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北極星水處理網(wǎng)訊:摘要：采用生物%ignore_a_1%探究部分反硝化(NO₃^--N 還原到 NO₂^--N)工藝應(yīng)用于城市污水廠深度脫氮的可行性.以實(shí)際二級(jí)出水為進(jìn)水,考察濾速、碳氮比(C/N)等影響因素對(duì)濾池快速啟動(dòng)及穩(wěn)定運(yùn)行的影響,分析了濾池沿程水質(zhì)變化和系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu).結(jié)果表明,控制高濾速和低C/N,3d可實(shí)現(xiàn)部分反硝化濾池的快速啟動(dòng),濾池 120d 平均亞硝態(tài)氮累積率(NTR)為 60.3%,最高可達(dá) 82.1%,成功構(gòu)建了連續(xù)流生物膜部分反硝化工藝.高濾速條件有助提高濾池的 NO₂^--N 積累率,C/N 對(duì) NO₂^--N 積累率的影響較小,C/N 為 2~4,部分反硝化濾池的 NTR 維持在 62.0%.沿程數(shù)據(jù)表明底部 40cm 的濾料層是部分反硝化濾池 NO₃^--N 去除和 NO₂^--N 累積的主要反應(yīng)區(qū)域.由于采用實(shí)際水廠二級(jí)出水進(jìn)行研究,掃描電鏡和高通量測(cè)序結(jié)果表明存在多種具有反硝化功能的微生物,系統(tǒng)的微生物多樣性較高。

關(guān)鍵詞：部分反硝化；生物濾池；亞硝酸鹽積累；深度脫氮；二級(jí)出水

隨著污水排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高,城市污水處理廠出水氨氮及總氮難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的達(dá)標(biāo)排放,一般需要進(jìn)行深度處理。最常用的深度處理工藝是反硝化生物濾池(DNBF),但存在碳源投加量大、污泥產(chǎn)量大、反沖洗頻繁及微生物分泌物質(zhì)引起嚴(yán)重的膜污染等問(wèn)題,導(dǎo)致部分工藝不能穩(wěn)定運(yùn)行。二級(jí)出水中最主要的污染物是 NO₃^--N 及可能殘留的NH₄⁺-N.部分反硝化技術(shù)可以將反硝化過(guò)程控制在 NO₃^--N 還原產(chǎn)生 NO₂^--N 的階段,然后再與厭氧氨氧化工藝耦合實(shí)現(xiàn) NH₄⁺-N 和 NO₃^--N 的同步去除,是一種新型的污水脫氮處理技術(shù).基于此提出應(yīng)用于深度脫氮的部分反硝化耦合厭氧氨氧化二級(jí)濾池的工藝路線.該工藝?yán)碚撋峡晒?jié)省 79%的碳源,氨氮可來(lái)源于二級(jí)生物處理剩余氨氮或者引入部分初沉池原水,可節(jié)省曝氣成本;其次,厭氧氨氧化菌為自養(yǎng)菌,污泥產(chǎn)量低,對(duì)后續(xù)膜處理工藝影響小,該工藝的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用將大幅降低建設(shè)投資費(fèi)用及運(yùn)行費(fèi)用.

Ji 等實(shí)現(xiàn)了高 NO₂^--N 積累的部分反硝化工藝,長(zhǎng)期運(yùn)行 NO₂^--N 積累率大于 80%;王維奇等研究了 SBR 系統(tǒng)中不同馴化方式對(duì) NO₂^--N 積累的影響;Cao 等[11]和 Li 等甚至實(shí)現(xiàn)了NO₂^--N 積累率大于 90%,證明了部分反硝化工藝的可行性和穩(wěn)定性;Du 等和 Cao 等也證明了部分反硝化耦合厭氧氨氧化工藝的可行性,用于高效地處理含硝酸鹽的污水.但是目前有關(guān)部分反硝化的研究多以人工配水和活性污泥系統(tǒng)為主,且多采用序批式運(yùn)行的 SBR 反應(yīng)器,更偏重初步的可行性研究和機(jī)理探索,采用實(shí)際污水進(jìn)行深度脫氮的部分反硝化工藝的研究較少.

基于此,本文以污水廠實(shí)際二級(jí)出水為進(jìn)水,采用連續(xù)流的濾池反應(yīng)器,進(jìn)行部分反硝化工藝的啟動(dòng)與運(yùn)行,并探究濾速及 C/N 對(duì)該工藝部分反硝化的影響,系統(tǒng)地分析反應(yīng)器內(nèi)的水質(zhì)變化特性和NO₂^--N積累特性,并對(duì)其中的微生物結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察和分析.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

部分反硝化所用的濾池裝置由有機(jī)玻璃制成,濾池總高度 250cm,直徑 10cm,有效容積 15.7L.濾池從下至上分別是 20cm 進(jìn)水混合區(qū)、20cm 承托層、120cm 濾料層、60cm 清水區(qū),承托層由鵝卵石構(gòu)成,濾料層所填充濾料為 3~5mm 的陶瓷顆粒,鵝卵石和陶瓷顆粒均取自污水廠反硝化濾池的余料.

濾池采用底部進(jìn)水頂部出水的運(yùn)行模式,配有進(jìn)水水箱、碳源加藥箱、出水水箱及反沖洗水箱,在濾池底部進(jìn)水和碳源分別通過(guò)蠕動(dòng)泵控制,二者混合后進(jìn)入濾池底部進(jìn)水混合區(qū).濾池反沖洗采用氣沖-氣水沖-水沖的方式,配有反沖洗水泵、空壓機(jī)及流量計(jì).

1.2 試驗(yàn)用水和接種污泥

部分反硝化濾池采用自然掛膜法,未接種污泥.本試驗(yàn)直接采用北京某再生水廠二級(jí)出水作為進(jìn)水,進(jìn)水水質(zhì)如表 1.部分反硝化濾池外加碳源乙酸鈉,根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)行不同濃度的添加.

1.3 試驗(yàn)方法

模擬工藝實(shí)際運(yùn)行工況,進(jìn)水 DO 和溫度不做控制.本試驗(yàn)設(shè)置高濃度低流量(C=50mg/L,濾速為1,2m/h)和低濃度高流量(C=15mg/L,濾速為 4,5m/h)2種啟動(dòng)方式,考察部分反硝化工藝的快速啟動(dòng).

采用控制變量法進(jìn)行C/N和濾速對(duì)部分反硝化濾池的影響試驗(yàn),控制濾速不變,分別設(shè)置不同的C/N(2,2.5,3,3.5),觀察 C/N 對(duì)部分反硝化的影響;控制 C/N 不變,設(shè)置 3 組濾速條件(2,4,5m/h),考察濾速對(duì)部分反硝化濾池的影響.NO₃^--N 到 NO₂^--N 轉(zhuǎn)化率(NTR)即亞硝態(tài)氮累積率,是指系統(tǒng)內(nèi)去除的 NO₃^--N 轉(zhuǎn)化為 NO₂^--N的比例,試驗(yàn)裝置為連續(xù)流反應(yīng)器,NTR的計(jì)算方法為:

1.4 分析方法

樣品水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行.NO₃^--N 和 NO₂^--N 采用離子色譜法測(cè)試,SCOD 采用哈?？焖贉y(cè)定試劑檢測(cè).

生物樣品的測(cè)試包括掃描電鏡和高通量測(cè)序.采用 SU8020 日本日立(Hitachi)掃描電鏡進(jìn)行觀察,預(yù)處理方法參照文獻(xiàn);此外,從濾料層底部處取濾料 50mL 置于 250mL 錐形瓶,加 100mL 超純水恒溫振蕩,得到的混合液進(jìn)行離心,然后經(jīng)低溫干燥凍干機(jī)干燥后,用于高通量測(cè)序分析.在上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司的I-Sanger云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 部分反硝化濾池啟動(dòng)與運(yùn)行

2.1.1 部分反硝化濾池的快速啟動(dòng)

控制進(jìn)水C/N 為 2.5,考察高濃度低流量啟動(dòng)方式的NO₂^--N積累情況.如圖 1 所示,初期污水廠二級(jí)出水?dāng)y帶的微生物在濾料上附著,利用進(jìn)水中的硝酸鹽和外加的乙酸鈉進(jìn)行反硝化,生物膜快速生長(zhǎng),初期出現(xiàn)穩(wěn)定的 NO₂^--N 積累,系統(tǒng)積累的最高 NO₂^--N 為10mg/L 左右.但是經(jīng)過(guò)第二次反洗后 NO₂^--N 的積累消失.運(yùn)行 2 個(gè)周期后提高濾速觀察,仍未有明顯的NO₂^--N 積累出現(xiàn).出現(xiàn) NO₂^--N 積累是反硝化濾池掛膜啟動(dòng)階段較常出現(xiàn)的現(xiàn)象,然后隨著生物膜的成熟和電子供體的充足逐漸消失.后幾個(gè)周期未出現(xiàn) NO₂^--N的穩(wěn)定積累說(shuō)明以高濃度低流量的方式未能成功啟動(dòng)部分反硝化工藝.

2.1.2 部分反硝化濾池的穩(wěn)定運(yùn)行

長(zhǎng)期運(yùn)行結(jié)果如圖 2,120d 平均 NO₂-N 累積率為 60.3%,最高達(dá)82.1%,部分反硝化工藝啟動(dòng)后可保持較好的 NO₂^--N 積累特性,成功構(gòu)建了生物膜系統(tǒng)高 NO₂^--N 積累的部分反硝化工藝.在實(shí)際項(xiàng)目中,會(huì)遇到檢修、設(shè)備故障等一些了突發(fā)事故等,導(dǎo)致工藝停止運(yùn)行的情況.在試驗(yàn)進(jìn)行 100d 左右,停止運(yùn)行 10d 后重新啟動(dòng)反應(yīng)器,結(jié)果發(fā)現(xiàn) 1d 即可恢復(fù)至原有部分反硝化效果,說(shuō)明該工藝相對(duì)穩(wěn)定,有一定的抗沖擊能力.

2.2 部分反硝化濾池的影響因素

2.2.1 濾速對(duì)部分反硝化濾池的影響

濾速是濾池運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù),不僅決定污染物與微生物的接觸時(shí)間,而且其大小形成不同強(qiáng)度的水利剪切作用也會(huì)影響濾料生物膜的形成、結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性等,從而導(dǎo)致不同的運(yùn)行效果.圖 3(a)為濾池在 C/N=2時(shí)3種濾速條件下(2,4,5m/h)運(yùn)行結(jié)果.2,4,5m/h濾速下平均 NO₂^--N 累積率分別為 60.3%,59.6%和 68.1%,5m/h 條件下濾池 NO₂^--N 積累效果最好,可能與高濾速較強(qiáng)的剪切力有關(guān).濾速越高,剪切力越大,有助于加快生物膜的更新,從而能維持較高的部分反硝化特性。

為了進(jìn)一步分析濾速對(duì)部分反硝化的影響,提高 C/N 為 3,再次進(jìn)行不同濾速的對(duì)比試驗(yàn).結(jié)果發(fā)現(xiàn)提高 C/N 之后,2,4 和 5m/h 濾速下平均 NO₂^--N 累積率分別為64.6%,61.9%和65.3%,依舊是在5m/h的運(yùn)行條件下,獲得較高的 NO₂^--N 積累率,但是由于C/N 提高,高濾速使生物膜的剪切力變?nèi)?C/N 較高時(shí)濾速對(duì)NO₂^--N 積累的影響變?nèi)酢?/p>

2.2.2 C/N 對(duì)部分反硝化濾池的影響

文獻(xiàn)表明,C/N 對(duì)部分反硝化過(guò)程 NO₂^--N 的積累有重要影響.C/N 過(guò)低,部分反硝化微生物得不到足夠的能量和電子供體來(lái)維持活性并進(jìn)行硝酸鹽還原;C/N 過(guò)多,部分反硝化不易維持.也有研究表明,部分反硝化工藝一旦啟動(dòng),一定范圍內(nèi) C/N 波動(dòng)對(duì)NTR 的影響不大.如圖 4,在部分反硝化濾池中,濾速為 2m/h,C/N 為 3 時(shí)平均 NO₂^--N 累積率為 64.6%,略高于 C/N 為 2 的 61.2%,但是區(qū)別并不明顯.當(dāng)濾速為 4m/h,C/N 為 2、2.5 和 3 時(shí)平均NO₂^--N 積累率分別為 61.6% 、 58.6% 和 62.9%; 濾速為5m/hNO₂^--N 積累率分別為 64.0%、64.5%、59.7%和 62.9%.可見(jiàn),在本文的試驗(yàn)條件下,濾速不變,C/N在 2~4 范圍內(nèi)波動(dòng)部分反硝化濾池的 NO₂^--N 積累特性基本維持不變.與 Du[23]研究結(jié)果一致.

在連續(xù)流濾池工藝中,C/N 范圍為 2~4,部分反硝化濾池的 NO₂^--N 累積率維持在 62%,具備穩(wěn)定可靠的突出優(yōu)點(diǎn).其部分反硝化功能維持穩(wěn)定的原因可能是啟動(dòng)初期高濾速形成的生物膜能進(jìn)行NO₂^--N 積累,隨后通過(guò)不斷的反洗優(yōu)化生物膜結(jié)構(gòu)和功能,因此在不利于 NO₂^--N 積累的濾速條件下(2m/h)也能穩(wěn)定的維持 60%的NO₂^--N 累積率.

2.3 部分反硝化濾池沿程水質(zhì)變化

在運(yùn)行的第 155d,濾速為 4m/h,C/N=3 的條件下取沿程水樣分析,結(jié)果如圖 5(a).在底部濾料層下部,NO3--N 的降解較快,同時(shí)也出現(xiàn)較多的 NO₂^--N的積累.其中沿程 pH 值逐漸升高,但是由于進(jìn)行的是部分反硝化,pH 值升高并不明顯,由底部進(jìn)水的7.28 提高到出水的 7.43.由于未進(jìn)行消氧處理,進(jìn)水DO 較高為 4.6mg/L,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,DO 逐漸降低,底部 40cm DO3^--N 降解的占比和對(duì)NO₂^--N 積累的占比分布,結(jié)果如圖 5(b)所示.硝酸鹽的去除主要集中在承托層和底部 40cm,其中底部20cm 濾料層去除了 43%的 NO₃^--N 并積累了 48%的NO₂^--N,是部分反硝化濾池的主要反應(yīng)區(qū)域.其原因主要是濾池反應(yīng)器為推流式反應(yīng)器,底部基質(zhì)充足,生物膜活性較高.沿濾料層向上,水中剩余基質(zhì)變少導(dǎo)致濾料上層生物生長(zhǎng)速率低,反應(yīng)活性也較低.對(duì)底部 40cm 處的出水進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),結(jié)果如圖 6 所示.其 NTR 與總出水保持一致,說(shuō)明部分反硝化濾池的有效高度為 40cm,當(dāng)?shù)撞课⑸锍霈F(xiàn)堵塞或者脫氮效果變差時(shí),需要及時(shí)進(jìn)行反沖洗和采取應(yīng)急措施,同時(shí)可以為部分反硝化濾池濾料層高度的合理設(shè)計(jì)提供參考.

2.4 生物膜形貌觀察和群落結(jié)構(gòu)

2.4.1 生物膜表面形貌結(jié)構(gòu)

取反應(yīng)器裝填的空白濾料和運(yùn)行 110d 后的濾料進(jìn)行掃描電鏡觀察,如圖 7 所示.濾料為陶瓷顆粒,表面粗糙且為多孔結(jié)構(gòu),有利于微生物附著形成生物膜.穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后,陶瓷顆粒表面完全被覆蓋,由于微生物的不斷繁殖及胞外聚合物的分泌,微生物與胞外聚合物一起混合纏繞包裹在濾料表面,有一定厚度.由于進(jìn)水為實(shí)際二級(jí)出水,表面的微生物多樣,有桿菌、球菌等多種形態(tài)的微生物.

2.4.2 生物群落結(jié)構(gòu)

取穩(wěn)定運(yùn)行階段底部的濾料表面生物膜進(jìn)行高通量測(cè)序分析.門水平主要以變形菌門為優(yōu)勢(shì)菌門,而大多數(shù)的反硝化菌都屬于變形菌門.此外還包括擬桿菌門、綠彎菌門、酸桿菌門等.圖 8 給出了樣品在屬水平上的物種相對(duì)豐度.

由于進(jìn)水采用實(shí)際二級(jí)出水,挾帶多種微生物,反應(yīng)器內(nèi)微生物多樣性較高.系統(tǒng)中存在多種反硝化微生物 , 其中索氏菌屬 Thauera(3.03%) 是Rhodocyclaceae科,Proteobacteria 菌門中的一類革蘭氏陰性細(xì)菌,大部分為桿狀且已知的該屬菌株都是反硝化菌,研究發(fā)現(xiàn)其與部分反硝化的 NO₂^--N 積累有關(guān),也在多個(gè)具有高NO₂^--N積累的系統(tǒng)中被發(fā)現(xiàn),可能與系統(tǒng)中 NO₂^--N 積累相關(guān).此外,Dechloromonas(6.49%)是隸屬于 Proteobacteria菌門的可降解芳香族化合物的反硝化菌,已知其內(nèi)含有反硝化除磷菌群,可能是隨二沉池進(jìn)入反應(yīng)器并進(jìn)行富集.Comamonadaceae(4.88%)是一類與PHA 降解有關(guān)的脫氮菌,同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一些胞外聚合物.Saprospiraceae(4.08%)與蛋白質(zhì)降解相關(guān).

Zoogloea(2.26%)是污水處理廠常見(jiàn)的反硝化微生物,與菌膠團(tuán)的形成有密切關(guān)系,在生物膜形成階段,對(duì)生物膜的形成有促進(jìn)作用.還有 Flavobacterium、Denitratisoma 等多種具有好氧反硝化功能的微生物,以適應(yīng)進(jìn)水中較高的 DO.多種反硝化微生物共同完成了部分反硝化濾池的反硝化過(guò)程和部分反硝化過(guò)程.

3 結(jié)論

3.1 以實(shí)際二級(jí)出水為進(jìn)水,通過(guò)控制高濾速低C/N,3d 可實(shí)現(xiàn)部分反硝化濾池的啟動(dòng),平均 NTR 達(dá)60%;部分反硝化濾池可維持長(zhǎng)期穩(wěn)定,平均 NTR 為60.3%,最高 NTR 達(dá) 82.1%.

3.2 高濾速有利于 NO₂^--N,的累積,但隨著 C/N 的提高,高濾速促進(jìn)作用減弱;濾速一定,C/N 范圍為2~4,部分反硝化濾池的 NTR 維持在 62%.

3.3 底部 40cm 濾料層是部分反硝化濾池 NO₃^--N去除和 NO₂^--N 累積的主要反應(yīng)區(qū)域.

3.4 部分反硝化濾池的微生物多樣性較高,存在Dechloromonas 、 Thauera 、 Flavobacterium 、Denitratisoma 等多種具有反硝化功能的微生物,通過(guò)控制進(jìn)水條件和反洗頻率等實(shí)現(xiàn)調(diào)控各微生物之間相互作用來(lái)維持系統(tǒng)穩(wěn)定的高NO₂^--N積累特性.

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