短程硝化耦合厌氧氨氧化工艺处理低CN比生活污水

CIESCJournal,2018,69(8):3635-3642·3635·化工学报2018年第69卷第8期|：10.11949/j.issn.0438-1157.20180107短程硝化耦合厌氧氨氧化工艺处理低C/N比生活污水杨庆，杨玉兵，李健敏，冯红利，周薛扬，刘秀红（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）摘要：为快速实现低C/N比生活污水高效低耗稳定脱氮，在常温条件下，对短程硝化-厌氧氨氧化工艺的启动及脱氮性能进行研究，在常温，高DO（2.5mg·L-1）条件下，采用实时控制结合神经网络模型预测控制可快速启动短程硝化，亚硝积累率达到95%以上。由于生物膜的独特结构可为厌氧氨氧化(Anammox)菌提供良好的厌氧环境，因此选用生物滤池来实现厌氧氨氧化，启动期间克服了温度变化的影响，第173天后，NH4+-N和NO2--N去除率达到90%以上，TN去除率达到80%，Anammox滤池成功启动。后续将短程硝化与厌氧氨氧化耦合，通过逐步提高滤速启动耦合系统，Anammox滤池滤速可提高到0.5m·h-1，总氮容积负荷达到0.75kg·m-3·d-1。系统出水TN平均浓度为8mg·L-1，实现了短程硝化耦合厌氧氨氧化工艺稳定高效地处理生活污水。关键词：短程硝化；厌氧氨氧化；生物膜；温度；滤速；分子生物；模型预测控制中图分类号：X703文献标志码：A文章编号：0438—1157（2018）08—3635—08PartialnitrificationcoupledanaerobicammoniaoxidationprocesstotreatlowC/NdomesticsewageYANGQing,YANGYubing,LIJianmin,FENGHongli,ZHOUXueyang,LIUXiuhong(NationalEngineeringLaboratoryforAdvancedMunicipalWastewaterTreatmentandReuseTechnology,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)Abstract:Toachievehigh-efficiencyandlow-consumptionstableremovalofmunicipalwastewater,thestart-upandnitrogenremovalperformanceofpartialnitration-anaerobicammoniumoxidation(Anammox)processwerestudiedundernormaltemperatureconditions.Theresultsshowedthatreal-timecontrolstrategycanquicklystartpartialnitrificationunderhighDO(2.5mg·L-1)conditions.TheuniquestructureofbiofilmprovidesAnammoxbacteriawithgoodanaerobicenvironmentinthepresenceofdissolvedoxygen.Overcametemperaturechangesduringstart-up.After173d,theremovalrateofammonianitrogenandnitritereachesmorethan90%,theremovalrateoftotalnitrogen(TN)approachto80%.Anammoxfilterstartedsuccessfullyafter173d.Thenitrogenremovalperformanceofthecoupledsystemunderdifferentfiltrationconditionswasstudied.Theresultsshowedthatthetotalnitrogenvolumetricloadingofthecoupledsystemreached0.75kg·m-3·d-1whenthefiltrationratewas0.5m·h-1.TheaverageconcentrationofTNintheeffluentwas8mg·L-1.Thenitrogenofmunicipalwastewatercouldbetreatedstablyandefficientlythroughpartialnitrification-anaerobicammoniaoxidationprocess.Keywords:partialnitrification;Anammox;biofilm;temperature;filtrationrate;molecularbiology;model-predictivecontrol2018-01-24收到初稿，2018-02-24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）；北京市自然科学基金项目（8182012)。Receiveddate:2018-01-24.Correspondingauthor:LIUXiuhong,[e-mail]:supportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(51508561)andtheNaturalScienceFoundationofBeijing(8182012).·3636·化工学报第69卷·3636·引言厌氧氨氧化(anaerobicammoniumoxidation，Anammox)因节约能耗、无须外加碳源、污泥产率低等优点而受到广泛关注。目前，国内外有关该工艺研究和应用的处理对象主要是污泥消化上清液[1]和垃圾渗滤液[2-3]等高温高氨氮废水[4-5]，仅有部分气温较高的地区，实现了城市污水厌氧氨氧化工艺[6-7]。由于厌氧氨氧化菌世代时间长，厌氧氨氧化污泥流失是导致工艺难于稳定的重要原因[8-11]。生物滤池是集生物膜和过滤于一体的严格推流反应器，具有抗冲击负荷和占地面积小等优点[12-14]。同时，在该工艺中实现厌氧氨氧化可充分利用厌氧氨氧化菌的世代时间长和污泥产量低的特点[15-16]，有效避免生物滤池频繁反冲洗的弊端。实现厌氧氨氧化脱氮的前提是实现短程硝化，与传统全程硝化相比，短程硝化可节省25%曝气量和30%反应时间[17]。因此，短程硝化-厌氧氨氧化工艺凭借节省曝气量、污泥产量低和无须外加碳源等优点，成为处理低C/N比城市污水的有效途径。但是要大范围推广应用该技术，仍存在一些迫切需要解决的问题：①如何维持短程硝化的长期稳定；②如何缩短厌氧氨氧化的启动时间。基于此，本试验采用短程硝化SBR-厌氧氨氧化生物滤池工艺处理生活污水，并为其提出优化控制策略。1试验材料和方法1.1试验材料1.1.1试验装置小试SBR装置材质为有机玻璃，有效容积19.5L，高1.1m，内径150mm，试验装置如图1所示。SBR进水量由液位计控制，整个反应过程中，由加热棒和温控系统控制反应温度在25℃，好氧反应阶段由鼓风机曝气，控制系统DO(2.5±0.5)mg·L-1范围内；整个反应过程一直进行搅拌，以保持系统内泥水混合状态，好氧反应时间按照实时控制策略[18]运行，反应结束后沉淀30min，排水12L。Anammox滤池反应器主体材质为有机玻璃，反应器总高1.2m，有效容积10.5L（高600mm，内径150mm），底部设有20cm鹅卵石作为承托层，内部以火山岩作为滤料，滤料直径为3～5mm，反应器每隔20cm设一个取样口，共6个取样口。反应器外部包裹锡纸避免光的负面影响，加热带加热图1短程硝化SBR-厌氧氨氧化滤池装置Fig.1PartialnitrificationSBR-Anammoxfilterapparatus控制系统温度在（25±1）℃。1.1.2接种污泥短程硝化SBR试验所用种泥取自稳定运行的大型中试SBR内活性污泥，污泥浓度（MLSS）为3.018g·L-1，污泥容积指数（SVI）为65.61ml·g-1。Anammox滤池接种污泥来自北京某大型污水处理厂反冲洗出的成熟厌氧氨氧化污泥。1.1.3试验用水短程硝化SBR进水采用北京工业大学家属区生活污水，进水水质和控制参数如表1。Anammox滤池启动初期采用人工配水的方式，耦合期间进水为短程硝化出水。配水主要成分（mg·L-1）为：KH2PO427，CaCl2136，MgSO4·7H2O20，NaHCO3150，(NH4)2SO4（按需配制）、NaNO2（按需配制）。微量元素Ⅰ(mg·L-1):EDTA5，FeSO45;微量元素Ⅱ(mg·L-1):EDTA15,CuSO4·5H2O0.25,ZnSO4·7H2O0.43，H3BO40.014,MnCl2·4H2O0.99，Na2MoO4·2H2O0.22，CoCl20.24。表1试验水质情况Table1WastewatercharacteristicItemRangeMeanNH4+-N/(mg·L-1)37.6—75.252.4NO3--N/(mg·L-1)0—1.120.56NO2--N/(mg·L-1)0—1.020.51COD/TIN1.87—2.131.96MLSS/(mg·L-1)2500—35003000pH7—7.87.41.2试验方法1.2.1水质分析方法COD采用快速消解分光光度法测定;NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定，NO3--N采用麝香草酚分光光度法测定，NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定[19];MLSS采用滤纸第8期·3637··3637·重量法测定;pH和DO均采用DO和pH测定仪测定（德国，WTW3420）。1.2.2DNA提取与实时荧光定量PCR分析方法提取活性污泥样品DNA前，将样品置于冻干机中冻干3d。称取约0.05g冻干污泥样品，按照FastDNA®SPINKitforSoil试剂盒的操作说明书提取DNA，之后利用BioSpec-nano（SHIMADZU，Japan）测定DNA浓度和纯度。将所得的质粒标准品用灭菌纯水进行10倍梯度稀释，分别稀释成(1×102)～(1×109)copies·µl-1，建立标准曲线。对于标准品和未知样品，每个样品分别做3个平行，并设置阴性对照，即模板用等量的无菌纯水替代。qPCR反应体系为20µl，采用SYBR®PremixExTaq™II（Taraka，Japan）试剂。qPCR反应引物[20]如表2。（1）AOB的qPCR定量预变性：95℃30s；基因扩增：95℃5s，58℃30s，72℃40s(40cycles)；溶解曲线：95℃15s，60℃30s，95℃15s(1cycle)。（2）Nitrobacter(NB-NOB)的16s基因qPCR定量预变性：95℃30s；基因扩增：95℃5s，52℃30s，72℃40s(40cycles)；溶解曲线：95℃15s，60℃30s，95℃15s(1cycle)。（3）Nitrospira(NS-NOB)的16s基因qPCR定量预变性：95℃30s；基因扩增：95℃5s，60℃20s，72℃30s(40cycles)；溶解曲线：95℃15s，60℃30s，95℃15s(1cycle)。（4）Anammox菌的hzsB基因qPCR定量预变性：95℃30s；基因扩增：95℃5s，56℃30s，72℃40s(40cycles)；溶解曲线：95℃15s，60℃30s，95℃15s(1cycle)。表2qPCR反应引物总结Table2PrimersusedinqPCRTargetPrimername