不同污泥接种方式一段式自养脱氮工艺的启动特征

中国环境科学2017,37(1)：154~161ChinaEnvironmentalScience不同污泥接种方式一段式自养脱氮工艺的启动特征齐桂满,王小龙,高大文*(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：采用人工模拟无机高氨氮废水(100~130mg/L),以亚硝化絮状污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥为接种污泥,采用两套相同的膨胀颗粒污泥床反应器系统,分别以同步接种和分步接种方式启动一段式自养脱氮工艺.结果表明,与同步接种反应器相比,分步接种反应器在初期适应性及反应器快速启动时间及脱氮能力方面更具优势.同步接种反应器的活性抑制期运行时间是分步接种反应器的2倍多,TN去除率更低;在活性提高期,分步接种反应器启动时间为40d,比同步接种反应器少8d;与同步接种反应器相比,分步接种反应器可更早进入稳定运行期且脱氮效果更好,NH4+-N和TN的去除率最高达到84.1%和68%,高于同步接种反应器的79.1%和65.1%.同时,分步接种反应器TN最大去除负荷为0.49KgN/(m3·d),比同步接种反应器的0.45KgN/(m3·d)略高.FISH结果进一步表明,一段式自养脱氮工艺启动成功后,AOB和AnAOB都是系统中的优势菌种,而主要干扰菌群NOB被成功抑制.关键词：自养脱氮；污泥接种方式；启动；膨胀颗粒污泥床中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2017)01-0154-08Start-upperformanceofone-stageautotrophicnitrogenremovalwithdifferentsludgeinoculationmethods.QIGui-man,WANGXiao-long,GAODa-wen*(StateKeyLaboratoryofUrbanWaterResourcesandEnvironment,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China).ChinaEnvironmentalscience,2017,37(1)：154~161Abstract：One-stageautotrophicnitrogenremovalprocesswasstartedupintwoidenticalEGSB(expandedgranularsludgebed)reactorsfeedwithsyntheticwastewaterwithNH4+-Nof100~130mg/L,whichwereinoculatedwithflocculentnitrificationsludgeandanammox(anaerobicammoniumoxidation)granularsimultaneouslyorinsequence,respectively.Astheresultshowed,thereactorinoculatedinsequence(reactor2)hadobviouslymoreadvantagesthanthatinoculatedsimultaneously(reactor1)onthestart-updurationandnitrogenremovalperformance.Thedurationofactivityinhibitingphaseinreactor1wasalmosttwicethanthatinreactor2,andtheTN(totalnitrogen)removalratewasalsolowerinreactor1.Astotheactivityincreasingphase,thestart-updurationofreactor2wasonly40days,whichwas8daysshorterthanthatinreactor1.Sothesteadyphasewasachievedeasierinreactor2thaninreactor1,meanwhile,thehighestremovalratesofNH4+-N,TNandnitrogenloadingremoval(NLR)inthesteadyphasereached84.1%,68%and0.49kgN/(m3·d)inreactor2,respectively,whichwerehigherthanthoseof79.1%,65.1%and0.45kgN/(m3·d)inreactor1,respectively.FISHresultshowedthatAOB(ammoniaoxidizingbacteria)andAnammoxbacteriadominatedbothreactors,whilethemainundesirablecommunity,NOB(nitriteoxidizingbacteria),andwassuppressedsuccessfully.Keywords：autotrophicnitrogenremoval；sludgeinoculationmethods；start-up；expandedgranularsludgebed全程自养脱氮(CANON)工艺是新型脱氮工艺,在处理低碳高氨氮废水时,相比传统生物脱氮工艺,具有能源消耗低、不需外加碳源、污泥产量少等优点[1].CANON工艺脱氮效能的发挥是基于同一个反应器中短程硝化和厌氧氨氧化(Anammox)的共同作用,与SHARON-Anammox工艺(由两个反应器组成)相比,具有占地面积小及传质效率高的优势[2-4].CANON工艺的实现是好氧氨氧化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌(AnAOB)共同作用的结果,与AOB相比,AnAOB是厌氧菌生长缓慢,倍增时间较长(11d),难以维持较高生物浓度,鉴于这一生理特性,能否获得较高活性的AnAOB成为收稿日期：2016-05-11基金项目：黑龙江省自然科学基金重点项目(ZD201412)*责任作者,教授,[e-mail]1期齐桂满等：不同污泥接种方式一段式自养脱氮工艺的启动特征155CANON工艺启动的关键因素[5].目前CANON工艺的启动方式主要有两种方式,一种是仅接种普通污泥,从富集培养好氧氨氧化菌或厌氧氨氧化菌着手,通过调整培养条件进行反应器的启动.另一种是将培养成熟的污泥接种到反应器,保持适宜的培养条件进行工艺的启动.付昆明等[6]以海绵为填料接种普通活性污泥来启动反应器,前期不断曝气逐渐实现亚硝酸盐氮的积累,60d后获得稳定的亚硝酸盐氮积累,然后降低曝气量及改变进水基质(仅含NH4+-N),逐渐培养出厌氧氨氧化菌,最终经过210d连续运行实现了稳定的CANON反应,总氮(TN)去除率在70%左右,总氮去除负荷达到1.22kgN/(m3·d).Liang等[7]采用BAF反应器,采取先后富集培养厌氧氨氧化菌和氨氧化菌的方式,最终经过114d成功启动CANON工艺,平均氮去除负荷为3.4kgN/(m3·d).Liu等[8]在NaCl条件下启动反应器,第一阶段以NH4+-N和NO3--N为基质进行厌氧氨氧化反应,第二阶段接种亚硝化污泥,调整进水基质(仅含NH4+-N),经过60d实现稳定的CANON反应,在NaCl浓度为15g/L下,反应器TN最高去除负荷为0.637mgN/(L·d),TN最高去除率为78%.Zhang等[9]通过接种脱水剩余活性污泥启动SBBR反应器,分别在第7d和第29d检测到短程硝化和厌氧氨氧化反应,运行132d后实现一段式自养脱氮工艺,总氮去除负荷达到0.54kgN/(m3·d).Vázquez-Padín等[10]利用活性污泥采用脉冲气式SBR反应器,在常温(18~24℃)下,以硝化反应为起点,通过调节溶解氧浓度逐步实现亚硝化,再接种厌氧氨氧化污泥,179d后实现CANON反应,氮的去除负荷达到0.45kgN/(m3·d).可见,不同研究者在不同反应器中得到的结论差异较大,且大部分启动实验用时过长,不利于实际工程应用,故CANON工艺的最佳启动方式仍需进一步研究.本研究采用前期培养成熟的亚硝化污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥,通过同步接种和分步接种的污泥接种方式,考察2个反应器的启动时间、生物脱氮性能及微生物种群结构变化,探寻更快的CANON工艺启动方式,以期为缩短一段式自养脱氮工艺的启动时间等提供依据.1材料与方法1.1实验装置实验采用的膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器,主体结构采用透明有机玻璃制成.反应器总容积为1.38L,有效容积为1L,反应器壁设3个取样口、进出水口及上清液回流系统.配水由蠕动泵从反应器底部引入,经顶部三相分离并出水.顶端设置回流,以底部上升流的形式循环.底部设置微孔曝气头,空气泵供气,玻璃转子流量计控制曝气量.整个反应装置用黑色遮光材料包裹,避光运行.反应器由加热套及温控仪(XMTD-2002)控制温度,反应器运行过程中控制温度为(32±1)℃.456312798图1实验装置示意Fig.1TheschematicofEGSBsystem1.进水槽2.进水口3.曝气泵4.温控仪5.三相分离器6.出水口7.取样口8.回流水9.曝气器1.2接种污泥与试验用水采用2种污泥,均取自实验室前期富集培养成熟的污泥.污泥1:亚硝化(絮状)污泥,成熟的亚硝化污泥的生物活性很高,NH4+-N去除率达到95%以上,NO2--N积累率稳定在98%以上,氨氮去除负荷达到2.5kgN/(m3·d).污泥2:厌氧氨氧化(颗粒)污泥,成熟厌氧氨氧化污泥具有较高的脱氮能力,NH4+-N和NO2--N的去除率均达到90%,总氮去除负荷达到3.1kgN/(m3·d).实验中采用人工模拟配水,主要成分如下156中国环境科学37卷ρ(NH4Cl)为100~130mg/L,ρ(KHCO3)为500mg/L,ρ(KH2PO4)为50mg/L,ρ(MgSO4·7H2O)为200mg/L,ρ(CaCl2·2H2O)为151mg/L,ρ(FeSO4)为6.25mg/L.维生素0.25ml/L,微量元素0.31ml/L[11].1.3运行方式及控制条件研究中采用2个相同的EGSB反应器,1#反应器同时接种两种污泥,即将一定量污泥1和污泥2同时加入以启动反应器,称为同步接种.2#反应器先后接种两种污泥,即先将一定量污泥1加入反应器,培养19d后再加入污泥2进行培养,称为分步接种.根据2种污泥的脱氮能力和反应器有效体积,计算得亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥的投加量分别为150mL和100mL.1#反应器,在启动之初(1~3d),为了降低新环境对AnAOB的影响,缺氧运行.随后进行曝气并逐步降低反应器中溶解氧(DO)浓度,同时控制适宜pH值、温度等条件,为微生物提供适宜生存环境.2#反应器,AOB的培养阶段,在保证较高NH4+-N去除和NO2--N积累的基础上逐步降低体系中DO浓度,厌氧氨氧化污泥接种后,对DO和pH值进行相应调整.为了适应不同微生物的需求,对2个反应器在不同运行阶段的控制条件加以调整(表1).表11#和2#反应器运行阶段和控制条件Table1Theoperationphasesandcontrolparametersin1#and2#reactor1#反应器2#反应器指标4~20d21~34d35~54d1~19d20~34d35~46dDO浓度(mg/L)0.20~0.250.09~0.140.15~0.200.25-0.150.09~0.140.15~0.20pH值7.6~8.37.6~8.37.6~8.37.0~8.57.6~8.37.6~8.3HRT(h)5h5h5h5h5h5h温度(℃)32±132±132±132±132±132±1上升流速(m/h)1.51.52.51.51.52.51.4分析项目及测试方法ρ(NH4+-N)采用纳氏试剂分光光度法测定,ρ(NO2--N)采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法测定,