污水處理廠(chǎng)CANON工藝啟動(dòng)策略

李 冬,趙世勛,王俊安,朱金鳳,關(guān)宏偉,張 杰,3

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污水處理廠(chǎng)CANON工藝啟動(dòng)策略

李 冬1*,趙世勛1,王俊安2,朱金鳳1,關(guān)宏偉1,張 杰1,3

(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.北京桑德環(huán)保集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心,北京 101102；3.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)

在污水處理廠(chǎng)進(jìn)行CANON工藝的小試研究,試驗(yàn)比較了2種自養(yǎng)脫氮(CANON)濾柱的啟動(dòng)策略:R1全部裝填成熟的厭氧氨氧化填料,接種亞硝化絮狀污泥啟動(dòng)CANON生物濾柱;R2按2:1的質(zhì)量比混合亞硝化和厭氧氨氧化填料后直接裝填啟動(dòng).R1和R2進(jìn)水均為污水處理廠(chǎng)A/O工藝出水,水溫15~21℃,氨氮濃度為35~55mg/L.R1和R2分別用37d和19d使氨氮去除率穩(wěn)定在95%左右.運(yùn)行100d后,反應(yīng)器出水幾乎不含氨氮,但由于硝化細(xì)菌(NOB)的增殖,R1和R2最大出水總氮為15.8,12.1mg/L.R1中NOB過(guò)量增殖更為嚴(yán)重,而R2出水長(zhǎng)期滿(mǎn)足了國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn).混合濾料的啟動(dòng)策略減少了2/3厭氧氨氧化濾料的使用量,加速了反應(yīng)器的啟動(dòng),更好地抑制了硝化作用,實(shí)現(xiàn)氮素長(zhǎng)期排放達(dá)標(biāo).

生活污水；濾柱；厭氧氨氧化；自養(yǎng)脫氮；填料

與傳統(tǒng)脫氮工藝相比,全程自養(yǎng)脫氮(CANON)工藝具有脫氮途徑短、節(jié)省曝氣、無(wú)需外加碳源、污泥產(chǎn)量少等優(yōu)點(diǎn)[1],已成為目前最具前景的污水脫氮工藝[2].CANON工藝形式主要包括活性污泥工藝[3-4]、生物膜工藝[5]和顆粒污泥工藝[6]等,尤其是基于生物膜工藝的上向流CANON濾柱,由于其操作簡(jiǎn)便,運(yùn)行穩(wěn)定,耐沖擊負(fù)荷強(qiáng),去除負(fù)荷高,適合應(yīng)用于污水處理廠(chǎng)[7-8].

國(guó)外污水處理廠(chǎng)通常采用接種功能菌啟動(dòng)CANON工藝[9].厭氧氨氧化菌作為CANON工藝的功能菌,倍增時(shí)間長(zhǎng)達(dá)14d[10],難于富集[11].針對(duì)CANON生物膜反應(yīng)器,傳統(tǒng)的啟動(dòng)策略是在厭氧氨氧化菌生物膜的基礎(chǔ)上,接種亞硝化細(xì)菌絮狀污泥,使2種菌耦合,完成自養(yǎng)脫氮.有研究指出,CANON工藝限速步驟是亞硝化[8],理論上只需要少量的厭氧氨氧化菌就可以啟動(dòng)CANON工藝,基于此,本試驗(yàn)提出了混合濾料的啟動(dòng)策略,即按2:1的質(zhì)量比混合裝填亞硝化和厭氧氨氧化填料后直接啟動(dòng)CANON工藝,并以對(duì)傳統(tǒng)啟動(dòng)策略和混合濾料啟動(dòng)策略進(jìn)行了比較.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用2個(gè)完全相同的上向流濾柱(圖1),分別記為R1和R2.反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成,內(nèi)徑8cm,承托層高5cm,濾料高80cm,有效容積為5L,內(nèi)部裝填直徑5~10mm的火山巖填料,底部設(shè)有曝氣裝置,整個(gè)反應(yīng)器外部用黑色塑料袋纏繞以避光.

圖1 反應(yīng)器裝置示意

1.2 試驗(yàn)用水和接種污泥

試驗(yàn)進(jìn)水為A/O除磷處理后的實(shí)際生活污水,整個(gè)運(yùn)行過(guò)程溫度在15~21℃.其他水質(zhì)指標(biāo)如表1所示.

厭氧氨氧化濾料來(lái)自于運(yùn)行穩(wěn)定的上向流火山巖填料厭氧氨氧化濾柱,總氮去除率穩(wěn)定在85%左右,總氮去除負(fù)荷在1.0kg/(m3·d),生物量為10mgMLSS/g濾料.

亞硝化濾料來(lái)自于30℃環(huán)境中運(yùn)行的亞硝化濾池,反應(yīng)器亞硝化率在85%以上,亞硝化容積負(fù)荷在0.6kg/(m3·d)左右,生物量為4mgMLSS/g濾料.

亞硝化絮狀污泥來(lái)自于推流式反應(yīng)器,反應(yīng)器高溫高氨氮運(yùn)行,亞硝化率在90%以上,亞硝化污泥負(fù)荷為0.52kg/(kgMLSS·d).

表1 進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)方法

傳統(tǒng)CANON濾柱的啟動(dòng)在反應(yīng)器R1中進(jìn)行,R1裝填80cm成熟的厭氧氨氧化濾料.啟動(dòng)CANON工藝時(shí),接種6L亞硝化絮狀污泥,亞硝化絮狀污泥濃度為1840mg/L.

混合濾料的啟動(dòng)在反應(yīng)器R2中進(jìn)行,按2:1的質(zhì)量比取亞硝化和厭氧氨氧化濾柱濾料,混勻后放入反應(yīng)器,濾料裝填高度為80cm,接種濾料2.18kg.

R1和R2接種采用的厭氧氨氧化濾料完全相同,R1和R2接種污泥質(zhì)量為11.0g和8.72g,兩個(gè)反應(yīng)器在各階段的運(yùn)行參數(shù)相同,如表2所示.

表2 各階段反應(yīng)器參數(shù)變化情況

1.4 化學(xué)分析方法及反應(yīng)速率的測(cè)定

水樣分析中NH4+–N測(cè)定采用納氏試劑光度法,NO2－–N采用N–(1–萘基) 乙二胺光度法,NO3－–N采用紫外分光光度法,COD測(cè)定采用5B-3BCOD多參數(shù)快速測(cè)定儀,DO采用碘量法,pH和水溫通過(guò)WTW便攜測(cè)定儀測(cè)定,其余水質(zhì)指標(biāo)的分析方法均采用國(guó)標(biāo)方法.

反應(yīng)速率的測(cè)定:從反應(yīng)器中取出濾料,刮下生物膜并解離,放入1L的燒杯.燒杯底部設(shè)置曝氣裝置,上方設(shè)置機(jī)械攪拌.分別測(cè)定短程硝化、硝化、厭氧氨氧化反應(yīng)速率,代表AOB、NOB和ANAMMOX菌活性.測(cè)定反應(yīng)速率時(shí),基質(zhì)中氨氮和亞氮濃度為50mg/L,投加840mg/L碳酸氫鈉使堿度與氨氮濃度為10:1.測(cè)定短程硝化和硝化反應(yīng)速率時(shí)啟動(dòng)曝氣裝置,使DO維持在2.0mg/L以上.測(cè)定厭氧氨氧化活性時(shí),DO維持在0.3mg/L以下.

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)器啟動(dòng)的比較

反應(yīng)器啟動(dòng)階段,R1和R2反應(yīng)器接種了亞硝化細(xì)菌,為了減少DO對(duì)厭氧氨化菌的抑制以及抑制硝化細(xì)菌的活性,反應(yīng)器在低DO條件下運(yùn)行.研究表明,AOB的氧飽和常數(shù)為0.2~0.4mg/ L,NOB的氧飽和常數(shù)為1.2~1.5mg/L[12],同時(shí),DO對(duì)厭氧氨氧化的抑制濃度低于0.5%空氣飽和度[13].因此試驗(yàn)實(shí)時(shí)控制曝氣量,使得濾柱中部DO為0.3~0.8mg/L.

為了降低啟動(dòng)階段污泥的流失,啟動(dòng)初期采用較小的水力負(fù)荷,濾速為0.2m/h,出水收集并循環(huán)進(jìn)水.循環(huán)進(jìn)水3d后,保持其他參數(shù)不變,反應(yīng)器改為連續(xù)流,進(jìn)入S1階段.S1階段的第1d,R1和R2反應(yīng)器出水清澈,SS小于10mg/L,幾乎沒(méi)有污泥的流失.

由圖2、圖3可見(jiàn),S1階段R1和R2反應(yīng)器氨氮去除率逐漸增加.第5d時(shí),R1反應(yīng)器總氮去除率僅為12.7%,而R2總氮去除率高達(dá)46.6%.相較于R1,R2在啟動(dòng)階段初期就有著良好的氮素去除效果.R1和R2分別用37d和19d使氨氮去除率穩(wěn)定在95%,總氮去除負(fù)荷大于0.25kg/ (m3·d).混合濾料啟動(dòng)策略明顯縮短了反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間.

為了比較R1和R2反應(yīng)器啟動(dòng)階段性能,第10d對(duì)濾柱進(jìn)行沿程分析,結(jié)果如圖4所示.R1和R2反應(yīng)器受到進(jìn)水高溶解氧影響,0~10cm的濾層中氨氮濃度下降較多,幾乎沒(méi)有總氮去除.同時(shí),觀察到R1反應(yīng)器的氮素去除主要發(fā)生在10~ 50cm的濾層中.而50~80cm濾層中DO處于較高水平,亞氮略有積累,氮素去除效果差.研究表明,厭氧氨氧化菌受DO抑制時(shí),會(huì)表現(xiàn)出亞氮積累.反應(yīng)器接種亞硝化絮狀污泥后循環(huán)進(jìn)水啟動(dòng),雖然很大程度上避免了亞硝化菌的流失,但無(wú)法使亞硝化菌均勻分布在濾柱中[14].出水口端濾層的亞硝化細(xì)菌接種量低于中下端濾層.因此,50~ 80cm濾層中亞硝化細(xì)菌較少,消耗的溶解氧有限,導(dǎo)致該段濾層中DO過(guò)剩,對(duì)厭氧氨氧化菌的活性產(chǎn)生抑制作用,降低了氮素去除效果.

圖3 氨氮及總氮去除率

圖5表明,R2反應(yīng)器10~80cm濾層都有著較好的氮素去除效果,DO處于較低水平.R2反應(yīng)器單位高度濾層的氮素去除量大于R1,是厭氧氨氧化菌和亞硝化菌耦合效果良好的表現(xiàn).Liu等[15]的研究表明,AOB和厭氧氨氧化菌分布對(duì)CANON工藝的啟動(dòng)及運(yùn)行有較大影響.混合濾料的啟動(dòng)方式使得2種濾料交錯(cuò)排布,AOB和厭氧氨氧化菌混合完全,一方面AOB消耗溶解氧,為厭氧氨氧化菌提供了厭氧的微環(huán)境,減輕了DO對(duì)厭氧氨氧化菌的抑制[16];另一方面,微環(huán)境中的AOB為厭氧氨氧化菌提供亞氮,傳質(zhì)方便,厭氧氨氧化菌活性較高[17].

圖5 反應(yīng)器特征比

2.2 高負(fù)荷運(yùn)行的性能比較

在S2(49~127d)階段,為了提高反應(yīng)器的處理負(fù)荷,在第49d將R1和R2的水力停留時(shí)間縮短為2h,進(jìn)水基質(zhì)濃度保持不變,進(jìn)水氨氮負(fù)荷提高了1倍.在S2階段,調(diào)節(jié)曝氣量,維持濾柱中部DO濃度在0.3~0.5mg/L之間,避免硝化細(xì)菌的過(guò)量增殖.

從圖2、圖3中可以看出,突然縮短水力停留時(shí)間,導(dǎo)致R1和R2反應(yīng)器氮素去除效果下降.但隨著反應(yīng)器運(yùn)行,出水氨氮、亞氮逐漸降低.第100d之后,R1和R2反應(yīng)器出水幾乎不含氨氮和亞氮,氮素主要以硝氮的形式存在.R1平均出水總氮濃度為14.0mg/L,最高出水總氮為15.8mg/L. R2平均出水總氮濃度為9.7mg/L,最高出水總氮為12.1mg/L,R2的出水滿(mǎn)足國(guó)家一級(jí)A的氮素指標(biāo)要求.

為了研究硝化細(xì)菌的活性,引入特征比這一參數(shù).根據(jù)CANON工藝的生化反應(yīng)方程式(4)[18],總氮去除量與硝氮增量比應(yīng)為8,該比值稱(chēng)為特征比.如果NOB大量增殖,則特征比會(huì)降低[19-20],兩個(gè)反應(yīng)器特征比如圖5所示.

圖6 氮素及DO沿程變化

由圖5可見(jiàn),隨著反應(yīng)器的運(yùn)行,R1和R2特征比均明顯下降.第117~127d,R1平均特征比為2.70,R2平均特征比為4.91,均明顯小于8,表明NOB已大量增殖.R1特征比低于R2,表明R1中NOB增殖更為嚴(yán)重.雖然S2階段,通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)控曝氣量,使得反應(yīng)器中部DO在0.3~0.5mg/L之間,但由于進(jìn)水氨氮濃度低、水溫低,難以對(duì)NOB產(chǎn)生抑制[21-22].為具體比較R1和R2反應(yīng)器內(nèi)部的氮素變化及NOB活性,第125d對(duì)濾柱進(jìn)行沿程分析,結(jié)果如圖6所示.

R1和R2反應(yīng)器中,10cm高度的濾層中DO濃度已降到0.5mg/L以下,且氮損明顯,表明該段濾層中亞硝化和厭氧氨氧化作用較強(qiáng).60~80cm濾層中氮損較小,而硝氮濃度顯著增加,是硝化作用強(qiáng)的表現(xiàn).相對(duì)于采用混合濾料策略啟動(dòng)的R2反應(yīng)器,R1中60~80cm濾層中硝氮增加更為明顯.結(jié)合S1階段第5d的沿程變化,分析其原因,可能是R1反應(yīng)器接種亞硝化絮狀污泥啟動(dòng)CANON工藝,60~80cm濾層靠近出水口,截留的絮狀污泥有限.S1階段初期,60~80cm濾層亞硝化作用較弱,溶解氧過(guò)剩,濾層處于延時(shí)曝氣階段.研究表明,高DO會(huì)導(dǎo)致CANON工藝中硝化細(xì)菌大量增殖增殖[23-24].因此在S2階段,該段濾層硝化作用較強(qiáng),硝酸鹽含量明顯增加.R2反應(yīng)器采用混合濾料的啟動(dòng)策略,亞硝化濾料均勻分布在濾柱中.S1啟動(dòng)階段60~80cm濾層中亞硝化作用較強(qiáng),DO處于較低水平,不利于反硝化菌的生長(zhǎng).S2階段60~80cm濾層硝化作用較弱,出水硝氮濃度低.混合濾料的啟動(dòng)策略有利于降低出水硝氮濃度,提高反應(yīng)器總氮去除率.

2.3 生物學(xué)特性研究

為了比較S1和S2階段反應(yīng)器中AOB和厭氧氨氧化菌的活性以及NOB被抑制的程度,每次取等量距底部10,30,50,70cm的濾料,測(cè)定濾料表面平均生物生物量以及微生物反應(yīng)速率,微生物反應(yīng)速率測(cè)定3次取平均值,結(jié)果如圖7所示.

第10d時(shí),R1和R2生物量分別為14,9mg MLSS/g濾料.R1生物量較大是由于啟動(dòng)時(shí)接種了大量厭氧氨氧化填料和亞硝化絮狀污泥的原因.第127d時(shí),R1和R2生物量為28,26mgMLSS/g濾料,1#和2#反應(yīng)器生物量差距明顯縮小.采用混合濾料的啟動(dòng)策略,有利于加速微生物的生長(zhǎng).

R1和R2在第10d時(shí)的厭氧氨氧化速率為8.9,7.2kg/(kgMLSS·d).反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí),R1接種的厭氧氨氧化濾料是R2的3倍, R1中厭氧氨氧化速率高是接種了大量厭氧氨氧化菌的結(jié)果.到第127d時(shí),R2和R1的厭氧氨氧化速率基本相同,表明兩種啟動(dòng)策略對(duì)污泥厭氧氨氧化反應(yīng)速率的含量影響不大.

表3 第127d硝化速率測(cè)定結(jié)果[kg/(kgMLSS·d)]

表4 硝化速率顯著性分析

隨著反應(yīng)器的運(yùn)行,R1和R2的硝化速率逐漸增加,與反應(yīng)器出水硝氮濃度增加相符.第10d時(shí),R1和R2污泥硝化速率為0.10,0.15kg/ (kgMLSS·d).R1和R2在啟動(dòng)時(shí),接種污泥的亞硝化率為90%和85%,R1的AOB純度高于R2,因此第10d時(shí),R1污泥的硝化速率較低.

第127d反應(yīng)器硝化速率測(cè)定結(jié)果如表3所示.對(duì)1#和2#反應(yīng)器硝化速率進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),采用方差齊性檢驗(yàn)(F檢驗(yàn))方法,同時(shí)將反應(yīng)器啟動(dòng)策略造成的影響定義為因素A.F檢驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果如表4所示.F0.005(1,4)為31.33,而本試驗(yàn)測(cè)得的F值為158.17,遠(yuǎn)大于F0.005(1,4).在統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度上,有99.5%的可能認(rèn)為R1和R2反應(yīng)器的硝化速率具有顯著差異.

3 結(jié)論

3.1 在常溫低氨氮條件下,按2:1的質(zhì)量比混合亞硝化和厭氧氨氧化填料后裝填濾柱.濾速為0.2m/h,DO控制在0.3~0.8mg/L.第19d時(shí)氨氮去除率達(dá)到95%以上,厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動(dòng)成功,混合濾料的啟動(dòng)策略縮短了反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間.

3.2 反應(yīng)器運(yùn)行的第100~127d,R1和R2濾柱出水氨氮濃度小于3mg/L,最大出水總氮為15.8mg/ L和12.1mg/L.R2反應(yīng)器出水氮素滿(mǎn)足國(guó)家一級(jí)A氮素排放標(biāo)準(zhǔn),混合濾料的啟動(dòng)策略提高了總氮去除率.

3.3 常溫低氨氮條件下,CANON濾柱中的硝化細(xì)菌難以抑制,采用混合濾料的啟動(dòng)方式一定程度上抑制了硝化作用,降低了出水硝氮濃度.

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致謝：本實(shí)驗(yàn)的環(huán)境條件由北京市石景山區(qū)京禹石水務(wù)有限公司協(xié)助完成,在此表示感謝.

Startup strategies of CANON process in wastewater treatment plant.

LI Dong1*, ZHAO Shi-xun1, WANG Jun-an2, ZHU Jin-feng1, GUAN Hong-wei1, ZHANG Jie1,3

(1.Key Laboratory of Beijing Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2.Technology Research and Development Center, Beijing Sander Environmental Group, Beijing 101102, China；3.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)., 2017,37(11)：4125~4131

Lab-scale completely autotrophic nitrogen removal over nitrite (CANON) process was operated in Municipal Waste Water Treatment Plant (WWTP). The tests leading to two started strategies of CANON filter, R1was filled with filler with matured ANAMMOX bacteria and inoculated nitrite flocculent sludge, R2 started with mixing nitrification filter and anaerobic ammonium oxidation filter with weight ratio of 2:1. The inlet water of R1 and R2 was domestic sewerage after the A/O phosphorus removal treatment and keeping the temperature between 15~21degree and ammonia nitrogen concentration within 35~55mg/L. The R1 and R2 made use of 37d and 19d to keep ammonia removal rate stable at 95%. After operated 100d, the effluent of reactor almost did not contain ammonia and the maximum effluent total nitrogen concentrationof R1and R2 was 15.8mg/L and 12.1mg/L because of excessive proliferation of NOB. Specially the more worse of R1, and effluent of R2 metthe first level A emission standards. The start-up strategy of mixed media reduced two thirds of the amount used in the anaerobic ammonium oxidation filter media, accelerated the start-up of the reactor, inhibited the activity of nitrite oxidation better, and achieved the long-term nitrogen emission standards.

domestic wastewater；filter；ANAMMOX；CANON；filter media

X703.5

A

1000-6923(2017)11-4125-07

李 冬(1976-),女,遼寧丹東人,教授,博士,主要研究方向?yàn)樗|(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù).發(fā)表論文160余篇.

2017-04-30

北京市青年拔尖團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目

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