實際垃圾滲濾液短程生物脫氮的常溫實現及低溫維持

孫洪偉,郭 英,彭永臻,謝紅剛 (.蘭州交通大學環境與市政工程學院,甘肅 蘭州 70070；.北京工業大學北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室,北京 004；.大連市市政設計研究院有限責任公司,遼寧 大連 60)

實際垃圾滲濾液短程生物脫氮的常溫實現及低溫維持

孫洪偉1,2*,郭 英1,彭永臻2,謝紅剛3(1.蘭州交通大學環境與市政工程學院,甘肅 蘭州 730070；2.北京工業大學北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室,北京 100124；3.大連市市政設計研究院有限責任公司,遼寧 大連 116011)

采用單級UASB-SBR生化系統處理實際垃圾滲濾液,主要考察了常、低溫條件下,該生化系統短程生物脫氮的長期穩定性,同時研究了SBR內短程硝化的實現機理及微生物種群特性.598d試驗結果表明:單級UASB-SBR生化系統對滲濾液內COD,NH4+-N和TN的去除率分別為92.0%,99.2%和98.0%以上,實現滲濾液內有機物和氮的深度去除.經過116d運行,SBR系統實現了短程硝化,亞硝積累率(NAR)達到90%以上,此后穩定運行,成功跨越2個冬季,15℃以下共計171d,最低溫度為10.2℃.游離氨(FA)和過程控制的協同作用是實現與維持SBR內短程硝化的決定因素.熒光原位雜交(FISH)技術檢測表明:氨氧化菌(AOB)已經成為 SBR硝化菌群中的優勢菌屬.掃描電子顯微鏡(SEM)檢測表明:AOB菌屬以活橢球狀亞硝化球菌屬(Nitrosococcus)和桿狀亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)為主.

垃圾滲濾液；短程硝化；AOB和NOB；FISH和SEM

在處理含高濃度有機物和高氨氮垃圾滲濾液時,通常采用“厭氧生物-好氧生物”組合工藝.其原因在于:厭氧生物法由于具有能耗低,污泥產量少,有機負荷高以及產生可利用資源(沼氣)等優勢,因此可作為預處理工藝去除滲濾液內的有機物[1-2].后續采用反應推動力大、運行方式靈活、脫氮效果好等優點的SBR工藝,可實現氮的深度去除.

Voets等[3]處理高氨氮濃度廢水研究中首次提出了短程生物脫氮技術以后,該技術迅速成為國內外研究熱點.與全程生物脫氮相比,具有以下優點:可節約 25%左右的需氧量,降低能耗;減少約 40%的有機碳源;反硝化速率可提高約63%左右;污泥產量減少 50%;反應器容積減少30%～40%左右[4-5].短程硝化的實現方法較多,主要包括溫度、pH值、游離氨(FA)、溶解氧(DO)、過程控制、污泥齡(SRT)和投加抑制劑等,這些方法基本是利用氨氧化菌(AOB)和亞硝化酸鹽氧化菌(NOB)的生理特性差異,人為控制有利于AOB增殖的環境條件,從而抑制 NOB增殖或活性[5].

溫度是影響短程硝化的重要因素之一,不同學者研究獲得實現短程硝化的溫度也不盡相同.Balmelle等[6]認為實現短程硝化的最佳溫度為 25℃.Hyungseok等[7]發現實現短程硝化的最佳溫度為22～27℃.高景峰等[8]研究表明28～29℃是實現穩定短程生物脫氮的臨界溫度.Hellinga等[9]對SHARON工藝評價認為:在35℃的條件下易于實現短程硝化.

本試驗采用單級UASB-SBR工藝處理實際垃圾滲濾液,考察SBR系統內短程硝化的長期穩定性;建立低溫條件下SBR系統實現并維持短程硝化的途徑及方法;基于熒光原位雜交(FISH)技術和掃描電子顯微鏡(SEM)對硝化菌群特性進行分析.

1 材料與方法

1.1 試驗水質及接種污泥

試驗所用垃圾滲濾液取自北京六里屯垃圾填埋場,水質特征:COD 1038～13813mg/L;TN 1065～2500mg/L;NH4+-N 890～2360mg/L;堿度5000～11000mg/L.

UASB接種的厭氧顆粒污泥,取某啤酒污水處理廠.SBR接種污泥取自本實驗室處理生活污水氧化溝內活性污泥.

1.2 試驗裝置及運行方式

單級UASB-SBR生化系統試驗裝置如圖1所示.原水水箱由不銹鋼制成,容積為 50L.UASB反應器的材質為有機玻璃,有效容積為 1.5L.SBR反應器由有機玻璃構成,有效容積為 12L,采用鼓風曝氣,SBR在室溫下運行.滲濾液從原水水箱與回流的SBR硝化出水一起進入UASB反應器.經UASB處理的滲濾液進入SBR,完成硝化-反硝化反應及殘余有機物的去除.為了達到充分利用原水的有機碳源及對原水進行稀釋 2個目的.SBR采用兩種模式交替運行:模式 A:靜態進水→曝氣反應→靜沉→上清液回流.模式 B:靜態進水→曝氣反應→缺氧攪拌(投加碳源,甲醇)→靜沉、排水.對于A和B兩種運行模式,其運行方式和條件相同.模式A在硝化結束后停止曝氣,硝化液回流,在UASB反應器內完成反硝化脫氮.模式 B進行硝化和反硝化過程,實現氮的去除.

圖1 單級UASB-SBR生化系統示意Fig.1 Schematic diagram of the first-stage UASB-SBR biological system

1.3 試驗運行條件

試驗共運行598d,分3個階段,階段1為全程生物脫氮階段,階段 2短程生物脫氮實現階段,階段3為穩定短程生物脫氮階段.SBR運行參數:進水:2min,曝氣和缺氧攪拌反應時間采用 DO, ORP,pH 儀實時控制,靜沉、硝化上清液回流: 30min,靜沉、排水:30min.溶解氧(DO)濃度為1.0～2.5mg/L.污泥濃度(MLSS):2500mg/L,污泥齡(SRT):30d,溫度:10.2～32.1℃.UASB 運行參數為:HRT:1d, MLSS:20g/L,SRT:40d.進入UASB的原水和消化液的比例是 1:3,硝化液在原水水箱內的停留時間為24h.

1.4 分析方法

NH4+-N,NO3--N,N-N,COD等水質指標均采用國家規定的標準方法[10].TN采用TN/TOC分析儀(Multi N/C3000,德國耶拿)測定.采用WTW測定儀(pH /Oxi340i,德國WTW)及相應探針監測液相內DO, ORP, pH值.

FISH分析按照Amann 1995年提出的方法進行[11],采用的寡核苷酸探針列于表 1.其中, EUBmix為廣譜探針,用于標記全菌.而Nso1225為特異性探針,用于標記 AOB菌屬,NIT3和Ntspa662為特異性探針,分別用于標記 NOB菌屬中的硝化桿菌(Nitrobacter)和硝化螺菌(Nitrospira).

表1 FISH分析中采用的寡核苷酸探針Table 1 16S rRNA-targeted oligonucleotide probes used

SEM分析按照王曉蓮等[12]提供的方法進行.取出污泥樣品,清洗后,經 2%～5%戊二醛固定1.5h 后,用磷酸緩沖液清洗 3遍,隨后經 50%、70%、80%、90%和 100%乙醇脫水,最后用乙酸異戊酯置換,干燥后,在樣品表面鍍上一層1500nm厚度的金屬膜,采用掃描電鏡(HIT ACHI S-4300型,日本)進行觀察.污泥樣品采用奧林巴斯BX-51及C24040ZOOM數碼相機進行微生物相觀察.

2 結果與討論

2.1 有機物和氮去除的長期穩定性

表 2為有機物和氮在系統內的長期去除特性.598d試驗表明,有機物和氮在UASB-SBR生化系統內實現了穩定的去除.COD在UASB反應器內去除由厭氧產甲烷和缺氧反硝化 2種生化反應共同完成.UASB出水有機物在SBR反應器中通過好氧生物作用(SBR好氧段)實現進一步去除. 由表2可看出,UASB和SBR對系統有機物去除貢獻的大小分別為 78.2%和 13.8%,整個生化系統獲得了 92.0%的有機物去除率,實現了深度去除.

對于滲濾液內氨氮,UASB反應器的去除率為 70.1%左右,這部分氨氮不是由于生物降解作用真正被去除,而是由于SBR硝化液回流的稀釋作用.借助于SBR的硝化作用實現氮形態的轉化(NH4+-N→NOx--N),氨氮被去除.對于氧化態氮,通過UASB及SBR缺氧段的反硝化作用被轉化成氮氣,從系統中逸出,實現了總氮的去除. UASB-SBR生化系統對NH4+-N和TN的去除率分別為99.2%和98.0%,出水NH4+-N和TN平均值分別低于10mg/L和35mg/L,獲得了較高的氮去除率,實現了深度脫氮.

2.2 SBR系統短程硝化的實現及穩定

游離氨(FA)的計算公式如下[13]:

式中:FA為游離氨濃度,mg/L;NH4+-N為氨氮濃度,mg/L;T為溫度,℃.

亞硝態氮積累率(NAR)的計算公式為:

表2 單級UASB-SBR生化系統對有機物和氮的長期去除特性Table 2 The long-term removal of organic and nitrogen in single UASB-SBR biological system

圖2 SBR內NAR,NO3--N,NO2--N,FA和溫度的變化規律Fig.2 Variations of NAR, NO3--N, NO2--N, FA and T in SBR during the experimental period

圖2為SBR系統內NAR, NO3--N, NO2--N, FA和溫度隨時間的變化規律.由圖2a可看出,在階段 1,SBR硝化結束時,出水以 NO3--N 為主, NO2--N濃度較低, NAR平均值為4.5%左右,為全程生物脫氮階段.在階段 2,隨著運行時間的增加,SBR硝化結束時 NO3--N 濃度逐漸降低, NO2--N濃度逐漸增加,導致NAR迅速上升,從第91d的36.4%升至第116d時的95.5%,為短程硝化實現過程.在階段 3,SBR硝化結束時出水NO3--N濃度介于0.3～29.5mg/L范圍內, 平均值為6.1mg/L,NO2--N濃度介于56.5～165.6mg/L之間,平均值為105.2mg/L,SBR內NAR穩定維持在90%以上,為穩定短程生物脫氮過程.

本試驗過程,短程生物脫氮是基于SBR內較高FA抑制NOB活性來實現的.從圖2b可看出,在階段 1,SBR硝化開始時,FA濃度平均值為3.0mg/L,處于較低水平,并未對NOB活性產生抑制作用.從階段 2開始,隨著溫度的逐漸升高,FA濃度逐漸增加,介于5.9～54.6mg/L范圍內,平均值為23.6mg/L左右,因此對NOB活性產生強烈抑制作用,導致出水NO3--N濃度降低和N-N濃度升高,從而實現了亞硝態氮累積.

需要指出的是,在階段3,當SBR反應器在低溫條件下運行時,短程硝化未被破壞,NAR仍然維持在90%以上,并成功跨越2個冬季,15℃以下共計 171d,最低溫度為 10.2℃.這主要是由于UASB和SBR系統內充分的反硝化為SBR硝化過程提供了充足的堿度,獲得了較高 pH值水平(通常情況下8.5左右),使FA濃度維持在10mg/L左右,保持了對NOB的抑制作用.

2.3 SBR系統短程硝化實現并穩定維持機理

圖3為SBR系統一個典型周期內氮,COD, FA,DO,ORP和pH值的變化規律.硝化開始時,FA濃度為18.8mg/L,在硝化過程中,由于NH4+-N濃度和pH值不斷下降,導致FA濃度不斷降低,硝化終點FA濃度僅為0.21mg/L.可見,隨著硝化反應不斷進行,FA對NOB的抑制作用逐漸減弱.在硝化終點時,FA從完全抑制NOB的活性到逐步演變為減緩NO2--N氧化的速率.因此,如果不能準確把握硝化終點,過曝氣會導致系統長期在低FA條件下運行,FA可能逐漸失去對NOB活性的抑制作用,NO2--N進一步被NOB氧化為NO3--N,從而難于實現穩定短程硝化.過度曝氣易引起短程硝化向全程硝化轉變,采用過程控制,可避免過度曝氣現象的發生,從而實現穩定、持久的短程硝化.SBR短程硝化反硝化過程中,DO,ORP和pH值曲線上出現4個特征點,分別是硝化結束時DO突躍點、氨谷、反硝化結束時亞硝酸鹽膝和亞硝酸鹽肘.

圖3 氮,COD,FA,DO,ORP和pH值在SBR內的變化規律Fig.3 Typical variations of nitrogen, COD, FA, DO, ORP and pH during nitritation and denitritation

過程控制是實現SBR工藝短程硝化一種有效手段[14].這主要是由于反應過程中,過程控制參數的變化與有機物降解、氨氧化之間存在著很好的相關性.據此可判斷硝化和反硝化反應的終點,從而減少曝氣和攪拌時間,并達到節能目的.對于高氨氮廢水,FA對硝化菌具有強烈的抑制作用,相對于AOB,NOB對FA更敏感,因此,充分利用滲濾液內較高FA對NOB的抑制作用,輔以程控制,準確把握硝化終點,可避免過曝氣為NOB的生長創造有力條件,使AOB成為系統內的優勢菌屬,實現了硝化菌種群的優化,進而在低溫條件下,維持了穩定的短程硝化.

2.4 SBR反應器內微生物種群特性

圖4為FISH技術對SBR系統內AOB和NOB的分析結果.當SBR運行至第345天,取活性污泥進行分析.結果表明,SBR內硝化菌群中AOB占生物量的3.8%.NOB小于0.2%.AOB相比于 NOB已成為明顯的優勢菌群.本試驗采用的 FA抑制輔以過程控制的運行策略,可優化SBR系統微生物種群,這是SBR系統獲得持久、穩定的短程硝化的本質因素.此外,本試驗獲得的AOB在活性污泥中所占的比例與Peng等[1]的研究結果相類似(比例為4%),高于Yang等[14]獲得的研究結果(比例為3%).

圖4 第345d SBR系統內硝化菌群FISH分析Fig.4 FISH analysis of nitrifying bacteria in SBR reactor on 345 day

圖5為SBR系統運行至第345d,取活性污泥樣品進行 SEM分析.結果表明,活性污泥系統中以橢球狀菌[約為(0.55×0.66)μm～(0.66×0.95)μm]和桿狀菌(約為 0.35μm～2.0μm)為主.結合上述FISH分析可知,SBR系統優勢硝化菌屬AOB,以亞硝化球菌屬(Nitrosococcus)和亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)為主.

圖5 第345d SBR系統內微生物種群SEM分析Fig.5 SEM analysis of nitrifying bacteria in SBR on 345 day

3 結論

3.1 單級 UASB-SBR生化系統可實現了有機物和氮的深度去除.COD、NH4+-N和TN的去除率分別為92.0%,99.2%和98.0%,出水NH4+-N和TN的平均值分別低于10mg/L和35mg/L,實現了深度脫氮.

3.2 在常溫條件下,SBR實現短程硝化,在低溫條件得到穩定維持,亞硝態氮積累率維持在 90%以上,成功跨越 2個冬季,15℃以下共計 171d,最低溫度為10.2℃.

3.3 基于FA協同過程控制,可實現并維持SBR穩定的短程硝化,并優化微生物菌群.AOB成為優勢菌屬,以亞硝化球菌屬(Nitrosococcu)和亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)為主.

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The achievement of partial nitrification and denitrification at normal temperature and maintenance at low temperature for real landfill leachate.

SUN Hong-wei1,2*, GUO Ying1, PENG Yong-zhen2, XIE Hong-gang3(1.School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China；2.Key Laboratory of Beijing Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；3.Dalian Municipal Design and Research Institute Co., Ltd, Dalian 116011, China). China Environmental Science, 2013,33(11)：1972～1977

The landfill leachate treatment was investigated by using an UASB-SBR biological system. The long-term stability of nitrogen removal via nitrite at normal and low temperature was studied. Furthermore, the achievement mechanism of partial nitrification and characteristic of nitrifying bacteria were investigated in SBR. 598days experimental result showed that the removal efficiencies of COD, NH4+-N and TN reached 92.0%, 99.2% and 98.0%, respectively. The advanced nitrogen removal was achieved in the system. Partial nitrification was achieved after 116days operation in SBR, and nitrite accumulation ratio (NAR) reached above 90%. The higher NAR was maintained for 171days at low 15℃ and the lowest temperature of 10.2℃ during two winters. The effect of free ammonia (FA) inhibition and process control was used to achieve nitrite pathway in the SBR. The ammonia oxidizing bacteria (AOB) was dominant by fluorescence in situ hybridization (FISH) techniques analysis, and the spherical Nitrosococcus and rod-shaped Nitrosomonas were dominant in ammonia oxidizing bacteria by scanning electron microscope (SEM) techniques analysis.

landfill leachate；partial nitrification；AOB and NOB；FISH and SEM

2013-03-29

國家自然科學基金資助項目(51168028);甘肅省青年基金計劃項目(1107RJYA279);蘭州交通大學大學生實驗創新計劃項目(201078)

* 責任作者, 副教授, shw@emails.bjut.edu.cn

X703.1

A

1000-6923(2013)11-1972-06

孫洪偉(1976-),男,黑龍江齊齊哈爾人,副教授,博士,主要從事高氨氮污水生物脫氮及過程控制研究.發表論文30余篇.