新型IEM-UF耦合短程硝化反硝化系統脫氮特性

張 巖,馬翔山,郭 威,邢金良,張博康,劉子奇,陳昌明 (.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 004；.北京市豐臺區衛生和計劃生育監督所,北京 0007)

隨著我國經濟的快速發展和人民生活水平的提高,居民的飲食方式和結構也隨之發生了重大變化,生活污水中的氮磷含量明顯增加,城市、農村污水呈現低C/N的現象越來越普遍[1].因此處理低C/N生活污水是我們面臨的嚴峻課題.國內外學者研究表明,由于反硝化碳源不足,傳統的硝化反硝化生物脫氮已經不能滿足對低C/N生活污水脫氮處理的要求.例如,利用一體式A/O生物膜反應器處理低C/N污水,在DO為2～3mg/L時TN去除率平均值為11.2%[2];在缺氧段采用分點進水A/O工藝處理低C/N生活污水,TN最大去除率僅為56.40%[3].隨著技術的發展,涌現出一批具有創新意義的生物脫氮工藝.其中,短程硝化反硝化工藝可減少25%的硝化需氧量和40%的反硝化碳源[4],解決傳統硝化反硝化脫氮效率較低的問題.文獻[5]采用SBR法,通過交替缺氧好氧的運行模式實現了短程硝化的啟動,總氮去除率達到了70%;文獻[6]采用缺氧/厭氧UASBA/O組合工藝處理高氮垃圾滲濾液,經過70d運行實現亞硝酸鹽穩定積累.但其都存在短程硝化啟動時間較長,運行不穩定等問題.基于以上工藝的不足,本實驗室開發了新型浸沒式IEM-UF(Ion ExchangeMembrane-Ultrafiltration Membrane)組合膜耦合短程硝化反硝化工藝處理低C/N模擬廢水(C/N=3).以期將有機物與氨氮進行有效分離,避免短程硝化反應器中自養菌與異養菌的競爭作用以及反硝化反應器中碳源不足的問題,縮短亞硝化啟動時間,提高短程硝化反硝化穩定運行效率,實現系統高效脫氮和有機物去除.本研究考察了新型IEM-UF短程硝化反硝化脫氮系統不同工況下氨氮富集、短程硝化反硝化脫氮及COD去除特性,并利用分子生物學高通量16S rDNA測序技術,分析對比不同階段下短程硝化、短程反硝化活性污泥中微生物種群的變化以及功能微生物與短程硝化反硝化的相互關系,從分子生物學角度揭示反應器中細菌數量與菌群結構變化對系統脫氮效果的影響.

1 材料與方法

1.1 試驗水質

表1 試驗模擬廢水成分及元素組成Table 1 Elements of the simulated wastewater

試驗采用人工配水,以淀粉作為碳源、NH4HCO3作為氮源,其水質參數COD平均濃度為180mg/L,平均濃度為60mg/L,C/N=3,pH值為7.8～8.5.同時投加MgSO4、CaCl2、KH2PO4等作為活性污泥微生物生長需要的營養液.人工配水組成如表1所示.

1.2 IEM-UF組合膜

新型IEM-UF組合膜是一種可浸沒于液體中的平板式膜組件,基本尺寸為320mm×220mm×5mm.組成如圖1所示.其離子交換膜、超濾膜及其支撐板的主要性能參數如下表2、表3所示.

圖1 膜組件示意Fig.1 Schematic diagram of membrane component

表2 離子交換膜性能參數Table 2 Characteristics of the ionexchange membranes

表3 超濾膜和支撐板性能參數Table 3 Characteristics of the UF and support plate

1.3 氨氮分離器工作原理

氨氮分離器裝置如圖2所示.其長×寬×高=40cm×20cm×60cm,有效體積為40L,主要由直流電源、鐵電極、IEM-UF組合膜以及攪拌裝置組成.IEM-UF組合膜浸沒在氨氮分離器內,陽極正對陽離子交換膜,陰極正對超濾膜.氨氮分離器中的水分子透過超濾膜進入超濾膜和支撐板之間,由于陽離子交換膜對一價陽離子的選擇透過性,NH4+等一價陽離子在電場力的作用下透過陽離子交換膜進入膜組件內,形成高濃度的氨氮濃縮液,同時,大分子有機物被膜組件截留在氨氮分離器內,從而實現氨氮的富集和有機物的分離.

圖2 氨氮分離器裝置Fig.2 Schematic diagram of the separation equipment

1.4 試驗裝置及運行

新型IEM-UF氮富集短程硝化反硝化脫氮系統裝置如圖3所示,主要包括氨氮分離器、短程硝化反應器和短程反硝化反應器.原水經蠕動泵抽吸泵入氨氮分離器進行氨氮的富集和有機物的截留.富集的氨氮濃縮液經蠕動泵泵入短程硝化反應器中進行短程硝化.氨氮分離器有機物截留液出水(Q1)與短程硝化出水(Q2)用蠕動泵分別以流量比Q1:Q2=1:1、2:1泵入缺氧短程反硝化反應器中進行反硝化脫氮和有機物的去除.

圖3 試驗裝置示意Fig.3 Schematic diagram of the test equipment

1.5 試驗條件

該試驗運行包括3個階段,各階段運行工況如表4所示.氨氮分離器運行條件采用實驗室已有研究[7].實驗過程定期排泥,控制污泥濃度為(3000±200)mg/L.

表4 實驗運行工況表Table 4 Operating conditions of the reactor

1.6 分析方法

氨氮富集率計算公式:

式中:N2為膜組件出水濃度,mg/L;N1為氨氮分離器中濃度,mg/L.

亞硝酸鹽積累率NAR(%)計算公式[9,19]:

1.6.2 高通量16S rDNA測序 分別從亞硝化、短程反硝化反應器3個運行階段的最后一天即第17d、45d、88d采集活性污泥樣品,分別編號為4Y、4F、5Y、5F、6Y、6F(其中Y代表亞硝化活性污泥,F為反硝化活性污泥,數字4、5、6代表月份).樣品經離心后置于-60℃冷藏,后送至上海生工生物公司進行DNA提取,之后通過高通量16S rDNA測序,分析反應器中物種的菌落結構及其特性.

2 結果與討論

2.1 氨氮分離器氨氮富集特性

由圖4看出,第一階段氨氮富集率平均值為50.6%,最高為62.71%,其中運行第3d氨氮富集率由30.3%迅速升至52.71%,并在氨氮分離器中觀察到了黃褐色膠體沉淀物.原因分析:由于在電流作用下鐵電極被氧化,與氨氮分離器中電解生成的OH-產生含鐵離子的膠體或者沉淀物質[10].造成氨氮分離器中離子濃度降低,電極板之間的電壓增加,電場強度增大,從而使遷移速度加快,單位時間內進入膜組件的增多,氨氮富集率在短期內有一個明顯的提升;第二階段氨氮富集率平均值為62.47%、最高為90%;第三階段氨氮富集率達到穩定,平均值為66.7%、最高為86.1%.第三階段的氨氮富集率平均值明顯要高于第一、二階段.

圖4 氨氮分離器中氨氮富集率隨時間變化Fig.4 The variation of ammonia nitrogen enrichment with time in the separator

2.2 亞硝化反應器去除與積累特性

亞硝化反應器中接種污泥取自實驗室穩定運行的SBR硝化反應器,反應器接種后污泥濃度為3200mg/L.亞硝化反應器中進出水濃度、去除率變化如圖5所示:

圖5 亞硝化反應器中去除情況Fig.5 Removal of ammonia nitrogen in shortcut nitrification reactor

第二階段,隨著DO=0.5mg/L、進水pH=7.8～8.5、溫度=(27±1)℃[11-14]等條件的作用,反應器中NOB(亞硝酸鹽氧化菌)逐漸被淘洗掉.階段前期,AOB(氨氧化菌)菌種含量仍然較少,在反應周期內不能完全將氧化.隨著AOB菌種含量逐漸升高,出水濃度也逐步降低.此階段出水濃度平均值為41.37mg/L、去除率平均值為49%.

圖6 亞硝化反應器中積累情況Fig.6 Nitrite accumulation in the shortcut nitrification reactor

2.3 反硝化反應器及COD去除特性

反硝化污泥取自某市政污水處理廠二沉池回流污泥,反應器接種后活性污泥初始MLSS為2800mg/L.不同反硝化反應器進水流量比Q1:Q2下、COD濃度變化、去除效果如圖7、圖8所示.

圖7 不同進水流量比下反硝化反應器去除效果Fig.7 Removal of in the denitrificationreactorunder different influent flow ratios

由圖7看出,第一階段Q1:Q2為1:1時,反應器進水中含量較高,反硝化出水變化幅度較大,去除率不穩定;第二階段Q1:Q2為2:1,反應器進水中主要成分為,平均去除率達到89%;第三階段(Q1:Q2為2:1),去除率平均值為83.7%,最高達到93%.對比三階段反硝化反應器-N去除率得出:反硝化進水流量比為2:1時的-N去除效果明顯優于進水流量比1:1時.所以進水COD濃度越高,越利于提高反硝化反應器的-N去除率.

分析圖8看出,第一階段反硝化進水COD濃度平均值為76.14mg/L,平均去除率為66.8%.第二、三階段進水COD濃度提高,平均值分別為98.05,99.6mg/L,出水COD濃度分別為39.6,37.5mg/L, COD平均去除率分別為59.6%、62.3%.反硝化反應器在三階段均可以有效去除COD.3個階段出水COD濃度均能達到《中華人民共和國污水綜合排放標準》[16]一級A標準中COD要求(50mg/L).

圖8 不同進水流量比下反硝化反應器COD去除效果Fig.8 Removal of COD in the denitrification reactorunder different influent flow ratios

2.4 IEM-UF氮富集短程硝化反硝化系統脫氮及COD去除特性

圖9 IEM-UF脫氮系統氨氮、、TN去除效果Fig.9 Removal of and TN in the system

圖10 各反應器COD去除情況Fig.10 Removal of COD in each reactor

圖11 系統COD去除率效果Fig.11 Removal of COD in the system

IEM-UF氮富集短程硝化反硝化脫氮系統3個反應器均可去除部分COD,各反應器去除比例如圖10所示.其中一小部分在氨氮分離器中被電解氧化,一小部分在亞硝化反應器中被異養菌消耗,其余主要作為反硝化過程的碳源被反硝化消耗.各階段COD去除情況如圖11所示.系統3個階段COD去除率平均值分別為86.98%、79.44%、79.36%.處理效果良好,該系統可以穩定高效去除COD.

系統在連續運行過程中,短程硝化反應器的穩定運行,可以明顯提高系統對低C/N廢水的脫氮效率,相比采用A/O工藝處理C/N為3左右的廢水,COD去除率提高了20%左右[17].

綜合以上分析,IEM-UF氮富集短程硝化反硝化系統歷時88d的培養可實現對C/N為3的污水連續流穩定脫氮和高效COD去除.國內外關于低C/N廢水脫氮研究中C/N在5～8之間時,TN去除率一般較高;當C/N減小到4以下時,TN去除率下降明顯.表5為其他試驗低C/N廢水處理效果與本試驗的比較.

表5 低C/N廢水處理效果比較Table 5 Comparison of treatment effects of low C/N wastewater

如表5所示,本試驗在C/N為3時,總氮去除率可達到64.8%,COD去除率達86.98%.相比其他C/N同為3左右的處理方法,本系統TN去除率較高,COD去除率也達到了同樣處理水平.因此,IEM-UF氮富集短程硝化反硝化系統在處理低C/N為3左右的廢水時,有著較好脫氮效果與COD去除率,具有一定的應用推廣價值.

2.5 系統中微生物菌群結構特征分析

2.5.1 短程硝化反應器中微生物群落分析短程硝化污泥樣品中檢測到380多個菌屬,含量在1%以上的菌屬分布情況如圖12所示.

參與亞硝化反應的主要為變形菌門Proteobacteria下的亞硝化單胞菌屬Nitrosomona和亞硝化螺旋菌屬(Nitrosospira).亞硝化單胞菌Nitrosomonas為能將氧化為的無機化能自養細菌,是短程硝化作用的重要菌種[24].因此亞硝化單胞菌在反應器中所占比例的多少直接影響短程硝化的效果.

由圖12可知,第一階段末,亞硝化單胞菌Nitrosomonas在反應器微生物中的比例為3.69%,第二階段末時,其所占比例增加至了5.48%,這與圖5分析結論一致:亞硝化反應器去除率在第二階段升高.同時也可說明IEM-UF組合膜能避免短程硝化反應器中自養菌與異養菌的競爭作用,縮短亞硝化啟動周期.但是,到了第三階段末期,由于曝氣時間延長至6.5h,DO增大導致NOB增殖速率及生物活性提高,AOB的生物活性受到抑制[25],亞硝化單胞菌Nitrosomonas的數量下降,至第三階段末時,亞硝化單胞菌Nitrosomonas在系統中的數量急劇降低至0.53%,導致反應器積累率也降低,這與圖6第三階段末期亞氮積累率變化一致.

圖12 屬水平下亞硝化反應器中微生物群落分布Fig.12 The distribution of microbial communitie on the level of genus in the shortcut nitrification reactor

2.5.2 短程反硝化反應器中微生物群落分析反硝化污泥樣品在屬分類水平下菌群分析結果如圖13所示.

圖13 屬水平下反硝化反應器中微生物群落分布Fig.13 The distribution of microbial communities on the level of genus in the denitrification reactor

圖中變形桿菌屬Dechloromonas、陶厄氏菌屬Thauera均為反硝化菌種[26].反硝化反應器中Dechloromonas菌屬、Thauera菌屬處于優勢地位,兩者在反硝化反應器屬水平下微生物菌群中所占比例之和在3個階段分別為33.35%、25.62%、20.52%.研究表明,Dechloromonas可以利用有機物作為電子供體將還原成,Thauera的異養反硝化功能在多篇文獻中都有報道[28-29].由于IEM-UF組合膜能夠分離有機物作為反硝化碳源,解決碳源不足問題,所以系統中的這些反硝化菌屬在3個階段都保持著較高的比例,始終處于優勢地位,因此系統具有較好的脫氮性能和COD去除效果,與圖9、圖11分析結論一致.由圖13可知,變形桿菌屬Dechloromonas和陶厄氏菌屬Thauera在3個階段的占比和呈現逐漸下降趨勢,主要是因為陶厄氏菌屬Thauera占比減少所致.但由于Dechloromonas占比一直較高,所以IEM-UF系統可以保持穩定的脫氮效率和COD去除效果.

3 結論

3.1 新型IEM-UF組合膜氨氮分離器與短程硝化反硝化耦合,亞硝化反應器中積累率僅用19d就達到了90%;反硝化反應器COD及平均去除率分別達到80%和89%以上.

3.2 新型IEM-UF氮富集短程硝化反硝化脫氮系統通過將氨氮與有機物進行有效分離,解決反硝化碳源不足的問題并促使短程硝化穩定運行,對C/N為3的廢水可達到64.8%的高效穩定脫氮和86.98%的有機物去除率.

3.3 亞硝化反應器中亞硝化單胞菌Nitrosomonas在3個階段下所占比例分別為3.69%、5.48%和0.53%;反硝化反應三個階段反硝化菌Dechloromonas、Thauera之和占活性污泥總菌群比例達到33.35%、25.62%、20.52%,三階段菌群結構變化與系統脫氮效果變化一致.

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