水力篩分間歇饑餓CANON工藝參數(shù)調(diào)控及穩(wěn)定運(yùn)行

李 冬，劉名揚(yáng)，張 杰,2，任紀(jì)元

(1.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(北京工業(yè)大學(xué))，北京 100124；2.城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150090)

全程自養(yǎng)脫氮(completely autotrophic nitrogen removal over nitrite，CANON)工藝已被證明是一種經(jīng)濟(jì)高效的方法[1]。CANON工藝依賴于好氧氨氧化菌(ammonia-oxidizing bacteria，AOB)和厭氧氨氧化菌(anaerobic ammonium oxidation，ANAMMOX)這兩種細(xì)菌[2]，而亞硝酸鹽氧化菌(nitrite-oxidizing bacteria，NOB)的生長(zhǎng)嚴(yán)重影響了工藝性能[3]。有研究表明[4]大部分NOB 生長(zhǎng)于直徑為2.5～22.5 μm的微生物聚集體中，這說明NOB在較小尺寸的污泥中更容易生長(zhǎng)[5]。Li等[6]基于這一發(fā)現(xiàn)，通過排出老化的絮狀污泥來抑制部分亞硝化-厭氧氨氧化(partial nitritation-Anammox，PNA)工藝中的NOB，結(jié)果顯示，當(dāng)絮狀污泥的污泥停留時(shí)間(sludge retention time，SRT)為20 d時(shí)，選擇性排放絮狀污泥可以有效清除NOB，但同時(shí)AOB和厭氧菌的流失也十分嚴(yán)重，導(dǎo)致PNA工藝惡化。另有研究者使用振動(dòng)篩分的方法分離顆粒污泥[7]，結(jié)果表明，通過212 μm的振動(dòng)篩網(wǎng)可以保留顆粒污泥VSS的73%，同時(shí)保留了92%的ANAMMOX活性，87%的NOB被洗出，但同時(shí)失去了77%的AOB活性。

直接排掉絮狀污泥的方式易于失去相關(guān)功能菌的活性，影響了CANON工藝的運(yùn)行穩(wěn)定性，震動(dòng)篩分的方式在實(shí)際工程中又難以運(yùn)用。在之前的研究中提出了水力篩分間歇饑餓方式，這一方式依賴于在水力篩分階段將NOB排出反應(yīng)器外，之后通過饑餓的方式抑制其中NOB的活性。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要在水力篩分階段不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的情況下盡可能多地將NOB排出反應(yīng)器外，并合理控制饑餓和恢復(fù)階段的時(shí)長(zhǎng)?；诖?，本研究希望調(diào)控這一方法在實(shí)施過程中的相關(guān)參數(shù)，更具針對(duì)性地篩分出NOB菌并抑制其活性，盡可能減少對(duì)于ANAMMOX和AOB的影響。

實(shí)驗(yàn)采用序批式反應(yīng)器(sequencing batch reactor，SBR)運(yùn)行CANON工藝，探究沉降時(shí)長(zhǎng)和饑餓周期對(duì)于水力篩分間歇饑餓運(yùn)行方式相關(guān)功能菌活性和系統(tǒng)整體脫氮性能等方面的影響，以期抑制NOB活性并逐漸將其淘汰出系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)CANON工藝在水力篩分間歇饑餓條件下處理低氨氮污水的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 接種污泥

反應(yīng)器接種實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)成功的CANON污泥，平均體積粒徑為333 μm，初始污泥質(zhì)量濃度為2 712 mg/L。

1.2 實(shí)驗(yàn)用水

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

連續(xù)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中采用SBR反應(yīng)器，反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，有效容積為2 L，容積交換率為70%。反應(yīng)器壁的垂直方向每隔5 cm設(shè)置一個(gè)取樣口，反應(yīng)器的進(jìn)水通過蠕動(dòng)泵泵入，排水由蠕動(dòng)泵排出，采用機(jī)械攪拌，反應(yīng)器底部安裝曝氣盤進(jìn)行微孔曝氣，通過氣體流量計(jì)控制曝氣量。反應(yīng)器的運(yùn)行通過時(shí)控開關(guān)進(jìn)行自動(dòng)控制。

在S1和S2階段的批次實(shí)驗(yàn)中，SBR反應(yīng)器在水力篩分階段排出反應(yīng)器的污泥儲(chǔ)存在厭氧瓶中，厭氧瓶由玻璃制成，有效容積500 mL，具塞，不對(duì)于溫度進(jìn)行控制，將厭氧瓶放置于室溫下。

1.4 運(yùn)行策略

本實(shí)驗(yàn)分為4個(gè)階段，SBR反應(yīng)器運(yùn)行溫度為28～31 ℃，采用間歇曝氣方式，曝氣速率為30 mL/min。各階段運(yùn)行情況如表1所示。

表1 各階段運(yùn)行情況Tab.1 Operation status of each stage

在連續(xù)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)饑餓周期首先進(jìn)行水力篩分，反應(yīng)器停止攪拌和曝氣，靜置沉淀并計(jì)時(shí)，之后從SBR反應(yīng)器的出水口排出絮狀污泥，洗滌后放于厭氧瓶中，置于室溫下進(jìn)行間歇饑餓，此時(shí)SBR反應(yīng)器仍保持運(yùn)行狀態(tài)。在饑餓期結(jié)束后，將排出的這部分污泥回流至SBR反應(yīng)器，進(jìn)行活性恢復(fù)。

1.5 分析方法

1.6 批次試驗(yàn)

在批次試驗(yàn)中，比氨氧化速率(specific ammonia nitrogen oxidation rate，RSAO)、比亞硝酸鹽氧化速率(specific nitrite oxidation rate，RSNO)和比厭氧氨氧化速率(specific ANAMMOX rate，RSA)的測(cè)定方法參照文獻(xiàn)[8]，配水組分見表2，每個(gè)樣品設(shè)置3個(gè)平行樣。

表2 活性測(cè)定配水組分 mg·L-1 Tab.2 Characteristics of water used in the batch tests

硝化細(xì)菌活性采用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，式(1)為衰減速率擬合方程[9-10]，式(2)為活性恢復(fù)擬合方程[8]:

(1)

(2)

式中：b為活性衰減速率，r為活性恢復(fù)速率，R0和Rt分別代表饑餓前后的底物消耗速率，F(xiàn)0和Ft則分別為恢復(fù)前后的底物消耗速率，td為饑餓和活性恢復(fù)的時(shí)間。

2 結(jié)果與分析

2.1 水力篩分沉降時(shí)間研究

S1階段探究在水力篩分階段，沉降時(shí)間對(duì)于排出的絮狀污泥中相關(guān)功能菌活性的影響。這里所說的水力篩分是指利用浮力和重力將粒徑不同的污泥分離。相比使用水力旋流器，該方法無需額外設(shè)備，節(jié)省能源和占地，且不會(huì)造成顆粒污泥破碎的情況，在實(shí)際工程中是一種簡(jiǎn)單易行的方式。沉降時(shí)間優(yōu)化研究的目的是希望通過水力篩分將更多的NOB排出反應(yīng)器，同時(shí)盡可能將AOB和ANAMMOX留存在反應(yīng)器中。S1階段進(jìn)行批次實(shí)驗(yàn)，設(shè)定不同的沉降時(shí)間，比較研究不同沉降時(shí)間時(shí)排泥的粒徑及細(xì)菌活性。

根據(jù)反應(yīng)器運(yùn)行情況，設(shè)置的沉降時(shí)間為0.5、1、1.5和2 min，分別測(cè)定并統(tǒng)計(jì)其排出污泥的粒徑分布情況。由圖1可知，沉降時(shí)間為0.5 min時(shí)，排出污泥的體積平均粒徑為230 μm，相比反應(yīng)器內(nèi)全部污泥的體積平均粒徑下降了103 μm；沉降2 min時(shí)，體積平均粒徑達(dá)到154 μm，僅為原先的46%。就SBR反應(yīng)器而言，其水力篩分過程為均勻沉降，是指反應(yīng)器內(nèi)粗細(xì)顆粒在各部分均勻分布，停止攪拌和曝氣并靜置時(shí)，不同大小的顆粒分別以不同的沉速下降[11]，原本存在于反應(yīng)器底部的絮狀污泥可能無法排出，因此,無法根據(jù)斯托克斯公式通過沉降時(shí)間將全部絮狀污泥精確地篩分出來。在測(cè)定體積平均粒徑的基礎(chǔ)上，還測(cè)定了用以表征污泥粒徑分布的d10、d50和d90，d10表示所測(cè)定的樣品中，有10%的污泥直徑小于或等于該值，d50和d90同理[12]。由圖1可知，在不同沉降時(shí)間下，d10略有下降，基本保持穩(wěn)定，這說明沉降時(shí)間對(duì)于小顆粒絮狀污泥的影響很小，d90則隨著沉降時(shí)間的延長(zhǎng)大幅度下降，沉降2 min時(shí)，d90僅為不沉降時(shí)的37%，可見，沉降時(shí)間調(diào)控的關(guān)鍵在于對(duì)粒徑較大的顆粒污泥的篩分。

圖1 水力篩分階段不同沉降時(shí)間粒徑分布Fig.1 Particle size distribution with different sedimentation times in hydraulic screening

在之前的研究中曾提出了顆粒污泥粒徑分布均勻性評(píng)價(jià)參數(shù)K90。K90是指污泥粒徑分布參數(shù)d90和d10的比值，該數(shù)值越大，系統(tǒng)中顆粒污泥粒徑分布的差異越大。如表3所示，反應(yīng)器內(nèi)全部污泥的K90為25.30，說明系統(tǒng)內(nèi)顆粒污泥與絮狀污泥均存在，屬于顆粒污泥和絮狀污泥的混合系統(tǒng)，有研究指出[13]，CANON工藝中絮狀物和顆粒污泥傾向于在單個(gè)反應(yīng)器中共存。沉降0.5 min時(shí)，不均勻系數(shù)K90大幅下降到17.51，之后隨著沉降時(shí)間的延長(zhǎng)，K90均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這也表明較長(zhǎng)的沉降時(shí)間可以將顆粒污泥留存在反應(yīng)器中，沉降時(shí)間越長(zhǎng)，排泥中的顆粒污泥越少，篩分出的污泥以絮狀污泥為主。

表3 不同沉降時(shí)間不均勻系數(shù)K90 Tab.3 Uneven coefficient K90 with different sedimentation times

同時(shí)在這一階段，對(duì)于不同沉降時(shí)間排出反應(yīng)器的污泥中細(xì)菌活性進(jìn)行了測(cè)定，AOB、NOB和ANAMMOX的活性分別用RSAO(以N與VSS比計(jì)，下同)、RSNO和RSA表征。如圖2所示，首先測(cè)定了反應(yīng)器中全部污泥的AOB、NOB和ANAMMOX活性，分別為0.192、0.207和0.203 g/(g·d)，反應(yīng)器中NOB活性較高，是阻礙CANON工藝穩(wěn)定運(yùn)行的原因。隨著沉降時(shí)間的延長(zhǎng)，排出反應(yīng)器的污泥中厭氧氨氧化菌的活性呈現(xiàn)大幅度下降，在沉降1.5 min后的排泥中，ANAMMOX的活性僅為0.02 g/(g·d)，而在沉降2 min后，排出反應(yīng)器的污泥中幾乎無法檢測(cè)到ANAMMOX的活性。有研究表明[14]，ANAMMOX的活性和豐度隨聚集體大小的增加而增加，同樣，Chu等[15]對(duì)于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的單級(jí)硝化-厭氧氨氧化系統(tǒng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)顆粒主要由ANAMMOX菌占主導(dǎo)。因此，1.5 min以上的沉淀時(shí)間之后進(jìn)行排泥，可以將大部分ANAMMOX留存在反應(yīng)器中。

圖2 水力篩分不同沉降時(shí)間細(xì)菌活性Fig.2 Hydraulic screening of bacterial activity at different sedimentation times

AOB的活性在沉降時(shí)間為0.5 min時(shí)與ANAMMOX相似，有較大幅度的下降，而在0.5～2 min這段時(shí)間中，AOB活性下降速度減慢，可以看出，AOB在顆粒污泥和絮狀污泥中均有分布。有研究指出[16]，顆粒污泥中AOB和ANAMMOX的豐度處于同一數(shù)量級(jí)，比絮狀污泥高4個(gè)數(shù)量級(jí)。所以，在短時(shí)沉降時(shí)，附著在顆粒污泥上的AOB與ANAMMOX一樣留存在反應(yīng)器中，隨著沉降時(shí)間的延長(zhǎng)，存在于絮狀污泥上的AOB被排出反應(yīng)器。NOB活性的變化則明顯不同，在0.5 min沉降時(shí)僅有小幅度下降，由粒徑變化可知，此時(shí)排出污泥的粒徑相比不沉降時(shí)有明顯下降，而對(duì)于NOB活性的影響甚微，說明NOB在較大尺寸顆粒污泥上分布較少，更多地存在于絮狀污泥中。Li等[12]指出，隨著顆粒中AOB的生長(zhǎng)，NOB可能更喜歡在絮狀污泥中進(jìn)行生長(zhǎng)和代謝，同樣，Zhang等[16]也提出NOB更有可能存在于無傳質(zhì)限制的絮狀污泥中。

從盡可能多地排出NOB角度來說，沉降0.5 min是較為理想的選擇，但此時(shí)排出污泥中ANAMMOX和AOB的活性也較高，說明排泥中有一定數(shù)量的功能菌存在，排泥有可能造成反應(yīng)器運(yùn)行不穩(wěn)定?；诰C合的考量，1.5 min的沉降時(shí)間較為合適，在該沉淀時(shí)間下，ANAMMOX菌基本上留存在反應(yīng)器中未被排出，同時(shí)可以盡可能多地排出NOB菌。在工程中應(yīng)用時(shí)，也應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行批次實(shí)驗(yàn)，對(duì)于沉降時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2.2 間歇饑餓周期研究

S2階段探究水力篩分間歇饑餓方式在饑餓和恢復(fù)階段，不同細(xì)菌活性衰減速率和恢復(fù)速率的差異，目的是找到最佳的饑餓周期，在抑制NOB活性的同時(shí)，盡可能保留CANON工藝相關(guān)功能菌的活性。在S1階段的實(shí)驗(yàn)中，1.5 min的沉降時(shí)間被認(rèn)為是較為合理的，在該沉降時(shí)間下排泥中ANAMMOX菌的活性很低，因此，在S2階段僅考慮AOB和NOB的活性變化。

在第21天，將反應(yīng)器1.5 min沉降時(shí)間后的排泥放置于厭氧瓶中進(jìn)行缺氧饑餓，之后測(cè)定AOB和NOB活性隨饑餓時(shí)長(zhǎng)的變化，并進(jìn)行函數(shù)擬合。圖3為饑餓過程中硝化細(xì)菌活性的變化，在饑餓之前，絮狀污泥中AOB和NOB的底物降解速率分別為0.112和0.154 g/(g·d)，此時(shí)通過水力篩分排出了較高活性的NOB。饑餓2 d后，AOB的底物降解速率下降到0.091 g/(g·d)，AOB活性衰減了19%，NOB的底物降解速率則為0.109 g/(g·d)，活性衰減了29%。饑餓4 d時(shí)，AOB和NOB的活性分別為饑餓之前的63%和51%，饑餓使NOB的活性衰減了50%左右。此時(shí)AOB和NOB的活性衰減速率分別為(0.116±0.002)和(0.167±0.004)d-1，相差較大。饑餓進(jìn)行至第5天時(shí)，AOB和NOB的活性分別達(dá)0.061和0.073 g/(g·d)，NOB活性僅為饑餓前的47%。

圖3 不同饑餓時(shí)間AOB和NOB的活性變化Fig.3 Variation of activity of AOB and NOB at different starvation times

對(duì)比饑餓期間AOB和NOB的活性衰減速率可以看出，AOB的活性衰減速率在饑餓第1天時(shí)較慢，隨后略有升高，并基本保持穩(wěn)定，而NOB的活性衰減速率基本呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，說明活性衰減速率先快后慢，但總體均大于AOB的活性衰減速率，這與Hao等[10]觀察到的趨勢(shì)一致。Salem等[9]也指出，NOB的衰減速率相對(duì)高于AOB衰減速率。由此可知，NOB在面對(duì)缺氧饑餓時(shí)活性降低更快，表現(xiàn)得更為敏感[17]。

圖4 不同恢復(fù)時(shí)間AOB和NOB的活性變化Fig.4 Variation of activity of AOB and NOB at different recovery times

表4 不同恢復(fù)時(shí)間活性恢復(fù)速率Tab.4 Activity recovery rate at different recovery times

在缺氧饑餓狀態(tài)下，NOB的衰減速率呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)，而AOB的衰減速率變化則呈現(xiàn)線性趨勢(shì)。在活性恢復(fù)階段，AOB的恢復(fù)速率明顯大于NOB，這對(duì)于饑餓時(shí)長(zhǎng)的選擇具有參考價(jià)值。在饑餓時(shí)長(zhǎng)的選擇上，時(shí)間越長(zhǎng)，NOB活性越低，但同時(shí)需要考慮AOB 活性的保持，因此，饑餓4 d是較為合適的，原因在于這樣的饑餓時(shí)長(zhǎng)下，AOB和NOB的活性衰減速率相差較大，且此時(shí)NOB活性已降至饑餓前的一半左右。而在恢復(fù)時(shí)長(zhǎng)的確定上，則以AOB活性基本恢復(fù)為參照，設(shè)定為3 d是較為合適的選擇，此時(shí)AOB的恢復(fù)速率最大，且活性已基本恢復(fù)，而NOB剛剛適應(yīng)環(huán)境的變化，恢復(fù)速率低于AOB。這樣確定的饑餓周期雖然無法通過單次饑餓就抑制NOB活性，但可以盡可能保持CANON工藝主要功能菌AOB的活性受到較小損失。多次周期性間歇饑餓的目的也在于此，使得NOB在未能完全恢復(fù)活性時(shí)就經(jīng)歷下一次饑餓抑制，最終實(shí)現(xiàn)將NOB淘汰出反應(yīng)器的目的?；诖?，確定以4 d饑餓和3 d恢復(fù)為一個(gè)周期進(jìn)行水力篩分間歇饑餓。

2.3 處理低氨氮污水穩(wěn)定運(yùn)行研究

圖5 反應(yīng)器脫氮性能Fig.5 Denitrification performance in the reactor

3 結(jié) 論

1)在水力篩分過程中對(duì)于沉降時(shí)間的調(diào)控關(guān)鍵在于將粒徑較大的顆粒污泥留存在反應(yīng)器中，隨著沉降時(shí)間的延長(zhǎng)，排出的污泥以絮狀污泥為主。1.5 min以上的沉淀時(shí)間，可以將大部分ANAMMOX菌留存在反應(yīng)器中，NOB主要存在于絮狀污泥中，AOB則在顆粒污泥和絮狀污泥中均有分布。

2)在缺氧饑餓期間，AOB的活性衰減速率基本保持穩(wěn)定，而NOB的活性衰減速率呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)，總體大于AOB的活性衰減速率。在恢復(fù)階段，AOB在恢復(fù)3 d時(shí)活性恢復(fù)速率達(dá)到最大，活性已恢復(fù)至饑餓前的86%，而NOB無法快速適應(yīng)環(huán)境的變化，其活性恢復(fù)速率小于AOB，恢復(fù)運(yùn)行3 d的NOB活性僅為饑餓前的67%。