孫洪偉,郭 英,彭永臻,謝紅剛 (.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,甘肅 蘭州 70070；.北京工業(yè)大學(xué)北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 004；.大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,遼寧 大連 60)

實(shí)際垃圾滲濾液短程生物脫氮的常溫實(shí)現(xiàn)及低溫維持

孫洪偉1,2*,郭 英1,彭永臻2,謝紅剛3(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070；2.北京工業(yè)大學(xué)北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124；3.大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,遼寧 大連 116011)

采用單級UASB-SBR生化系統(tǒng)處理實(shí)際垃圾滲濾液,主要考察了常、低溫條件下,該生化系統(tǒng)短程生物脫氮的長期穩(wěn)定性,同時研究了SBR內(nèi)短程硝化的實(shí)現(xiàn)機(jī)理及微生物種群特性.598d試驗(yàn)結(jié)果表明:單級UASB-SBR生化系統(tǒng)對滲濾液內(nèi)COD,NH4+-N和TN的去除率分別為92.0%,99.2%和98.0%以上,實(shí)現(xiàn)滲濾液內(nèi)有機(jī)物和氮的深度去除.經(jīng)過116d運(yùn)行,SBR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了短程硝化,亞硝積累率(NAR)達(dá)到90%以上,此后穩(wěn)定運(yùn)行,成功跨越2個冬季,15℃以下共計(jì)171d,最低溫度為10.2℃.游離氨(FA)和過程控制的協(xié)同作用是實(shí)現(xiàn)與維持SBR內(nèi)短程硝化的決定因素.熒光原位雜交(FISH)技術(shù)檢測表明:氨氧化菌(AOB)已經(jīng)成為 SBR硝化菌群中的優(yōu)勢菌屬.掃描電子顯微鏡(SEM)檢測表明:AOB菌屬以活橢球狀亞硝化球菌屬(Nitrosococcus)和桿狀亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)為主.

垃圾滲濾液；短程硝化；AOB和NOB；FISH和SEM

在處理含高濃度有機(jī)物和高氨氮垃圾滲濾液時,通常采用“厭氧生物-好氧生物”組合工藝.其原因在于:厭氧生物法由于具有能耗低,污泥產(chǎn)量少,有機(jī)負(fù)荷高以及產(chǎn)生可利用資源(沼氣)等優(yōu)勢,因此可作為預(yù)處理工藝去除滲濾液內(nèi)的有機(jī)物[1-2].后續(xù)采用反應(yīng)推動力大、運(yùn)行方式靈活、脫氮效果好等優(yōu)點(diǎn)的SBR工藝,可實(shí)現(xiàn)氮的深度去除.

Voets等[3]處理高氨氮濃度廢水研究中首次提出了短程生物脫氮技術(shù)以后,該技術(shù)迅速成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn).與全程生物脫氮相比,具有以下優(yōu)點(diǎn):可節(jié)約 25%左右的需氧量,降低能耗;減少約 40%的有機(jī)碳源;反硝化速率可提高約63%左右;污泥產(chǎn)量減少 50%;反應(yīng)器容積減少30%～40%左右[4-5].短程硝化的實(shí)現(xiàn)方法較多,主要包括溫度、pH值、游離氨(FA)、溶解氧(DO)、過程控制、污泥齡(SRT)和投加抑制劑等,這些方法基本是利用氨氧化菌(AOB)和亞硝化酸鹽氧化菌(NOB)的生理特性差異,人為控制有利于AOB增殖的環(huán)境條件,從而抑制 NOB增殖或活性[5].

溫度是影響短程硝化的重要因素之一,不同學(xué)者研究獲得實(shí)現(xiàn)短程硝化的溫度也不盡相同.Balmelle等[6]認(rèn)為實(shí)現(xiàn)短程硝化的最佳溫度為 25℃.Hyungseok等[7]發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)短程硝化的最佳溫度為22～27℃.高景峰等[8]研究表明28～29℃是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定短程生物脫氮的臨界溫度.Hellinga等[9]對SHARON工藝評價認(rèn)為:在35℃的條件下易于實(shí)現(xiàn)短程硝化.

本試驗(yàn)采用單級UASB-SBR工藝處理實(shí)際垃圾滲濾液,考察SBR系統(tǒng)內(nèi)短程硝化的長期穩(wěn)定性;建立低溫條件下SBR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并維持短程硝化的途徑及方法;基于熒光原位雜交(FISH)技術(shù)和掃描電子顯微鏡(SEM)對硝化菌群特性進(jìn)行分析.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)水質(zhì)及接種污泥

試驗(yàn)所用垃圾滲濾液取自北京六里屯垃圾填埋場,水質(zhì)特征:COD 1038～13813mg/L;TN 1065～2500mg/L;NH4+-N 890～2360mg/L;堿度5000～11000mg/L.

UASB接種的厭氧顆粒污泥,取某啤酒污水處理廠.SBR接種污泥取自本實(shí)驗(yàn)室處理生活污水氧化溝內(nèi)活性污泥.

1.2 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行方式

單級UASB-SBR生化系統(tǒng)試驗(yàn)裝置如圖1所示.原水水箱由不銹鋼制成,容積為 50L.UASB反應(yīng)器的材質(zhì)為有機(jī)玻璃,有效容積為 1.5L.SBR反應(yīng)器由有機(jī)玻璃構(gòu)成,有效容積為 12L,采用鼓風(fēng)曝氣,SBR在室溫下運(yùn)行.滲濾液從原水水箱與回流的SBR硝化出水一起進(jìn)入UASB反應(yīng)器.經(jīng)UASB處理的滲濾液進(jìn)入SBR,完成硝化-反硝化反應(yīng)及殘余有機(jī)物的去除.為了達(dá)到充分利用原水的有機(jī)碳源及對原水進(jìn)行稀釋 2個目的.SBR采用兩種模式交替運(yùn)行:模式 A:靜態(tài)進(jìn)水→曝氣反應(yīng)→靜沉→上清液回流.模式 B:靜態(tài)進(jìn)水→曝氣反應(yīng)→缺氧攪拌(投加碳源,甲醇)→靜沉、排水.對于A和B兩種運(yùn)行模式,其運(yùn)行方式和條件相同.模式A在硝化結(jié)束后停止曝氣,硝化液回流,在UASB反應(yīng)器內(nèi)完成反硝化脫氮.模式 B進(jìn)行硝化和反硝化過程,實(shí)現(xiàn)氮的去除.

圖1 單級UASB-SBR生化系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of the first-stage UASB-SBR biological system

1.3 試驗(yàn)運(yùn)行條件

試驗(yàn)共運(yùn)行598d,分3個階段,階段1為全程生物脫氮階段,階段 2短程生物脫氮實(shí)現(xiàn)階段,階段3為穩(wěn)定短程生物脫氮階段.SBR運(yùn)行參數(shù):進(jìn)水:2min,曝氣和缺氧攪拌反應(yīng)時間采用 DO, ORP,pH 儀實(shí)時控制,靜沉、硝化上清液回流: 30min,靜沉、排水:30min.溶解氧(DO)濃度為1.0～2.5mg/L.污泥濃度(MLSS):2500mg/L,污泥齡(SRT):30d,溫度:10.2～32.1℃.UASB 運(yùn)行參數(shù)為:HRT:1d, MLSS:20g/L,SRT:40d.進(jìn)入UASB的原水和消化液的比例是 1:3,硝化液在原水水箱內(nèi)的停留時間為24h.

1.4 分析方法

NH4+-N,NO3--N,N-N,COD等水質(zhì)指標(biāo)均采用國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法[10].TN采用TN/TOC分析儀(Multi N/C3000,德國耶拿)測定.采用WTW測定儀(pH /Oxi340i,德國WTW)及相應(yīng)探針監(jiān)測液相內(nèi)DO, ORP, pH值.

FISH分析按照Amann 1995年提出的方法進(jìn)行[11],采用的寡核苷酸探針列于表 1.其中, EUBmix為廣譜探針,用于標(biāo)記全菌.而Nso1225為特異性探針,用于標(biāo)記 AOB菌屬,NIT3和Ntspa662為特異性探針,分別用于標(biāo)記 NOB菌屬中的硝化桿菌(Nitrobacter)和硝化螺菌(Nitrospira).

表1 FISH分析中采用的寡核苷酸探針Table 1 16S rRNA-targeted oligonucleotide probes used

SEM分析按照王曉蓮等[12]提供的方法進(jìn)行.取出污泥樣品,清洗后,經(jīng) 2%～5%戊二醛固定1.5h 后,用磷酸緩沖液清洗 3遍,隨后經(jīng) 50%、70%、80%、90%和 100%乙醇脫水,最后用乙酸異戊酯置換,干燥后,在樣品表面鍍上一層1500nm厚度的金屬膜,采用掃描電鏡(HIT ACHI S-4300型,日本)進(jìn)行觀察.污泥樣品采用奧林巴斯BX-51及C24040ZOOM數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行微生物相觀察.

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)物和氮去除的長期穩(wěn)定性

表 2為有機(jī)物和氮在系統(tǒng)內(nèi)的長期去除特性.598d試驗(yàn)表明,有機(jī)物和氮在UASB-SBR生化系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的去除.COD在UASB反應(yīng)器內(nèi)去除由厭氧產(chǎn)甲烷和缺氧反硝化 2種生化反應(yīng)共同完成.UASB出水有機(jī)物在SBR反應(yīng)器中通過好氧生物作用(SBR好氧段)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步去除. 由表2可看出,UASB和SBR對系統(tǒng)有機(jī)物去除貢獻(xiàn)的大小分別為 78.2%和 13.8%,整個生化系統(tǒng)獲得了 92.0%的有機(jī)物去除率,實(shí)現(xiàn)了深度去除.

對于滲濾液內(nèi)氨氮,UASB反應(yīng)器的去除率為 70.1%左右,這部分氨氮不是由于生物降解作用真正被去除,而是由于SBR硝化液回流的稀釋作用.借助于SBR的硝化作用實(shí)現(xiàn)氮形態(tài)的轉(zhuǎn)化(NH4+-N→NOx--N),氨氮被去除.對于氧化態(tài)氮,通過UASB及SBR缺氧段的反硝化作用被轉(zhuǎn)化成氮?dú)?從系統(tǒng)中逸出,實(shí)現(xiàn)了總氮的去除. UASB-SBR生化系統(tǒng)對NH4+-N和TN的去除率分別為99.2%和98.0%,出水NH4+-N和TN平均值分別低于10mg/L和35mg/L,獲得了較高的氮去除率,實(shí)現(xiàn)了深度脫氮.

2.2 SBR系統(tǒng)短程硝化的實(shí)現(xiàn)及穩(wěn)定

游離氨(FA)的計(jì)算公式如下[13]:

式中:FA為游離氨濃度,mg/L;NH4+-N為氨氮濃度,mg/L;T為溫度,℃.

亞硝態(tài)氮積累率(NAR)的計(jì)算公式為:

表2 單級UASB-SBR生化系統(tǒng)對有機(jī)物和氮的長期去除特性Table 2 The long-term removal of organic and nitrogen in single UASB-SBR biological system

圖2 SBR內(nèi)NAR,NO3--N,NO2--N,FA和溫度的變化規(guī)律Fig.2 Variations of NAR, NO3--N, NO2--N, FA and T in SBR during the experimental period

圖2為SBR系統(tǒng)內(nèi)NAR, NO3--N, NO2--N, FA和溫度隨時間的變化規(guī)律.由圖2a可看出,在階段 1,SBR硝化結(jié)束時,出水以 NO3--N 為主, NO2--N濃度較低, NAR平均值為4.5%左右,為全程生物脫氮階段.在階段 2,隨著運(yùn)行時間的增加,SBR硝化結(jié)束時 NO3--N 濃度逐漸降低, NO2--N濃度逐漸增加,導(dǎo)致NAR迅速上升,從第91d的36.4%升至第116d時的95.5%,為短程硝化實(shí)現(xiàn)過程.在階段 3,SBR硝化結(jié)束時出水NO3--N濃度介于0.3～29.5mg/L范圍內(nèi), 平均值為6.1mg/L,NO2--N濃度介于56.5～165.6mg/L之間,平均值為105.2mg/L,SBR內(nèi)NAR穩(wěn)定維持在90%以上,為穩(wěn)定短程生物脫氮過程.

本試驗(yàn)過程,短程生物脫氮是基于SBR內(nèi)較高FA抑制NOB活性來實(shí)現(xiàn)的.從圖2b可看出,在階段 1,SBR硝化開始時,FA濃度平均值為3.0mg/L,處于較低水平,并未對NOB活性產(chǎn)生抑制作用.從階段 2開始,隨著溫度的逐漸升高,FA濃度逐漸增加,介于5.9～54.6mg/L范圍內(nèi),平均值為23.6mg/L左右,因此對NOB活性產(chǎn)生強(qiáng)烈抑制作用,導(dǎo)致出水NO3--N濃度降低和N-N濃度升高,從而實(shí)現(xiàn)了亞硝態(tài)氮累積.

需要指出的是,在階段3,當(dāng)SBR反應(yīng)器在低溫條件下運(yùn)行時,短程硝化未被破壞,NAR仍然維持在90%以上,并成功跨越2個冬季,15℃以下共計(jì) 171d,最低溫度為 10.2℃.這主要是由于UASB和SBR系統(tǒng)內(nèi)充分的反硝化為SBR硝化過程提供了充足的堿度,獲得了較高 pH值水平(通常情況下8.5左右),使FA濃度維持在10mg/L左右,保持了對NOB的抑制作用.

2.3 SBR系統(tǒng)短程硝化實(shí)現(xiàn)并穩(wěn)定維持機(jī)理

圖3為SBR系統(tǒng)一個典型周期內(nèi)氮,COD, FA,DO,ORP和pH值的變化規(guī)律.硝化開始時,FA濃度為18.8mg/L,在硝化過程中,由于NH4+-N濃度和pH值不斷下降,導(dǎo)致FA濃度不斷降低,硝化終點(diǎn)FA濃度僅為0.21mg/L.可見,隨著硝化反應(yīng)不斷進(jìn)行,FA對NOB的抑制作用逐漸減弱.在硝化終點(diǎn)時,FA從完全抑制NOB的活性到逐步演變?yōu)闇p緩NO2--N氧化的速率.因此,如果不能準(zhǔn)確把握硝化終點(diǎn),過曝氣會導(dǎo)致系統(tǒng)長期在低FA條件下運(yùn)行,FA可能逐漸失去對NOB活性的抑制作用,NO2--N進(jìn)一步被NOB氧化為NO3--N,從而難于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定短程硝化.過度曝氣易引起短程硝化向全程硝化轉(zhuǎn)變,采用過程控制,可避免過度曝氣現(xiàn)象的發(fā)生,從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、持久的短程硝化.SBR短程硝化反硝化過程中,DO,ORP和pH值曲線上出現(xiàn)4個特征點(diǎn),分別是硝化結(jié)束時DO突躍點(diǎn)、氨谷、反硝化結(jié)束時亞硝酸鹽膝和亞硝酸鹽肘.

圖3 氮,COD,FA,DO,ORP和pH值在SBR內(nèi)的變化規(guī)律Fig.3 Typical variations of nitrogen, COD, FA, DO, ORP and pH during nitritation and denitritation

過程控制是實(shí)現(xiàn)SBR工藝短程硝化一種有效手段[14].這主要是由于反應(yīng)過程中,過程控制參數(shù)的變化與有機(jī)物降解、氨氧化之間存在著很好的相關(guān)性.據(jù)此可判斷硝化和反硝化反應(yīng)的終點(diǎn),從而減少曝氣和攪拌時間,并達(dá)到節(jié)能目的.對于高氨氮廢水,FA對硝化菌具有強(qiáng)烈的抑制作用,相對于AOB,NOB對FA更敏感,因此,充分利用滲濾液內(nèi)較高FA對NOB的抑制作用,輔以程控制,準(zhǔn)確把握硝化終點(diǎn),可避免過曝氣為NOB的生長創(chuàng)造有力條件,使AOB成為系統(tǒng)內(nèi)的優(yōu)勢菌屬,實(shí)現(xiàn)了硝化菌種群的優(yōu)化,進(jìn)而在低溫條件下,維持了穩(wěn)定的短程硝化.

2.4 SBR反應(yīng)器內(nèi)微生物種群特性

圖4為FISH技術(shù)對SBR系統(tǒng)內(nèi)AOB和NOB的分析結(jié)果.當(dāng)SBR運(yùn)行至第345天,取活性污泥進(jìn)行分析.結(jié)果表明,SBR內(nèi)硝化菌群中AOB占生物量的3.8%.NOB小于0.2%.AOB相比于 NOB已成為明顯的優(yōu)勢菌群.本試驗(yàn)采用的 FA抑制輔以過程控制的運(yùn)行策略,可優(yōu)化SBR系統(tǒng)微生物種群,這是SBR系統(tǒng)獲得持久、穩(wěn)定的短程硝化的本質(zhì)因素.此外,本試驗(yàn)獲得的AOB在活性污泥中所占的比例與Peng等[1]的研究結(jié)果相類似(比例為4%),高于Yang等[14]獲得的研究結(jié)果(比例為3%).

圖4 第345d SBR系統(tǒng)內(nèi)硝化菌群FISH分析Fig.4 FISH analysis of nitrifying bacteria in SBR reactor on 345 day

圖5為SBR系統(tǒng)運(yùn)行至第345d,取活性污泥樣品進(jìn)行 SEM分析.結(jié)果表明,活性污泥系統(tǒng)中以橢球狀菌[約為(0.55×0.66)μm～(0.66×0.95)μm]和桿狀菌(約為 0.35μm～2.0μm)為主.結(jié)合上述FISH分析可知,SBR系統(tǒng)優(yōu)勢硝化菌屬AOB,以亞硝化球菌屬(Nitrosococcus)和亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)為主.

圖5 第345d SBR系統(tǒng)內(nèi)微生物種群SEM分析Fig.5 SEM analysis of nitrifying bacteria in SBR on 345 day

3 結(jié)論

3.1 單級 UASB-SBR生化系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)了有機(jī)物和氮的深度去除.COD、NH4+-N和TN的去除率分別為92.0%,99.2%和98.0%,出水NH4+-N和TN的平均值分別低于10mg/L和35mg/L,實(shí)現(xiàn)了深度脫氮.

3.2 在常溫條件下,SBR實(shí)現(xiàn)短程硝化,在低溫條件得到穩(wěn)定維持,亞硝態(tài)氮積累率維持在 90%以上,成功跨越 2個冬季,15℃以下共計(jì) 171d,最低溫度為10.2℃.

3.3 基于FA協(xié)同過程控制,可實(shí)現(xiàn)并維持SBR穩(wěn)定的短程硝化,并優(yōu)化微生物菌群.AOB成為優(yōu)勢菌屬,以亞硝化球菌屬(Nitrosococcu)和亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)為主.

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The achievement of partial nitrification and denitrification at normal temperature and maintenance at low temperature for real landfill leachate.

SUN Hong-wei1,2*, GUO Ying1, PENG Yong-zhen2, XIE Hong-gang3(1.School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China；2.Key Laboratory of Beijing Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；3.Dalian Municipal Design and Research Institute Co., Ltd, Dalian 116011, China). China Environmental Science, 2013,33(11)：1972～1977

The landfill leachate treatment was investigated by using an UASB-SBR biological system. The long-term stability of nitrogen removal via nitrite at normal and low temperature was studied. Furthermore, the achievement mechanism of partial nitrification and characteristic of nitrifying bacteria were investigated in SBR. 598days experimental result showed that the removal efficiencies of COD, NH4+-N and TN reached 92.0%, 99.2% and 98.0%, respectively. The advanced nitrogen removal was achieved in the system. Partial nitrification was achieved after 116days operation in SBR, and nitrite accumulation ratio (NAR) reached above 90%. The higher NAR was maintained for 171days at low 15℃ and the lowest temperature of 10.2℃ during two winters. The effect of free ammonia (FA) inhibition and process control was used to achieve nitrite pathway in the SBR. The ammonia oxidizing bacteria (AOB) was dominant by fluorescence in situ hybridization (FISH) techniques analysis, and the spherical Nitrosococcus and rod-shaped Nitrosomonas were dominant in ammonia oxidizing bacteria by scanning electron microscope (SEM) techniques analysis.

landfill leachate；partial nitrification；AOB and NOB；FISH and SEM

2013-03-29

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51168028);甘肅省青年基金計(jì)劃項(xiàng)目(1107RJYA279);蘭州交通大學(xué)大學(xué)生實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(201078)

* 責(zé)任作者, 副教授, shw@emails.bjut.edu.cn

X703.1

A

1000-6923(2013)11-1972-06

孫洪偉(1976-),男,黑龍江齊齊哈爾人,副教授,博士,主要從事高氨氮污水生物脫氮及過程控制研究.發(fā)表論文30余篇.