李建啟 余道道 呂育鋒 劉思彤,,?

基于 SASMBR 的城鎮(zhèn)污水 PN/ANAMMOX 研究

李建啟1余道道1呂育鋒2劉思彤1,2,?

1.北京大學(xué)深圳研究生院環(huán)境與能源學(xué)院, 深圳 518055; 2.北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 北京市新型污水深度處理工程技術(shù)研究中心, 北京 100871; ?通信作者, E-mail: liusitong@pku.edu.cn

基于目前短程硝化–厭氧氨氧化(partial nitritation and anammox, PN/A)工藝處理城鎮(zhèn)污水中反應(yīng)器運(yùn)行不穩(wěn)定和氮去除負(fù)荷低的問(wèn)題, 本文設(shè)計(jì)一種新型復(fù)合生物反應(yīng)器: 序批式–折流板–分置膜生物反應(yīng)器(sequencing batch-baffled-separate membrane bioreactor, SASMBR)。將該反應(yīng)器應(yīng)用于 PN/A 工藝處理城鎮(zhèn)污水, 探究反應(yīng)器的性能, 并對(duì) SASMBR 運(yùn)行 PN/A 工藝的運(yùn)行成本進(jìn)行分析。結(jié)果表明, 采用 SASMBR 反應(yīng)器運(yùn)行 PN/A 工藝處理城鎮(zhèn)污水, 能夠?qū)崿F(xiàn)高效穩(wěn)定的脫氮效果, TN 去除率達(dá)到 80%~85%, 氮素去除負(fù)荷(nitrogen removal rate, NRR)達(dá)到 0.20~0.22kgN/(m?3·d?1), 出水 TN 濃度維持在 8mg/L 以下。16S rRNA基因測(cè)序分析發(fā)現(xiàn), 短程硝化 SASMBR 反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置的折流板能夠富集氨氧化細(xì)菌(ammonia oxidation bacteria, AOB), 確保短程硝化 SASMBR 反應(yīng)器的良好性能; 厭氧氨氧化 SASMBR 內(nèi)固定在折流板兩側(cè)的無(wú)紡布可以有效地持留厭氧氨氧化菌(ammonium oxidizing bacteria, AnAOB), 同時(shí), 厭氧氨氧化 SASMBR 內(nèi)豐度升高的 AOB 可以為 AnAOB 提供生長(zhǎng)的厭氧環(huán)境和 NO2?-N 基質(zhì), 使厭氧氨氧化 SASMBR 反應(yīng)器能夠快速啟動(dòng)和高效穩(wěn)定運(yùn)行。SASMBR 的運(yùn)行成本為 0.037 元/m3, 比傳統(tǒng)城鎮(zhèn)污水處理廠的運(yùn)行成本大幅度降低。

序批式–折流板–分置膜生物反應(yīng)器; 短程硝化–厭氧氨氧化; 城鎮(zhèn)污水; 群落結(jié)構(gòu)

作為新型的全程自養(yǎng)脫氮工藝, 短程硝化–厭氧氨氧化(partial nitritation and anammox, PN/A)工藝具有無(wú)需外加有機(jī)碳源, 能節(jié)約 60%的曝氣量, 減少 80%的污泥和 CO2產(chǎn)生量等優(yōu)點(diǎn)[1–3], 已成功地應(yīng)用于污水處理廠厭氧污泥消化液和含高氨氮濃度工業(yè)廢水的脫氮處理。據(jù)報(bào)道, 截至 2014 年, 世界范圍內(nèi)已有超過(guò) 200 座工廠化 PN/A 裝置[4]。近年來(lái), PN/A 工藝處理含低氨氮濃度的城鎮(zhèn)污水已成為研究熱點(diǎn)。但是, PN/A 工藝處理實(shí)際城鎮(zhèn)污水仍然存在以下問(wèn)題: 1)亞硝酸鹽氧化菌(nitrite oxidizing bacteria, NOB)在低進(jìn)水氨氮濃度條件下活性難抑制, 使短程硝化長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行不穩(wěn)定; 2)生長(zhǎng)緩慢的AnAOB 在低氨氮濃度和短水力停留時(shí)間(hydraulic retention time, HRT)條件下易流失; 3)進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大條件下運(yùn)行不穩(wěn)定; 4)NRR 較低。因此, 設(shè)計(jì)一種在低進(jìn)水氨氮濃度下可以維持短程硝化長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行, 同時(shí)在低氨氮濃度和短HRT 條件可以良好地截留 AnAOB, 確保 PN/A 工藝較高的 NRR 和長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的新型反應(yīng)器顯得非常必要。

PN/A 工藝處理城鎮(zhèn)污水的研究采用的反應(yīng)器主要有序批式生物反應(yīng)器(Sequencing Batch Bioreac-tor, SBR)、膨脹污泥床(Expanded Granular Sludge Bed, EGSB)、膜生物反應(yīng)器(Membrane Bioreactor, MBR)、移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(Moving Bed Bioreactor, MBBR)、固定膜活性污泥(Integrated Fixed-film Activated Sludge, IFAS)反應(yīng)器和厭氧折流板反應(yīng)器(Anaerobic Baffled Reactor, ABR)等[5–10]。Lotti 等[6]采用 SBR 運(yùn)行 PN/A 工藝處理預(yù)處理后的市政污水, 發(fā)現(xiàn) SBR 可以有效地截留活性污泥, 但在短 HRT條件下, 污泥易流失。Wu 等[11]用 MBR和 ABR 耦合的反應(yīng)器在低溫下運(yùn)行厭氧氨氧化來(lái)處理生活污水, 發(fā)現(xiàn) MBR 和 ABR 耦合的反應(yīng)器有很高的污泥截留率, 且有利于顆粒污泥的形成, 但存在各擋板隔室菌體分布不均勻的問(wèn)題。

結(jié)合上述反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn), 我們?cè)O(shè)計(jì)制作一種新型復(fù)合反應(yīng)器——序批式–折流板–分置膜生物反應(yīng)器(sequencing batch-baffled-separate membrane bio-reactor, SASMBR), 該反應(yīng)器集“SBR+ABR+分置式 MBR+微生物固定化”于一體, 同時(shí)結(jié)合在線自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)控系統(tǒng)操作參數(shù)。本研究將 SASMBR應(yīng)用于 PN/A 工藝處理城鎮(zhèn)污水, 探索其在 PN/A 工藝在室溫條件下(24~33oC)處理城鎮(zhèn)污水的脫氮性能, 并對(duì)反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行階段的運(yùn)行成本進(jìn)行初步分析, 以期為 PN/A 工藝處理城鎮(zhèn)污水的相關(guān)研究提供一種反應(yīng)器形式, 并為 PN/A 工藝處理城鎮(zhèn)污水的工程化應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行策略

PN/A 工藝 SASMBR 的結(jié)構(gòu)和連接如圖 1 所示, 厭氧氨氧化 SASMBR 主要由反應(yīng)池、膜室和自動(dòng)控制系統(tǒng)組成。反應(yīng)器由 PP 板材制成, 反應(yīng)池長(zhǎng)200cm, 寬 180cm, 高 185cm, 持水高度為 145cm, 有效容積為 6m3。膜室與反應(yīng)池相連, 用高 175cm的膜室隔板隔出膜室, 膜室長(zhǎng) 40cm, 寬 180cm, 膜組件放置于膜室內(nèi)。反應(yīng)池和膜室設(shè)置有反應(yīng)器密閉蓋板密閉, 并在反應(yīng)器密閉蓋板上開(kāi)一個(gè) 2cm的直徑孔, 維持反應(yīng)器內(nèi)外壓平衡。長(zhǎng) 115cm, 寬 7cm, 高 45cm 的網(wǎng)格折流板兩側(cè)固定無(wú)紡布載體, 間距 20cm 交錯(cuò)固定于反應(yīng)池的底部, 無(wú)紡布載體可有效地固定 AnAOB, 避免 AnAOB 的流失。攪拌裝置放置于反應(yīng)池的中部, 攪拌槳的攪拌使反應(yīng)池底部水流形成循環(huán)的推流, 中上部為完全混合流態(tài), 避免折流板各個(gè)隔室間菌體分布不均勻。設(shè)置污泥回流泵, 定期將膜室內(nèi)沉降的污泥回流至反應(yīng)池內(nèi)。通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)控制反應(yīng)器的進(jìn)出水和液位變化, 通過(guò)膜壓表示數(shù)變化來(lái)確定膜污染情況。短程硝化 SASMBR 結(jié)構(gòu)和尺寸與厭氧氨氧化 SASMBR相同; 不同的是短程硝化 SASMBR 不進(jìn)行密閉處理, 且使用曝氣泵曝氣處理。SASMBR 集“SBR+ ABR+分置式 MBR+微生物固定化”于一體, 可以有效地截留微生物, 同時(shí)最大程度地避免膜污染。反應(yīng)器結(jié)合自動(dòng)控制系統(tǒng), 使反應(yīng)器運(yùn)行保持相對(duì)穩(wěn)定。

如圖 1 所示, 本研究采用兩段式 PN/A 工藝, 在短程硝化 SASMBR 成功建立起短程硝化后, 與接種厭氧氨氧化污泥的厭氧氨氧化 SASMBR 相連, 完成整個(gè) PN/A 工藝系統(tǒng)的搭建。運(yùn)行策略: 短程硝化SASMBR 維持溶解氧(dissolved oxygen, DO)濃度為0.4~0.6mg/L, 自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù) NH4+-N 在線監(jiān)測(cè)電極監(jiān)測(cè)到的 NH4+-N 濃度數(shù)據(jù), 判定每個(gè)周期反應(yīng)器內(nèi) NH4+-N 濃度的最高值減少 60%時(shí), 停止曝氣泵的曝氣。液位計(jì)控制進(jìn)出水水量。短程硝化反應(yīng)池?fù)Q水比為 2/3, 進(jìn)水時(shí)間為 10 分鐘, 攪拌槳轉(zhuǎn)速為 50r/min, 沉降時(shí)間為 30 分鐘, 反應(yīng)池出水進(jìn)入膜池的同時(shí), 膜池出水, 出水時(shí)間同為 10 分鐘。短程硝化分為 3 個(gè)階段: 階段 I 為啟動(dòng)期(1~37 天), 階段 II 為負(fù)荷提升期(38~101 天), 階段 III 為穩(wěn)定運(yùn)行期(102~169 天)。啟動(dòng)期第 1~27 天的進(jìn)水為合成廢水, 進(jìn)水的 NH4+-N濃度為 50mg/L, 后進(jìn)水接入預(yù)處理后的污水進(jìn)行處理, 維持 SRT 為 12 天, 以便淘洗掉 NOB 菌。啟動(dòng)完成后, 對(duì)接厭氧氨氧化SASMBR 反應(yīng)器, SRT維持在 20 天左右。運(yùn)行過(guò)程中的曝氣量根據(jù)在線監(jiān)測(cè) DO 數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

厭氧氨氧化 SASMBR 的運(yùn)行分為 3 個(gè)階段: 階段 I 為啟動(dòng)階段(第 38~47 天), 階段 II 為負(fù)荷提升階段(第 48~101 天), 階段 III 為穩(wěn)定運(yùn)行階段(第 102~ 169 天)。反應(yīng)池?fù)Q水比為 2/3, 進(jìn)水時(shí)間為 10 分鐘, 攪拌槳轉(zhuǎn)速為 50r/min, 沉降時(shí)間為 30 分鐘, 反應(yīng)池出水進(jìn)入膜池的同時(shí), 膜池出水, 出水時(shí)間同為10 分鐘。HRT 同步于短程硝化 SASMBR 變化, 自動(dòng)控制系統(tǒng)控制反應(yīng)器的進(jìn)出水和液位變化。

1.2 試驗(yàn)廢水和接種污泥

短程硝化 SASMBR 啟動(dòng)階段的第 1~27 天進(jìn)水為合成廢水, 組成 (g/L)為: KH2PO40.022, CaCl2·2H2O 0.135, FeSO4·7H2O 0.0075, KHCO31.25, EDTA 0.0075, Na2CO30.09[12]。NH4+-N 用(NH4)2SO4提供, 濃度為 50mg/L。pH 采用 NaOH 調(diào)節(jié), 維持在 7.8~8.0。所用藥品均為工業(yè)級(jí)。其后, 接入經(jīng)過(guò)厭氧消化預(yù)處理的城鎮(zhèn)污水, 進(jìn)水水質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表 1。

短程硝化 SASMBR 接種污泥為經(jīng)淘洗后的某污水處理廠好氧區(qū)活性污泥, 接種量為 5gMLSS/L。厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)接種經(jīng)過(guò)活性恢復(fù)后的厭氧氨氧化污泥, 接種量為 7.5gMLSS/L。接種方式為, 將厭氧氨氧化活性污泥與無(wú)紡布在厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)混合后, 悶曝掛膜, 然后將掛好膜的無(wú)紡布固定于厭氧氨氧化 SASMBR 反應(yīng)器內(nèi)的折流板兩側(cè)。接種后, 厭氧氨氧化反應(yīng)器接入經(jīng)短程硝化反應(yīng)器處理后的出水。

1.3 樣品采集和水質(zhì)檢測(cè)方法

在短程硝化 SASMBR 運(yùn)行的啟動(dòng)階段(第 1, 16, 26 天)、負(fù)荷提升階段(第 45, 70, 95 天)和穩(wěn)定運(yùn)行階段(第 123, 160 天)分別取懸浮態(tài)和附著在折流板上的附著態(tài)污泥樣品, 第 1 天接種污泥為懸浮態(tài), 故只取懸浮態(tài)污泥樣品。對(duì)應(yīng)于取樣時(shí)間, 對(duì)污泥樣品進(jìn)行編號(hào)(表 2)。

在厭氧氨氧化 SASMBR 運(yùn)行的第 38, 82, 120, 160 天, 分別從厭氧氨氧化 SASMBR 中取懸浮態(tài)和附著在無(wú)紡布載體上的附著態(tài)污泥樣品, 第 38 天接種污泥為懸浮態(tài), 只取懸浮態(tài)污泥。對(duì)應(yīng)于取樣時(shí)間對(duì)污泥樣品進(jìn)行編號(hào), 如表 3 所示。

表1 短程硝化SASMBR進(jìn)水水質(zhì)

表2 短程硝化SASMBR污泥樣品編號(hào)

說(shuō)明: “?”為未采污泥樣品。下同。

樣品經(jīng) 30 分鐘沉降去除上清液后, 取 5mL 保存于?20oC 的冰箱。每天取短程硝化 SASMBR 和厭氧氨氧化 SASMBR 的進(jìn)出水進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)。

氨氮(NH4+-N)、亞硝酸鹽氮(NO2?-N)、硝酸鹽氮(NO3?-N)、化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)和混合液懸浮固體(MLSS)等指標(biāo), 均按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法[13]進(jìn)行測(cè)定。DO, pH, ORP 和溫度采用在線探頭 (WTW, 德國(guó))監(jiān)測(cè)。

1.4 DNA提取和定量PCR

采用 DNA 提取試劑盒(Fast DNA Spin kit for soil), 對(duì)每個(gè)保存的樣品取 0.2mL 污泥進(jìn)行 DNA提取, 具體操作按試劑盒的試驗(yàn)步驟進(jìn)行。對(duì)于提取的 DNA, 采用 NanoDrop2000 對(duì) DNA 濃度和純度進(jìn)行檢測(cè), 采用 1%瓊脂糖凝膠電泳對(duì) DNA 完整性進(jìn)行檢測(cè)。

1.5 PCR 擴(kuò)增及 Illumina 測(cè)序

對(duì)質(zhì)檢合格的 DNA 樣品, 采用引物對(duì) 515F(5’-GTGCCAGCMGCCGCGG-3’)和 806R (GGACTACNVGGGTWTCTAA )進(jìn)行 16S rRNA 基因的 V4 可變區(qū)的高通量測(cè)序(Illumina Miseq 2000, 上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司)。測(cè)序獲得的原始序列數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)質(zhì)控過(guò)濾后, 得到高質(zhì)量序列。之后, 對(duì) OTUs (operational taxonomic units)進(jìn)行聚類分析, 并通過(guò) RDP classifier 貝葉斯算法, 在 97%相似水平對(duì)OTUs 進(jìn)行物種分類學(xué)注釋(80%置信度)?；?OTUs數(shù)據(jù), 進(jìn)行物種分類學(xué)分析, 研究樣品的多樣性和菌群結(jié)構(gòu)。

表3 厭氧氨氧化 SASMBR污泥樣品編號(hào)

2 結(jié)果和討論

2.1 SASMBR運(yùn)行PN/A工藝整體情況分析

如圖 2(a)所示, SASMBR 反應(yīng)器 PN/A 工藝在第38 天完成對(duì)接, 實(shí)現(xiàn)整體運(yùn)行。工藝整體運(yùn)行共計(jì)131 天, 分為兩個(gè)階段, 階段 I(第 38~101 天)為通過(guò)縮短 HRT 提升運(yùn)行負(fù)荷的負(fù)荷提升階段; 階段 II(第 102~169 天)為維持目標(biāo) HRT 的穩(wěn)定運(yùn)行階段。雖然整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)水 NH4+-N 濃度在 12~38 mg/L 范圍內(nèi)波動(dòng), 但 131 天的運(yùn)行時(shí)間內(nèi) NH4+-N 去除率維持在 70%以上, 其中階段 II 穩(wěn)定運(yùn)行期的 NH4+-N 去除率在 95%左右, 氮素去除負(fù)荷(NRR)達(dá)到 0.20~0.22kgN/(m3·d)。

如圖 2(b)所示, 除強(qiáng)降雨時(shí)期外, 整個(gè)過(guò)程的TN 去除率維持在 75%以上, 階段 II 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)期的 TN 去除率為 80%~85%, 出水 TN 濃度在 8mg/L以下。

Laureni 等[14]采用 MBBR 反應(yīng)器運(yùn)行 PN/A 工藝處理經(jīng)過(guò)預(yù)處理的市政污水, NRR 僅達(dá)到 0.02~0.04kgN/(m3·d)。Trojanowicz 等[15]采用 IFAS 反應(yīng)器運(yùn)行 PN/A 工藝處理主流污水, TN 去除率達(dá)到 44%。與他們的工作相比, 本研究采用 SASMBR 反應(yīng)器運(yùn)行 PN/A 工藝處理實(shí)際城鎮(zhèn)污水, 實(shí)現(xiàn)相對(duì)高的NRR 和 TN 去除效果。此外, 整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)水NH4+-N 濃度雖有較大的波動(dòng), 但工藝裝置的脫氮性能仍保持相對(duì)穩(wěn)定, 說(shuō)明本研究設(shè)計(jì)的 SASMBR運(yùn)行 PN/A 工藝具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

值得注意的是, 第 87~90 天進(jìn)水 NH4+-N 濃度由 30mg/L 迅速降低至 12 mg/L, 但 NH4+-N 去除率仍維持在 75%以上, TN 去除率維持在 55%以上, 出水 TN 濃度依然在 8mg/L 以下。第 95 天隨著強(qiáng)降雨的結(jié)束, PN/A 工藝的 NH4+-N 去除率迅速恢復(fù)到95%左右, TN 去除率恢復(fù)到 80%左右。由此可知, 即使在極端天氣條件下, SASMBR 運(yùn)行 PN/A 工藝處理實(shí)際城鎮(zhèn)污水仍然能維持相對(duì)較高的 NH4+-N 和 TN 去除率, 保證出水水質(zhì), 且工藝具有較強(qiáng)的恢復(fù)能力。

2.2 短程硝化 SASMBR 反應(yīng)器運(yùn)行性能分析

由于高效的厭氧氨氧化過(guò)程依賴于高效且穩(wěn)定的短程硝化來(lái)實(shí)現(xiàn), 所以短程硝化是 PN/A 工藝的關(guān)鍵。Zeng 等[16]發(fā)現(xiàn)較低濃度的 DO(0.3~0.5mg/L)和對(duì) HRT 及 SRT 進(jìn)行調(diào)控有助于短程硝化的建立, 因此本研究設(shè)置 DO 為 0.4~0.6mg/L, 啟動(dòng)階段 SRT為 12 天。如圖 3(a)所示, 短程硝化 SASMBR 啟動(dòng)階段的 1~4 天, 出水 NO2?-N 在 1mg/L 左右, 而第5 天縮短 HRT 至 12h 后, 出水中 NO2?-N 的濃度仍然在 1mg/L 左右。Liu 等[17]對(duì) SBR 進(jìn)行 14 天的好氧饑餓處理, 恢復(fù)運(yùn)行后 NO2?-N 積累率迅速提升至 95%以上, 但不穩(wěn)定, NO2?-N 積累率逐步衰減至13.6%。因此, 本研究在啟動(dòng)階段的第 7~14 天維持曝氣量, 對(duì)短程硝化 SASMBR 進(jìn)行 7 天的好氧饑餓處理, 并在第 15 天接入配制污水運(yùn)行。如圖 3(b)所示, 好氧饑餓處理后, 第 15~18 天短程硝化的 NO2?-N 積累率迅速提升到 80%以上, 第 29 天接入實(shí)際污水后, NO2?-N 積累率仍然維持在 85%左右?？梢园l(fā)現(xiàn), 本研究在建立起短程硝化后, NO2?-N 積累率持續(xù)維持在 85%左右。但是, Liu 等[17]的研究發(fā)現(xiàn), 在好氧饑餓處理后, 系統(tǒng)并不穩(wěn)定, NO2?-N 積累率會(huì)逐步降低。

如圖 3(a)所示, 啟動(dòng)階段完成后, 在階段 II 負(fù)荷提升階段和階段 III 穩(wěn)定運(yùn)行階段, 雖然進(jìn)水水質(zhì)有波動(dòng), 但出水 NO2?-N 濃度/NH4+-N 濃度的比例維持在 1~1.31 之間, NH4+-N 去除率維持在 63%~70%之間, 基本上符合對(duì)在線自動(dòng)控制及系統(tǒng)設(shè)置的 60% 的 NH4+-N 轉(zhuǎn)化需求。有研究發(fā)現(xiàn), 當(dāng)出水的 NO2?-N 濃度和 NH4+-N 濃度比為 1~1.3 時(shí), 基本上能滿足厭氧氨氧化進(jìn)水的要求[18], 說(shuō)明短程硝化 SASMBR結(jié)合在線自動(dòng)控制系統(tǒng)可以為后續(xù)的厭氧氨氧化長(zhǎng)期提供穩(wěn)定的合適進(jìn)水, 這也是整個(gè) PN/A 工藝能夠高效穩(wěn)定運(yùn)行的前提條件。

圖 4 顯示短程硝化 SASMBR 反應(yīng)器不同時(shí)期AOB 和 NOB 的豐度變化。隨著反應(yīng)器的運(yùn)行, 隸屬于 NOB 的豐度呈下降趨勢(shì), 而隸屬于AOB 的豐度呈上升趨勢(shì), 且同時(shí)期附著態(tài)污泥樣品中的豐度顯著低于懸浮態(tài)樣品, 附著態(tài)污泥樣品中的豐度明顯高于懸浮態(tài)污泥樣品。對(duì)比同時(shí)期附著態(tài)和懸浮態(tài)污泥樣品中 AOB 和 NOB 的豐度差異可知,短程硝化 SASMBR 內(nèi)設(shè)置的折流板可以富集 AOB, 確保短程硝化的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 厭氧氨氧化SASMBR運(yùn)行性能分析

第 38 天厭氧氨氧化 SASMBR 對(duì)接前端短程硝化 SASMBR, 實(shí)現(xiàn) PN/A 工藝的整體運(yùn)行。厭氧氨氧化 SASMBR 共計(jì)運(yùn)行 131 天。如圖 5(a)所示, 第38~42 天, 反應(yīng)器出水的 NH4+-N 和 NO2?-N 濃度由4~5mg/L 降至 1.5mg/L 以下, 出水 NO3?-N 濃度為2~3.5mg/L。圖 5(b)顯示厭氧氨氧化 SASMBR 進(jìn)出水中 TN 濃度和 TN 去除率的變化, 第 38~42 天 TN去除率由 60%迅速提升至 80%左右, 出水 TN 降至 8mg/L 以下, 反應(yīng)器啟動(dòng)成功。

高夢(mèng)佳等[19]采用連續(xù)流 UASB 厭氧氨氧化工藝處理經(jīng)短程硝化處理后的生活污水, 發(fā)現(xiàn)進(jìn)水由配水轉(zhuǎn)變?yōu)樯钗鬯? AnAOB 豐度降低, TN 去除率一直維持在 60%。本研究的厭氧氨氧化 SASMBR 在對(duì)接短程硝化 SASMBR 反應(yīng)器 4 天后, TN 去除率就由 60%升高到 80%, 且整個(gè)過(guò)程中, 除強(qiáng)降雨時(shí)期外, TN 去除率都維持在 70%以上, 說(shuō)明接入實(shí)際城鎮(zhèn)污水后, AnAOB 的活性未受到太大的影響, 推測(cè)是因?yàn)閰捬醢毖趸?SASMBR 具有良好的厭氧環(huán)境和有效截留 AnAOB 的能力。

在強(qiáng)降雨時(shí)期, 受進(jìn)水 NH4+-N 濃度急劇降低的影響, TN 去除率迅速下降, 但出水 TN 濃度依舊維持在 10mg/L 以下, 強(qiáng)降雨時(shí)期過(guò)后, TN 去除率快速恢復(fù)到 80%左右, 說(shuō)明厭氧氨氧化 SASMBR具有較強(qiáng)的抗干擾和恢復(fù)能力, 有利于維持厭氧氨氧化工藝的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

圖 6 為厭氧氨氧化 SASMBR 中不同時(shí)期微生物群落屬水平的變化。在接種污泥 A_1 的優(yōu)勢(shì)菌屬中, 隸屬 AnAOB 的占 47.4%,占 10.3%。在懸浮態(tài)污泥樣品中的豐度分別為8.0% (A_2_1)、7.8%(A_3_1)和 7.1%(A_4_1), 在附著態(tài)污泥樣品中, 豐度分別為 8.0%(A_2_2)、6.0%(A_3_2)和 8.3% (A_4_2), 基本上呈穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)期附著態(tài)污泥樣品與懸浮態(tài)樣品中的豐度基本上相當(dāng)。隨著反應(yīng)器的運(yùn)行,在懸浮態(tài)污泥樣品中的豐度為 26.1% (A_2_1)、20.2%(A_3_1)和17.8%(A_4_1), 呈下降的趨勢(shì), 而附著態(tài)污泥樣品中的豐度為 37.9% (A_2_2)、38.6% (A_3_2)和 40.9% (A_4_2), 呈逐步上升的趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)比可知, 同時(shí)期附著態(tài)污泥樣品中的豐度顯著高于懸浮態(tài)樣品中的, 這與 Liu 等[20]發(fā)現(xiàn)厭氧氨氧化處理主流實(shí)際廢水時(shí)起主要作用的結(jié)論一致。Wang 等[21]以無(wú)紡布為載體, 在主流廢水中啟動(dòng)厭氧氨氧化, 發(fā)現(xiàn) AnAOB 可以吸附在無(wú)紡布的表面或嵌入無(wú)紡布纖維內(nèi), 促進(jìn) AnAOB 在反應(yīng)器內(nèi)的持留, 實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化的快速啟動(dòng)。本研究中厭氧氨氧化 SASMBR 反應(yīng)器在折流板兩側(cè)固定無(wú)紡布載體, 發(fā)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中附著態(tài)污泥樣品中的豐度顯著高于懸浮態(tài)樣品, 說(shuō)明兩側(cè)固定無(wú)紡布載體的折流板能夠促進(jìn) AnAOB 的附著和持留, 減少低 HRT 運(yùn)行條件下 AnAOB 的流失, 提高反應(yīng)器的脫氮負(fù)荷及運(yùn)行的穩(wěn)定性, 這就進(jìn)一步解釋了厭氧氨氧化 SASMBR 可以快速啟動(dòng)厭氧氨氧化和確保厭氧氨氧化的穩(wěn)定運(yùn)行的原因。

在接種污泥 A_1 中, 亞硝化單胞菌屬的豐度為 0.05%, 隨著反應(yīng)器運(yùn)行,在懸浮態(tài)污泥樣品中的豐度為 0.6% (A_2_1)、1.1% (A_3_1)和 2.2% (A_4_1), 豐度逐步升高; 在附著態(tài)污泥樣品中的豐度為 1.5% (A_2_2)、2.1%(A_3_2)和 3.2% (A_4_2), 豐度也逐步上升。并且, 同時(shí)期附著態(tài)污泥中的豐度高于懸浮態(tài)污泥。亞硝化單胞菌屬()的作用是在有氧的條件下將污水中的 NH4+-N 氧化為 NO2?-N, 有研究發(fā)現(xiàn), PN/A 工藝處理低氨氮主流污水時(shí), AOB 會(huì)分布在 AnAOB 形成的生物膜或者顆粒表面, 形成溶解氧梯度為 AnAOB 提供厭氧環(huán)境, 同時(shí)提供 NO2?-N 基質(zhì)[22–23]。本研究在反應(yīng)器運(yùn)行的過(guò)程中, 懸浮態(tài)污泥和附著態(tài)污泥中的豐度都有所提升, 反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中 AOB 對(duì) DO 的消耗會(huì)為 AnAOB 提供一個(gè)良好的厭氧環(huán)境, 同時(shí)提供其生長(zhǎng)所需的 NO2?-N, 這就證實(shí)了厭氧氨氧化SASMBR 可以提供一個(gè)良好的厭氧環(huán)境, 進(jìn)而快速啟動(dòng)厭氧氨氧化的推測(cè)。

圖5 厭氧氨氧化 SASMBR進(jìn)出水 NH4+-N、NO2?-N和NO3?-N 濃度變化(a)以及TN 濃度和 TN 去除率變化(b)

圖6 厭氧氨氧化SASMBR反應(yīng)器不同時(shí)期菌群結(jié)構(gòu)屬水平變化

表4 穩(wěn)定運(yùn)行階段每個(gè)運(yùn)行周期(HRT)工藝整體運(yùn)行電能消耗成本核算結(jié)果

說(shuō)明: 單價(jià)為中試現(xiàn)場(chǎng)平均電價(jià)。

2.4 工藝整體運(yùn)行成本分析

運(yùn)行成本可以體現(xiàn)工藝的經(jīng)濟(jì)價(jià)值, 本研究對(duì)PN/A 工藝?yán)?SASMBR 處理實(shí)際城鎮(zhèn)污水的運(yùn)行成本進(jìn)行核算。表 4 為穩(wěn)定運(yùn)行階段每個(gè)運(yùn)行周期(HRT)工藝整體運(yùn)行電能消耗成本的核算結(jié)果, 穩(wěn)定運(yùn)行階段工藝整體的電力消耗成本為 0.303 元/m3, 同時(shí)在工藝的前端, 通過(guò)添加聚合氯化鋁(PAC), 對(duì)原水進(jìn)行沉降處理, PAC 的成本約為 0.04 元/m3, 由于工藝運(yùn)行過(guò)程中剩余污泥的產(chǎn)生量極少, 因此穩(wěn)定運(yùn)行階段工藝整體的運(yùn)行成本約為 0.307 元/m3。相較于傳統(tǒng)的硝化–反硝化工藝中城鎮(zhèn)污水處理廠平均 0.65~1.03 元/m3(處理工藝、處理水質(zhì)和排放標(biāo)準(zhǔn)不同, 運(yùn)行成本有差別)的運(yùn)行成本[24–25], 采用SASMBR 反應(yīng)器運(yùn)行的 PN/A 工藝處理城鎮(zhèn)污水具有較大的成本優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)制作一種新型的復(fù)合生物反應(yīng)器SASMBR, 將該反應(yīng)器應(yīng)用于 PN/A 工藝處理城鎮(zhèn)污水, 通過(guò)對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行性能和反應(yīng)器內(nèi)微生物菌群的變化分析, 得出如下主要結(jié)論。

1)采用 SASMBR 運(yùn)行 PN/A 工藝處理城鎮(zhèn)污水實(shí)現(xiàn)了良好的脫氮效果, TN 去除率達(dá)到 80%~85%, NRR 達(dá)到 0.20~0.22kgN/(m3·d), 出水 TN 濃度維持在 8mg/L 以下, 且在進(jìn)水 NH4+-N 濃度波動(dòng)較大的情況下, 反應(yīng)器的性能依然比較穩(wěn)定。

2)短程硝化 SASMBR 處理城鎮(zhèn)污水能夠快速啟動(dòng)短程硝化, 且整個(gè)過(guò)程中 NO2?-N 積累率維持在 85%左右, 短程硝化 SASMBR 內(nèi)設(shè)置的折流板有助于短程硝化的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

3)厭氧氨氧化 SASMBR 內(nèi)固定在折流板兩側(cè)的無(wú)紡布可以有效地持留 AnAOB, 同時(shí)反應(yīng)器內(nèi)的 AOB 可以為 AnAOB 提供生長(zhǎng)的厭氧環(huán)境以及NO2?-N 基質(zhì), 加速了厭氧氨氧化 SASMBR 的啟動(dòng), 實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定高效運(yùn)行。

4)采用 SASMBR 運(yùn)行 PN/A 工藝處理城鎮(zhèn)污水, 穩(wěn)定運(yùn)行階段的運(yùn)行成本約為 0.307 元/m3, 與傳統(tǒng)的硝化–反硝化工藝城鎮(zhèn)污水處理方式相比, 采用 SASMBR 運(yùn)行 PN/A 工藝處理城鎮(zhèn)污水的運(yùn)行成本大幅度降低。

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Study of Partial Nitritation and Annmmox Process Treating Mainstream Municipal Wastewater with SASMBR

LI Jianqi1, YU Daodao1, Lü Yufeng2, LIU Sitong1,2,?

1. Department of Environment and Energy, Peking University Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518055; 2. Beijing Engineering Research Center of Advanced Wastewater Treatment, Department of Environmental Science & Engineering, Peking University, Beijing 100871; ?Corresponding author, E-mail: liusitong@pku.edu.cn

Based on the reactor unstable and low nitrogen removal rate when Partial Nitritation and Anammox (PN/A) process treat municipal wastewater, a new composite bioreactor named sequencing batch-baffled-separate membrane bioreactor (SASMBR) was designed and manufactured. This reactor was applied to the treating of municipal wastewater using PN/A process to explore the performance and analyze the operating costs of the reactor. The results showed that highly efficient and stable denitrification processes had been achieved using PN/A process in this reactor, with TN removal rate up to 80%–85%, nitrogen removal rate (NRR) up to 0.20–0.22 kgN/(m3·d)and the effluent TN concentration was below 8 mg/L. 16SrRNA gene sequencing analysis found that the baffles set inside the bioreactor could enrich ammonia oxidation bacteria (AOB), which ensuring a good treating performance of the reactor. Non-woven fabrics in the SASMBR could effectively retain anaerobic ammonium oxidizing bacteria (AnAOB), and the increasing abundance of AOB in the SASMBR could provide anaerobic environment and NO2?-N substrate for the growth of AnAOB. As such, the combination inevitably accelerated the quick startup of the reactor and maintained its highly efficient and stable running. The operating costs was 0.307 yuan/m3which was significantly lower than the traditional municipal wastewater treatment plants.

sequencing batch-baffled-separate membrane bioreactor; partial nitritation and anammox; municipal wastewater; community structure

10.13209/j.0479-8023.2020.010

深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目(JSGG20160429162015597)資助

2019–03–07;

2019–06–04