脈沖式流量波動對厭氧氨氧化UASB反應器的影響

高夢佳,王淑瑩*,王衫允,彭永臻,賈方旭

?

脈沖式流量波動對厭氧氨氧化UASB反應器的影響

高夢佳1,王淑瑩1*,王衫允2,彭永臻1,賈方旭1

(1.北京工業大學北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室,北京 100124；2.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150090)

通過試驗模擬不同幅度、不同頻率的脈沖式進水流量波動,研究脈沖式流量波動對已穩定運行的厭氧氨氧化UASB反應器性能的沖擊影響.結果表明,在脈沖波動幅度小于60mL/min(上升流速1.33cm/min)范圍內,厭氧氨氧化UASB反應器表現出良好的適應性和承受力,甚至對于高頻率的波動沖擊,出水也可達到一級A標準,NH4+-N和NO2--N去除率都基本維持在80%以上,總氮去除率維持在70%以上.而當脈沖的波動幅度為100mL/min(上升流速2.22cm/min)時,則UASB反應器的出水水質波動性大,隨著波動頻率的增大,反應器的適應時間增長,一直到波動頻率為1.5h時,反應器出水NH4+-N和NO2--N濃度難以穩定在5mg/L以下.隨著波動幅度由40mL/min增大到60,100mL/min,反應器內污泥中厭氧氨氧化菌的豐度值和厭氧氨氧化菌占全細菌的百分含量均呈現先增多后減少的趨勢,在波動幅度為60mL/min時均為最大,可能是由于此時污泥和基質的混合與接觸更為高效,氮去除效率高,更有利于厭氧氨氧化菌的生長.

流量波動；脈沖幅度；脈沖頻率；厭氧氨氧化；UASB

厭氧氨氧化反應改變了傳統的生物脫氮方 式[1],厭氧氨氧化反應是缺氧反應,不需曝氣,節約能源[2-3],是自養反應,不需碳源,節約碳源[4-5],適合于C/N較低的廢水[6-7],同時節省廢水處理費用[8].厭氧氨氧化菌生長緩慢,UASB反應器有利于厭氧氨氧化污泥顆粒化,提高污泥的沉降性 能[9],達到污泥的有效持留[10],對厭氧氨氧化污泥的培養比較有利.

污水處理廠實際運營期間,上游來水水量波動大,會存在高峰和低谷[11-12].我國北方地區降雨集中在7、8月份,集中的降雨對污水處理廠造成了很大的壓力[13],在降雨集中時污水廠水量會超過蓄水池容量,使生物處理系統進水量瞬時增加.每天產生的污水量存在時間上的波動[12],雖然污水廠可設調節池,但這會增加建筑費用[14],并且在水量波動過大時會超出調節池的調節容量.Jin等[15]研究了厭氧氨氧化的厭氧折流板反應器對短暫沖擊負荷的適應情況,Yuya等[16]探究了自養型氮去除系統在水力負荷增加條件下的穩定性,Yu等[11]研究了短暫高進水流速對厭氧氨氧化反應器的影響,葛世建等[17]考察了改良UCT分段進水工藝抗脈沖式水量沖擊的能力,但目前關于脈沖式流量波動對厭氧氨氧化UASB工藝影響的相關研究尚少.本試驗采用脈沖進水方式,模擬城市污水廠實際進水的流量波動,研究厭氧氨氧化UASB反應器對流量波動的適應情況,為厭氧氨氧化UASB反應器在實際工程中的推廣應用提供理論指導.

1 材料與方法

1.1 材料與裝置

采用模擬廢水,其組成見表1,并且此廢水中COD為35~40mg/L,進水的NH4+-N和NO2--N維持在30mg/L左右,溫度控制為30℃,進水pH值范圍為7.5~9.0,厭氧氨氧化UASB反應器的初始污泥濃度為1.6gVSS/L,在啟動初期保持恒進水流量80mL/min穩定培養,反應器的體積為6.08L,橫截面積為0.45dm2,高度為1.35m,第1階段、第2階段、第3階段低高流量時的水力停留時間分別為1.69,1.01,2.03,0.92,3.38,0.78h.

1.2 脈沖進水的操作方法

通過實時控制系統實現脈沖進水.第1階段波動幅度設定為40mL/min(低-高流量為60~ 100mL/min),波動頻率首先設定為12h(a段),通過監測進出水氨氮和亞硝濃度及相應去除效率,反映系統耐沖擊負荷的能力,當出水效果良好(達到一級A標準[18],NH4+-N和NO2--N出水濃度均穩定在5mg/L以下,且TN穩定在15mg/L以下)時,提高脈沖進水頻率,將脈沖進水波動頻率依次提高為6,3,1.5h(b,c,d段).當系統的出水效果良好時,再次提高脈沖進水頻率,一個周期為6h,前4h的波動頻率為1h,后2h的波動頻率為0.5h,以此來模擬高頻率脈沖沖擊,并研究其出水水質的變化情況.當系統不隨流量交替頻率的影響,始終保持良好的出水水質時,提高流量變化振幅.具體實施為將低-高流量改變為第2階段(波動幅度為60mL/min,低-高流量為50~110mL/min),第3階段(波動幅度為100mL/min,低-高流量為30~130mL/min),交替頻率方式同第1階段(波動幅度為40mL/min,低-高流量為60~100mL/min)設置,脈沖幅度和頻率的變化情況見表2.

表1 模擬廢水成分 Table 1 Characteristics of simulated wastewater

1.3 DNA的提取和定量PCR

稱取0.1g左右經-50℃冷凍干燥處理的污泥樣品,利用 FastDNA SPIN Kit for Soil(Bio 101, Vista,CA)提取試劑盒提取樣品中的總DNA.定量PCR 擴增的20μL體系配置如下:SYBR酶10μL, Rox熒光染料0.4μL,前后引物各0.2μL, DNA 2μL,ddH2O補足至20μL.其中,使用通用引物341f/534r對全細菌進行定量PCR擴增;使用特異性引物Amx368f/Amx820r進行厭氧氨氧化菌定量PCR擴增[19-20].厭氧氨氧化菌與全細菌豐度值的比值為厭氧氨氧化菌占全細菌的百分含量.

1.4 理化指標測定方法

水樣經過0.45μm濾紙過濾后測定NH4+-N、NO2?-N和NO3?-N,采用美國LACHAT公司QuikChem8500Series2流動注射分析儀;總氮TN取NH4+-N、NO2?-N和NO3?-N之和;pH值采用德國WTW pH/oxi340i儀測定;溫度采用溫控箱在線調節控制;混合液污泥濃度(MLSS):濾紙稱重法;揮發性污泥質量濃度(MLVSS)采用馬弗爐灼燒重量法測定;采用Olympus_BX 51型相差顯微鏡對顆粒污泥形態結構進行觀察,掃描電子顯微鏡(SEM)對顆粒污泥表面形態進行觀察.

2 試驗結果與討論

2.1 脈沖進水對厭氧氨氧化UASB反應器出水效果的影響

從圖1中可知,當進水流量脈沖式波動時,厭氧氨氧化UASB反應器的出水水質在低負荷時波動小,出水效果良好,而在高負荷時,出水水質波動增大,出水效果變差.在波動幅度為40mL/min(低-高流量為60~100mL/min)和60mL/min(低-高流量為50~110mL/min)時,經過20~30d,已能夠適應波動頻率為1.5h的波動,使出水NH4+-N和NO2--N濃度均能降到5mg/L以下,達到一級A標準;但是當波動幅度增大到100mL/ min(低-高流量為30~130mL/min)時,UASB反應器則需要適應的時間增長,出水效果的波動變大,受波動頻率的影響增大,當波動頻率為1.5h時,特別是在高流量時,出現了出水NH4+-N和NO2--N濃度難以穩定在5mg/L以下的現象.

可見,厭氧氨氧化UASB反應器在流量波動幅度小于60mL/min(上升流速1.33cm/min)時能夠取得良好出水效果,而當波動幅度增大為100mL/min(上升流速2.22cm/min)時,由于波動幅度超出了UASB反應器能夠適應的限度[21],造成出水難以穩定.當波動幅度小于60mL/min時,出水受波動頻率的影響不明顯,而當波動幅度達到100mL/min時,波動頻率越大,反應器適應所需時間越長,隨著波動頻率由12h變為6h和3h,反應器的適應時間由18d分別增加到28d和50d,甚至在波動頻率為1.5h時出水難以達到穩定.

2.2 厭氧氨氧化UASB反應器對高頻率脈沖沖擊的適應情況

從圖2中可以看出,在第1階段模擬高頻率脈沖沖擊時,厭氧氨氧化UASB反應器的出水效果良好,出水的氨氮和亞硝態氮的濃度都可以達到3mg/L以下,基本不隨高低負荷的轉換而波動,而在第2階段,出水的氨氮和亞硝態氮在前4h不穩定,濃度偏高,后2h基本穩定,能夠降到5mg/L以下.可見,在第1和第2階段,對于高頻率的脈沖沖擊,厭氧氨氧化UASB反應器都能適應,而在第2階段時波動幅度增大了,相應的適應時間也增長了.

2.3 脈沖進水對厭氧氨氧化UASB反應器總氮、氨氮以及亞硝態氮去除率的影響

由圖3可見,在第1階段和第2階段低流量時,厭氧氨氧化UASB反應器的氨氮和亞硝態氮去除率基本在90%以上,總氮去除率基本在80%以上,在第1階段和第2階段高流量時,氨氮和亞硝態氮去除率基本在80%~100%之間,總氮去除率基本在70%~85%之間;而在第3階段低流量時,出水的氨氮和亞硝態氮去除率在60%~100%之間波動,總氮去除率在55%~85%之間波動,在高流量時出水的氨氮和亞硝態氮去除率在50%~100%之間波動,總氮去除率在55%~75%之間波動.

由此可知,厭氧氨氧化UASB反應器對第1階段和第2階段的流量波動可以很好地適應,在低流量和高流量時氨氮和亞硝態氮去除率都基本維持在80%以上,總氮去除率都基本維持在70%以上,出水有良好的氨氮、亞硝態氮和總氮去除率.而第3階段的波動幅度對于厭氧氨氧化UASB反應器偏大,氨氮和亞硝態氮以及總氮去除率整體都波動大,相比于第1和第2階段偏低.并且可以發現在第3階段,低流量由第2階段的50mL/min降到了30mL/min,但是出水水質不如第2階段,可知,當流量波動過大時,對高低流量時的出水水質都有不利影響.

2.4 脈沖進水過程中反應器內厭氧氨氧化活性

2.4.1 厭氧氨氧化反應計量關系 由圖4可見,低流量時系統平均亞硝態氮去除量/氨氮去除量為1.14,平均硝態氮產生量/氨氮去除量為0.26,高流量時系統平均亞硝態氮去除量/氨氮去除量為1.19,平均硝態氮產生量/氨氮去除量為0.32,由此可知,在脈沖進水期間,系統的平均亞硝態氮去除量/氨氮去除量略低于文獻報道的理論值1.32,平均硝態氮產生量/氨氮去除量接近文獻報道的理論值0.26[22],系統的厭氧氨氧化活性良好.

2.4.2 UASB反應器內厭氧氨氧化污泥形態及表面特征 由圖5可見,反應器內厭氧氨氧化污泥呈紅色,這是因為厭氧氨氧化菌內羥氨氧還酶和聯氨氧化酶含有血紅素c[23],厭氧氨氧化污泥呈不規則顆粒狀,由掃描電鏡照片可知,厭氧氨氧化顆粒污泥表面形狀不規則,由多個菌群的聚集體堆積而成,顆粒污泥內部主要由成簇聚生的球菌構成,這些球菌通過胞外聚合物緊密連接.厭氧氨氧化菌為球菌,這種球菌易聚集而形成厭氧氨氧化聚體[3,24],與本實驗觀察到的顆粒污泥形態基本一致.

2.5 脈沖進水過程中厭氧氨氧化UASB反應器內微生物的變化情況

從定量PCR的結果(圖6)可以看出,反應器內污泥中厭氧氨氧化菌的豐度值和厭氧氨氧化菌占全細菌的百分含量均呈現先增多后減少的趨勢,其中第二階段厭氧氨氧化菌的豐度值最高,為1.58′109copies/g干污泥,厭氧氨氧化菌占全細菌的百分含量最大,為22.1%.

可見,適當的流量沖擊有利于厭氧氨氧化菌的生長,但是流量沖擊過大,則不利于厭氧氨氧化菌的生長.第2階段將要結束的前10d比第1階段將要結束的前10d,出水氨氮、亞硝態氮整體都低(特別是在高流量時,圖1),反應器的氮去除效率有所增高,相應的第2階段的厭氧氨氧化菌豐度值以及厭氧氨氧化菌占全菌的百分含量也增多.原因可能是當水力沖擊的高流量由100mL/ min增大到110mL/min時,污泥和基質的混合與接觸更為高效[4,25-26],從而使反應器氮去除效率增高,有利于厭氧氨氧化菌的生長.而第3階段由于流量波動過大,在高流量時水力停留時間過短,造成部分污泥不能及時與基質反應[27],氮去除效率低,從而不利于厭氧氨氧化菌的生長,相應的第3階段的厭氧氨氧化菌豐度值以及厭氧氨氧化菌占全菌的百分含量最少.

3 結論

3.1 厭氧氨氧化UASB反應器在流量波動幅度小于60mL/min(上升流速1.33cm/min)時,能夠適應并使出水NH4+-N和NO2--N濃度均降到5mg/L以下,達到一級A標準,此時出水受波動頻率的影響不明顯,并且反應器可以適應高頻率(0.5h)的脈沖沖擊.而當波動幅度增大為100mL/min(上升流速2.22cm/min)時,超出了UASB反應器能夠適應的限度,出水效果的波動變大,且波動頻率越大,適應所需時間越長,隨著波動頻率由12h變為6h和3h,反應器的適應時間由18d增加到28d和50d,甚至在波動頻率為1.5h時出水難以達到穩定.

3.2 第1階段和第2階段時,厭氧氨氧化UASB反應器在低流量和高流量時氨氮和亞硝態氮去除率都基本維持在80%以上,總氮去除率都基本維持在70%以上,出水有良好的氨氮、亞硝態氮和總氮去除率.而第3階段的波動幅度對于厭氧氨氧化UASB反應器偏大,氨氮和亞硝態氮以及總氮去除率整體都波動大,相比于第1和第2階段偏低.同時可知,當流量波動幅度過大時,對高低流量時的出水水質都有不利影響.此結果可以為實際污水廠的運行提供一定的參考.

3.3 在脈沖進水期間,系統的厭氧氨氧化活性良好,系統的平均亞硝態氮去除量/氨氮去除量略低于文獻報道的理論值1.32,平均硝態氮產生量/氨氮去除量與文獻報道的理論值0.26相近.

3.4 在對厭氧氨氧化UASB反應器進行脈沖沖擊的過程中,反應器內污泥中厭氧氨氧化菌的豐度值和厭氧氨氧化菌占全細菌的百分含量均呈現先增多后減少的趨勢,其中第2階段厭氧氨氧化菌的豐度值最高,為1.58′109copies/g干污泥,厭氧氨氧化菌占全細菌的百分含量最大,為22.1%.可見,在適量脈沖沖擊的條件下,UASB反應器內可實現厭氧氨氧化菌的增長,使反應器的氮去除效率增高.

[1] Swati T, Sunil K G , Brijesh K M. A novel strategy for simultaneous removal of nitrogen and organic matter using anaerobic granular sludge in anammox hybrid reactor [J]. Bioresource Technology, 2015,197:171-177.

[2] Fernandez I, Dosta J, Fajardo C, et al. Short- and long-term effects of ammonium and nitrite on the anammox process [J]. Environmental Management, 2012,95:170-174.

[3] 唐曉雪.生活污水厭氧氨氧化組合處理工藝及過程控制 [D]. 北京:北京工業大學, 2014.

[4] Zhang Q Q, Chen H, Liu J H, et al. The robustness of anammox process under the transient oxytetracycline (OTC) shock [J]. Bioresource Technology, 2014,153:39-46.

[5] 鄭照明,劉常敬,鄭林雪,等.不同粒徑的厭氧氨氧化顆粒污泥脫氮性能研究 [J]. 中國環境科學, 2014,34(12):3078-3085.

[6] Hubaux N, Wells G, Morgenroth E. Impact of coexistence of flocs and biofilm on performance of combined nitritation-anammox granular sludge reactors [J]. Water Research, 2015,68:127-139.

[7] Ivar Z, Ergo R, Toomas T, et al. Start-up of low-temperature anammox in UASB from mesophilic yeast factory anaerobic tank inoculum [J]. Environmental Technology, 2015,36(2):214-225.

[8] Zhao J, Zuo J, Li P, et al. The performance of high-loading composite anammox reactor and its long-term recovery from extreme substrates inhibition [J]. Bioresource Technology, 2014, 172:50-57.

[9] Li X J, Sung S. Development of the combined nitritation– anammox process in an upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor with anammox granules [J]. Chemical Engineering Journal, 2015,281:837-843.

[10] 李 蕓,張彥灼,李 軍,等. ANAMMOX顆粒污泥吸附氨氮特性及其影響因素 [J]. 中國環境科學, 2016,36(3):741-750.

[11] Yu J J, Jin R C. The anammox reactor under transient-state conditions: Process stability with fluctuations of the nitrogen concentration, inflow rate, pH and sodium chloride addition [J]. Bioresource Technology, 2012,119:166-173.

[12] 趙 勇.城市污水流量峰值特點及其波動性分析 [J]. 水利科技與經濟, 2014,20(9):113-115.

[13] 路聰聰.沖擊負荷對分段進水脫氮除磷性能影響 [D]. 北京:北京工業大學, 2013.

[14] 魏新慶,周 雹.小型污水處理廠調節池的設計探討 [J]. 中國給水排水, 2014,30(6):6-8.

[15] Jin R C, Yu J J, Ma C, et al. Performance and robustness of an anammox anaerobic baffled reactor subjected to transient shock loads [J]. Bioresource Technology, 2012,114:126-136.

[16] Yuya K, Hiroki I, Kazuhiko N, et al. Stability of autotrophic nitrogen removal system under four non-steady operations [J]. Bioresource Technology, 2013,137:196-201.

[17] 葛士建.改良UCT分段進水脫氮除磷工藝與工程應用研究 [D]. 北京:北京工業大學, 2013.

[18] GB18918-2002 城鎮污水處理廠污染物排放標準 [S].

[19] 王衫允,祝貴兵,曲冬梅,等.白洋淀富營養化湖泊濕地厭氧氨氧化菌的分布及對氮循環的影響 [J]. 生態學報, 2012,32(21): 6591-6598.

[20] Wang S Y, Zhu G B, Peng Y Z, et al. Anammox bacterial abundance, activity, and contribution in riparian sediments of the Pearl River Estuary [J]. Environmental Science & Technology, 2012,46:8834-8842.

[21] Bhatia D, Vieth W R, Venkatasubramaniam K. Steady-state and transient-behaviour in microbial methanification.1. experimental results [J]. Biotechnology And Bioengineering, 1985,27:1192- 1198.

[22] Daverey A, Su S H, Huang Y T, et al. Partial nitrification and anammox process: a method for high strength optoelectronic industrial wastewater treatment [J]. Water Research, 2013,47: 2929-2937.

[23] 馬 斌.城市污水連續流短程硝化厭氧氨氧化脫氮工藝與技術 [D]. 哈爾濱:哈爾濱工業大學, 2012.

[24] 鄭照明,李澤兵,劉常敬,等.城市生活污水SNAD工藝的啟動研究 [J]. 中國環境科學, 2015,35(4):1072-1081.

[25] Nachaiyasit S, Stuckey D C. The effect of shock loads on the performance of an anaerobic baffled reactor (ABR). 2. step and transient hydraulic shocks at constant feed strength [J]. Water Research, 1997,31:2737-2746.

[26] Yu J J, Jin R C. The anammox reactor under transient-state conditions: Process stability with fluctuations of the nitrogen concentration, inflow rate, pH and sodium chloride addition [J]. Bioresource Technology, 2012,119:166-173.

[27] Guo Q, Yang C C, Xu J L, et al. Individual and combined effects of substrate, heavy metal and hydraulic shocks on an anammox system [J]. Separation and Purification Technology, 2015,154: 128–136.

* 責任作者, 教授, wsy@bjut.edu.cn

Influence of pulsed flow fluctuation on UASB reactor of anaerobic ammonia oxidation

GAO Meng-jia1, WANG Shu-ying1*, WANG Shan-yun2, PENG Yong-zhen1, JIA Fang-xu1

(1.Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)., 2016,36(8)：2347~2354

Due to the fluctuation of upstream sewage during the actual operation, the effect of pulsed inflow shock on the stability of anaerobic ammonium oxidation (ANAMMOX) process was evaluated in the present study through changing the amplitude and frequency of pulsed inflow. The results showed that the ANAMMOX process in UASB reactor had a good adaptivity and tolerance towards pulsed inflow when the amplitude was less than 60mL/min(vupflow=1.33cm/min). Even through the pulsed frequency came to a high level, the effluent could meet the national 1-A standard. The removal efficiency ratio of NH4+-N and NO2--N could both been kept above 80% and the removal ratio of total nitrogen was above 70%. The process of ANAMMOX in UASB reactor was unstable when the pulsed amplitude came to 100mL/min (upflow=2.22cm/min). With the enhancement of pulsed frequency, the adaptation time of ANAMMOX process increased. The concentrations of NH4+-N and NO2--N in effluent were both above 5mg/L when the pulsed frequency came to 1.5h. Moreover, when the pulsed amplitude increased from 40mL/min to 60mL/min and 100mL/min, the abundance of anammox bacteria in reactor and the percentage of anammox on total bacteria firstly increased and then decreased. The abundance and percentage of anammox bacteria in total bacteria came to the highest level when the pulsed amplitude came to 60mL/min. The reason might be that the mixture and contaction of the anammox and the substance were more efficient, which facilited the growth of anammox bacteria.

flow fluctuation；pulse amplitude；pulse frequency；anammox；UASB

X703.1

A

1000-6923(2016)08-2347-08

高夢佳(1992-),女,山東東營人,北京工業大學碩士研究生,主要從事污水生物處理理論與應用.

2015-12-30

國家自然科學基金(51478013),北京市教委資助項目