不同填料的厌氧氨氧化污泥挂膜性能比较高梦佳

2016年10月CIESCJournalOctober2016第67卷第10期化工学报Vol.67No.10DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20160563不同填料的厌氧氨氧化污泥挂膜性能比较高梦佳1，王淑莹1，王衫允2，彭永臻1，贾方旭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哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150090）摘要：向厌氧氨氧化反应器内投加填料形成生物膜有利于污泥的持留，然而有关填料本身的不同特点对厌氧氨氧化生物膜生长影响的报道较少。将两种不同密度的悬浮塑料填料和两种不同密度的海绵填料置于同一反应器内，进行厌氧氨氧化污泥的挂膜，结果发现海绵填料的单个填料氨氮平均去除速率和亚硝态氮平均去除速率整体高于悬浮塑料填料，所挂污泥的EPS含量整体也高于悬浮塑料填料，并且挂膜速度也相对较快。在挂膜30d后，单个小密度海绵填料便可检测出氨氮和亚硝态氮去除速率，且24(NO-N)/(NH-N)值接近1.32。在挂膜105d后，单个小密度海绵填料的氨氮平均去除速率为0.123mg·L1·h1，亚硝态氮平均去除速率为0.160mg·L1·h1，24(NO-N)/(NH-N)值为1.30，最为接近理论值1.32，厌氧氨氧化活性为最佳，并且其所挂污泥的厌氧氨氧化菌丰度值在4种填料中最大，为1.73×1010copies·(gdrysludge)1，总体来看小密度海绵填料的挂膜效果更好。关键词：生物膜；悬浮塑料填料；海绵填料；厌氧氨氧化；性能中图分类号：X703.1文献标志码：A文章编号：0438—1157（2016）10—4422—09ComparisonofdifferentcarriersaboutANAMMOXbiofilmformationperformanceGAOMengjia1,WANGShuying1,WANGShanyun2,PENGYongzhen1,JIAFangxu1(1KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China;2StateKeyLaboratoryofUrbanWaterResourceandEnvironment,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,Heilongjiang,China)Abstract:Fillingcarrierstoanaerobicammoniumoxidation(ANAMMOX)reactorcanimproveAnammoxbiomassretention.ButtherearefewresearchesabouttheinfluenceofdifferentcharacteristicsofcarriersonANAMMOXbiofilmgrowth.TwodifferentsuspendingplasticcarriersandtwodifferentspongecarrierswerefilledinthereactortoformANAMMOXbiofilm.Theresultsshowedthatthe4NH-Nand2NO-Naverageremovalratesofonespongecarrierwerehigherthanonesuspendingplasticcarrieronthewhole.TheEPScontentsofsludgeonspongecarriersandthespeedofspongecarriersformingbiofilmwerehigherthansuspendingplasticcarriers.Afterbiofilmformingfor30days,the4NH-Nand2NO-Nremovalratesofonespongecarrierwithlowdensitycouldbetestedandthevalueof24(NO-N)/(NH-N)wascloseto1.32.Afterbiofilmformingfor105days,the4NH-Nand2NO-Naverageremovalratesofonespongecarrierwithlowdensitywere0.123mg·L1·h1and0.160mg·L1·h1,respectively.Thevalueof24(NO-N)/(NH-N)was2016-04-28收到初稿，2016-06-14收到修改稿。联系人：王淑莹。第一作者：高梦佳（1992—），女，硕士研究生。基金项目：国家自然科学基金项目(51478013)；北京市教委资助项目。Receiveddate:2016-04-28.Correspondingauthor:Prof.WANGShuying,[e-mail]:supportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(51478013)andtheFundingProjectsofBeijingMunicipalCommissionofEducation.第10期高梦佳等：不同填料的厌氧氨氧化污泥挂膜性能比较·4423·1.30,whichwascloseto1.32.TheANAMMOXactivityofsludgeonthespongecarrierwithlowdensitywasthebest.Theabundanceofanammoxbacteriainthesludgeonthespongecarrierwithlowdensitywasthehighestamongthefourtypesofcarriers,whichwas1.73×1010copies·(gdrysludge)1.Thespongecarrierwithlowdensityhadthebestbiofilmformationperformanceonthewhole.Keywords:biofilm;suspendingplasticcarriers;spongecarriers;anaerobicammoniumoxidation;performance引言传统生物脱氮技术需要为硝化反应提供溶解氧和为反硝化反应提供外加碳源，这就增加了运营成本，而厌氧氨氧化反应为缺氧和自养反应，能够节约能源和碳源[1-2]，适合低C/N污水，节省由添加外部碳源、曝气等操作产生的成本支出，产生的污泥量少[3]，可减少污泥处理费用[4]。但是厌氧氨氧化菌生长缓慢，世代时间长[5-6]，体积较小（直径不到1μm）[6-7]，极易流失，导致反应器启动周期长且运行不稳定，因此通过减少厌氧氨氧化污泥的流失来缩短启动时间对厌氧氨氧化工艺的实际应用有重要意义[8-10]，如何保证污泥在反应器中有效截留是该工艺的关键问题。使厌氧氨氧化菌固定在填料表面形成生物膜可以增长污泥停留时间，因而向反应器内投加填料有利于污泥的持留。Fernandez等[11]用沸石作为填料，使污泥的厌氧氨氧化活性由0.35gN·(gVSS)1·d1增加到0.5gN·(gVSS)1·d1；Kim等[12]将无纺布膜组件添加到反应器内使污泥持留能力有了很大的提高，氨氮和亚硝态氮去除率分别高于88%和94%；张莉等[13]以海绵作填料利用半硝化-厌氧氨氧化联合工艺对实际废水进行脱氮处理，反应器处理效果较好。可见，填料的添加有助于提高反应器的脱氮效率。但是现有的研究多集中于单一填料，由于填料的种类多样，有关填料本身的不同性质对厌氧氨氧化生物膜生长影响的报道较少。本试验采用复合填料反应装置模拟SBR反应器，将两种密度不同的塑料填料和两种密度不同的海绵填料置于同一反应器内，进行厌氧氨氧化污泥的挂膜，通过阶段性考察不同厌氧氨氧化填料的挂膜效果及脱氮性能来比较不同填料的挂膜特点，并测定填料所挂污泥的EPS和厌氧氨氧化菌丰度值，来进一步解释不同填料呈现不同脱氮性能的原因，并为厌氧氨氧化反应装置的挂膜提供参考和依据。1试验材料与方法1.1试验所用填料类型及挂膜方法本试验选用了4种填料，两种为塑料填料，密度分别大于1g·cm3和小于1g·cm3，两种为海绵填料，其密度不同，填料的俯视图见图1。塑料填料的高度为1.2cm，海绵填料的高度为1.5cm，4种填料的特点见表1。将这4种典型填料以相同填图1试验所用填料类型Fig.1TypesofbiomasscarriersinexperimentA—suspendingplasticcarrierwithlowdensity;B—suspendingplasticcarrierwithhighdensity;C—spongecarrierwithhighdensity;D—spongecarrierwithlowdensity表1填料性质Table1CharacteristicsofcarriersCarrierNameSizeShapeDensitySpecificsurfacearea/m2·m3Fillingproportion/%Asuspendingplasticcarrierwithlowdensity2.5cm×1.2cmcolumnar＜1g·cm350020Bsuspendingplasticcarrierwithhighdensity2.5cm×1.2cmcolumnar＞1g·cm350020Cspongecarrierwithhighdensity1.5cm×1.5cm×1.5cmcubic＜1g·cm3239520Dspongecarrierwithlowdensity2.6cm2×1.5cmirregular＜1g·cm3239520化工学报第67卷·4424·表2模拟废水成分Table2CompositionofsimulatedwastewaterCompoundConcentration/g·L1(NH4)2SO40.14NaNO20.15MgSO4·7H2O0.30KHCO30.50EDTA·2Na26FeSO4·7H2O5.0H3BO30.014ZnSO4·7H2O0.43CoCl2·6H2O0.24MnCl2·4H2O0.99CuSO4·5H2O0.25NiCl2·6H2O0.19NaMoO4·2H2O0.22KH2PO40.002充比（20%）投加到同一厌氧氨氧化反应器中，并以相同方式固定在反应器内，构建复合填料反应器，从而保证填料时刻处于同等温度、基质、水力等培养条件的环境中。此复合填料反应器由一个2.5L小试反应器、一个IKAETS-D5温控装置和一台IKARCTbasic磁力搅拌器组成，排水比为80%，4周期/天，温度控制为30℃，反应器内初始污泥浓度为0.73gVSS·L1，在此复合填料反应器中进行中长期的厌氧氨氧化挂膜培养驯化，进水来源前60d为实际生活污水，由于生活污水的4NH-N和2NO-N浓度不稳定，影响了污泥的厌氧氨氧化活性；后45d进水为模拟废水，其成分见表2，并每天检测进出水中氮素水平，同时阶段性考察不同厌氧氨氧化填料的挂膜效果及脱氮性能。1.2单个填料的氮平均去除速率测定方法将4种填料取出，分别在4个小试SBR反应器内测定氨氮和亚硝态氮的平均去除速率。具体做法是，在4个小试反应器内加入相同体积的模拟废水，通过曝氮气去除水中溶解氧，同时进行搅拌和加热，使小试反应器内模拟废水温度与原反应器一致。将填料浸入模拟废水中，然后每隔1h取1个样，一共取10次样，分别根据10个样的氨