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    城市污水廠部分反硝化濾池啟動及運行

    摘要:采用生物濾池探究部分反硝化(NO3--N 還原到 NO2--N)工藝應用于城市污水廠深度脫氮的可行性.以實際二級出水為進水,考察濾速、碳氮比(C/N)等影響因素對濾池快速啟動及穩定運行的影響,分析了濾池沿程水質變化和系統微生物群落結構.結果表明,控制高濾速和低C/N,3d可實現部分反硝化濾池的快速啟動,濾池 120d 平均亞硝態氮累積率(NTR)為 60.3%,最高可達 82.1%,成功構建了連續流生物膜部分反硝化工藝.高濾速條件有助提高濾池的 NO2--N 積累率,C/N 對 NO2--N 積累率的影響較小,C/N 為 2~4,部分反硝化濾池的 NTR 維持在 62.0%.沿程數據表明底部 40cm 的濾料層是部分反硝化濾池 NO3--N 去除和 NO2--N 累積的主要反應區域.由于采用實際水廠二級出水進行研究,掃描電鏡和高通量測序結果表明存在多種具有反硝化功能的微生物,系統的微生物多樣性較高。

    關鍵詞:部分反硝化;生物濾池;亞硝酸鹽積累;深度脫氮;二級出水

    隨著污水排放標準的不斷提高,城市污水處理廠出水氨氮及總氮難以實現穩定的達標排放,一般需要進行深度處理。最常用的深度處理工藝是反硝化生物濾池(DNBF),但存在碳源投加量大、污泥產量大、反沖洗頻繁及微生物分泌物質引起嚴重的膜污染等問題,導致部分工藝不能穩定運行。二級出水中最主要的污染物是 NO3--N 及可能殘留的NH4+-N.部分反硝化技術可以將反硝化過程控制在 NO3--N 還原產生 NO2--N 的階段,然后再與厭氧氨氧化工藝耦合實現 NH4+-N 和 NO3--N 的同步去除,是一種新型的污水脫氮處理技術.基于此提出應用于深度脫氮的部分反硝化耦合厭氧氨氧化二級濾池的工藝路線.該工藝理論上可節省 79%的碳源,氨氮可來源于二級生物處理剩余氨氮或者引入部分初沉池原水,可節省曝氣成本;其次,厭氧氨氧化菌為自養菌,污泥產量低,對后續膜處理工藝影響小,該工藝的開發及應用將大幅降低建設投資費用及運行費用.

    Ji 等實現了高 NO2--N 積累的部分反硝化工藝,長期運行 NO2--N 積累率大于 80%;王維奇等研究了 SBR 系統中不同馴化方式對 NO2--N 積累的影響;Cao 等[11]和 Li 等甚至實現了NO2--N 積累率大于 90%,證明了部分反硝化工藝的可行性和穩定性;Du 等和 Cao 等也證明了部分反硝化耦合厭氧氨氧化工藝的可行性,用于高效地處理含硝酸鹽的污水.但是目前有關部分反硝化的研究多以人工配水和活性污泥系統為主,且多采用序批式運行的 SBR 反應器,更偏重初步的可行性研究和機理探索,采用實際污水進行深度脫氮的部分反硝化工藝的研究較少.

    基于此,本文以污水廠實際二級出水為進水,采用連續流的濾池反應器,進行部分反硝化工藝的啟動與運行,并探究濾速及 C/N 對該工藝部分反硝化的影響,系統地分析反應器內的水質變化特性和NO2--N積累特性,并對其中的微生物結構進行了觀察和分析.

    1 材料與方法

    1.1 試驗裝置

    部分反硝化所用的濾池裝置由有機玻璃制成,濾池總高度 250cm,直徑 10cm,有效容積 15.7L.濾池從下至上分別是 20cm 進水混合區、20cm 承托層、120cm 濾料層、60cm 清水區,承托層由鵝卵石構成,濾料層所填充濾料為 3~5mm 的陶瓷顆粒,鵝卵石和陶瓷顆粒均取自污水廠反硝化濾池的余料.

    濾池采用底部進水頂部出水的運行模式,配有進水水箱、碳源加藥箱、出水水箱及反沖洗水箱,在濾池底部進水和碳源分別通過蠕動泵控制,二者混合后進入濾池底部進水混合區.濾池反沖洗采用氣沖-氣水沖-水沖的方式,配有反沖洗水泵、空壓機及流量計.

    1.2 試驗用水和接種污泥

    部分反硝化濾池采用自然掛膜法,未接種污泥.本試驗直接采用北京某再生水廠二級出水作為進水,進水水質如表 1.部分反硝化濾池外加碳源乙酸鈉,根據試驗需要進行不同濃度的添加.

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    1.3 試驗方法

    模擬工藝實際運行工況,進水 DO 和溫度不做控制.本試驗設置高濃度低流量(C=50mg/L,濾速為1,2m/h)和低濃度高流量(C=15mg/L,濾速為 4,5m/h)2種啟動方式,考察部分反硝化工藝的快速啟動.

    采用控制變量法進行C/N和濾速對部分反硝化濾池的影響試驗,控制濾速不變,分別設置不同的C/N(2,2.5,3,3.5),觀察 C/N 對部分反硝化的影響;控制 C/N 不變,設置 3 組濾速條件(2,4,5m/h),考察濾速對部分反硝化濾池的影響.NO3--N 到 NO2--N 轉化率(NTR)即亞硝態氮累積率,是指系統內去除的 NO3--N 轉化為 NO2--N的比例,試驗裝置為連續流反應器,NTR的計算方法為:

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    1.4 分析方法

    樣品水質指標檢測按照國家標準方法進行.NO3--N 和 NO2--N 采用離子色譜法測試,SCOD 采用哈希快速測定試劑檢測.

    生物樣品的測試包括掃描電鏡和高通量測序.采用 SU8020 日本日立(Hitachi)掃描電鏡進行觀察,預處理方法參照文獻;此外,從濾料層底部處取濾料 50mL 置于 250mL 錐形瓶,加 100mL 超純水恒溫振蕩,得到的混合液進行離心,然后經低溫干燥凍干機干燥后,用于高通量測序分析.在上海美吉生物醫藥科技有限公司的I-Sanger云平臺進行數據的處理和分析.

    2 結果與討論

    2.1 部分反硝化濾池啟動與運行

    2.1.1 部分反硝化濾池的快速啟動

    控制進水C/N 為 2.5,考察高濃度低流量啟動方式的NO2--N積累情況.如圖 1 所示,初期污水廠二級出水攜帶的微生物在濾料上附著,利用進水中的硝酸鹽和外加的乙酸鈉進行反硝化,生物膜快速生長,初期出現穩定的 NO2--N 積累,系統積累的最高 NO2--N 為10mg/L 左右.但是經過第二次反洗后 NO2--N 的積累消失.運行 2 個周期后提高濾速觀察,仍未有明顯的NO2--N 積累出現.出現 NO2--N 積累是反硝化濾池掛膜啟動階段較常出現的現象,然后隨著生物膜的成熟和電子供體的充足逐漸消失.后幾個周期未出現 NO2--N的穩定積累說明以高濃度低流量的方式未能成功啟動部分反硝化工藝.

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    2.1.2 部分反硝化濾池的穩定運行

    長期運行結果如圖 2,120d 平均 NO2-N 累積率為 60.3%,最高達82.1%,部分反硝化工藝啟動后可保持較好的 NO2--N 積累特性,成功構建了生物膜系統高 NO2--N 積累的部分反硝化工藝.在實際項目中,會遇到檢修、設備故障等一些了突發事故等,導致工藝停止運行的情況.在試驗進行 100d 左右,停止運行 10d 后重新啟動反應器,結果發現 1d 即可恢復至原有部分反硝化效果,說明該工藝相對穩定,有一定的抗沖擊能力.

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    2.2 部分反硝化濾池的影響因素

    2.2.1 濾速對部分反硝化濾池的影響

    濾速是濾池運行的關鍵參數,不僅決定污染物與微生物的接觸時間,而且其大小形成不同強度的水利剪切作用也會影響濾料生物膜的形成、結構及穩定性等,從而導致不同的運行效果.圖 3(a)為濾池在 C/N=2時3種濾速條件下(2,4,5m/h)運行結果.2,4,5m/h濾速下平均 NO2--N 累積率分別為 60.3%,59.6%和 68.1%,5m/h 條件下濾池 NO2--N 積累效果最好,可能與高濾速較強的剪切力有關.濾速越高,剪切力越大,有助于加快生物膜的更新,從而能維持較高的部分反硝化特性。

    為了進一步分析濾速對部分反硝化的影響,提高 C/N 為 3,再次進行不同濾速的對比試驗.結果發現提高 C/N 之后,2,4 和 5m/h 濾速下平均 NO2--N 累積率分別為64.6%,61.9%和65.3%,依舊是在5m/h的運行條件下,獲得較高的 NO2--N 積累率,但是由于C/N 提高,高濾速使生物膜的剪切力變弱.C/N 較高時濾速對NO2--N 積累的影響變弱。

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    2.2.2 C/N 對部分反硝化濾池的影響

    文獻表明,C/N 對部分反硝化過程 NO2--N 的積累有重要影響.C/N 過低,部分反硝化微生物得不到足夠的能量和電子供體來維持活性并進行硝酸鹽還原;C/N 過多,部分反硝化不易維持.也有研究表明,部分反硝化工藝一旦啟動,一定范圍內 C/N 波動對NTR 的影響不大.如圖 4,在部分反硝化濾池中,濾速為 2m/h,C/N 為 3 時平均 NO2--N 累積率為 64.6%,略高于 C/N 為 2 的 61.2%,但是區別并不明顯.當濾速為 4m/h,C/N 為 2、2.5 和 3 時平均NO2--N 積累率分別為 61.6% 、 58.6% 和 62.9%; 濾速為5m/hNO2--N 積累率分別為 64.0%、64.5%、59.7%和 62.9%.可見,在本文的試驗條件下,濾速不變,C/N在 2~4 范圍內波動部分反硝化濾池的 NO2--N 積累特性基本維持不變.與 Du[23]研究結果一致.

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    在連續流濾池工藝中,C/N 范圍為 2~4,部分反硝化濾池的 NO2--N 累積率維持在 62%,具備穩定可靠的突出優點.其部分反硝化功能維持穩定的原因可能是啟動初期高濾速形成的生物膜能進行NO2--N 積累,隨后通過不斷的反洗優化生物膜結構和功能,因此在不利于 NO2--N 積累的濾速條件下(2m/h)也能穩定的維持 60%的NO2--N 累積率.

    2.3 部分反硝化濾池沿程水質變化

    在運行的第 155d,濾速為 4m/h,C/N=3 的條件下取沿程水樣分析,結果如圖 5(a).在底部濾料層下部,NO3--N 的降解較快,同時也出現較多的 NO2--N的積累.其中沿程 pH 值逐漸升高,但是由于進行的是部分反硝化,pH 值升高并不明顯,由底部進水的7.28 提高到出水的 7.43.由于未進行消氧處理,進水DO 較高為 4.6mg/L,隨著反應的進行,DO 逐漸降低,底部 40cm DO<1mg/L,過高的 DO 對部分反硝化不利,的 DO 對部分反硝化不利,進水的 SCOD 部分被用來消除這部分 DO 以營造部分反硝化所需要的缺氧環境,剩余的 SCOD 用于進行硝酸鹽的還原.不同高度濾料層對 NO3--N 降解的占比和對NO2--N 積累的占比分布,結果如圖 5(b)所示.硝酸鹽的去除主要集中在承托層和底部 40cm,其中底部20cm 濾料層去除了 43%的 NO3--N 并積累了 48%的NO2--N,是部分反硝化濾池的主要反應區域.其原因主要是濾池反應器為推流式反應器,底部基質充足,生物膜活性較高.沿濾料層向上,水中剩余基質變少導致濾料上層生物生長速率低,反應活性也較低.對底部 40cm 處的出水進行長期監測,結果如圖 6 所示.其 NTR 與總出水保持一致,說明部分反硝化濾池的有效高度為 40cm,當底部微生物出現堵塞或者脫氮效果變差時,需要及時進行反沖洗和采取應急措施,同時可以為部分反硝化濾池濾料層高度的合理設計提供參考.

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    2.4 生物膜形貌觀察和群落結構

    2.4.1 生物膜表面形貌結構

    取反應器裝填的空白濾料和運行 110d 后的濾料進行掃描電鏡觀察,如圖 7 所示.濾料為陶瓷顆粒,表面粗糙且為多孔結構,有利于微生物附著形成生物膜.穩定運行一段時間后,陶瓷顆粒表面完全被覆蓋,由于微生物的不斷繁殖及胞外聚合物的分泌,微生物與胞外聚合物一起混合纏繞包裹在濾料表面,有一定厚度.由于進水為實際二級出水,表面的微生物多樣,有桿菌、球菌等多種形態的微生物.

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    2.4.2 生物群落結構

    取穩定運行階段底部的濾料表面生物膜進行高通量測序分析.門水平主要以變形菌門為優勢菌門,而大多數的反硝化菌都屬于變形菌門.此外還包括擬桿菌門、綠彎菌門、酸桿菌門等.圖 8 給出了樣品在屬水平上的物種相對豐度.

    由于進水采用實際二級出水,挾帶多種微生物,反應器內微生物多樣性較高.系統中存在多種反硝化微生物 , 其中索氏菌屬 Thauera(3.03%) 是Rhodocyclaceae科,Proteobacteria 菌門中的一類革蘭氏陰性細菌,大部分為桿狀且已知的該屬菌株都是反硝化菌,研究發現其與部分反硝化的 NO2--N 積累有關,也在多個具有高NO2--N積累的系統中被發現,可能與系統中 NO2--N 積累相關.此外,Dechloromonas(6.49%)是隸屬于 Proteobacteria菌門的可降解芳香族化合物的反硝化菌,已知其內含有反硝化除磷菌群,可能是隨二沉池進入反應器并進行富集.Comamonadaceae(4.88%)是一類與PHA 降解有關的脫氮菌,同時也會產生一些胞外聚合物.Saprospiraceae(4.08%)與蛋白質降解相關.

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    Zoogloea(2.26%)是污水處理廠常見的反硝化微生物,與菌膠團的形成有密切關系,在生物膜形成階段,對生物膜的形成有促進作用.還有 Flavobacterium、Denitratisoma 等多種具有好氧反硝化功能的微生物,以適應進水中較高的 DO.多種反硝化微生物共同完成了部分反硝化濾池的反硝化過程和部分反硝化過程.

    3 結論

    3.1 以實際二級出水為進水,通過控制高濾速低C/N,3d 可實現部分反硝化濾池的啟動,平均 NTR 達60%;部分反硝化濾池可維持長期穩定,平均 NTR 為60.3%,最高 NTR 達 82.1%.

    3.2 高濾速有利于 NO2--N,的累積,但隨著 C/N 的提高,高濾速促進作用減弱;濾速一定,C/N 范圍為2~4,部分反硝化濾池的 NTR 維持在 62%.

    3.3 底部 40cm 濾料層是部分反硝化濾池 NO3--N去除和 NO2--N 累積的主要反應區域.

    3.4 部分反硝化濾池的微生物多樣性較高,存在Dechloromonas 、 Thauera 、 Flavobacterium 、Denitratisoma 等多種具有反硝化功能的微生物,通過控制進水條件和反洗頻率等實現調控各微生物之間相互作用來維持系統穩定的高NO2--N積累特性.


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