新型IEM-UF耦合短程硝化反硝化系統(tǒng)脫氮特性

張 巖,馬翔山,郭 威,邢金良,張博康,劉子奇,陳昌明 (.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；.北京市豐臺(tái)區(qū)衛(wèi)生和計(jì)劃生育監(jiān)督所,北京 0007)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高,居民的飲食方式和結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生了重大變化,生活污水中的氮磷含量明顯增加,城市、農(nóng)村污水呈現(xiàn)低C/N的現(xiàn)象越來(lái)越普遍[1].因此處理低C/N生活污水是我們面臨的嚴(yán)峻課題.國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明,由于反硝化碳源不足,傳統(tǒng)的硝化反硝化生物脫氮已經(jīng)不能滿足對(duì)低C/N生活污水脫氮處理的要求.例如,利用一體式A/O生物膜反應(yīng)器處理低C/N污水,在DO為2～3mg/L時(shí)TN去除率平均值為11.2%[2];在缺氧段采用分點(diǎn)進(jìn)水A/O工藝處理低C/N生活污水,TN最大去除率僅為56.40%[3].隨著技術(shù)的發(fā)展,涌現(xiàn)出一批具有創(chuàng)新意義的生物脫氮工藝.其中,短程硝化反硝化工藝可減少25%的硝化需氧量和40%的反硝化碳源[4],解決傳統(tǒng)硝化反硝化脫氮效率較低的問(wèn)題.文獻(xiàn)[5]采用SBR法,通過(guò)交替缺氧好氧的運(yùn)行模式實(shí)現(xiàn)了短程硝化的啟動(dòng),總氮去除率達(dá)到了70%;文獻(xiàn)[6]采用缺氧/厭氧UASBA/O組合工藝處理高氮垃圾滲濾液,經(jīng)過(guò)70d運(yùn)行實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽穩(wěn)定積累.但其都存在短程硝化啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng),運(yùn)行不穩(wěn)定等問(wèn)題.基于以上工藝的不足,本實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了新型浸沒(méi)式IEM-UF(Ion ExchangeMembrane-Ultrafiltration Membrane)組合膜耦合短程硝化反硝化工藝處理低C/N模擬廢水(C/N=3).以期將有機(jī)物與氨氮進(jìn)行有效分離,避免短程硝化反應(yīng)器中自養(yǎng)菌與異養(yǎng)菌的競(jìng)爭(zhēng)作用以及反硝化反應(yīng)器中碳源不足的問(wèn)題,縮短亞硝化啟動(dòng)時(shí)間,提高短程硝化反硝化穩(wěn)定運(yùn)行效率,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效脫氮和有機(jī)物去除.本研究考察了新型IEM-UF短程硝化反硝化脫氮系統(tǒng)不同工況下氨氮富集、短程硝化反硝化脫氮及COD去除特性,并利用分子生物學(xué)高通量16S rDNA測(cè)序技術(shù),分析對(duì)比不同階段下短程硝化、短程反硝化活性污泥中微生物種群的變化以及功能微生物與短程硝化反硝化的相互關(guān)系,從分子生物學(xué)角度揭示反應(yīng)器中細(xì)菌數(shù)量與菌群結(jié)構(gòu)變化對(duì)系統(tǒng)脫氮效果的影響.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)水質(zhì)

表1 試驗(yàn)?zāi)M廢水成分及元素組成Table 1 Elements of the simulated wastewater

試驗(yàn)采用人工配水,以淀粉作為碳源、NH4HCO3作為氮源,其水質(zhì)參數(shù)COD平均濃度為180mg/L,平均濃度為60mg/L,C/N=3,pH值為7.8～8.5.同時(shí)投加MgSO4、CaCl2、KH2PO4等作為活性污泥微生物生長(zhǎng)需要的營(yíng)養(yǎng)液.人工配水組成如表1所示.

1.2 IEM-UF組合膜

新型IEM-UF組合膜是一種可浸沒(méi)于液體中的平板式膜組件,基本尺寸為320mm×220mm×5mm.組成如圖1所示.其離子交換膜、超濾膜及其支撐板的主要性能參數(shù)如下表2、表3所示.

圖1 膜組件示意Fig.1 Schematic diagram of membrane component

表2 離子交換膜性能參數(shù)Table 2 Characteristics of the ionexchange membranes

表3 超濾膜和支撐板性能參數(shù)Table 3 Characteristics of the UF and support plate

1.3 氨氮分離器工作原理

氨氮分離器裝置如圖2所示.其長(zhǎng)×寬×高=40cm×20cm×60cm,有效體積為40L,主要由直流電源、鐵電極、IEM-UF組合膜以及攪拌裝置組成.IEM-UF組合膜浸沒(méi)在氨氮分離器內(nèi),陽(yáng)極正對(duì)陽(yáng)離子交換膜,陰極正對(duì)超濾膜.氨氮分離器中的水分子透過(guò)超濾膜進(jìn)入超濾膜和支撐板之間,由于陽(yáng)離子交換膜對(duì)一價(jià)陽(yáng)離子的選擇透過(guò)性,NH4+等一價(jià)陽(yáng)離子在電場(chǎng)力的作用下透過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入膜組件內(nèi),形成高濃度的氨氮濃縮液,同時(shí),大分子有機(jī)物被膜組件截留在氨氮分離器內(nèi),從而實(shí)現(xiàn)氨氮的富集和有機(jī)物的分離.

圖2 氨氮分離器裝置Fig.2 Schematic diagram of the separation equipment

1.4 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行

新型IEM-UF氮富集短程硝化反硝化脫氮系統(tǒng)裝置如圖3所示,主要包括氨氮分離器、短程硝化反應(yīng)器和短程反硝化反應(yīng)器.原水經(jīng)蠕動(dòng)泵抽吸泵入氨氮分離器進(jìn)行氨氮的富集和有機(jī)物的截留.富集的氨氮濃縮液經(jīng)蠕動(dòng)泵泵入短程硝化反應(yīng)器中進(jìn)行短程硝化.氨氮分離器有機(jī)物截留液出水(Q1)與短程硝化出水(Q2)用蠕動(dòng)泵分別以流量比Q1:Q2=1:1、2:1泵入缺氧短程反硝化反應(yīng)器中進(jìn)行反硝化脫氮和有機(jī)物的去除.

圖3 試驗(yàn)裝置示意Fig.3 Schematic diagram of the test equipment

1.5 試驗(yàn)條件

該試驗(yàn)運(yùn)行包括3個(gè)階段,各階段運(yùn)行工況如表4所示.氨氮分離器運(yùn)行條件采用實(shí)驗(yàn)室已有研究[7].實(shí)驗(yàn)過(guò)程定期排泥,控制污泥濃度為(3000±200)mg/L.

表4 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行工況表Table 4 Operating conditions of the reactor

1.6 分析方法

氨氮富集率計(jì)算公式:

式中:N2為膜組件出水濃度,mg/L;N1為氨氮分離器中濃度,mg/L.

亞硝酸鹽積累率NAR(%)計(jì)算公式[9,19]:

1.6.2 高通量16S rDNA測(cè)序 分別從亞硝化、短程反硝化反應(yīng)器3個(gè)運(yùn)行階段的最后一天即第17d、45d、88d采集活性污泥樣品,分別編號(hào)為4Y、4F、5Y、5F、6Y、6F(其中Y代表亞硝化活性污泥,F為反硝化活性污泥,數(shù)字4、5、6代表月份).樣品經(jīng)離心后置于-60℃冷藏,后送至上海生工生物公司進(jìn)行DNA提取,之后通過(guò)高通量16S rDNA測(cè)序,分析反應(yīng)器中物種的菌落結(jié)構(gòu)及其特性.

2 結(jié)果與討論

2.1 氨氮分離器氨氮富集特性

由圖4看出,第一階段氨氮富集率平均值為50.6%,最高為62.71%,其中運(yùn)行第3d氨氮富集率由30.3%迅速升至52.71%,并在氨氮分離器中觀察到了黃褐色膠體沉淀物.原因分析:由于在電流作用下鐵電極被氧化,與氨氮分離器中電解生成的OH-產(chǎn)生含鐵離子的膠體或者沉淀物質(zhì)[10].造成氨氮分離器中離子濃度降低,電極板之間的電壓增加,電場(chǎng)強(qiáng)度增大,從而使遷移速度加快,單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入膜組件的增多,氨氮富集率在短期內(nèi)有一個(gè)明顯的提升;第二階段氨氮富集率平均值為62.47%、最高為90%;第三階段氨氮富集率達(dá)到穩(wěn)定,平均值為66.7%、最高為86.1%.第三階段的氨氮富集率平均值明顯要高于第一、二階段.

圖4 氨氮分離器中氨氮富集率隨時(shí)間變化Fig.4 The variation of ammonia nitrogen enrichment with time in the separator

2.2 亞硝化反應(yīng)器去除與積累特性

亞硝化反應(yīng)器中接種污泥取自實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定運(yùn)行的SBR硝化反應(yīng)器,反應(yīng)器接種后污泥濃度為3200mg/L.亞硝化反應(yīng)器中進(jìn)出水濃度、去除率變化如圖5所示:

圖5 亞硝化反應(yīng)器中去除情況Fig.5 Removal of ammonia nitrogen in shortcut nitrification reactor

第二階段,隨著DO=0.5mg/L、進(jìn)水pH=7.8～8.5、溫度=(27±1)℃[11-14]等條件的作用,反應(yīng)器中NOB(亞硝酸鹽氧化菌)逐漸被淘洗掉.階段前期,AOB(氨氧化菌)菌種含量仍然較少,在反應(yīng)周期內(nèi)不能完全將氧化.隨著AOB菌種含量逐漸升高,出水濃度也逐步降低.此階段出水濃度平均值為41.37mg/L、去除率平均值為49%.

圖6 亞硝化反應(yīng)器中積累情況Fig.6 Nitrite accumulation in the shortcut nitrification reactor

2.3 反硝化反應(yīng)器及COD去除特性

反硝化污泥取自某市政污水處理廠二沉池回流污泥,反應(yīng)器接種后活性污泥初始MLSS為2800mg/L.不同反硝化反應(yīng)器進(jìn)水流量比Q1:Q2下、COD濃度變化、去除效果如圖7、圖8所示.

圖7 不同進(jìn)水流量比下反硝化反應(yīng)器去除效果Fig.7 Removal of in the denitrificationreactorunder different influent flow ratios

由圖7看出,第一階段Q1:Q2為1:1時(shí),反應(yīng)器進(jìn)水中含量較高,反硝化出水變化幅度較大,去除率不穩(wěn)定;第二階段Q1:Q2為2:1,反應(yīng)器進(jìn)水中主要成分為,平均去除率達(dá)到89%;第三階段(Q1:Q2為2:1),去除率平均值為83.7%,最高達(dá)到93%.對(duì)比三階段反硝化反應(yīng)器-N去除率得出:反硝化進(jìn)水流量比為2:1時(shí)的-N去除效果明顯優(yōu)于進(jìn)水流量比1:1時(shí).所以進(jìn)水COD濃度越高,越利于提高反硝化反應(yīng)器的-N去除率.

分析圖8看出,第一階段反硝化進(jìn)水COD濃度平均值為76.14mg/L,平均去除率為66.8%.第二、三階段進(jìn)水COD濃度提高,平均值分別為98.05,99.6mg/L,出水COD濃度分別為39.6,37.5mg/L, COD平均去除率分別為59.6%、62.3%.反硝化反應(yīng)器在三階段均可以有效去除COD.3個(gè)階段出水COD濃度均能達(dá)到《中華人民共和國(guó)污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》[16]一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)中COD要求(50mg/L).

圖8 不同進(jìn)水流量比下反硝化反應(yīng)器COD去除效果Fig.8 Removal of COD in the denitrification reactorunder different influent flow ratios

2.4 IEM-UF氮富集短程硝化反硝化系統(tǒng)脫氮及COD去除特性

圖9 IEM-UF脫氮系統(tǒng)氨氮、、TN去除效果Fig.9 Removal of and TN in the system

圖10 各反應(yīng)器COD去除情況Fig.10 Removal of COD in each reactor

圖11 系統(tǒng)COD去除率效果Fig.11 Removal of COD in the system

IEM-UF氮富集短程硝化反硝化脫氮系統(tǒng)3個(gè)反應(yīng)器均可去除部分COD,各反應(yīng)器去除比例如圖10所示.其中一小部分在氨氮分離器中被電解氧化,一小部分在亞硝化反應(yīng)器中被異養(yǎng)菌消耗,其余主要作為反硝化過(guò)程的碳源被反硝化消耗.各階段COD去除情況如圖11所示.系統(tǒng)3個(gè)階段COD去除率平均值分別為86.98%、79.44%、79.36%.處理效果良好,該系統(tǒng)可以穩(wěn)定高效去除COD.

系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中,短程硝化反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行,可以明顯提高系統(tǒng)對(duì)低C/N廢水的脫氮效率,相比采用A/O工藝處理C/N為3左右的廢水,COD去除率提高了20%左右[17].

綜合以上分析,IEM-UF氮富集短程硝化反硝化系統(tǒng)歷時(shí)88d的培養(yǎng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)C/N為3的污水連續(xù)流穩(wěn)定脫氮和高效COD去除.國(guó)內(nèi)外關(guān)于低C/N廢水脫氮研究中C/N在5～8之間時(shí),TN去除率一般較高;當(dāng)C/N減小到4以下時(shí),TN去除率下降明顯.表5為其他試驗(yàn)低C/N廢水處理效果與本試驗(yàn)的比較.

表5 低C/N廢水處理效果比較Table 5 Comparison of treatment effects of low C/N wastewater

如表5所示,本試驗(yàn)在C/N為3時(shí),總氮去除率可達(dá)到64.8%,COD去除率達(dá)86.98%.相比其他C/N同為3左右的處理方法,本系統(tǒng)TN去除率較高,COD去除率也達(dá)到了同樣處理水平.因此,IEM-UF氮富集短程硝化反硝化系統(tǒng)在處理低C/N為3左右的廢水時(shí),有著較好脫氮效果與COD去除率,具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值.

2.5 系統(tǒng)中微生物菌群結(jié)構(gòu)特征分析

2.5.1 短程硝化反應(yīng)器中微生物群落分析短程硝化污泥樣品中檢測(cè)到380多個(gè)菌屬,含量在1%以上的菌屬分布情況如圖12所示.

參與亞硝化反應(yīng)的主要為變形菌門Proteobacteria下的亞硝化單胞菌屬Nitrosomona和亞硝化螺旋菌屬(Nitrosospira).亞硝化單胞菌Nitrosomonas為能將氧化為的無(wú)機(jī)化能自養(yǎng)細(xì)菌,是短程硝化作用的重要菌種[24].因此亞硝化單胞菌在反應(yīng)器中所占比例的多少直接影響短程硝化的效果.

由圖12可知,第一階段末,亞硝化單胞菌Nitrosomonas在反應(yīng)器微生物中的比例為3.69%,第二階段末時(shí),其所占比例增加至了5.48%,這與圖5分析結(jié)論一致:亞硝化反應(yīng)器去除率在第二階段升高.同時(shí)也可說(shuō)明IEM-UF組合膜能避免短程硝化反應(yīng)器中自養(yǎng)菌與異養(yǎng)菌的競(jìng)爭(zhēng)作用,縮短亞硝化啟動(dòng)周期.但是,到了第三階段末期,由于曝氣時(shí)間延長(zhǎng)至6.5h,DO增大導(dǎo)致NOB增殖速率及生物活性提高,AOB的生物活性受到抑制[25],亞硝化單胞菌Nitrosomonas的數(shù)量下降,至第三階段末時(shí),亞硝化單胞菌Nitrosomonas在系統(tǒng)中的數(shù)量急劇降低至0.53%,導(dǎo)致反應(yīng)器積累率也降低,這與圖6第三階段末期亞氮積累率變化一致.

圖12 屬水平下亞硝化反應(yīng)器中微生物群落分布Fig.12 The distribution of microbial communitie on the level of genus in the shortcut nitrification reactor

2.5.2 短程反硝化反應(yīng)器中微生物群落分析反硝化污泥樣品在屬分類水平下菌群分析結(jié)果如圖13所示.

圖13 屬水平下反硝化反應(yīng)器中微生物群落分布Fig.13 The distribution of microbial communities on the level of genus in the denitrification reactor

圖中變形桿菌屬Dechloromonas、陶厄氏菌屬Thauera均為反硝化菌種[26].反硝化反應(yīng)器中Dechloromonas菌屬、Thauera菌屬處于優(yōu)勢(shì)地位,兩者在反硝化反應(yīng)器屬水平下微生物菌群中所占比例之和在3個(gè)階段分別為33.35%、25.62%、20.52%.研究表明,Dechloromonas可以利用有機(jī)物作為電子供體將還原成,Thauera的異養(yǎng)反硝化功能在多篇文獻(xiàn)中都有報(bào)道[28-29].由于IEM-UF組合膜能夠分離有機(jī)物作為反硝化碳源,解決碳源不足問(wèn)題,所以系統(tǒng)中的這些反硝化菌屬在3個(gè)階段都保持著較高的比例,始終處于優(yōu)勢(shì)地位,因此系統(tǒng)具有較好的脫氮性能和COD去除效果,與圖9、圖11分析結(jié)論一致.由圖13可知,變形桿菌屬Dechloromonas和陶厄氏菌屬Thauera在3個(gè)階段的占比和呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì),主要是因?yàn)樘斩蚴暇鷮賂hauera占比減少所致.但由于Dechloromonas占比一直較高,所以IEM-UF系統(tǒng)可以保持穩(wěn)定的脫氮效率和COD去除效果.

3 結(jié)論

3.1 新型IEM-UF組合膜氨氮分離器與短程硝化反硝化耦合,亞硝化反應(yīng)器中積累率僅用19d就達(dá)到了90%;反硝化反應(yīng)器COD及平均去除率分別達(dá)到80%和89%以上.

3.2 新型IEM-UF氮富集短程硝化反硝化脫氮系統(tǒng)通過(guò)將氨氮與有機(jī)物進(jìn)行有效分離,解決反硝化碳源不足的問(wèn)題并促使短程硝化穩(wěn)定運(yùn)行,對(duì)C/N為3的廢水可達(dá)到64.8%的高效穩(wěn)定脫氮和86.98%的有機(jī)物去除率.

3.3 亞硝化反應(yīng)器中亞硝化單胞菌Nitrosomonas在3個(gè)階段下所占比例分別為3.69%、5.48%和0.53%;反硝化反應(yīng)三個(gè)階段反硝化菌Dechloromonas、Thauera之和占活性污泥總菌群比例達(dá)到33.35%、25.62%、20.52%,三階段菌群結(jié)構(gòu)變化與系統(tǒng)脫氮效果變化一致.

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