赵伟华,李健伟,王梅香,黄 宇, 冯 岩,李夕耀,彭永臻*

前置A2NSBR系统硝化和反硝化除磷的特性

赵伟华1,2,李健伟1,王梅香1,黄 宇1, 冯 岩1,李夕耀1,彭永臻1*

(1.北京工业大学,国家工程实验室,北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心,北京 100124；2.哈尔滨工业大学,海洋科学与技术学院,山东 威海 264209)

以处理实际低C/N生活污水的前置A2NSBR系统为研究对象,考察系统内生物膜的硝化特性和活性污泥的反硝化除磷特性.试验研究了有机物和NO2--N浓度对生物膜硝化性能的影响,以及不同电子受体浓度对反硝化吸磷速率的影响.结果测得硝化速率为11.3mgNH4+-N/(L·h),在填充率40%的条件下容积负荷为0.27kgNH4+-N/(m³·d),有机物的存在会对硝化有抑制,但是系统表现出了良好的抗有机负荷冲击能力,硝化速率为9.72mg NH4+-N/(L·h). NO2--N处理对AOB活性几乎无影响,对NOB活性抑制作用明显,当NO2--N浓度为400mg/L时,NOB活性仅为1.63%,几乎接近完全被抑制.根据本次不同电子受体条件下除磷批次试验的结果,好氧吸磷速率为17.62mg P/(g VSS·h),以NO3--N为电子受体的缺氧吸磷速率是12.94mg P/(g VSS·h),从而可知缺氧聚磷菌占总聚磷菌的比例大约是73.4%,其中在NO2--N浓度为30mg/L出现吸磷抑制,当NO2--N和NO3--N共存时,NO2--N在初始浓度为15mg/L便出现吸磷抑制.

低碳氮比；前置A2NSBR工艺；硝化；反硝化除磷；NO2--N抑制

污水厂的脱氮除磷功能已经成为阻止水体富营养化的有效措施,但是实际生活污水碳源缺乏,C/N比较低,脱氮和除磷存在碳源的竞争[1-2].反硝化除磷能够“一碳两用”充分利用原水碳源,节省曝气能耗和降低污泥产量,据此本文提出了双污泥反硝化除磷前置A2NSBR工艺[3-4],硝化和反硝化除磷反应分别发生在N-SBR和A2SBR反应器中,相应的硝化菌在N-SBR系统中得到富集,反硝化除磷菌在A2SBR富集,与常规的单污泥系统不同,双污泥系统功能菌种富集程度更高[5],因而其污泥活性和生物膜更值得研究.

在前置A2NSBR工艺中,COD主要在A2SBR反应器中被消耗,进入N-SBR几乎没有可利用的有机物,有机物对硝化性能的影响很小,这使得N-SBR反应器更有利于硝化和富集硝化菌.关于有机物对硝化性能影响研究发现C/N比与生物膜填料上的硝化菌比例成负相关关系, AOB和NOB的比例随着C/N的增加而逐步下降[6]; 通过DGGE技术研究同样证实C/N比与硝化菌富集程度呈负相关,随C/N比从低到高,优势菌种从硝化细菌变为反硝化菌,且发生反应从硝化到同步硝化反硝化[7].

电子受体NO3--N和NO2--N浓度对反硝化除磷有重要影响,研究发现反硝化吸磷速率与缺氧段硝态氮浓度呈正比,并且当硝态氮耗尽后,系统由缺氧吸磷转变为厌氧内碳源放磷[8], NO2--N浓度大于20mg/L时吸磷出现抑制,这可能与反硝化吸磷相关的酶活性被抑制有关,或者反硝化中间产物抑制缺氧吸磷性能[9].

生物膜的短程硝化至今是国内外的难题,由于生物膜的附着生长特性,很难像絮体污泥那样通过排泥结合实时控制快速实现短程硝化,本研究拟采用NO2-抑菌效应[10],并探索结合过程控制和环境条件实现AOB的富集和NOB的淘洗,通过种群优化来实现生物膜系统的短程硝化.通过研究NO2--N浓度对AOB和NOB活性抑制,以及NO2--N浓度对反硝化除磷影响的作用,以期最终实现短程反硝化除磷,进一步节省能耗和碳源.

1 材料和方法

1.1 试验装置

试验母反应器为前置A2NSBR系统[4],由一个活性污泥除磷SBR单元和一个填料生物膜硝化SBR单元构成,批次试验根据具体方案从母反应器取活性污泥或者填料.

1.2 硝化性能批次试验方案

1.2.1 硝化速率试验 取2L SBR反应器按照容积填充率40%加入800mL填料(Ø 25mm´10mm,取自母反应器),试验采用配水,投加氯化铵使得初始NH4+-N浓度约30mg/L,20℃,间隔30min取样.

1.2.2 有机物存在对生物膜硝化性能影响试验 在2L SBR反应器(填料类型Ø 25mm´10mm,取自母反应器,填充率40%)投加乙酸钠和氯化铵,使得初始COD和NH4+-N浓度分别为100和35mg/L,保持温度为20℃,溶解氧(DO) 浓度为(4±0.5) mg/L,间隔30min取样测COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N浓度.

1.2.3 NO2--N浓度抑制对生物膜上硝化菌(AOB和NOB)活性的影响试验 取4个500mL SBR反应器,装入200mL填料(填充率40%,Ø 10mm´8mm,取自硝化母反应器),依次投加亚硝酸钠,使得初始NO2--N浓度分别为0mg/L(1#),100mg/L(2#),200mg/ L(3#),400mg/L(4#) 浸泡处理8h,温度为25℃,pH值为7.0. 8h浸泡结束后用蒸馏水洗3遍,在每个SBR反应器中投加氯化铵和亚硝酸钠,使得初始NH4+-N和NO2--N浓度为20和10mg/L,控制DO为4mg/L左右,进行硝化反应,间隔15min取样记录NH4+-N、NO2--N和NO3--N浓度并作图.

1.3 反硝化吸磷性能批次试验方案

1.3.1 好氧吸磷速率和反硝化吸磷速率试验 参考Wachtmeister[11]提出的方法,污泥取自A2SBR反应器的好氧段,共1L悬浮污泥,先离心然后用去离子水清洗2遍,定容到1L的锥形瓶中,通过投加无水乙酸钠使COD初始浓度为100mg/L,厌氧搅拌2h;反应结束后,离心分离,再用去离子水将反应活性污泥清洗2遍,去除剩余COD和磷酸盐等物质,添加磷酸氢二钾使得初始磷浓度为40mg/L,然后定容至1L后均分为2份,1份好氧曝气,使DO浓度维持在2mg/L左右,另一份加入NaNO3,使初始NO3--N浓度均为30mg/L,缺氧搅拌,反应时间2h,试验测得的缺氧最大吸磷速率/好氧最大吸磷速率比值即DPAOs占PAOs的比例.

1.3.2 不同NO2--N浓度对反硝化吸磷速率影响试验 研究不同NO2--N浓度(10, 20, 25, 30mg/L)对反硝化吸磷的影响,从A2SBR反应器内取好氧末阶段的活性污泥,用去离子水洗后加入乙酸钠使得初始COD浓度约为100mg/L,厌氧搅拌2h,2h后用去离子水清洗,然后加入磷酸氢二钾使得初始磷酸盐浓度为30mg/L左右,然后投加亚硝酸钠使得NO2--N初始浓度分别为10, 20, 25, 30mg/L,控制温度为20℃, pH值为7.0,间隔取样观测吸磷情况.

1.3.3 NO3--N/NO2--N共存对反硝化吸磷速率影响试验 为研究NO3--N/NO2--N共存对吸磷的影响,取NO2--N浓度为10和15mg/L, NO3--N浓度为10mg/L,研究NO3--N/NO2--N共存时的吸磷性能,其他试验步骤参考上文步骤1.3.2.

1.3 分析方法

COD采用5B-1快速测定法(Lanzhou Environmental Technology Co. Ltd.), PO43--P, NH4+- N,NO2--N,NO3--N由Lachat Quikchem8500型流动注射仪测定(Lachat Instrument, Milwaukee, wiscosin); TN通过TN/TOC分析仪(MultiN/C3100, Analytik Jena,AG)测定;采用WTW,Multi 340i pH/ DO仪测定pH值和DO.

2 结果与讨论

2.1 系统硝化性能和有机物存在对硝化的影响

根据图1,测得硝化速率为11.3mgNH4+-N/(L·h),在填充率40%的条件下容积负荷为0.27kgNH4+-N/ (m³·d).较高的硝化速率和硝化负荷表明N-SBR生物膜富集了大量硝化菌,为前置A2NSBR工艺反硝化除磷提供了充足的电子受体.

图1 硝化速率测定试验

如图2所示,当有机物存在时,有机物优先利用DO被消耗掉,但在开始的0.5h内,存在微弱的硝化,NH4+-N浓度降低了1.09mg/L,0.5~1h之间NH4+-N浓度降低了4.01mg/L,这说明好氧去除有机物和硝化是同时发生的,但明显好氧异养菌竞争DO的能力远远超过硝化菌.1h之后,可降解COD基本降解完毕,此时硝化开始快速发生,计算可得出平均硝化速率为9.72mg NH4+-N/(L·h).

这说明在硝化生物膜系统中,有机物和硝化相比,仍然具有竞争DO方面的优势,有机物的存在存在会对硝化有抑制[12-13],但是系统表现出了良好的抗有机负荷冲击能力,1h之后仍然保持较高的硝化速率,同时可以看到,在这个过程中TN去除率为29.5%,TN损失10.89mg/L,这是因为有机物的存在,系统发生了好氧同步硝化反硝化现象,按照去除1gN需要2.86g C计算,被用于反硝化的COD占总COD去除的35.5%,这说明在有机物存在的情况下,可能由于生物膜表面氧浓度梯度的差异提供了微观缺氧环境,生物膜系统会表现出良好的同步硝化反硝化脱氮能力.

图2 有机物对硝化速率的影响

2.2 NO2--N抑制作用

图3(a)中,NO2--N投加浓度为0mg/L(1#,FNA为0mgHNO2-N/L),作为空白对照,用NH4+-N的降解速率(对应曲线斜率)代表AOB的活性,用NO3--N的生成速率(对应曲线斜率)代表NOB的活性,并将本空白对照试验AOB和NOB的活性作为1(即100%).在90min内,NH4+-N浓度从22.52mg/L降解到9.74mg/L,NO2--N浓度从12.64mg/L降解到2.7mg/L, NO3--N浓度从1.38mg/L上升到23.62mg/L.

如图3(b)所示,经过100mg/L浓度的NO2--N处理后(FNA为0.022mgHNO2-N/L),2#反应器生物膜中AOB活性几乎未受到影响,而NOB活性受到抑制.90min内,NH4+-N浓度从22.36mg/L降解到7.88mg/L,NO2--N浓度从14.32mg/L上升到到23.9mg/L,NO3--N浓度从0.0mg/L上升到2.06mg/ L.2#NOB活性为10.61%.

经过200mg/L浓度的NO2--N处理后(FNA为0.045mgHNO2-N/L),3#反应器生物膜中硝化菌活性如图3(c) 所示,90min内,NH4+-N浓度从22.8mg/L降到10.68mg/L,NO2--N浓度从13.6mg/L上升到23.58mg/L,NO3--N浓度从0.0上升到0.78mg/L.与1#相比,3#AOB几乎未受到影响,而NOB受到抑制,NOB活性仅为4.08%.

如图3(d)所示,经过400mg/L浓度的NO2--N处理后(FNA为0.090mgHNO2-N/L),4#反应器生物膜中硝化菌活性AOB几乎未受到影响,而NOB受到抑制,90min内,NH4+-N浓度从23.24mg/L降到9.78mg/L,NO2--N浓度从15.12mg/L上升到25.52mg/L,NO3--N浓度从0.0上升到0.6mg/L.与1#相比,4#NOB活性基本被完全抑制,活性仅为1.63%.

图3 亚硝酸盐处理对硝化菌活性的影响

由此可见NO2--N处理对AOB活性几乎无影响,但是对NOB活性具有明显抑制作用,因此可尝试用NO2--N处理生物膜,需同时配合其他措施,如实时过程控制[14]及温度[15]等环境条件实现并维持生物膜的短程硝化,为短程硝化提供新的方法途径.

2.3 不同电子受体条件下的吸磷速率

根据本次除磷批次试验结果,好氧吸磷速率为17.62mg P/(g VSS·h),以NO3--N为电子受体的缺氧吸磷速率为12.94mg P/(g VSS·h),按照反硝化聚磷菌比例计算方法[3],缺氧聚磷菌占总聚磷菌的比例大约为73.4%,这说明经过长期厌氧/缺氧条件的驯化,反硝化聚磷菌得到了高度富集,成为优势聚磷菌.

2.4 NO2--N浓度对反硝化除磷的影响

短程反硝化除磷能够进一步节省碳源和能耗.但NO2--N作为反硝化除磷的电子受体一直存在其抑制浓度方面的研究分歧[16-18],NO2--N对吸磷的抑制浓度会因环境条件和污泥本身种群结构等而不同.本次试验中,由图4可以看出,在NO2--N初始浓度分别为10, 20, 25mg/L时,吸磷速率较快,前30min的吸磷速率分别是25.06, 31.48, 35.91mg/(L·h),在NO2--N浓度为30mg/L出现吸磷抑制,不仅无吸磷发生反而出现内源释磷,因此在本试验条件下, NO2--N浓度不高于25mg/L可以保证吸磷.

在NO2--N浓度为30mg/L时,虽然吸磷受到抑制,但同时观测到NO2--N浓度有轻微的降低,这可能是因为缺氧环境下,存在聚糖菌引起的内源反硝化导致[19].

图4 NO2--N浓度对反硝化吸磷性能的影响

2.4 NO3--N/NO2--N共存对反硝化吸磷的影响

短程反硝化除磷能够进一步节省碳源和能耗.但NO2--N作为反硝化除磷的电子受体一直存在其抑制浓度方面的研究分歧[16-18],NO2--N对吸磷的抑制浓度会因环境条件和污泥本身种群结构等而不同.本次试验中,由图4可以看出,在NO2--N初始浓度分别为10, 20, 25mg/L时,吸磷速率较快,前30min的吸磷速率分别是25.06, 31.48, 35.91mg/(L·h),在NO2--N浓度为30mg/L出现吸磷抑制,不仅无吸磷发生反而出现内源释磷,因此在本试验条件下, NO2--N浓度不高于25mg/ L可以保证吸磷.

图5 NO3--N/NO2--N共存对反硝化吸磷性能的影响

在NO2--N浓度为30mg/L时,虽然吸磷受到抑制,但同时观测到NO2--N浓度有轻微的降低,这可能是因为缺氧环境下,存在聚糖菌引起的内源反硝化导致[19].

反硝化除磷通常出现NO2--N和NO3--N共存的情况,因此研究NO2--N和NO3--N共存对反硝化除磷的影响非常重要[20].由图5(a)可以看出,当有NO2--N和NO3--N共存时,NO2--N在初始浓度为15mg/L便出现吸磷抑制(实测浓度为16.36mg/L),并且伴随着内源释磷.由图5(b)可以看到, NO2--N在10mg/L时吸磷正常发生(实测浓度为12.12mg/L),在0~30min内伴随着NO3--N反硝化产生的NO2--N积累发生.

3 结论

3.1 初始NH4+-N浓度为30mg/L,填料填充率为40%, 20℃条件下,测得N-SBR填料生物膜硝化速率为11.3mgNH4+-N/(L·h),容积负荷为0.27kg NH4+-N/(m³·d).

3.2 NO2--N处理对生物膜上的AOB活性几乎无影响,而NOB活性受到抑制,因此可以尝试采用NO2--N处理生物膜,同时采用实时过程控制、温度控制等环境条件实现并维持生物膜的短程硝化.

3.3 根据除磷批次试验的结果,好氧吸磷速率是17.62mg P/(g VSS·h),以NO3--N为电子受体的缺氧吸磷速率是12.94mg P/(g VSS·h),缺氧聚磷菌占总聚磷菌的比例约为73.4%,反硝化聚磷菌富集程度较高.

3.4 NO2--N对吸磷的抑制浓度会因环境条件和污泥本身种群结构等而不同,在本试验条件下,NO2--N浓度为30mg/L时,吸磷受到抑制.当有NO2--N和NO3--N共存时,NO2--N在初始浓度为15mg/L便出现吸磷抑制.

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Nitrification and denitrifying phosphorus removal performance in the pre-A2NSBR system.

ZHAO Wei-hua1,2, LI Jian-wei1, WANG Mei-xiang1, HUANG Yu1, FENG Yan1, LI Xi-yao1, PENG Yong-zhen1*

(1.National Engineering Laboratory for Advanced Municipal Wastewater Treatment and Reuse Technology, Engineering Research Center of Beijing, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2.School of Marine Science and Technology, Harbin Institute of Technology, Weihai 264209, China)., 2019,39(11)：4660~4665

Biofilm nitrification and activated sludge denitrifying phosphorus removal performance were investigated in the pre-A2NSBR system, which treated real low carbon to nitrogen (C/N) ratio domestic sewage. The effect of organic substance and NO2--N concentration on the biofilm nitrification performance, and different electronic acceptors on the denitrifying phosphorus uptake rate were studied. Results indicated that nitrification rate was 11.3 mgNH4+-N/(L·h), the ammonia volume loading was 0.27 kgNH4+-N/(m³·d) under the filling rate of 40%, the nitrification performance was inhibited by organic substance, but the system showed a good nitrification rate of 9.72 mg NH4+-N/(L·h) when organics presented. NO2--N treatment exhibited little effect on the AOB activity but obvious effect on the NOB activity, the NOB activity was almost completely inhibited (only 1.63%) when NO2--N concentration was 400mg/L. According to the phosphorus uptake rate experiment under different electronic acceptors, the phosphorus uptake rate under oxygen and NO3--N was 17.62mg P/(g VSS·h) and 12.94mg P/(g VSS·h), respectively, anoxic phosphate accumulating organisms (PAOs) occupied 73.4% of the total PAOs, phosphorus uptake performance was inhibited when the NO2--N concentration was 30mg/L, and phosphorus uptake performance was inhibited when the NO2--N concentration was 15mg/L under the condition of NO2--N and NO3--N coexisted.

low C/N ratio；pre-A2NSBR process；nitrification；denitrifying phosphorus removal；NO2--N inhibition

X703.5

A

1000-6923(2019)11-4660-06

赵伟华(1988-),男,山东潍坊人,助理研究员,博士,主要从事污水处理及资源化技术研究.发表论文14篇.

2019-04-24

国家自然科学基金资助项目(51578014);北京市教委资助项目

* 责任作者, 教授, pyz@bjut.edu.cn