城市污水廠(chǎng)部分反硝化濾池啟動(dòng)及運行

摘要：采用生物濾池探究部分反硝化(NO3--N 還原到 NO2--N)工藝應用于城市污水廠(chǎng)深度脫氮的可行性.以實(shí)際二級出水為進(jìn)水,考察濾速、碳氮比(C/N)等影響因素對濾池快速啟動(dòng)及穩定運行的影響,分析了濾池沿程水質(zhì)變化和系統微生物群落結構.結果表明,控制高濾速和低C/N,3d可實(shí)現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 82.1%,成功構建了連續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 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%.沿程數據表明底部 40cm 的濾料層是部分反硝化濾池 NO3--N 去除和 NO2--N 累積的主要反應區域.由于采用實(shí)際水廠(chǎng)二級出水進(jìn)行研究,掃描電鏡和高通量測序結果表明存在多種具有反硝化功能的微生物,系統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；二級出水

隨著(zhù)污水排放標準的不斷提高,城市污水處理廠(chǎng)出水氨氮及總氮難以實(shí)現穩定的達標排放,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)引起嚴重的膜污染等問(wèn)題,導致部分工藝不能穩定運行。二級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 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).基于此提出應用于深度脫氮的部分反硝化耦合厭氧氨氧化二級濾池的工藝路線(xiàn).該工藝理論上可節省 79%的碳源,氨氮可來(lái)源于二級生物處理剩余氨氮或者引入部分初沉池原水,可節省曝氣成本;其次,厭氧氨氧化菌為自養菌,污泥產(chǎn)量低,對后續膜處理工藝影響小,該工藝的開(kāi)發(fā)及應用將大幅降低建設投資費用及運行費用.

Ji 等實(shí)現了高 NO2--N 積累的部分反硝化工藝,長(cháng)期運行 NO2--N 積累率大于 80%;王維奇等研究了 SBR 系統中不同馴化方式對 NO2--N 積累的影響;Cao 等[11]和 Li 等甚至實(shí)現了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為主,且多采用序批式運行的 SBR 反應器,更偏重初步的可行性研究和機理探索,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(chǎng)實(shí)際二級出水為進(jìn)水,采用連續流的濾池反應器,進(jìn)行部分反硝化工藝的啟動(dòng)與運行,并探究濾速及 C/N 對該工藝部分反硝化的影響,系統地分析反應器內的水質(zhì)變化特性和NO2--N積累特性,并對其中的微生物結構進(jìn)行了觀(guān)察和分析.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

部分反硝化所用的濾池裝置由有機玻璃制成,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、20cm 承托層、120cm 濾料層、60cm 清水區,承托層由鵝卵石構成,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(chǎng)反硝化濾池的余料.

濾池采用底部進(jìn)水頂部出水的運行模式,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.濾池反沖洗采用氣沖-氣水沖-水沖的方式,配有反沖洗水泵、空壓機及流量計.

1.2 試驗用水和接種污泥

部分反硝化濾池采用自然掛膜法,未接種污泥.本試驗直接采用北京某再生水廠(chǎng)二級出水作為進(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,根據試驗需要進(jìn)行不同濃度的添加.

1.3 試驗方法

模擬工藝實(shí)際運行工況,進(jìn)水 DO 和溫度不做控制.本試驗設置高濃度低流量(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和濾速對部分反硝化濾池的影響試驗,控制濾速不變,分別設置不同的C/N(2,2.5,3,3.5),觀(guān)察 C/N 對部分反硝化的影響;控制 C/N 不變,設置 3 組濾速條件(2,4,5m/h),考察濾速對部分反硝化濾池的影響.NO3--N 到 NO2--N 轉化率(NTR)即亞硝態(tài)氮累積率,是指系統內去除的 NO3--N 轉化為 NO2--N的比例,試驗裝置為連續流反應器,NTR的計算方法為:

1.4 分析方法

樣品水質(zhì)指標檢測按照國家標準方法進(jìn)行.NO3--N 和 NO2--N 采用離子色譜法測試,SCOD 采用哈希快速測定試劑檢測.

生物樣品的測試包括掃描電鏡和高通量測序.采用 SU8020 日本日立(Hitachi)掃描電鏡進(jìn)行觀(guān)察,預處理方法參照文獻;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)低溫干燥凍干機干燥后,用于高通量測序分析.在上海美吉生物醫藥科技有限公司的I-Sanger云平臺進(jìn)行數據的處理和分析.

2 結果與討論

2.1 部分反硝化濾池啟動(dòng)與運行

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(chǎng)二級出水攜帶的微生物在濾料上附著(zhù),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(cháng),初期出現穩定的 NO2--N 積累,系統積累的最高 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.運行 2 個(gè)周期后提高濾速觀(guān)察,仍未有明顯的NO2--N 積累出現.出現 NO2--N 積累是反硝化濾池掛膜啟動(dòng)階段較常出現的現象,然后隨著(zhù)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 NO2--N的穩定積累說(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定運行

長(cháng)期運行結果如圖 2,120d 平均 NO2-N 累積率為 60.3%,最高達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,成功構建了生物膜系統高 NO2--N 積累的部分反硝化工藝.在實(shí)際項目中,會(huì )遇到檢修、設備故障等一些了突發(fā)事故等,導致工藝停止運行的情況.在試驗進(jìn)行 100d 左右,停止運行 10d 后重新啟動(dòng)反應器,結果發(fā)現 1d 即可恢復至原有部分反硝化效果,說(shuō)明該工藝相對穩定,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 濾速對部分反硝化濾池的影響

濾速是濾池運行的關(guān)鍵參數,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度的水利剪切作用也會(huì )影響濾料生物膜的形成、結構及穩定性等,從而導致不同的運行效果.圖 3(a)為濾池在 C/N=2時(shí)3種濾速條件下(2,4,5m/h)運行結果.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)行不同濾速的對比試驗.結果發(fā)現提高 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弱.C/N 較高時(shí)濾速對NO2--N 積累的影響變弱。

2.2.2 C/N 對部分反硝化濾池的影響

文獻表明,C/N 對部分反硝化過(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 C/N 波動(dòng)對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%,但是區別并不明顯.當濾速為 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),在本文的試驗條件下,濾速不變,C/N在 2~4 范圍內波動(dòng)部分反硝化濾池的 NO2--N 積累特性基本維持不變.與 Du[23]研究結果一致.

在連續流濾池工藝中,C/N 范圍為 2~4,部分反硝化濾池的 NO2--N 累積率維持在 62%,具備穩定可靠的突出優(yōu)點(diǎn).其部分反硝化功能維持穩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)化生物膜結構和功能,因此在不利于 NO2--N 積累的濾速條件下(2m/h)也能穩定的維持 60%的NO2--N 累積率.

2.3 部分反硝化濾池沿程水質(zhì)變化

在運行的第 155d,濾速為 4m/h,C/N=3 的條件下取沿程水樣分析,結果如圖 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(zhù)反應的進(jìn)行,DO 逐漸降低,底部 40cm DO<1mg/L,過(guò)高的 DO 對部分反硝化不利,的 DO 對部分反硝化不利,進(jìn)水的 SCOD 部分被用來(lái)消除這部分 DO 以營(yíng)造部分反硝化所需要的缺氧環(huán)境,剩余的 SCOD 用于進(jìn)行硝酸鹽的還原.不同高度濾料層對 NO3--N 降解的占比和對NO2--N 積累的占比分布,結果如圖 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區域.其原因主要是濾池反應器為推流式反應器,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)變少導致濾料上層生物生長(cháng)速率低,反應活性也較低.對底部 40cm 處的出水進(jìn)行長(cháng)期監測,結果如圖 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,當底部微生物出現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計提供參考.

2.4 生物膜形貌觀(guān)察和群落結構

2.4.1 生物膜表面形貌結構

取反應器裝填的空白濾料和運行 110d 后的濾料進(jìn)行掃描電鏡觀(guān)察,如圖 7 所示.濾料為陶瓷顆粒,表面粗糙且為多孔結構,有利于微生物附著(zhù)形成生物膜.穩定運行一段時(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 生物群落結構

取穩定運行階段底部的濾料表面生物膜進(jìn)行高通量測序分析.門(mén)水平主要以變形菌門(mén)為優(yōu)勢菌門(mén),而大多數的反硝化菌都屬于變形菌門(mén).此外還包括擬桿菌門(mén)、綠彎菌門(mén)、酸桿菌門(mén)等.圖 8 給出了樣品在屬水平上的物種相對豐度.

由于進(jìn)水采用實(shí)際二級出水,挾帶多種微生物,反應器內微生物多樣性較高.系統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(mén)中的一類(lèi)革蘭氏陰性細菌,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積累的系統中被發(fā)現,可能與系統中 NO2--N 積累相關(guān).此外,Dechloromonas(6.49%)是隸屬于 Proteobacteria菌門(mén)的可降解芳香族化合物的反硝化菌,已知其內含有反硝化除磷菌群,可能是隨二沉池進(jìn)入反應器并進(jìn)行富集.Comamonadaceae(4.88%)是一類(lèi)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(chǎng)常見(jiàn)的反硝化微生物,與菌膠團的形成有密切關(guān)系,在生物膜形成階段,對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 結論

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

3.2 高濾速有利于 NO2--N,的累積,但隨著(zhù) 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 累積的主要反應區域.

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)現調控各微生物之間相互作用來(lái)維持系統穩定的高NO2--N積累特性.