城市生活污水SNAD工艺的启动研究

中国环境科学2015,35(4)：1072~1081ChinaEnvironmentalScience城市生活污水SNAD工艺的启动研究郑照明,李泽兵,刘常敬,陈光辉,郑林雪,马静,李军*,赵白航(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：采用SBR反应器,以城市生活污水为原水,进行同步亚硝化、厌氧氨氧化、反硝化(SNAD)工艺的启动研究.首先接种厌氧氨氧化(anammox)颗粒污泥,在高曝气量下(500L/h)培养得到亚硝化颗粒污泥,然后再次接种anammox颗粒污泥,在低曝气量下(40L/h)培养得到SNAD颗粒污泥.在亚硝化稳定期,氨氮平均去除率达到94%,亚硝态氮平均积累率达到95%.在SNAD稳定期,总氮平均去除率为85%.批试实验结果表明,亚硝化稳定期亚硝化颗粒污泥的好氧氨氮和亚硝态氮氧化活性分别为为0.234和0kgN/(kgVSS⋅d).SNAD颗粒污泥的厌氧氨氧化总氮去除、亚硝态氮反硝化、好氧氨氮氧化、好氧亚硝态氮氧化活性分别为0.158、0.104、0.281、0kg/(kgVSS⋅d),其中硝态氮反硝化活性在0~120min和120~360min内分别为0.061和0.104kg/(kgVSS⋅d).扫描电镜显示,SNAD颗粒污泥表面以短杆状菌和球状菌为主,可能为好氧氨氧化菌(AOB)和反硝化菌,颗粒污泥内部以火山口状的细菌为主,可能为anammox菌.关键词：厌氧氨氧化；亚硝化；反硝化；生活污水；颗粒污泥中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2015)04-1072-10ThestudyofSNADprocessstart-upondomesticwastewater.ZHENGZhao-ming,LIZe-bing,LIUChang-jing,CHENGuang-hui,ZHENGLin-xue,MAJing,LIJun*,ZHAOBai-hang(KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China).ChinaEnvironmentalScience,2015,35(4)：1072~1081Abstract：TheSNAD(simultaneouspartialnitrification,anaerobicammoniumoxidizationanddenitrification)processwassuccessfullydevelopedinaSBRtotreatdomesticwastewater.Inthebeginning,someanammox(anaerobicammoniumoxidation)granuleswereinoculatedintotheSBRtodeveloppartialnitrificationgranulesunderhighDO(500L/h).Afterwards,someanammoxgranuleswereaddedagaintodevelopSNADgranulesunderlowDO(40L/h).Duringthestablepartialnitrificationstage,theaverageammoniumremovalratewasabove94%whiletheaveragenitriteaccumulationratewasmorethan95%.InthestableSNADstage,85%averagetotalnitrogenremovalratewasachieved.Tothepartialnitrificationgranules,batchtestsindicatedthatthespecificaerobicammoniumoxidationactivityandnitriteoxidationactivitywere0.234and0kgN/(kgVSS⋅d),respectively.TotheSNADgranules,batchtestsindicatedthatthespecificanammoxactivity,denitrificationactivityovernitrite,aerobicammoniumoxidationactivityandnitriteoxidationactivitywere0.158、0.104、0.281、0kg/(kgVSS⋅d),respectively.Thedenitrificationactivityovernitratewas0.061kg/(kgVSS⋅d)during0~120minwhilethevaluewas0.104kg/(kgVSS⋅d)during120~360min.TheSEMobservationsindicatedthatthebacteriaintheouterpartoftheSNADgranuleweremainlyshortrod-shapedandspherical,whichmaybeAOBanddenitrificationbacteria.IntheinnerpartoftheSNADgranule,thebacteriaweremainlycrater-shaped,whichshouldbeanammoxbacteria.Keywords：anammox；partialnitrification；denitrification；domesticwastewater；granules传统生物脱氮通常采用硝化和反硝化工艺,曝气能耗高,需要额外投加有机碳源.短程硝化反硝化可以减少25%的曝气量和40%的碳源[1].厌氧氨氧化菌在厌氧条件下将NH4+-N和NO2--N转化为氮气,无需消耗有机碳源[2-3].CANON工艺可以在一个反应器中实现总氮的去除,主要应用于高氨氮废水处理中,如污泥脱水液[4-5].收稿日期：2014-09-04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]4期郑照明等：城市生活污水SNAD工艺的启动研究1073CANON工艺的反应式如下[6]:42232NH0.85O0.44N0.11NO0.14H1.43HO+−++→+++(1)高氨氮废水容易产生高浓度的FA和FNA,有助于抑制NOB的生长,实现总氮的稳定去除[7-9].最近的研究表明,CANON工艺也可以在低温低氨氮废水中实现.Vazquez-Padin等[10]在SBR反应器中,控制氨氮负荷为0.2kgN/(m3⋅d),温度为15℃,启动了以颗粒污泥为主体的CANON工艺.高浓度有机物对厌氧氨氧化菌的生长有一定的抑制作用[11],但是当有机物浓度较低时,厌氧氨氧化菌仍然可以表现出较好的厌氧氨氧化性能[12-15].有研究报道亚硝化菌,厌氧氨氧化菌,反硝化菌可以在一个反应器中共存[16-17].陈慧慧等[16]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[17]采用间歇曝气的方式,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.城市污水水量大,处理费用高,目前对以城市生活污水为进水的SNAD工艺的研究较少.由于AOB和anammox的生长速率缓慢[3,18],采用颗粒污泥和SBR组合工艺有助于提高反应器对微生物的持流能力,从而提高系统的稳定性.本实验研究了以城市污水为原水的SNAD颗粒污泥工艺的启动性能,以期为SNAD的工程应用提供技术支持.1材料与方法1.1实验装置试验采用SBR反应器,材质为有机玻璃,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%;SBR试验装置如图1所示.1.2运行工况实验分为两个阶段,阶段一(0~29d)为亚硝化颗粒污泥培养阶段,阶段二(30~74d)为SNAD颗粒污泥培养阶段.阶段一的运行条件为:控制温度为30℃,曝气量为500L/h,pH不控制,控制反应周期为8h,每个周期包括进水(5min),曝气(468min),沉淀(6min),排水(6min),当反应器开始进水时,反应器内曝气系统就开始工作.阶段二运行条件为:曝气量为40L/h,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),其他条件同阶段一.1391234781114101265图1SBR反应器示意Fig.1TheschematicdiagramofSBRreactor1-进水水箱;2-进水泵;3-溶解氧探头;4-pH探头;5-温度探头;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实验用水和接种污泥1.3.1实验用水试验原水采用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.1.3.2接种污泥接种污泥取自于实验室厌氧氨氧化固定床反应器下部的厌氧氨氧化颗粒污泥[19],厌氧氨氧化固定床采用人工配水,进水NH4+-N为40~50mg/L,NO2--N为50~60mg/L,其他组分参照文献[20].温度为24~26℃,HRT=3h,总氮平均去除负荷为0.5kg/(m3⋅d).为了培养亚硝化颗粒污泥,在第0d向SBR反应器中加入anammox颗粒污泥4L,颗粒污泥浓度为45g/L.为了使反应器快速表现出SNAD效能,在第30d,1074中国环境科学35卷再次向SBR反应器中加入anammox颗粒污泥4L,颗粒污泥浓度为45g/L.1.4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;CODCr:按中国国家环保局和美国环境总署发布的标准方法测定,考虑NO2--N对COD测定的影响,取COD=COD检测-8/7[NO2--N][21];采用varioTOC测定仪测定TN和TOC.扫描电镜(SEM)样品制备: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.FA和FNA的计算公式参照文献[7].pH46344pH273(NHN)1017FA14e10TC+⎛⎞⎜⎟+⎝⎠−×=×+(2)22300pH273(NON)46FNA14e10TC−−⎛⎞⎜⎟+⎝⎠−=××(3)式中:T为温度,℃.1.5批式试验1.5.1批式试验水质试验采用人工