮过程是重要的N2O排放源[5,6,10]。研究表明，污水处理过程中，N2O-N释放量为进水总氮的1%-25%[11]。近年来，我国对污水氮排放要求日益严格，国内各污水处理厂脱氮系统也进行升级改造，这也在一定程度上导致了N2O释放量的迅速增加。因此，考察影响生物脱氮过程中N2O释放的主要因素，并提出减量化措施，对生物脱氮过程的实际应用具有重要价值。本文利用序批式生物膜反应器（sequencingbatchbiofilmreactor，SBBR）实现亚硝酸型同步脱氮过程。在单一系统内，通过控制低氧条件，成功实现了低碳氮比生活污水短程同步脱氮，并对其脱氮性能及N2O释放特性进行了研究，对亚硝酸型同步脱氮过程实际应用和N2O的减量化具有一定指导意义。1试验材料及方法1.1试验用水及水质试验用水取自某大学家属区生活污水。生活污水原水COD=(160±20)mg/L,NH4+-N=(50.2±5.5)mg/L,NOx--N小于1.0mg/L，pH=7.0-7.3，COD/N=2.5-3.5。1.2试验装置及运行试验中SBBR反应器由有机玻璃制成，上部为圆柱体，底部呈矩形台体，总有效容积14L，工作容积12L。SBBR内部装填活性碳纤维填料，载体挂膜后填充率35%，碳纤维膜的比表面积在1000~1300m2/g。反应器底部装有微孔曝气头，采用鼓风曝气方式同时，以转子流量计调节N2和O2曝气量，控制反应器内DO在设定值，利用恒温磁力搅拌器进行搅拌（图1）。图1SBBR试验装置示意图Fig.1SchematicdiagramofSBBRsystem为使SBBR反应器迅速启动，试验采用本课题组驯化成功且具有良好脱氮性能的污泥作种泥，种泥NH4+-N去除率超过95%。试验共分为2个阶段。阶段I：挂膜启动阶段。通过提高原水投加量的方式，逐步提高系统COD和NH4+-N负荷，启动阶段进水量分别为2.5、5、8L，各进水量运行时间为10d。利用PLC系统控制系统运行。每天运行2个周期，每个反应周期为：瞬时进水（2min）-好氧曝气528min-排水（10min）-闲置（60min）四个反应过程。采用空气曝气，控制曝气量为20L/h；阶段II：稳定运行阶段。每个周期向反应器内部投加8L生活污水。每天运行1个周期，运行方式为：瞬时进水（2min）-缺氧搅拌（58min）-好氧曝气（530min）-排水（10min）-闲置四个反应过程。反应过程采用连续曝气方式，曝气量为20L/h。每周期缺氧阶段采用N2曝气，好氧阶段采用N2+O2曝气方式，通过实时调节N2和O2流量（即N2的变化量与O2的变化量相等），控制反应器内部DO分别为：2.0±0.2mg/L，1.2±0.2mg/L和0.5±0.1mg/L。运行过程中，及时排除系统脱落的生物膜。整个反应过程水温为（20±2.0）oC。1.3分析方法SBBR反应器采用密闭方式运行，整个反应过程中，隔天对SBBR系统进行取样测试。反应过程中气体经干燥器脱除水分后全部收集至气体采样袋，每间隔0.5h更换一次采样袋，同时进行液体取样10mL，直至反应结束。整个过程中，利用湿式流量计测定每个采样袋内收集气体体积，以气相色谱仪(Agilent公司，GC6890N)测定所收集气体中N2O浓度[12]。同时，取污泥混合液并在密闭条件下测定溶解态N2O浓度[12]。试验中，DO和pH分别使用Multi340i型(WTW公司)便携式多功能DO和pH值测定仪测定。COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N和MLVSS均采用标准方法分析[13]，气态、液态N2O测定和N2O释放量计算见文献[12]。PHA采用气相色谱法测定[14]。试验期间，忽略反应过程中微生物的同化作用和细胞死亡对NH4+-N含量的影响，简化计算SBBR反应器同步脱氮效率[15]。(1)式中：NOx--Nproduced为SBBR系统曝气前后NOx--N的增加量，mg/L；NH4+-Nremoval为SBBR系统曝气前后NH4+-N的减少量，mg/L。收集每个反应阶段末期3个周期排水中悬浮污泥，采用荧光原位杂交技术（fluorescencein-situhybridization，FISH）方法对系统内亚硝化菌（AOB）和硝化菌（NOB）进行半定量分析[16]。在第30d，60d，90d和150d等四个反应周期排水结束后，取部分悬挂填