前置A2NSBR系統硝化和反硝化除磷的特性

趙偉華,李健偉,王梅香,黃 宇, 馮 巖,李夕耀,彭永臻*

前置A2NSBR系統硝化和反硝化除磷的特性

趙偉華1,2,李健偉1,王梅香1,黃 宇1, 馮 巖1,李夕耀1,彭永臻1*

(1.北京工業大學,國家工程實驗室,北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術研究中心,北京 100124；2.哈爾濱工業大學,海洋科學與技術學院,山東 威海 264209)

以處理實際低C/N生活污水的前置A2NSBR系統為研究對象,考察系統內生物膜的硝化特性和活性污泥的反硝化除磷特性.試驗研究了有機物和NO2--N濃度對生物膜硝化性能的影響,以及不同電子受體濃度對反硝化吸磷速率的影響.結果測得硝化速率為11.3mgNH4+-N/(L·h),在填充率40%的條件下容積負荷為0.27kgNH4+-N/(m3·d),有機物的存在會對硝化有抑制,但是系統表現出了良好的抗有機負荷沖擊能力,硝化速率為9.72mg NH4+-N/(L·h). NO2--N處理對AOB活性幾乎無影響,對NOB活性抑制作用明顯,當NO2--N濃度為400mg/L時,NOB活性僅為1.63%,幾乎接近完全被抑制.根據本次不同電子受體條件下除磷批次試驗的結果,好氧吸磷速率為17.62mg P/(g VSS·h),以NO3--N為電子受體的缺氧吸磷速率是12.94mg P/(g VSS·h),從而可知缺氧聚磷菌占總聚磷菌的比例大約是73.4%,其中在NO2--N濃度為30mg/L出現吸磷抑制,當NO2--N和NO3--N共存時,NO2--N在初始濃度為15mg/L便出現吸磷抑制.

低碳氮比；前置A2NSBR工藝；硝化；反硝化除磷；NO2--N抑制

污水廠的脫氮除磷功能已經成為阻止水體富營養化的有效措施,但是實際生活污水碳源缺乏,C/N比較低,脫氮和除磷存在碳源的競爭[1-2].反硝化除磷能夠“一碳兩用”充分利用原水碳源,節省曝氣能耗和降低污泥產量,據此本文提出了雙污泥反硝化除磷前置A2NSBR工藝[3-4],硝化和反硝化除磷反應分別發生在N-SBR和A2SBR反應器中,相應的硝化菌在N-SBR系統中得到富集,反硝化除磷菌在A2SBR富集,與常規的單污泥系統不同,雙污泥系統功能菌種富集程度更高[5],因而其污泥活性和生物膜更值得研究.

在前置A2NSBR工藝中,COD主要在A2SBR反應器中被消耗,進入N-SBR幾乎沒有可利用的有機物,有機物對硝化性能的影響很小,這使得N-SBR反應器更有利于硝化和富集硝化菌.關于有機物對硝化性能影響研究發現C/N比與生物膜填料上的硝化菌比例成負相關關系, AOB和NOB的比例隨著C/N的增加而逐步下降[6]; 通過DGGE技術研究同樣證實C/N比與硝化菌富集程度呈負相關,隨C/N比從低到高,優勢菌種從硝化細菌變為反硝化菌,且發生反應從硝化到同步硝化反硝化[7].

電子受體NO3--N和NO2--N濃度對反硝化除磷有重要影響,研究發現反硝化吸磷速率與缺氧段硝態氮濃度呈正比,并且當硝態氮耗盡后,系統由缺氧吸磷轉變為厭氧內碳源放磷[8], NO2--N濃度大于20mg/L時吸磷出現抑制,這可能與反硝化吸磷相關的酶活性被抑制有關,或者反硝化中間產物抑制缺氧吸磷性能[9].

生物膜的短程硝化至今是國內外的難題,由于生物膜的附著生長特性,很難像絮體污泥那樣通過排泥結合實時控制快速實現短程硝化,本研究擬采用NO2-抑菌效應[10],并探索結合過程控制和環境條件實現AOB的富集和NOB的淘洗,通過種群優化來實現生物膜系統的短程硝化.通過研究NO2--N濃度對AOB和NOB活性抑制,以及NO2--N濃度對反硝化除磷影響的作用,以期最終實現短程反硝化除磷,進一步節省能耗和碳源.

1 材料和方法

1.1 試驗裝置

試驗母反應器為前置A2NSBR系統[4],由一個活性污泥除磷SBR單元和一個填料生物膜硝化SBR單元構成,批次試驗根據具體方案從母反應器取活性污泥或者填料.

1.2 硝化性能批次試驗方案

1.2.1 硝化速率試驗 取2L SBR反應器按照容積填充率40%加入800mL填料(? 25mm′10mm,取自母反應器),試驗采用配水,投加氯化銨使得初始NH4+-N濃度約30mg/L,20℃,間隔30min取樣.

1.2.2 有機物存在對生物膜硝化性能影響試驗 在2L SBR反應器(填料類型? 25mm′10mm,取自母反應器,填充率40%)投加乙酸鈉和氯化銨,使得初始COD和NH4+-N濃度分別為100和35mg/L,保持溫度為20℃,溶解氧(DO) 濃度為(4±0.5) mg/L,間隔30min取樣測COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N濃度.

1.2.3 NO2--N濃度抑制對生物膜上硝化菌(AOB和NOB)活性的影響試驗 取4個500mL SBR反應器,裝入200mL填料(填充率40%,? 10mm′8mm,取自硝化母反應器),依次投加亞硝酸鈉,使得初始NO2--N濃度分別為0mg/L(1#),100mg/L(2#),200mg/ L(3#),400mg/L(4#) 浸泡處理8h,溫度為25℃,pH值為7.0. 8h浸泡結束后用蒸餾水洗3遍,在每個SBR反應器中投加氯化銨和亞硝酸鈉,使得初始NH4+-N和NO2--N濃度為20和10mg/L,控制DO為4mg/L左右,進行硝化反應,間隔15min取樣記錄NH4+-N、NO2--N和NO3--N濃度并作圖.

1.3 反硝化吸磷性能批次試驗方案

1.3.1 好氧吸磷速率和反硝化吸磷速率試驗 參考Wachtmeister[11]提出的方法,污泥取自A2SBR反應器的好氧段,共1L懸浮污泥,先離心然后用去離子水清洗2遍,定容到1L的錐形瓶中,通過投加無水乙酸鈉使COD初始濃度為100mg/L,厭氧攪拌2h;反應結束后,離心分離,再用去離子水將反應活性污泥清洗2遍,去除剩余COD和磷酸鹽等物質,添加磷酸氫二鉀使得初始磷濃度為40mg/L,然后定容至1L后均分為2份,1份好氧曝氣,使DO濃度維持在2mg/L左右,另一份加入NaNO3,使初始NO3--N濃度均為30mg/L,缺氧攪拌,反應時間2h,試驗測得的缺氧最大吸磷速率/好氧最大吸磷速率比值即DPAOs占PAOs的比例.

1.3.2 不同NO2--N濃度對反硝化吸磷速率影響試驗 研究不同NO2--N濃度(10, 20, 25, 30mg/L)對反硝化吸磷的影響,從A2SBR反應器內取好氧末階段的活性污泥,用去離子水洗后加入乙酸鈉使得初始COD濃度約為100mg/L,厭氧攪拌2h,2h后用去離子水清洗,然后加入磷酸氫二鉀使得初始磷酸鹽濃度為30mg/L左右,然后投加亞硝酸鈉使得NO2--N初始濃度分別為10, 20, 25, 30mg/L,控制溫度為20℃, pH值為7.0,間隔取樣觀測吸磷情況.

1.3.3 NO3--N/NO2--N共存對反硝化吸磷速率影響試驗 為研究NO3--N/NO2--N共存對吸磷的影響,取NO2--N濃度為10和15mg/L, NO3--N濃度為10mg/L,研究NO3--N/NO2--N共存時的吸磷性能,其他試驗步驟參考上文步驟1.3.2.

1.3 分析方法

COD采用5B-1快速測定法(Lanzhou Environmental Technology Co. Ltd.), PO43--P, NH4+- N,NO2--N,NO3--N由Lachat Quikchem8500型流動注射儀測定(Lachat Instrument, Milwaukee, wiscosin); TN通過TN/TOC分析儀(MultiN/C3100, Analytik Jena,AG)測定;采用WTW,Multi 340i pH/ DO儀測定pH值和DO.

2 結果與討論

2.1 系統硝化性能和有機物存在對硝化的影響

根據圖1,測得硝化速率為11.3mgNH4+-N/(L·h),在填充率40%的條件下容積負荷為0.27kgNH4+-N/ (m3·d).較高的硝化速率和硝化負荷表明N-SBR生物膜富集了大量硝化菌,為前置A2NSBR工藝反硝化除磷提供了充足的電子受體.

圖1 硝化速率測定試驗

如圖2所示,當有機物存在時,有機物優先利用DO被消耗掉,但在開始的0.5h內,存在微弱的硝化,NH4+-N濃度降低了1.09mg/L,0.5~1h之間NH4+-N濃度降低了4.01mg/L,這說明好氧去除有機物和硝化是同時發生的,但明顯好氧異養菌競爭DO的能力遠遠超過硝化菌.1h之后,可降解COD基本降解完畢,此時硝化開始快速發生,計算可得出平均硝化速率為9.72mg NH4+-N/(L·h).

這說明在硝化生物膜系統中,有機物和硝化相比,仍然具有競爭DO方面的優勢,有機物的存在存在會對硝化有抑制[12-13],但是系統表現出了良好的抗有機負荷沖擊能力,1h之后仍然保持較高的硝化速率,同時可以看到,在這個過程中TN去除率為29.5%,TN損失10.89mg/L,這是因為有機物的存在,系統發生了好氧同步硝化反硝化現象,按照去除1gN需要2.86g C計算,被用于反硝化的COD占總COD去除的35.5%,這說明在有機物存在的情況下,可能由于生物膜表面氧濃度梯度的差異提供了微觀缺氧環境,生物膜系統會表現出良好的同步硝化反硝化脫氮能力.

圖2 有機物對硝化速率的影響

2.2 NO2--N抑制作用

圖3(a)中,NO2--N投加濃度為0mg/L(1#,FNA為0mgHNO2-N/L),作為空白對照,用NH4+-N的降解速率(對應曲線斜率)代表AOB的活性,用NO3--N的生成速率(對應曲線斜率)代表NOB的活性,并將本空白對照試驗AOB和NOB的活性作為1(即100%).在90min內,NH4+-N濃度從22.52mg/L降解到9.74mg/L,NO2--N濃度從12.64mg/L降解到2.7mg/L, NO3--N濃度從1.38mg/L上升到23.62mg/L.

如圖3(b)所示,經過100mg/L濃度的NO2--N處理后(FNA為0.022mgHNO2-N/L),2#反應器生物膜中AOB活性幾乎未受到影響,而NOB活性受到抑制.90min內,NH4+-N濃度從22.36mg/L降解到7.88mg/L,NO2--N濃度從14.32mg/L上升到到23.9mg/L,NO3--N濃度從0.0mg/L上升到2.06mg/ L.2#NOB活性為10.61%.

經過200mg/L濃度的NO2--N處理后(FNA為0.045mgHNO2-N/L),3#反應器生物膜中硝化菌活性如圖3(c) 所示,90min內,NH4+-N濃度從22.8mg/L降到10.68mg/L,NO2--N濃度從13.6mg/L上升到23.58mg/L,NO3--N濃度從0.0上升到0.78mg/L.與1#相比,3#AOB幾乎未受到影響,而NOB受到抑制,NOB活性僅為4.08%.

如圖3(d)所示,經過400mg/L濃度的NO2--N處理后(FNA為0.090mgHNO2-N/L),4#反應器生物膜中硝化菌活性AOB幾乎未受到影響,而NOB受到抑制,90min內,NH4+-N濃度從23.24mg/L降到9.78mg/L,NO2--N濃度從15.12mg/L上升到25.52mg/L,NO3--N濃度從0.0上升到0.6mg/L.與1#相比,4#NOB活性基本被完全抑制,活性僅為1.63%.

圖3 亞硝酸鹽處理對硝化菌活性的影響

由此可見NO2--N處理對AOB活性幾乎無影響,但是對NOB活性具有明顯抑制作用,因此可嘗試用NO2--N處理生物膜,需同時配合其他措施,如實時過程控制[14]及溫度[15]等環境條件實現并維持生物膜的短程硝化,為短程硝化提供新的方法途徑.

2.3 不同電子受體條件下的吸磷速率

根據本次除磷批次試驗結果,好氧吸磷速率為17.62mg P/(g VSS·h),以NO3--N為電子受體的缺氧吸磷速率為12.94mg P/(g VSS·h),按照反硝化聚磷菌比例計算方法[3],缺氧聚磷菌占總聚磷菌的比例大約為73.4%,這說明經過長期厭氧/缺氧條件的馴化,反硝化聚磷菌得到了高度富集,成為優勢聚磷菌.

2.4 NO2--N濃度對反硝化除磷的影響

短程反硝化除磷能夠進一步節省碳源和能耗.但NO2--N作為反硝化除磷的電子受體一直存在其抑制濃度方面的研究分歧[16-18],NO2--N對吸磷的抑制濃度會因環境條件和污泥本身種群結構等而不同.本次試驗中,由圖4可以看出,在NO2--N初始濃度分別為10, 20, 25mg/L時,吸磷速率較快,前30min的吸磷速率分別是25.06, 31.48, 35.91mg/(L·h),在NO2--N濃度為30mg/L出現吸磷抑制,不僅無吸磷發生反而出現內源釋磷,因此在本試驗條件下, NO2--N濃度不高于25mg/L可以保證吸磷.

在NO2--N濃度為30mg/L時,雖然吸磷受到抑制,但同時觀測到NO2--N濃度有輕微的降低,這可能是因為缺氧環境下,存在聚糖菌引起的內源反硝化導致[19].

圖4 NO2--N濃度對反硝化吸磷性能的影響

2.4 NO3--N/NO2--N共存對反硝化吸磷的影響

短程反硝化除磷能夠進一步節省碳源和能耗.但NO2--N作為反硝化除磷的電子受體一直存在其抑制濃度方面的研究分歧[16-18],NO2--N對吸磷的抑制濃度會因環境條件和污泥本身種群結構等而不同.本次試驗中,由圖4可以看出,在NO2--N初始濃度分別為10, 20, 25mg/L時,吸磷速率較快,前30min的吸磷速率分別是25.06, 31.48, 35.91mg/(L·h),在NO2--N濃度為30mg/L出現吸磷抑制,不僅無吸磷發生反而出現內源釋磷,因此在本試驗條件下, NO2--N濃度不高于25mg/ L可以保證吸磷.

圖5 NO3--N/NO2--N共存對反硝化吸磷性能的影響

在NO2--N濃度為30mg/L時,雖然吸磷受到抑制,但同時觀測到NO2--N濃度有輕微的降低,這可能是因為缺氧環境下,存在聚糖菌引起的內源反硝化導致[19].

反硝化除磷通常出現NO2--N和NO3--N共存的情況,因此研究NO2--N和NO3--N共存對反硝化除磷的影響非常重要[20].由圖5(a)可以看出,當有NO2--N和NO3--N共存時,NO2--N在初始濃度為15mg/L便出現吸磷抑制(實測濃度為16.36mg/L),并且伴隨著內源釋磷.由圖5(b)可以看到, NO2--N在10mg/L時吸磷正常發生(實測濃度為12.12mg/L),在0~30min內伴隨著NO3--N反硝化產生的NO2--N積累發生.

3 結論

3.1 初始NH4+-N濃度為30mg/L,填料填充率為40%, 20℃條件下,測得N-SBR填料生物膜硝化速率為11.3mgNH4+-N/(L·h),容積負荷為0.27kg NH4+-N/(m3·d).

3.2 NO2--N處理對生物膜上的AOB活性幾乎無影響,而NOB活性受到抑制,因此可以嘗試采用NO2--N處理生物膜,同時采用實時過程控制、溫度控制等環境條件實現并維持生物膜的短程硝化.

3.3 根據除磷批次試驗的結果,好氧吸磷速率是17.62mg P/(g VSS·h),以NO3--N為電子受體的缺氧吸磷速率是12.94mg P/(g VSS·h),缺氧聚磷菌占總聚磷菌的比例約為73.4%,反硝化聚磷菌富集程度較高.

3.4 NO2--N對吸磷的抑制濃度會因環境條件和污泥本身種群結構等而不同,在本試驗條件下,NO2--N濃度為30mg/L時,吸磷受到抑制.當有NO2--N和NO3--N共存時,NO2--N在初始濃度為15mg/L便出現吸磷抑制.

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Nitrification and denitrifying phosphorus removal performance in the pre-A2NSBR system.

ZHAO Wei-hua1,2, LI Jian-wei1, WANG Mei-xiang1, HUANG Yu1, FENG Yan1, LI Xi-yao1, PENG Yong-zhen1*

(1.National Engineering Laboratory for Advanced Municipal Wastewater Treatment and Reuse Technology, Engineering Research Center of Beijing, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2.School of Marine Science and Technology, Harbin Institute of Technology, Weihai 264209, China)., 2019,39(11)：4660~4665

Biofilm nitrification and activated sludge denitrifying phosphorus removal performance were investigated in the pre-A2NSBR system, which treated real low carbon to nitrogen (C/N) ratio domestic sewage. The effect of organic substance and NO2--N concentration on the biofilm nitrification performance, and different electronic acceptors on the denitrifying phosphorus uptake rate were studied. Results indicated that nitrification rate was 11.3 mgNH4+-N/(L·h), the ammonia volume loading was 0.27 kgNH4+-N/(m3·d) under the filling rate of 40%, the nitrification performance was inhibited by organic substance, but the system showed a good nitrification rate of 9.72 mg NH4+-N/(L·h) when organics presented. NO2--N treatment exhibited little effect on the AOB activity but obvious effect on the NOB activity, the NOB activity was almost completely inhibited (only 1.63%) when NO2--N concentration was 400mg/L. According to the phosphorus uptake rate experiment under different electronic acceptors, the phosphorus uptake rate under oxygen and NO3--N was 17.62mg P/(g VSS·h) and 12.94mg P/(g VSS·h), respectively, anoxic phosphate accumulating organisms (PAOs) occupied 73.4% of the total PAOs, phosphorus uptake performance was inhibited when the NO2--N concentration was 30mg/L, and phosphorus uptake performance was inhibited when the NO2--N concentration was 15mg/L under the condition of NO2--N and NO3--N coexisted.

low C/N ratio；pre-A2NSBR process；nitrification；denitrifying phosphorus removal；NO2--N inhibition

X703.5

A

1000-6923(2019)11-4660-06

趙偉華(1988-),男,山東濰坊人,助理研究員,博士,主要從事污水處理及資源化技術研究.發表論文14篇.

2019-04-24

國家自然科學基金資助項目(51578014);北京市教委資助項目

* 責任作者, 教授, pyz@bjut.edu.cn