低CN比条件下亚硝化颗粒污泥的培养及成因分析

第33卷第8期2013年8月环　境　科　学　学　报　ActaScientiaeCircumstantiaeVol.33,No.8Aug.,2013基金项目:江苏省高校自然科学研究重大项目(No.12KJA610002);江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(No.CXZZ12_0857)SupportedbytheKeyProjectofNaturalScienceResearchFundofDepartmentofEducationofJiangsuProvince(No.12KJA610002)andtheProjectofScientificInnovationResearchofJiangsuUniversities(No.CXZZ12_0857)作者简介:刘文如(1987—),男,E-mail:[e-mail];∗通讯作者(责任作者),E-mail:[e-mail]:LIUWenru(1987—),male,E-mail:[e-mail];∗Correspondingauthor,E-mail:[e-mail]刘文如,丁玲玲,王建芳,等.2013.低C/N比条件下亚硝化颗粒污泥的培养及成因分析[J].环境科学学报,33(8):2226-2233LiuWR,DingLL,WangJF,etal.2013.GranulationofgranularnitrosationsludgeatlowC/Nratio[J].ActaScientiaeCircumstantiae,33(8):2226-2233低C/N比条件下亚硝化颗粒污泥的培养及成因分析刘文如1,丁玲玲1,王建芳1,沈耀良1,2,∗1.苏州科技学院环境科学与工程学院,苏州2150092.苏州科技学院江苏省环境科学与工程重点实验室,苏州215009收稿日期:2012-11-15　　　修回日期:2013-01-02　　　录用日期:2013-01-04摘要:利用柱形SBR反应器,以自配低C/N比废水为基质,以普通活性污泥为种泥,通过逐步缩短沉降时间和提升进水负荷培养亚硝化颗粒污泥,并对该过程进行考察.结果表明:系统运行40d后,获得成熟的亚硝化颗粒污泥,颗粒污泥颜色为黄色,平均沉降速率达60.8m·h-1,其中粒径大于0.45mm的约占总数的96%;出水中亚硝酸盐累积率稳定在75%~80%,亚硝酸盐累积速率达0.6~0.8kg·m-3·d-1;DO、温度和SRT都不是导致亚硝酸盐积累的关键因素,高浓度FA是造成本研究亚硝化成功实现的主要原因;颗粒污泥SBR的单周期反应过程可依次划分为COD迅速降解阶段、第一过渡阶段、氨氮去除优势阶段、第二过渡阶段和饥饿阶段5部分;另外,研究中还发现进水COD对颗粒污泥的形成和亚硝化过程的实现具有重要贡献.关键词:低C/N比;亚硝化;颗粒污泥;SBR;游离氨文章编号:0253-2468(2013)08-2226-08　　　中图分类号:X703　　　文献标识码:AGranulationofgranularnitrosationsludgeatlowC/NratioLIUWenru1,DINGLingling1,WANGJianfang1,SHENYaoliang1,2,∗1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou2150092.JiangsuKeyLabofEnvironmentalScienceandEngineering,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215009Received15November2012;　　　receivedinrevisedform2January2013;　　　accepted4January2013Abstract:Theformationofgranularnitrosationsludgebyseedingconventionalactivatedsludgeincolumn-typesequencingbatchreactors(SBR)usingsyntheticwastewateratlowC/Nratiowasinvestigated.Thematuredgranules,withyellowcolorandsettlingvelocityof60.8m·h-1,formedinthereactorbygraduallydecreasingsettingtimeandincreasinginfluentloadingratein40days.Granuleswithdiameterslargerthan0.45mmaccountedforabout96%ofthetotal.Theratioofnitriteaccumulationineffluentwas75%~80%,andvaluesofnitriteaccumulationloadingratewereashighas0．6~0.8kg·m-3·d-1.Ofthefactorstested,highconcentrationoffreeammoniaposedgreaterimpactonthenitrosationthanDO,temperatureandsludgeretentiontime.ThereactioninonecycleofSBRgranularsludgecouldbedividedintofivestagesinorder,i.e.CODrapiddegradation,firsttransition,predominantremovalofammonia,secondtransitionandstarvation.ItwasfoundthatthepresenceofinfluentCODplayedapositiveroleintheformationofgranulesandtherealizationofnitrosation.Keywords:lowC/Nratio;nitrosation;granularsludge;SBR;freeammonia(FA)1　引言(Introduction)对于诸如污泥厌氧消化液、城市垃圾渗滤液和养殖废水厌氧消化液等低C/N比污水的处理,传统生物脱氮技术会面临碳源不足、脱氮效率低的窘境.针对这一问题,彭永臻等(2009)提出,从充分利用碳源和减少生物脱氮碳源需求量2个方面来实现高效生物脱氮.改进常规工艺,实现废水中原有碳源充分利用的策略尽管能在一定程度上改善脱氮性能,但从传统脱氮生化机理和化学计量学方面分析,该策略对于低C/N比污水的作用效果非常有限.短程硝化反硝化、厌氧氨氧化(ANAMMOX)、完全自养脱氮工艺(CANON)等新型生物脱氮技术从根本上改变了传统生物脱氮路线,具有碳源需求量8期刘文如等:低C/N比条件下亚硝化颗粒污泥的培养及成因分析低、污泥产量少、节省反应器容积及曝气量等优点(Khinetal.,2004;Pengetal.,2006;Vanhulleetal.,2010).但是,新型生物脱氮技术的功能菌(如好氧氨氧化细菌、厌氧氨氧化细菌等)生长速率慢、细胞产率低、对环境变化敏感,导致优势菌富集驯化时间长、处理效率低、反应器生物截留能力要求高等难题,使得新型生物脱氮技术的应用受到限制.当前提出的新型生物脱氮技术多是以亚硝酸盐为基质或中间体实现的,也被称为“亚硝酸盐路线(nitriteroute)”脱氮(Vázquez-Padínetal.,2010).因此,高效、稳定的亚硝化反应是新型生物脱氮工艺的基础和关键(杨洋等,2007).在实践应用中最成功的有SHARON和SHARON-ANAMMOX组合工艺.但因SHARON工艺无污泥截留能力(HRT=SRT),在洗脱硝酸菌(NOB)的同时亚硝酸菌(AOB)也会随水流失,造成反应器内AOB生物浓度无法进一步提高,致使亚硝酸盐的生成速率成为整个脱氮工艺的限速步骤(Fuxetal.,2002;vanderStaretal.,2007).近年来的研究表明,微生物通过自凝聚(无需外加载体)形成的颗粒污泥具有沉降性能好、生物浓度高、耐冲击负荷和抗毒性作用等特点,可以较好的解决传统工艺泥水分离时间长、污泥易流失、容积负荷率问题,奠定了高效生物反应器开发与应用的技术基础(Abmaetal.,2007;王建龙等,2009).可见,将短程硝化过程和颗粒污泥统一于亚硝化颗粒污泥系统的策略有望解决SHARON工艺面临的难题.本实验以自配低C/N比废水为研究对象,以普通活性污泥为种泥,研究SBR反应器中亚硝化颗粒污泥的形成过程,并对相关影响因素进行分析,初步探索亚硝化颗粒污泥在低C/N比污水中实现的可能性.2　材料与方法(Materialsandmethods)2.1　实验装置与运行试验所用装置为圆柱形SBR反应器,由有机玻璃制成,有效容积为4L(H/D=5)(图1).反应器底部装有曝气装置,为污泥系统提供溶解氧和剪切力,控制曝气量为3L·min-1(表面上升流速1cm·s-1).排水比为1/2.通过时间程序控制器实现对SBR反应过程的自动控制,单个周期时间为3h,其中3min进水,排水和闲置共3min,曝气时间和沉降时间根据运行工况进行调整(见表1).反应器在28~35℃环境中运行.图1　试验装置及工艺流程示意图Fig.1　Experimentalapparatusandprocessschemechart表1　SBR具体运行状况Table1　Operationalconditionsinthesequencingbatchreactor编号运行时间/d进水NH+4-N/(mg·L-1)曝气时间/min沉降时间/min容积负荷/(kg·m-3·d-1)NCOD11~410016950.40.825~1220016950.81.6313~1530016951.22.4416~1730017041.22.4518~1930017131.22.4620~5830017221.22.42.2　污泥来源与试验用水水质试验所用接种污泥来源于苏州新区第一污水处理厂氧化沟好氧区,经过闷曝、静置浓缩后进行接种,反应器接种后MLSS为5700mg·L-1,SVI为45mL·g-1.试验用水为人工配制低C/N比为2的废水,其中以氯化铵为氮源(100~300mg·L-1),乙7222环　　境　　科　　学　　学　　报33卷酸钠为有机碳源(200~600mg·L-1),用碳酸氢钠调节进水pH在7.8~8.0;同时配水中还包括磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、硫酸镁、氯化钙及微量元素.2.3　分析方法MLSS、COD、NH+4-N、NO-2-N、NO-3-N分别采用标准重量法、标准重铬酸钾法、纳氏试剂比色法、N-(1-萘基)-乙二胺光度法、紫外分光光度法测定(APHA,1995);pH由雷磁PHSJ-4A型pH计测定;污泥及颗粒污泥形态通过OLYMPUSCX41型显微镜及数码相机观察;颗粒污泥沉降速率采用清水静沉测速法测定.耗氧速率(OUR)采用WTW便携式Oxi1970i溶氧仪测定,即从反应器中取出定量的混合液进行曝气,使其中的DO饱和或接近饱和,然后在密闭容器中每隔一定的时间间隔记录1个DO浓度数值;通过最小二乘法拟和得到DO的变化速率即为耗氧速率.比耗氧速率(SOUR)由耗氧速率和MLSS的比值得到.颗粒污泥粒径分布采用筛分法,从反应器中取出部分污泥颗粒,清洗后分别通过孔径为0.96、0．64、0.45、0.21mm的分样筛,测量留在筛网上的颗粒质量,然后将各部分相加得到污泥总重,最终确定每一部分所占比例.2.4　相关计算公式氨氮容积负荷(kg·m-3·d