低氧条件下A2O工艺对城市污水脱氮处理的中试研究

中国环境科学2019,39(1)：134~140ChinaEnvironmentalScience低氧条件下A2/O工艺对城市污水脱氮处理的中试研究李炳荣,曹特特,王林,李咏梅*(同济大学环境科学与工程学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海200092)摘要：以巢湖市某污水处理厂实际污水为处理对象,基于节能降耗的需求开展A2O工艺中试研究.研究结果表明:当溶解氧从2mg/L降至0.5mg/L时,COD和氨氮的去除率分别为80%和90%,去除性能并未受到影响,没有出现亚硝酸积累,而TN的去除率有较大幅度的提升,从15%提升至44%.低溶解氧条件下,温度降低主要对TN去除率产生影响,从夏季的44%下降至冬季的29%,而氨氮的去除率仍维持在90%以上.由于进水碳源不足,出水主要以硝酸盐氮为主,低温脱氮率仅为29%.长期低氧条件下运行,AOB和NOB的优势种属为Nitrosomonadaceae和Nitrospira,相对丰度分别为2.33%和6.40%.系统NOB在数量和动力学性能上均优于AOB,同时发现存在Denitratisoma好氧反硝化菌,其相对丰度为1.59%.研究结果为低氧条件下实现城市污水脱氮提供了理论和实践依据.关键词：A2O工艺；低溶解氧；脱氮处理；氨氧化菌；亚硝酸盐氧化菌中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2019)01-0134-07Apilot-scalestudyonnitrogenremovalofmunicipalwastewaterbyA2/Oprocessunderlowdissolvedoxygencondition.LIBing-rong,CAOTe-te,WANGLin,LIYong-mei*(StateKeyLaboratoryofPollutionControlandResourcesReuse,CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China).ChinaEnvironmentalScience,2019,39(1)：134~140Abstract：Apilot-scaleA2OprocesswascarriedouttotreatsewageinawastewatertreatmentplantinChaohuCity,aimingtosaveenergy.Theresultsshowedthatwhenthedissolvedoxygen(DO)decreasedfrom2mg/Lto0.5mg/L,theremovalratesofCODandammoniawere80%and90%,respectively,meaningtheremovalperformancewasnotaffected,andnonitriteaccumulationoccurred,inthemeantime,theremovalrateofTNincreasedsignificantly,from15%to44%.UnderlowDOcondition,thedecreaseoftemperaturemainlyaffectedtheTNremovalrate,from44%insummerto29%inwinter,whereastheremovalrateofammoniawasstillabove90%.Duetotheshortageofcarbonsource,thenitrogenremovalratewasonly29%underlowtemperature,resultinginahighnitrateconcentrationintheeffluent.Underlong-termlowDOconditions,thedominantmicrobialspeciesofAOBandNOBwereNitrosomonadaceaeandNitrospira,withrelativeabundanceof2.33%and6.40%respectively.NOBissuperiortoAOBinbothquantityandkineticperformance.Atthesametime,Denitratisomawasfoundwiththerelativeabundanceof1.59%,whichwasconsideredasaerobicdenitrifyingbacteria.ThesefindingsprovidetheoreticalandpracticalsupportfornitrogenremovalfrommunicipalwastewaterunderlowDOconditions.Keywords：A2Oprocess；lowdissolvedoxygen；nitrogenremoval；ammoniaoxidizingbacteria；nitriteoxidizingbacteriaA2O工艺因其具有结构简单,工程设计经验丰富,运行控制较容易以及具有同步脱氮除磷等特点而被国内外城市污水处理厂广泛应用.曝气过程所消耗的能源约占污水处理厂总能耗的50%以上[1],减少曝气量是降低能耗的主要途径之一.为实现持续稳定的硝化效果,污水处理厂通常将曝气池中的溶解氧(DO)浓度控制在2mg/L以上[2],但目前有研究表明在较低的DO浓度下,也能实现完全硝化作用[3].如果污水处理厂在低氧条件下能够实现稳定达标,将大大降低污水处理的运行能耗.目前,针对低DO浓度下的脱氮性能已有不少研究,主要以小试规模的SBR工艺为主,本课题组前期对A2O小试系统在好氧池低DO浓度条件下的研究[4]结果表明,当好氧池DO浓度从2.00mg/L降低到1.00mg/L和0.50mg/L时,系统仍然具有良好的除磷脱氮效果.但目前对A2O工艺在低氧条件下的中试研究却鲜有报道.为此,本文基于安徽省某污水处理厂的实际水质状况,通过中试研究不同DO浓度条件下A2O工艺中污染物的降解,同时考察在低DO浓度下,温度、碳源对系统脱氮的影响,并分析微生物的菌群结构,以期为实际污水厂在低DO浓度下实现稳定高效的硝化效果,节省运行能耗提供可靠的理论依据.1材料与方法收稿日期：2018-05-23基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2014ZX0730300307)*责任作者,教授,[e-mail]1期李炳荣等：低氧条件下A2/O工艺对城市污水脱氮处理的中试研究1351.1中试装置概况中试在安徽省巢湖市某污水处理厂进行,进水采用该污水处理厂的细格栅出水,其主要水质参数如表1所示,接种污泥来自二沉池回流污泥.表1实际污水的水质指标Table1Characteristicsoftherawwastewater项目COD(mg/L)BOD5(mg/L)PO43--P(mg/L)TP(mg/L)NH4+-N(mg/L)NO3--N(mg/L)TN(mg/L)pH值范围98~25055~1200.76~1.582.2~3.9612.05~22.630.93~5.9318.04~30.257.13~8.5平均值160±4484±231.14±0.223.11±0.4916.48±3.753.47±1.2824.75±3.497.57±0.24中试装置如图1所示,由厌氧、缺氧、好氧反应池和二沉池组成,A2O反应器的有效容积为32.5m³,厌氧区、缺氧区和好氧区的体积比为1:2:4.二沉池的有效容积为8.4m³.中试装置处理量为50m³/d,污泥回流比为100%,混合液回流比为300%,污泥停留时间(SRT)为15d.厌氧池和缺氧池采用机械搅拌器搅拌,好氧池采用变频风机及比例积分微分(PID)控制器将DO浓度控制在设定的范围内.系统分为3个阶段进行研究,阶段一至阶段三好氧池的DO浓度依次降低,分别为2,1,0.5mg/L;对厌氧池和缺氧池中的DO平均浓度进行了测定,3个阶段厌氧池的DO分别为0.19、0.16、0.10mg/L,缺氧池的DO分别为0.12、0.07、0.05mg/L.每个阶段运行至少一个泥龄以上,考察系统的脱氮性能.图1A2O中试反应器的装置Fig.1Pictureofthepilot-scaleA2Oreactor1.2分析方法及反应速率测定系统运行期间,每隔2~4d取水样测定各处理单元的水质指标,常规指标测试均按照《水和废水监测分析方法》[5]进行,具体方法和仪器如表2所示.在工况运行稳定后采集好氧池末端污泥样品,经离心后置于-20℃冰箱保存.氨氧化速率(AOR)和亚硝酸盐氧化速率(NOR)根据Liu等[6]提出的方法测定,DO使用HACH-HQ30d便携式溶解氧仪测定.表2水质指标测试方法及仪器Table2Waterqualitydetectionmethodsandinstruments水质指标测试方法仪器NH4+纳氏试剂分光光度法NO3-N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法NO2-紫外分光光度法LS6型紫外分光光度计TNTOC仪TOC-VCPH型TOC仪COD重铬酸钾法RD125型COD消解仪1.316SrDNA高通量测序微生物分析主要通过Genewiz公司IlluminaMiSeq平台的高通量测序完成,具体步骤如下:1.3.1DNA提取取好氧池末端污泥样品,在8000r/min转速下离心10min,去除上清液.称取0.2g左右,采用DNA试剂盒(OmegaBio-Tek,USA)进行DNA提取,提取的DNA使用Qubit2.0Fluorometer(Invitrogen,USA)检测DNA样品的浓度,并使用0.8%的琼脂糖凝胶电泳检测DNA的完整性.1.3.2测序文库的构建采用MetaVxTM文库构建试剂盒构建测序文库.在16sDNA基因的V3-V4可变区采用引物338F和806R对细菌进行测序.1.3.3IlluminaMiSeq高通量测序和数据处理DNA文库混合后,使用IlluminaMiSeq测序仪测序,采用2x250bp双端测序.采用Trimmomatic和Mothur软件对测序数据进行质量优化,然后使用Qiime工作平台对所有优化序列聚类为操作分类单元.为得到每个操作分类单元对应的物种信息,通过比对Silva128/16s数据库,分别在各个分类水平统计各样本的群落组成.1.4荧光定量PCRPCR扩增引物由上海美吉生物有限公司合成,采用表3引物:PCR反应体系:PCR反应由1µL基因组DNA,引物F和引物R各0.8µL,2XTaqPlusMasterMix10µL,补加7.4µL蒸馏水至20µL.136中国环境科学39卷表3qPCR反应引物总结Table3PrimersusedinqPCR目的基因引物5’——3’NSR1113fCCTGCTTTCAGTTGCTACCGNOB(Nitrospira)NSR1264rGTTTGCAGCGCTTTGTACCGFGPS872-fCTAAAACTCAAAGGAATTGANOB(Nitrobacter)FGPS1269-rTTTTTTGAGATTTGCTAGAmoA-1FGGGGTTTCTACTGGTGGTAOBAmoA-2RCCCCTCKGSAAAGCCTTCTTCPCR反应程序如下:第一步,95℃预变性5min;第二步,95℃变30s,退火30s(AOB为55,NOB℃为58℃),第二步进行35个循环;第三步,72℃延伸1min.PCR结束后,采用0.8%琼脂糖凝胶电泳检测结果.2结果与讨论2.1不同DO浓度下污染物的去除2.1.1不同DO浓度下COD的去除不同DO浓度下,系统进、出水COD浓度及其去除率如图2所示.0102030405060708090050100150200250DO=0.5mg/LDO=1mg/LDO=2mg/LCOD(mg/L)进水