沸石曝气生物滤池短程硝化特性及其机制杨永愿

中国环境科学2017,37(12)：4518~4525ChinaEnvironmentalScience沸石曝气生物滤池短程硝化特性及其机制杨永愿,汪晓军*,赵爽,陈振国(华南理工大学环境与能源学院,广东广州510006)摘要：通过改变进水氨氮浓度和容积负荷,研究沸石曝气生物滤池(ZBAF)的短程硝化特性及其机制,利用高通量测序技术分析ZBAF中生物膜的微生物群落结构.结果表明:稳定运行阶段,亚硝氮产率(NPR)可达0.760kg/(m3·d),亚硝氮积累率(NAR)高于98%;游离氨(FA)对亚硝酸盐氧化菌(NOB)的抑制是实现短程硝化的主要原因,沸石对氨氮的吸附作用有利于维持合适的FA浓度,从而选择性抑制NOB的活性;亚硝氮的产生遵循零级动力学模型;ZBAF内实现了AOB的富集以及NOB的抑制,其中AOB(Nitrosomoadaceae)的相对丰度高于61%,未检测出NOB.关键词：曝气生物滤池；短程硝化；游离氨；动力学模型；沸石中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2017)12-4518-08Partialnitrificationperformanceandmechanismofzeolitebiologicalaeratedfilterforammoniumwastewatertreatment.YANGYong-yuan,WANGXiao-jun*,ZHAOShuang,CHENZhen-guo(SchoolofEnvironmentandEnergy,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China).ChinaEnvironmentalScience,2017,37(12)：4518~4525Abstract：Theammoniaconcentrationandnitrogenloadingrateofinfluentwerevariedtoinvestigatetheperformanceandmechanismofpartialnitrificationinthezeolitebiologicalaeratedfilter(ZBAF)reactor.Themicrobialcommunitystructureofbiofilmonthesurfaceofzeolitewasstudiedbyhigh-throughputsequencinganalysistechnique.Inthesteadystate,thenitriteproductionrate(NPR)was0.760kg/(m3·d)andthenitriteaccumulationratewashigherthan98.0%.Theinhibitionoffreeammonia(FA)tothenitriteoxidizingbacteria(NOB)wasprovedtobethemainreasonofpartialnitrification.Duetotheadsorptionofzeolitetoammonium,FAconcentrationcouldberemainedatanappropriaterangeforinhibitionofnitriteoxidizingbacteria(NOB).TheproductionofnitriteinZBAFfollowedthezero-orderkineticsmodel.TheenrichmentofAOBandinhibitionofNOBwererealizedinZBAF,andtherelativeabundanceofAOB(Nitrosomoadaceae)wasmorethan61%whilenoNOBwasdetected.Keywords：BAF；partialnitrification；freeammonia；kineticmodel；zeolite与传统脱氮工艺相比,以短程硝化为基础的自养脱氮技术具有诸多优势[1-3].在高氨氮废水处理中常常利用游离氨(FA)对氨氮氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)的抑制差异性实现短程硝化[4-5].FA浓度取决于氨氮浓度pH值和温度,与温度和pH值相比,控制进水氨氮浓度更容易获得适合的FA浓度实现短程硝化[6-7].但FA浓度并不稳定,在氨氮氧化过程中,FA浓度会随之下降,导致仅以FA作为控制因素难以获得稳定的短程硝化.曝气生物滤池(BAF)利用填料上的微生物能够有效去除氨氮.Li等[8]研究发现,以沸石作为生物载体能够实现AOB的富集.然而用沸石曝气生物滤池(ZBAF)实现短程硝化的研究鲜有报道.本试验采用沸石曝气生物滤池处理氨氮废水,通过控制反应器内FA浓度来实现短程硝化,改变进水氨氮容积负荷与氨氮浓度,分析ZBAF中氮元素的迁移转化,研究实现短程硝化的机理以及动力学特性,对ZBAF中的微生物群落结构进行分析,为短程硝化处理低碳氮比氨氮废水的工程化应用提供理论依据.1材料与方法1.1试验流程和反应装置本试验装置采用沸石曝气生物滤池反应器收稿日期：2017-05-08基金项目：国家自然科学基金应急管理项目(21646008);印染行业污染控制技术集成、环保装备研发及其产业化(2015B020235013);2015年度广东省应用型科技研发专项(重大)*责任作者,教授,[e-mail]12期杨永愿等：沸石曝气生物滤池短程硝化特性及其机制4519(ZBAF)(图1),其材质为有机玻璃,反应器内径为100mm,高1.20m,填料采用粒径为1~2mm的天然沸石,平均粒径为1.80mm,比密度为2.64g/m3,比表面积为16.20m2/g,装填高度为1.00m,反应器采用上流式进水,承托层以上每隔0.15m设一个取样口,共6个.ZBAF底部曝气管连续供氧,底部设有进水以及反冲洗布水管,反应器外壁覆盖加热套及保温套进行加热保温.P蠕动泵P出水进水沸石空气压缩机图1ZBAF装置示意Fig.1SchematicdiagramoftheZBAFreactor1.2接种污泥接种污泥为实验室培养成熟的硝化污泥,接种量为500mL,其中污泥浓度MLSS为5.0g/L,污泥容积指数(SVI)为40mL/g.1.3试验进水试验进水为自来水配制的模拟废水,以硫酸铵作为氮源,碳酸氢钠提供碱度,并添加磷酸二氢钾、氯化钙、硫酸镁等微生物所需的营养元素及其他微量元素,不添加任何有机碳源,试验中进水NH4+-N浓度为150~550mg/L,pH值控制在8.3~8.5.FA和游离亚硝酸(FNA)浓度由Anthonisen等[6]提出的公式计算:pH4pHNHN1017FA(mg/L)1633414exp10273+T(1)2pHNON46FNA(mg/L)1230014exp10273+T(2)1.4分析方法氨氮、纳氏试剂分光光度法;亚硝酸盐氮,N-(1萘基)-乙二胺分光光度法;硝酸盐氮,紫外分光光度法;pH值,PHS-3C型pH计;溶解氧,HQ30d溶解氧仪;微生物群落结构,高通量基因测序技术.1.5试验方法反应器采用上流式进水方式,模拟废水由蠕动泵打入反应器底部经布水管进入反应器与填料层接触从上方出水口排出,反应器内溶解氧浓度通过气体流量计调节曝气量来控制.反冲洗采用气水联合反冲方式,反冲洗周期为7d1次.表1ZBAF在不同运行阶段下的运行条件Table1DetailedoperationalconditionsduringdifferentstagesofZBAF阶段时间(d)进水NH4--N(mg/L)进水pH值HRT(h)NLR[kg/(m3d)]DO(mg/L)11~311508.4±0.14.7~35.00.103~0.7714~6231~69250~3508.4±0.17.00.854~1.1954~6370~733508.4±0.16.01.4004~674~773508.4±0.15.01.6804~6*78~80*----4~6481~843508.4±0.18.21.0204~685~1054508.4±0.110.61.0204~6106~1235508.4±0.112.91.0204~6注:*闷曝.4520中国环境科学37卷试验开始前对ZBAF反应器进行挂膜培养,首先配以3.5L氨氮浓度为150mg/L的模拟废水,以及投加接种污泥,然后在溶解氧为4~6mg/L条件下进行闷曝培养,每隔24h更换进水,闷曝挂膜共进行3d.系统闷曝结束后开始连续进水试验,按运行方式试验可分为4个阶段,不同阶段的运行条件见表1.第1阶段为全程硝化阶段,进水氨氮浓度为150mg/L,此阶段通过逐步缩短水力停留时间(HRT)来提高反应器的氨氮容积负荷(NLR),目的是为了实现反应器氨氮处理能力最大化;第2阶段为短程硝化阶段,通过提高进水氨氮浓度来提高反应器内的游离氨浓度从而实现短程硝化;第3阶段,考察系统在不同NLR下的短程硝化性能;第4阶段维持系统的NLR不变,考察系统在不同氨氮进水浓度下的短程硝化性能.整个试验水温为(25±1)℃,水中溶解氧浓度为4~6mg/L,碱度与氨氮比为8.92.1.6短程硝化模型建立采用上流式填料床建立短程硝化反应动力学模型,取填料层任意薄层进行物料衡算:()()zzzzCAZVCVCAZt(3)式中:A为填料床的横截面积;∆Z为薄层厚度;V为体积流量;Cz为Z断面的亚硝氮浓度;为硝化反应表观速度.2结果与讨论2.1短程硝化的建立及处理氨氮模拟废水特性试验第1阶段,由图2可以看出,出水无亚硝氮积累,经过28d运行后,亚硝氮产率(NPR)为(0.430±0.01)kg/(m3d),氨氮去除率(ARE)为(83.6±1.9)%,说明系统在曝气条件下,硝化细菌的增殖速度很快.第2阶段通过提高进水氨氮来实现短程硝化.如图2所示,进水氨氮浓度提高至250mg/L后经过约12d,出水NO3--N逐渐降至2.0mg/L,而出水NO2--N逐渐升高,在25d后稳定在189.5mg/L,表明ZBAF在12d起实现短程硝化,稳定阶段平均NPR为0.640kg/(m3d),亚硝氮积累率(NAR)高于98%;进水氨氮浓度提高至350mg/L后,NPR逐渐增加至0.740kg/(m3d)(图2b),说明AOB不仅适应氨氮负荷的提升,而且可能由于底物浓度的增加,硝化速率更接近最大比基质消耗速率Vmax值,硝化作用进一步增强[9].01020304050607080901001101200100200300400500600a阶段3阶段48.25.0阶段2阶段1氮元素浓度(mg/L)时间(d)NH4+-NNO2--NNH4+-NNO3--NHRT(h):4.7~35.07.06.010.612.901020304050607080901001101200102030405060708090100阶段2阶段3阶段48.26.0阶段112.910.65.07.0NPR、NLR[kg/(m3d)]NAR、ARE(%)时间(d)NARAREHRT(h):4.7~35.00.000.250.500.751.001.251.501.752.00NPRNLRb图2ZBAF在不同阶段下的表现Fig.2TheoveralloperationalperformanceofZBAF(a)氮元素的浓度变化;(b)亚硝氮积累率(NAR),氨氮去除率(ARE),亚硝氮产率(NPR),氨氮容积负荷(NLR)12期杨永愿等：沸石曝气生物滤池短程硝化特性及其机制4521研究表明[10-11],过高的氨氮浓度对硝化细菌具有一定的抑制作用,第3阶段和第4阶段分别考察了不同NLR和进水氨氮浓度对ZBAF短程硝化性能的影响,此阶段曝气速率等条件维持恒定.图2显示,第3阶段