生活污水SNAD顆粒污泥快速啟動(dòng)及脫氮性能研究

范 丹,李 冬*,梁瑜海,呂育鋒,張金庫(kù),張 杰,2(.北京工業(yè)大學(xué)水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 0024；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué),城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 50090)

生活污水SNAD顆粒污泥快速啟動(dòng)及脫氮性能研究

范 丹1,李 冬1*,梁瑜海1,呂育鋒1,張金庫(kù)1,張 杰1,2(1.北京工業(yè)大學(xué)水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué),城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150090)

采用SBR裝置,接種CANON絮狀污泥,通過(guò)控制沉淀時(shí)間、HRT、DO及進(jìn)水基質(zhì)組成(配水與實(shí)際生活污水的比例),實(shí)現(xiàn)具有SNAD性能顆粒污泥的快速培養(yǎng),并進(jìn)一步通過(guò)降基質(zhì)的方式,考察 SNAD顆粒污泥在處理實(shí)際生活污水時(shí)的脫氮性能.結(jié)果表明：在反應(yīng)器運(yùn)行至第34d時(shí),成功培養(yǎng)出具有SNAD性能的顆粒污泥;顆粒粒徑最大可達(dá)1103μm,最大總氮去除負(fù)荷可達(dá)1.03kg/(m3·d);同時(shí)在降基質(zhì)運(yùn)行過(guò)程中,CANON脫氮始終在反應(yīng)器總氮去除中占優(yōu)勢(shì)地位,并最終實(shí)現(xiàn)生活污水中氮素、有機(jī)物的同步有效去除,出水TN平均為10mg/L,出水COD平均為40mg/L,達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn).

序批式反應(yīng)器；同步亞硝化厭氧氨氧化反硝化；生活污水；顆粒污泥；胞外聚合物

全程自養(yǎng)脫氮工藝[1]是近年發(fā)展起來(lái)的新型脫氮工藝,該工藝耗氧量低、無(wú)需外加碳源,污泥產(chǎn)量低,被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)有效的脫氮途徑.在CANON工藝中,89%的氨氮在好養(yǎng)氨氧化細(xì)菌及厭氧氨氧化細(xì)菌的共同作用下轉(zhuǎn)化為N2,剩余11%的氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮[2].CANON工藝在氨氧化率達(dá)到 100%時(shí),總氮去除率最高僅為 89%,且大多含氮廢水中均含有有機(jī)物,有機(jī)物的存在使CANON工藝的穩(wěn)定運(yùn)行面臨著巨大挑戰(zhàn).因此提出同步亞硝化厭氧氨氧化反硝化 SNAD (simultaneous partial nitrification, anammox and denitrification)工藝[3],即AOB、Anammox、反硝化菌共存于同一反應(yīng)器中,以 AOB、Anammox自養(yǎng)脫氮為主,反硝化菌利用污水中存在的COD去除 Anammox生成的少部分硝氮為輔,突破CANON工藝 89%的總氮去除極限,同時(shí)去除廢水中的有機(jī)物,解決CANON工藝目前發(fā)展所面

臨的兩大問(wèn)題,具有廣闊的應(yīng)用前景.目前,SNAD工藝已經(jīng)在污泥消化液、垃圾滲濾液、養(yǎng)豬廢水、光電廢水等高溫、高氨氮廢水領(lǐng)域展開(kāi)了大量研究[4-7],但在低氨氮廢水領(lǐng)域的研究卻較少,尤其是生活污水方面.

與此同時(shí),在運(yùn)行SNAD工藝的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該工藝運(yùn)行并不是很穩(wěn)定.分析原因：(1)AOB與Anammox均為自養(yǎng)菌,其生長(zhǎng)速率緩慢,難以持留;(2)有機(jī)物的存在對(duì)自養(yǎng)菌的活性具有一定的影響,尤其是 Anammox的活性,研究發(fā)現(xiàn)[8-10]低濃度有機(jī)物存在時(shí)Anammox和反硝化菌能夠共存并互相促進(jìn),而高濃度有機(jī)物存在時(shí)會(huì)使Anammox活性大大降低,使得 SNAD系統(tǒng)中Anammox的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)逐漸被反硝化菌取代直至系統(tǒng)崩潰.而顆粒污泥自身結(jié)構(gòu)緊湊,單位體積生物量高,沉降性能好,抗沖擊能力強(qiáng),能夠承受較高的有機(jī)負(fù)荷.如果在SNAD系統(tǒng)中采用顆粒污泥法,一方面能夠防止SNAD系統(tǒng)中自養(yǎng)菌的流失,保持該系統(tǒng)中自養(yǎng)脫氮的優(yōu)勢(shì)地位;另一方面能夠提高SNAD系統(tǒng)對(duì)有機(jī)負(fù)荷的承受能力,加強(qiáng)SNAD系統(tǒng)的穩(wěn)定性能.目前,生活污水下啟動(dòng)亞硝化好氧顆粒污泥的研究[11]很多,而生活污水下啟動(dòng)SNAD顆粒污泥的研究幾乎沒(méi)有.

因此,針對(duì)生活污水低氨氮復(fù)雜水質(zhì)及SNAD系統(tǒng)運(yùn)行不夠穩(wěn)定這兩點(diǎn),本實(shí)驗(yàn)提出在SBR反應(yīng)器內(nèi),接種CANON活性污泥,通過(guò)逐漸增加生活污水比例,引入反硝化菌,培養(yǎng)SNAD特性顆粒污泥,并考察該方式下,顆粒污泥的啟動(dòng)時(shí)間、脫氮性能及穩(wěn)定性能;其次,通過(guò)降基質(zhì)過(guò)渡,研究SAND特性顆粒污泥處理實(shí)際生活污水的可行性,以期為SNAD工藝的工程應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置采用圓柱形SBR反應(yīng)器,材料為有機(jī)玻璃,高度100cm,內(nèi)徑9cm,有效容積 5.4L,反應(yīng)器垂直方向設(shè)置一排間距為 10cm的排水口;反應(yīng)器上部安裝攪拌器(轉(zhuǎn)速 200r/min),以加強(qiáng)傳質(zhì)效果及加速顆粒化;反應(yīng)器底部裝有曝氣環(huán),由氣體流量計(jì)控制曝氣強(qiáng)度;反應(yīng)器外部設(shè)有水浴套筒,由溫度控制儀控制反應(yīng)器內(nèi)溫度,溫度維持在30℃左右;排水位置設(shè)在反應(yīng)器中部取水口,換水比為50%,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

1.2 接種污泥與試驗(yàn)用水

接種污泥采用高溫高氨氮配水穩(wěn)定運(yùn)行的CANON生物濾柱反沖洗出的絮狀污泥,MLSS為 6.2g/L,初始粒徑為178μm,接種體積為5L.試驗(yàn)用水由配水和實(shí)際生活污水組成,初期培養(yǎng)顆粒階段控制進(jìn)水NH4+-N為220mg/L左右,堿度為1500mg/L左右,顆粒穩(wěn)定后逐漸降低NH4+-N濃度,直到最后全部為實(shí)際生活污水;實(shí)際生活污水采用某大學(xué)家屬區(qū)生活污水.

1.3 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)分為2個(gè)階段,階段Ⅰ為SNAD顆粒污泥培養(yǎng)及穩(wěn)定運(yùn)行階段,在該階段,接種 CANON活性污泥,控制進(jìn)水NH4+-N為220mg/L左右,逐漸增加生活污水比例,培育SNAD特性顆粒污泥,并且在生活污水比例為 100%后穩(wěn)定運(yùn)行;階段Ⅱ?yàn)榻祷|(zhì)階段,控制進(jìn)水NH4+-N為150mg/L左右穩(wěn)定運(yùn)行后,降為100mg/L,最后為實(shí)際生活污水穩(wěn)定運(yùn)行階段.反應(yīng)器通過(guò)時(shí)序控制器自動(dòng)控制,每個(gè)運(yùn)行周期總時(shí)間隨反應(yīng)器污泥脫氮性能決定,包含：進(jìn)水2min,好氧曝氣(時(shí)間由氨氧化率來(lái)決定),沉淀由 10min逐漸降為 2min,排水4min,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中控制氨氧化率在為85%～100%. 1.4 分析項(xiàng)目與方法

顆 粒 粒 徑 ：Mastersize2000 激光 粒度儀;NH4+-N：納氏試劑分光光度法;NO2--N：N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;N-N：紫外分光光度法;COD：5B-3B型COD快速測(cè)定儀;MLSS：重量法;EPS[12-13]中多糖：苯酚-硫酸法;蛋白質(zhì)：考馬斯亮藍(lán)(Bradford)法.DO、pH值、T：WTW便攜式多參數(shù)測(cè)定儀.

胞外聚合物EPS測(cè)量方法：為最大限度提取細(xì)胞表面 EPS,且對(duì)細(xì)胞不破壞或破壞程度最小,EPS的提取采用了高速離心-超聲波-熱提取的物理聯(lián)合法.首先取泥水混合樣品于 10mL離心管中,室溫下用離心機(jī)以5000r/min離心15min,倒掉上清液,加入適量磷酸鹽緩沖溶液,將污泥稀

釋至原體積,之后將污泥搖散后超聲處理 3min,接著80℃水浴30min(每隔10min搖勻一次),最后用離心機(jī)5000r/min離心15min,取上清液測(cè)定多糖、蛋白質(zhì),剩余污泥測(cè)定MLSS.

圖1 反應(yīng)器裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental equipment

2 結(jié)果與討論

2.1 SNAD顆?；^(guò)程及氮素去除效果

2.1.1 顆粒氮素去除性能分析 階段Ⅰ為SNAD 顆粒污泥快速培養(yǎng)及穩(wěn)定運(yùn)行階段. SNAD工藝是在AOB、Anammox及反硝化菌3種細(xì)菌共同作用下進(jìn)行脫氮.而 COD濃度對(duì)Anammox與反硝化菌的共存具有重要影響.因?yàn)榉聪趸鷷?huì)利用COD還原亞硝酸鹽進(jìn)行脫氮,與 Anammox競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)底物亞硝酸鹽,形成基質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)抑制.因此本實(shí)驗(yàn)在顆粒形成過(guò)程中,通過(guò)不斷增加生活污水比例的方式培養(yǎng)顆粒污泥.其中,0～12d接入25%生活污水,13～38d接入50%生活污水,39～82d接入75%生活污水,83～180d接入100%生活污水.本階段控制進(jìn)水 NH4+-N為220mg/L左右,pH為7.8左右,強(qiáng)化顆粒形成過(guò)程中自養(yǎng)菌的活性,保持CANON脫氮的優(yōu)勢(shì)地位,同時(shí)通過(guò)高游離氨抑制NOB的增長(zhǎng).SNAD顆粒污泥啟動(dòng)及穩(wěn)定運(yùn)行階段的粒徑變化如圖 2所示,氮素去除效果如圖3所示.

由圖2可知,反應(yīng)初期,當(dāng)進(jìn)水為25%生活污水時(shí),反應(yīng)器污泥粒徑變化非常緩慢,運(yùn)行12d,反應(yīng)器中污泥平均粒徑由接種時(shí) 178μm增長(zhǎng)到201μm,粒徑平均增長(zhǎng)速率僅為 1.9μm/d,說(shuō)明接種的污泥正處在適應(yīng)期.之后隨著反應(yīng)器的運(yùn)行,污泥逐漸適應(yīng)反應(yīng)器內(nèi)運(yùn)行環(huán)境,顆粒粒徑開(kāi)始持續(xù)快速增長(zhǎng),可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)34d后,顆粒污泥的體積平均粒徑達(dá)到 400μm,平均增長(zhǎng)速率達(dá)到12μm/d,SNAD顆粒污啟動(dòng)成功.繼續(xù)增加生活污水比例,顆粒粒徑增長(zhǎng)速率一直穩(wěn)定在 12μm/d左右,在第 89d,顆粒粒徑達(dá)到最大 1103μm,隨后則在臨界粒徑1000μm左右波動(dòng).研究表明,李冬等[14]無(wú)機(jī)配水啟動(dòng)的 CANON顆粒污泥所需時(shí)間為40d,而本實(shí)驗(yàn)SNAD顆粒污泥啟動(dòng)的時(shí)間為 34d,培養(yǎng)所需時(shí)間更短;同時(shí),本實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)的SNAD顆粒平均粒徑最終為 1000μm左右,大于蘇慶嶺等無(wú)機(jī)配水培養(yǎng)的 CANON顆粒污泥的顆粒粒徑(平均粒徑為 800μm),大于蔡慶等[15]無(wú)機(jī)配水培養(yǎng)的CANON顆粒污泥的顆粒粒徑(平均粒徑為 387.6μm).分析認(rèn)為[16],過(guò)高的有機(jī)物濃度會(huì)抑制 Anammox的活性,但較低的有機(jī)物濃度,可使反應(yīng)器內(nèi)異養(yǎng)菌與自養(yǎng)菌 AOB、Anammox菌處于良性競(jìng)爭(zhēng)階段,促進(jìn)反應(yīng)器內(nèi)細(xì)胞菌群為保護(hù)自身生存而分泌更多的胞外聚合物,使得反應(yīng)器內(nèi)微生物更易于相互聚集黏附,從而加快污泥快速顆?；?增大了顆粒粒徑 (具體分析見(jiàn)2.1.2).

圖2 污泥的平均顆粒粒徑Fig.2 The mean particle size of the sludge

在階段Ⅰ整個(gè)過(guò)程中,系統(tǒng)污泥濃度與顆粒粒徑在不斷變化,因此在保證一定的氨氧化率

(90%左右)前提下,隨時(shí)調(diào)整HRT和DO,以保證反應(yīng)器AOB和Anammox的活性.由圖3(b)可知,實(shí)驗(yàn)初期,即前12d,接入25%生活污水,氨氧化率及總氮去除率稍有下降,出水硝酸鹽氮并無(wú)明顯變化.提高生活污水比例為 50%,發(fā)現(xiàn)出水硝酸鹽氮逐漸減少,由20mg/L左右降至15mg/L,TN去除率由77%上升至82%左右,系統(tǒng)開(kāi)始表現(xiàn)出明顯的 SNAD性能.該階段穩(wěn)定運(yùn)行后,繼續(xù)增加生活污水比例,出水硝酸鹽氮不斷降低,總氮去除效率不斷升高.到本階段末,出水硝酸鹽氮平均濃度為 9.7mg/L,出水亞硝酸鹽氮平均濃度為4.4mg/L,總氮去除率最大可達(dá)92%左右,突破了CANON工藝總氮去除理論值89%,穩(wěn)定運(yùn)行2個(gè)月.此結(jié)果表明[17],本實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)的SNAD顆粒污泥中AOB、Anammox及反硝化細(xì)菌互相適應(yīng),協(xié)同合作,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行.同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),逐漸遞增生活污水,Anammox的活性并沒(méi)有受到抑制,厭氧氨氧化速率 ANR由初始的0.02kgN/(kgMLSS·d)最 終提 高 到 0.21kgN/ (kgMLSS·d).

圖3 反應(yīng)器階段Ⅰ運(yùn)行效果Fig.3 Performance of the reactor during stageⅠ

總氮去除負(fù)荷變化如圖 3(c)所示.運(yùn)行前40d,顆粒污泥啟動(dòng)階段,反應(yīng)器污泥濃度降低,但總氮去除負(fù)荷并沒(méi)有明顯變化,因?yàn)榉磻?yīng)器耐受DO 在不斷提高,從初始的 0.25mg/L提升至0.5mg/L.隨后,顆粒粒徑不斷增大,反應(yīng)器承受的DO濃度不斷增大,總氮去除負(fù)荷不斷升高,由0.24kg/(m3·d)提高到1.03kg/(m3·d),最終DO濃度可達(dá)1.2mg/L左右.由數(shù)據(jù)可知,DO濃度是影響

反應(yīng)器脫氮性能的關(guān)鍵[18],在不抑制 Anammox活性的前提下,耐受DO增大,一定程度上能夠增大AOB氨氧化速率,降低反應(yīng)器HRT,提高系統(tǒng)脫氮性能.Rathnayake等[19]研究表明,當(dāng)溶液DO為2mg/L時(shí),顆粒污泥表面以內(nèi)300μm處DO降低為0mg/L.因此,高DO下,顆粒內(nèi)部存在缺氧區(qū)及厭氧區(qū),為反硝化菌及 Anammox提供適宜的生存環(huán)境,顆粒表面的 AOB及異養(yǎng)菌利用溶解氧進(jìn)行基質(zhì)轉(zhuǎn)換.但可以發(fā)現(xiàn)在負(fù)荷提高過(guò)程中,DO濃度增加到1.2mg/L左右時(shí),反應(yīng)器出水亞硝酸鹽氮升高,達(dá)到18mg/L.為防止過(guò)高的DO及游離亞硝酸對(duì) Anammox造成抑制,因此降低DO,控制出水亞硝酸鹽氮在5mg/L以下.最終,反應(yīng)器階段Ⅰ的總氮去除負(fù)荷穩(wěn)定在 0.88kg/ (m3·d).

2.1.2 顆?；^(guò)程中粒徑EPS變化及污泥性能變化 從圖 4可以看出,反應(yīng)器中的多糖(PS)和蛋白質(zhì)(PN)整體呈上升趨勢(shì),PS和PN的含量均有提高,這說(shuō)明絮狀污泥在水力剪切和EPS的雙重作用下凝聚黏附逐漸形成顆粒.同時(shí),顆粒污泥中PN含量明顯增多,PS/PN比值明顯降低,這與李冬等[20]研究結(jié)論一致,與配水相比,以生活污水為基質(zhì)培養(yǎng)的顆粒污泥,PN含量偏高,PS與PN的比值偏低.研究表明[21-23], EPS中的PN由于含氨基帶正電荷,可以導(dǎo)致污泥表面負(fù)電荷減少,微生物間的靜電斥力降低,細(xì)胞表面的疏水性增加,從而使微生物細(xì)胞更易于從水相中脫離出來(lái)互相聚集在一起,因此,PN含量的增加,PS/PN比值的降低可以促進(jìn)污泥顆粒化.這在一定程度上說(shuō)明了本實(shí)驗(yàn)逐漸加入生活污水培養(yǎng)顆粒污泥的啟動(dòng)時(shí)間比配水培養(yǎng)顆粒污泥的啟動(dòng)時(shí)間要快的原因.而當(dāng)顆粒污泥穩(wěn)定后,系統(tǒng)的微生物適應(yīng)反應(yīng)器內(nèi)的生存環(huán)境,EPS的生成量不再發(fā)生較大變化,PS與PN比值在相對(duì)穩(wěn)定范圍內(nèi)波動(dòng).

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)逐漸降低污泥沉淀時(shí)間,截留反應(yīng)器內(nèi)性能較好的污泥,排出松散、沉降性不好的絮狀污泥,因此由圖5可知,初期反應(yīng)器的污泥濃度不斷下降,為 1.56mg/L左右;而在顆粒污泥成功啟動(dòng)(即第 34d)后,污泥流失變少,在已形成顆粒基礎(chǔ)上污泥濃度開(kāi)始緩慢上升,該階段結(jié)束時(shí),污泥濃度增長(zhǎng)至2.7mg/L左右,在一定程度上反映了污泥顆粒化進(jìn)程.

圖4 PS、PN含量變化Fig.4 Variations of the content of PS,PN

圖5 反應(yīng)器SVI5和SVI30變化Fig.5 Variations of SVI5and SVI30in the reactor

污泥體積指數(shù)(SVI)是指泥水混合液經(jīng)過(guò)靜置沉淀后,每克干污泥形成的沉淀污泥所占容積,能夠準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)和反映污泥沉降性能.反應(yīng)器初始SVI30(靜置30min)為89.9mL/gMLSS,SVI5(靜置5min)為114.4mL/gMLSS.運(yùn)行至34d時(shí),SVI30為54.5mL/gMLSS,SVI5為58.9mL/gMLSS.而運(yùn)行至89d時(shí),發(fā)現(xiàn)SVI30為47.5mL/gMLSS,SVI5為 48.6mL/gMLSS.可以看出,隨著顆粒粒徑的增大,反應(yīng)器內(nèi)的SVI值不斷下降,反應(yīng)器內(nèi)污泥的沉降性能不斷提高.隨后,當(dāng)顆粒粒徑成熟穩(wěn)定后,SVI值則隨著反應(yīng)器污泥濃度的增加稍有上

升.在接入 100%生活污水穩(wěn)定運(yùn)行階段,顆粒污泥的 SVI30和 SVI5分別穩(wěn)定在 54.5、55.4mL/ gMLSS.此時(shí),顆粒的沉降速度達(dá)到 47～148m/h.由此可知,反應(yīng)器內(nèi)SNAD顆粒污泥具有良好的沉降性能.污泥沉降性能好,固液分離效果就會(huì)好,反應(yīng)系統(tǒng)才會(huì)長(zhǎng)期有效運(yùn)行.

2.2 SNAD顆粒污泥降基質(zhì)階段運(yùn)行效果

本實(shí)驗(yàn)階段Ⅱ?yàn)榻祷|(zhì)運(yùn)行階段.第 181～200d,進(jìn)水氨氮濃度從220mg/L降至150mg/L,第201～220d,進(jìn)水水質(zhì)氨氮從150mg/L降至100mg/ L,第221～280d為實(shí)際生活污水運(yùn)行階段.通過(guò)逐漸降進(jìn)水氨氮濃度,使SNAD顆粒污泥適應(yīng)低氨氮水質(zhì).

圖6為反應(yīng)器階段Ⅱ顆粒污泥脫氮效果.由圖6可知,以階段Ⅰ結(jié)束時(shí)的斷面氣速為初始值,控制DO為0.95mg/L,氨氮濃度為150mg/L,運(yùn)行發(fā)現(xiàn)此時(shí)反應(yīng)器總氮去除率為91%,COD去除率為65%,出水硝酸鹽氮平均為7.4mg/L,出水亞硝酸鹽氮平均為4.2mg/L,說(shuō)明SNAD顆粒污泥在該工況下可以穩(wěn)定運(yùn)行,并獲得了較高的總氮去除率.降低氨氮濃度至100mg/L,運(yùn)行發(fā)現(xiàn),反應(yīng)器出水亞硝酸鹽氮升高,達(dá) 10mg/L左右,總氮去除率下降,為 82%左右,說(shuō)明該基質(zhì)濃度下,仍控制DO為0.95mg/L過(guò)高,水中部分氨氮未及時(shí)擴(kuò)散進(jìn)顆粒內(nèi)部厭氧區(qū)而被氧化成為亞氮,因此當(dāng)反應(yīng)器進(jìn)水全部為實(shí)際生活污水,氨氮濃度為43mg/L左右時(shí),在保證出水達(dá)標(biāo)的前提下,降低DO,防止在高斷面上升氣速下,該狀況再次發(fā)生.

圖6 反應(yīng)器階段Ⅱ運(yùn)行效果Fig.6 Performance of the reactor during stageⅡ

實(shí)際生活污水運(yùn)行階段,氨氮濃度為43mg/L左右,降低DO至0.90mg/L,運(yùn)行5d,發(fā)現(xiàn)出水亞氮沒(méi)有明顯變化,而出水SS增多,粒徑稍有減少,分析認(rèn)為反應(yīng)器DO過(guò)大,異養(yǎng)菌大量增殖,在攪

拌高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)剪切的作用下,異養(yǎng)菌沒(méi)有吸附在顆粒表面,而是以懸浮狀態(tài)隨反應(yīng)器排出,使顆粒粒徑減少.為此,再次降低 DO至 0.75mg/L,運(yùn)行5d,發(fā)現(xiàn)在此 DO下,顆粒粒徑稍有增大,出水 SS明顯減少,出水亞硝酸鹽氮不斷降低(至5mg/L左右),顆粒性能良好.在該狀況穩(wěn)定后,為尋求較大的總氮去除負(fù)荷,在保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的狀況下,小幅度增加DO,梯度為0.85mg/L,0.95mg/L.由圖可知,當(dāng)DO為0.85mg/L時(shí)反應(yīng)器性能穩(wěn)定;但當(dāng)DO升為0.95mg/L時(shí),亞硝酸鹽氮又有緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì);因此在實(shí)際生活污水階段,控制DO濃度為0.85mg/L.經(jīng)運(yùn)行發(fā)現(xiàn),此時(shí)系統(tǒng)出水亞硝酸鹽氮穩(wěn)定在5mg/L以下,出水氨氮穩(wěn)定在6mg/L左右,出水總氮穩(wěn)定在10mg/L左右,出水COD穩(wěn)定在40mg/L左右.結(jié)果表明SNAD顆粒污泥處理實(shí)際生活污水,其出水總氮及COD均達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn).此時(shí)可以看出,粒徑保持緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì),但增長(zhǎng)幅度不是很大.綜上分析,HRT及DO的控制是實(shí)現(xiàn)生活污水穩(wěn)定運(yùn)行的重要控制手段.

2.3 不同C/N下脫氮性能與脫氮路徑分析

整個(gè)實(shí)驗(yàn)在顆粒粒徑不再大波動(dòng)變化后,一共經(jīng)歷了4個(gè)C/N比,分別為0.4、0.67、1、2.3.4個(gè) C/N下反應(yīng)器的總氮去除率分別為 89%、91%、82%、79%,可以看出,SNAD顆粒污泥在4個(gè)C/N下均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行,同時(shí)在C/N為0.6下效果最佳,與Jin等[24]、Tian等[25]的研究結(jié)果一致.SNAD工藝是CANON工藝脫氮與反硝化工藝共同脫氮穩(wěn)定運(yùn)行的結(jié)果,以CANON脫氮為主.通過(guò) SNAD系統(tǒng)脫氮計(jì)算模型,分析 4個(gè)C/N下,CANON及反硝化脫氮途徑各自對(duì)反應(yīng)器內(nèi)總氮去除率的貢獻(xiàn)量.模型假設(shè)[26]為：(1)亞硝化反應(yīng)計(jì)量比為NH4+-N：NO2--N=1：1;(2)厭氧氨氧化反應(yīng)計(jì)量比為NH4+-N：NO2--N=1：1.32,同時(shí)消耗1mg/LNH4+-N生成0.26mg/LNO3--N;(3)反硝化反應(yīng)消耗 1mg/LNO3--N 需要消耗2.86mg/L的COD.計(jì)算結(jié)果如表1所示,其中進(jìn)出水基質(zhì)濃度均為該階段平均濃度.

表1 不同C/N下總氮去除途徑分析Table 1 Pathway analysis of total nitrogen removal under different C/N

由表1可知,4個(gè)階段下,自養(yǎng)脫氮工藝對(duì)反應(yīng)器總氮去除率的貢獻(xiàn)率均在 75%以上, CANON脫氮工藝處于優(yōu)勢(shì)地位,因此本實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)的顆粒污泥在4個(gè)C/N下SNAD脫氮性能均良好.同時(shí)經(jīng)過(guò)對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際生活污水運(yùn)行階段中,反硝化脫氮對(duì)總氮去除率的貢獻(xiàn)率最高為7.2%,CANON貢獻(xiàn)率最低為71.4%;系統(tǒng)中大多 COD均通過(guò)異養(yǎng)菌氧化去除,反硝化脫氮僅消耗了10g左右的COD,因此在實(shí)際工程應(yīng)用中,可以在該工藝之前接厭氧產(chǎn)能工藝,將生活污水中大部分 COD轉(zhuǎn)化為甲烷等有價(jià)值的氣體,實(shí)現(xiàn)能源的回收和低耗脫氮.

3 結(jié)論

3.1 在SBR中,接種CANON絮狀污泥,控制沉淀時(shí)間、曝氣量,逐級(jí)增加生活污水,僅用34d即可成功啟動(dòng)SNAD特性顆粒污泥,TN最大去除負(fù)荷為1.03kg/(m3·d).顆粒平均粒徑在1000μm左右,具有良好的沉降性能.隨著粒徑增大,EPS中含量總體呈上升趨勢(shì),PN含量增大更為明顯,顆粒穩(wěn)定后,EPS含量在相對(duì)穩(wěn)定范圍內(nèi)波動(dòng).

3.2 調(diào)控 HRT及曝氣量,尋求不同氨氮濃度下顆粒污泥運(yùn)行的最優(yōu)工況.采用顆粒污泥處理低氨氮生活污水,平均出水總氮在 10mg/L左右,出

水COD在40mg/L左右,達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn).

3.3 通過(guò)計(jì)算模型說(shuō)明,C/N在0.4～2.3之間,顆粒污泥均能實(shí)現(xiàn)SNAD工藝的穩(wěn)定運(yùn)行,自氧脫氮工藝占明顯的優(yōu)勢(shì)地位.實(shí)際生活污水運(yùn)行過(guò)程中,異氧反硝化脫氮對(duì)總氮去除率的貢獻(xiàn)率最高,為7.2%,自氧脫氮為71.4%.

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Fast startup and nitrogen removal performance of SNAD granular sludge for treating domestic sewage.

FAN Dan1, LI Dong1*, LIANG Yu-hai1, Lü Yu-feng1, ZHANG Jin-ku1, ZHANG Jie1,2(1.Key Laboratory of Beijing For Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 10024, China；2.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China). China Environmental Science, 2016,36(11)：3321～3328

Rapid cultivation of simultaneous partial nitrification, anammox and denitrification (SNAD) granular sludge by inoculating CANON flocculent sludge and controlling setting time、HRT、DO and the composition of influent substrate (the ratio of synthetic wastewater and the actual sewage) was investigated in sequencing batch reactor. Then, the feasibility of SNAD granular sludge treating domestic sewage was investigated. The results showed that SNAD granular sludge could be cultivated within 34days, the maximum size of granular sludge reached 1103 μm and the total nitrogen removal rate reached 1.03kg/(m3·d). With the decrease of influent substrate, the nitrogen removal path of CANON always kept the dominant position in the reactor. And a simultaneous removal of C, N was achieved, with the average effluent TN was 10mg/L, the average effluent COD was 40mg/L. The water quality of effluent met the demand of the first grade A standards of Urban Sewage Disposal Plant Contamination Integrated Discharge Standard (GB18918-2002).

SBR；simultaneous partial nitrification, anammox and denitrification (SNAD)；domestic wastewater；granular sludge；EPS

X703.1

A

1000-6923(2016)11-3321-08

范 丹(1989-),女,山西運(yùn)城人,北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要從事污水處理研究.

2016-03-01

國(guó)家重大科技專項(xiàng)-水專項(xiàng)(2012ZX07202-005)

* 責(zé)任作者, 教授, lidong2006@bjut.edu.cn