常温下接种回流污泥实现BAF一体化自养脱氮工艺杨庆

2017年5月CIESCJournal·2081·May2017第68卷第5期化工学报Vol.68No.5DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20161699常温下接种回流污泥实现BAF一体化自养脱氮工艺杨庆1，周桐1，刘秀红2，李海鑫1，李健敏1，余飞1，彭永臻1（1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；2中国人民大学环境学院，北京100872）摘要：为实现高氨氮废水的高效低耗稳定去除，在常温条件下，对曝气生物滤池（BAF）中实现与稳定短程硝化-厌氧氨氧化自养脱氮工艺进行了研究。研究结果表明：常温条件下，BAF接种二沉池回流污泥，采用闷曝-连续运行结合的接种挂膜方式，可成功实现短程硝化-厌氧氨氧化一体化自养脱氮。闷曝阶段使种泥活性恢复，而连续流运行过程中游离氨（FA）浓度高，可抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB），实现BAF中亚硝酸盐累积；通过调整BAF回流方式，降低回流液中2NO-N，防止NOB生长，并通过厌氧氨氧化（Anammox）滤池出水回流方式，接种微量Anammox菌，运行80d可实现短程硝化-厌氧氨氧化，140d后系统运行稳定，总氮（TN）去除率达76.62%。生物滤池有利于短程硝化-厌氧氨氧化工艺的实现与稳定，生物膜中不同厚度存在好氧缺氧环境，利于氨氧化菌（AOB）和Anammox菌共存；滤料的过滤作用有效地防止了Anammox菌流失，使其在系统中不断累积生长。不仅如此，AOB和Anammox菌均为自养菌且生长缓慢，避免了生物滤池的频繁反冲洗，简化了生物滤池的运行。气水比是BAF中一体化运行的关键参数，本研究中最佳的气水比为12:1，氨氮去除负荷达到0.91kgN·m3·d1，氨氮和TN去除率分别可达96.86%和85.47%。关键词：BAF；高氨氮废水；短程硝化；厌氧氨氧化；自养脱氮；启动；生物膜；过滤中图分类号：X703.1文献标志码：A文章编号：0438—1157（2017）05—2081—08ImplementationofintegratedautotrophicnitrogenremovalsystematnormaltemperaturebyreturnedsludgeYANGQing1,ZHOUTong1,LIUXiuhong2,LIHaixin1,LIJianmin1,YUFei1,PENGYongzhen1(1KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityandTechnology,Beijing100124，China;2SchoolofEnvironmentandNaturalResources,RenminUniversityofChina,Beijing100872,China)Abstract:Totreathighammonianitrogenwastewaterefficientlyandlowcostly,achievingandstabilizingautotrophicnitrogenremovalinbiologyaeratedfilter(BAF)werestudied.TheobtainedresultsshowedthatautotrophicnitrogenremovalwasachievedthroughthecombinationofbatchandcontinuousoperationintheBAFwithvolcanicsasfilter,usingthesecondpondrefluxsludgeasseedingsludge.Duringbatchoperation,theactivityofseedingsludgewasrecovered.Duringthecontinuousoperation,highfreeammonia(FA)concentrationinhibitedthegrowthofnitriteoxidationbacteria(NOB).Throughrecyclingtheeffluentofanaerobicammoniaoxidation(Anammox)biofilter,veryslightofAnammoxbacteriawasinoculatedinBAF.After80daysoperation,autotrophicnitrogenremovalwasachieved.Fromthe140thday,theremovalrateoftotalnitrogen(TN)approachto76.62%,anditcanbestableallthetime.Sinceaerobicandanoxicenvironmentoccurredindifferentdepthof2016-12-02收到初稿，2017-01-19收到修改稿。联系人：刘秀红。第一作者：杨庆（1979—），男，副教授。基金项目：国家自然科学基金项目（51508561）。Receiveddate:2016-12-02.Correspondingauthor:LIUXiuhong,[e-mail]:supportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(51508561).化工学报第68卷·2082·biofilm,ammoniaoxidationbacteria(AOB)andAnammoxbacteriacancoexistinbiofilm.Meanwhile,thefiltrationofvolcanicscanpreventAnammoxbacteriafromflowingoutofBAF,makingtheenrichmentofAnammoxinthesystemofautotrophicnitrogenremoval.Inthemeantime,AOBandAnammoxasautotrophicbacteriagrowsslow,preventingthebiofilterbackwashfrequentlyandsimplifyingtheoperationofbiofilter.AirandwaterratioisoneofthekeyoperationparametersinBAFofpartialnitrificationandAnammox.Itwasshownthattheoptimalairandwaterratiointhisstudywas12:1.Accordingly,theremovalloadingradioofammoniawas0.91kgN·m3·d1.TheremovalefficiencyofammoniaandTNwere96.86%and85.47%,respectively.Keywords:BAF;highammonianitrogenwastewater;partialnitrification;Anammox;autotrophicnitrogenremoval;start-up;biofilm;filtration引言短程硝化（partialnitrification，PN）-厌氧氨氧化（Anammox）自养脱氮工艺因其具有低能耗、污泥产率低和无需投加药剂等优势成为国内外广泛研究的热点[1-4]，该工艺是一种典型的高效低耗可持续污水处理工艺。目前，已有100多座污水处理厂采用Anammox工艺处理实际污水[5]，但由于Anammox菌生长缓慢，易受多种因素的抑制[6-10]，该工艺仍存在难于快速启动[11]、污泥易流失等诸多问题，导致该工艺应用过程受到种泥等诸多因素的限制。采用二沉池回流污泥实现一体化自养脱氮工艺快速启动，将为该工艺进一步推广应用奠定基础。高氨氮废水不但对环境污染严重，且处理难度大，成本高。目前，我国处理高氨氮废水所用生物处理工艺主要包括A/O+BAF[12]、UASBB[13]、UASB-A/O[14]、SBR[15]、A/O-CSTR[16]、升流式微氧生物膜反应器[17]等。这些处理工艺复杂，停留时间长，占地面积大，且难于实现目前地方提出的更为严格的排放标准。生物滤池工艺集生化反应和物理截留于一体[18]，极度简化了工艺流程，不但出水浊度较低，且无污泥膨胀等问题。近几年，反硝化生物滤池（denitrifyingbiofilter，DNBF）和曝气生物滤池（biologicalaeratedfilter，BAF）实际应用过程中，因生物膜生长迅速，导致反冲洗频繁[19-20]，加大了工艺运行维护管理难度。短程硝化和厌氧氨氧化均为自养微生物反应，且细菌生长缓慢，因此实现短程硝化-厌氧氨氧化需有效防止好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的流失。在BAF中实现短程硝化-厌氧氨氧化自养脱氮，不但能够有效防止好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的流失，而且避免了生物滤池频繁反冲洗的问题。在BAF中实现短程硝化-厌氧氨氧化自养脱氮，将充分发挥两种工艺的优势，目前，有关曝气生物滤池中实现短程硝化-厌氧氨氧化工艺的相关报道较少[21]。基于此，本研究以模拟污泥脱水液为研究对象，采用火山岩作为BAF滤料，常温条件下，利用普通活性污泥，对高氨氮废水短程硝化-厌氧氨氧化自养脱氮工艺的启动进行研究，以确定工艺快速启动方法。在此基础上，针对气水比这一关键性运行参数进行研究，进一步对工艺优化，旨在为实际工程提供简单有效的自养脱氮工艺启动方法及最佳运行参数。1试验材料与方法1.1试验材料1.1.1试验装置本研究采用上流式曝气生物滤池，反应装置如图1所示。反应器主体由有机玻璃制成，滤池底部设置曝气盘，滤柱直径d14cm，总高h196cm，其中滤料层高110cm，有效容积为19.2L，滤柱每隔20cm设1个取样口，共8个取样口。试验所用火山岩滤料直径为3～5mm。1.1.2试验用水试验初期采用北京工业大学家属区生活污水，4NH-N和COD浓度分别为64.5和70.6mg·L1。试验后期采用模拟污泥脱水液作为原水，为更加接近实际废水，本研究采用在生活污水中投加(NH4)2SO4和NaHCO3方法，模拟高氨氮废水。模拟废水中4NH-N、COD、碱度和pH分别为300mg·L1，99.74mg·L1，2.14g·L1（以CaCO3计），7.0～8.0。1.1.3接种污泥接种污泥取自北京某城市污水处理厂二沉池回流污泥，其污水处理工艺为A/O工艺，污泥浓度（MLSS）为4.088g·L1，污泥容积指数（SVI）为85.61ml·g1。本试验所接种Anammox菌种来自Anammox滤池流失在出水中的菌种，即第5期杨庆等：常温下接种回流污泥实现BAF一体化自养脱氮工艺·2083·图1曝气生物滤池装置Fig.1Schematicofbiologyaeratedfilterdevice采用将Anammox滤池出水回流至BAF进水的方式接种Anammox菌。1.2试验方法水质分析方法：试验中COD、4NH-N、2NO-N、3NO-N、MLSS和SVI分析均按照国家环境保护局发布的标准方法测定。采用DO和pH测定仪检测反应过程中DO和pH的变化情况（德国，WTW3420）。扫描电镜方法：首先将滤料样品置于2.5%戊二醛中，于4℃冰箱中固定1.5h，用磷酸缓冲液冲洗3次后分别用50%、70%、80%、90%和100%乙醇进行脱水，每次10～15min。然后分别用100%乙醇/乙酸异戊酯（1:1）、纯乙酸异戊酯各置换一次，每次15min。干燥喷金后采用扫描电镜（HoskinScientific，Tokyo，Japan）对样品进行观察。1.3试验设计本试验高氨氮废水自养脱氮工艺启动与优化研