水動力條件對全程自養(yǎng)脫氮工藝啟動研究*

操家順　漆磊　薛朝霞　趙昌爽　阮仁俊

(1.河海大學(xué),淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室　南京 210098；

2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院　南京 210098；　3.河海大學(xué)水資源高效利用與工程研究中心　南京 210098)

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水動力條件對全程自養(yǎng)脫氮工藝啟動研究*

操家順1,2,3漆磊2薛朝霞1,2,3趙昌爽2阮仁俊2

(1.河海大學(xué),淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室南京 210098；

2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院南京 210098；3.河海大學(xué)水資源高效利用與工程研究中心南京 210098)

摘要CANON工藝需要部分短程硝化提供亞硝酸鹽，所以CANON工藝存在溶解氧難控制的問題，特別是在反應(yīng)器較小的情況。本文采用設(shè)有擋板的改良SBR，通過機械攪拌形成劇烈水流攪動，精確控制溶解氧，研究了不同攪拌速率對CANON工藝啟動的影響。結(jié)果表明，機械曝氣能成功啟動了CANON工藝，且獲得平均總氮去除率達(dá)79.40%，剪切應(yīng)力的提高有利于脫氮性能的提升，機械曝氣啟動方式相比于鼓風(fēng)曝氣更加容易控制。

關(guān)鍵詞CANON機械曝氣攪拌速率剪切應(yīng)力溶解氧

Study on Hydrodynamic Conditions on Start-up of CANON Process

CAO Jiashun1,2,3QI Lei2XUE Zhaoxia1,2,3ZHAO Changshuang2RUAN Renjun2

(1.KeyLaboratoryofIntegratedRegulationandRegulationDevelopmentonShallowLakes,MinistryofEducation,HohaiUniversityNanjing210098)

AbstractCANON process need nitrite by shortcut nitrification, so there exists a problem, dissolved oxygen is hard to be controlled, in the CANON process, especially when happened in small reactor. The improved SBR is applied, equipped with baffles, to control dissolved oxygen accurately through mechanical stirring and study the effects of different stirring speed on the CANON start-up. The results show the mechanical stirring can start-up the CANON process successfully, the mean TN removal efficiency is up to 79.40% and the mechanical stirring helps to improve nitrogen removal performance in CANON system, which is easier to be controlled than blast aeration.

Key WordsCANONmechanical aerationstirring speedshear stressdissolved oxygen

0引言

高氨氮廢水系統(tǒng)一般通過游離氨(FA)抑制容易實現(xiàn)短程硝化[1]。目前國內(nèi)外對高氨氮廢水處理的研究主要集中在短程硝化與厭氧氨氧化(Anammox)聯(lián)合工藝。

1材料與方法

1.1試驗裝置

試驗裝置由進水箱、主體反應(yīng)器、攪拌器、出水箱組成。主體反應(yīng)器采用3個SBR反應(yīng)器R1，R2和R3，如圖1所示。反應(yīng)器由有機玻璃制成，高15 cm，內(nèi)徑18 cm，有效容積2 L，排水比為50%。在反應(yīng)器外壁上設(shè)置一排間距10 cm的取樣口，用以取樣和排水。由于不設(shè)鼓風(fēng)曝氣，在內(nèi)壁設(shè)4擋板，擋板為柱狀，尺寸為2 cm×2 cm×10 cm(L×B×H)，水流在攪拌作用下由于受到擋板的阻擋作用而被劇烈攪動，混合液液面不斷更新與空氣接觸，增加水中的溶解氧，不需鼓風(fēng)曝氣。攪拌漿半徑6 cm，距離反應(yīng)器底部6.3 cm，設(shè)調(diào)速電機調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速。反應(yīng)器外部設(shè)有水浴層，用以控制反應(yīng)溫度。

1—改良SBR；2—水浴層；3—攪拌漿；4—調(diào)速電機；

1.2接種污泥、進水水質(zhì)和運行條件

反應(yīng)器由于水浴鍋保溫作用，使反應(yīng)溫度保持31±1 ℃。反應(yīng)一個周期包括進水20 min、反應(yīng)23 h、沉淀20 min、出水20 min，總共24 h。試驗過程分別調(diào)節(jié)R1，R2，R3攪拌漿轉(zhuǎn)速為40 r/min，75 r/min，100 r/min。不同轉(zhuǎn)速下SBR反應(yīng)器中水流剪切力τ的計算公式[3]為：

τ=μG

(1)

攪拌器相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的系統(tǒng)水流剪切力和溶解氧見表1。

表1　各反應(yīng)器水流剪切力應(yīng)力及溶解氧質(zhì)量濃度

1.3分析方法

2結(jié)果與討論

2.1水力條件對CANON工藝啟動期脫氮能力的影響

1.43H2O

(2)

圖2R1反應(yīng)器脫氮性能

圖3R2反應(yīng)器脫氮性能

圖4　R3反應(yīng)器脫氮性能

圖5R1，R2，R3反應(yīng)器脫氮性能

2.2水力條件對CANON工藝啟動期污泥質(zhì)量濃度的影響

CANON顆粒污泥培養(yǎng)過程中污泥質(zhì)量濃度的變化如表2所示。3個反應(yīng)器在污泥接種2～3 d后，由于采用無機培養(yǎng)，導(dǎo)致反應(yīng)器中異養(yǎng)菌自身內(nèi)源降解，致使部分污泥變松散，在水流剪切應(yīng)力作用下，生物膜剝落。

隨著試驗的進行，在第Ⅰ階段結(jié)束，污泥質(zhì)量濃度均減少，且污泥質(zhì)量濃度減小值呈現(xiàn)R3>R2>R1，主要因為反應(yīng)器剪切應(yīng)力的越大，在反應(yīng)器啟動初期被洗出的絮狀污泥量越多，加上由于環(huán)境突變，Anammox顆粒污泥上的生物膜開始變得松散，從顆粒污泥上剝落的生物膜也越多，且此階段反應(yīng)器中污泥產(chǎn)率成負(fù)增長，因此，第Ⅰ階段初始條件相同的3個反應(yīng)器運行一段時間后，污泥量和顆粒污泥粒徑均減小，且剪切應(yīng)力越大被洗出的污泥量也越大。

隨著反應(yīng)器進行到第Ⅱ階段，污泥質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)上升趨勢，第Ⅱ階段末污泥質(zhì)量濃度R2>R3>R1，主要因為隨著CANON反應(yīng)進行，污泥實現(xiàn)正增長，故污泥質(zhì)量濃度均增大，R3中攪拌速率過大導(dǎo)致反應(yīng)器溶解氧過高抑制了CANON反應(yīng)，R1攪拌速率較低導(dǎo)致傳質(zhì)效果不如R2和R3，故R2中CANON反應(yīng)速率最大，污泥質(zhì)量濃度增長也最多。

表2　各階段污泥質(zhì)量濃度變化　g/L

注：括號內(nèi)代表本階段污泥質(zhì)量濃度與上一階段污泥質(zhì)量濃度差值。

2.3水力條件對CANON工藝啟動期微生物群落的影響

對3個反應(yīng)器內(nèi)部的總細(xì)菌進行PCR-DGGE 圖譜分析(見圖6)。DGGE 圖譜中每條條帶代表一種微生物物種或者一個可操作分類單元(OTU)，條帶的數(shù)量和光密度值可以反映系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，為了分析系統(tǒng)內(nèi)的微生物群落結(jié)構(gòu)的組成特點與反應(yīng)器穩(wěn)定運行的關(guān)系，對3個泳道中所有條帶的 DNA 序列進行克隆測序，得到的DNA 序列提交至 GenBank，通過與GenBank 中的已知序列進行比對以確定其種屬特征，所得結(jié)果見表3。

圖6　DGGE圖譜(從左至右分別為R1，R2，R3)

條帶號最接近菌種相似度/%功能微生物11(22) unculturedanaerobicammonium-oxidizingbacterium98 AnAOB 12(23,32)unculturedbacterium99AerAOB13(25,34)CandidatusBrocadia96Anammox14(26,35)Nitrisomonassp.99AerAOB21,31Nitrisomonassp.97AerAOB24,33Nitrosomonaseuropaea98AerAOB

由圖6和表3可見，無論是總細(xì)菌、AerAOB還是AnAOB，都具有不止一個建群種，因此形成了共優(yōu)種群落。對比3種運行條件下的DGGE圖譜，R2>R1>R3，且R1，R2條帶相類似，且亮度增加，說明R2系統(tǒng)內(nèi)微生物數(shù)量及種類均明顯多余另外兩個反應(yīng)器，R1與R2均檢測出2個AnAOB序列，說明AnAOB群落結(jié)構(gòu)簡單且保持穩(wěn)定，R3條帶數(shù)明顯減少，且出現(xiàn)的主要為AerAOB條帶，R2檢測出4個AerAOB序列(21，23，24，26)，R1，R3均檢測出2個AerAOB序列(23，26，32，35)，R3檢測出一條AnAOB條帶34，但與R1的13和R2的25條帶相比，顯得十分暗淡，這與2.1中對R3的分析是一致的。R2的4個AerAOB序列中有2個屬于Nitrisomonas sp.，另外兩個分別為Nitrosomonas europaea和uncultured bacterium。R1，R3檢測出的2個AerAOB序列均屬于Nitrisomonas sp.。R1，R2均檢測出兩個AnAOB序列，其中最亮的條帶13(25)屬于Candidatus Brocadia sinica JPN1，該菌是目前最為常見的AnAOB，條帶11(22)屬于uncultured anaerobic ammonium-oxidizing bacterium，說明剪切力和溶解氧變化對AnAOB種群的影響不大?？寺〗Y(jié)果與劉濤的研究相類似[8]，CANON反應(yīng)器中功能微生物主要靠Nitrisomonas和Candidatus Brocadia共同完成高效自養(yǎng)脫氮。值得注意的是，系統(tǒng)中并未檢測到NOB，說明此時系統(tǒng)內(nèi)NOB含量很低，甚至完全被淘汰掉，這也與前文中的分析相一致。

3結(jié)論

(1)在改良的反應(yīng)器內(nèi)，采用機械攪拌方式能夠?qū)崿F(xiàn)CANON工藝成功啟動，在剪切應(yīng)力為132.4×10-3N/m2時，總氮平均去除率為79.40%，在一定范圍內(nèi)，在本裝置系統(tǒng)內(nèi)提高剪切應(yīng)力能相應(yīng)提高溶解氧濃度和傳質(zhì)效率，有利于形成性能穩(wěn)定的CANON工藝，但是過低的水力剪切力會導(dǎo)致傳質(zhì)效率低和溶解氧過低，而較高的剪切應(yīng)力會導(dǎo)致溶解氧的升高而抑制AnAOB導(dǎo)致CANON啟動失敗。

(3)分子生物學(xué)方法證實，適宜的剪切應(yīng)力可使系統(tǒng)內(nèi)生物多樣性增多，實現(xiàn)CANON啟動的反應(yīng)器內(nèi)存在功能微生物AerAOB和AnAOB，完成高效自養(yǎng)脫氮。

參考文獻(xiàn)

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(收稿日期：2015-06-15)

作者簡介操家順,男,1964年生,教授,博士,研究方向為水處理技術(shù),發(fā)表論文100余篇。

*基金項目：國家重大科技專項(2014ZX07305-002-02)。