污水處理廠CANON工藝啟動策略

李 冬,趙世勛,王俊安,朱金鳳,關宏偉,張 杰,3

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污水處理廠CANON工藝啟動策略

李 冬1*,趙世勛1,王俊安2,朱金鳳1,關宏偉1,張 杰1,3

(1.北京工業大學水質科學與水環境恢復工程北京市重點實驗室,北京 100124；2.北京桑德環保集團技術研發中心,北京 101102；3.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150090)

在污水處理廠進行CANON工藝的小試研究,試驗比較了2種自養脫氮(CANON)濾柱的啟動策略:R1全部裝填成熟的厭氧氨氧化填料,接種亞硝化絮狀污泥啟動CANON生物濾柱;R2按2:1的質量比混合亞硝化和厭氧氨氧化填料后直接裝填啟動.R1和R2進水均為污水處理廠A/O工藝出水,水溫15~21℃,氨氮濃度為35~55mg/L.R1和R2分別用37d和19d使氨氮去除率穩定在95%左右.運行100d后,反應器出水幾乎不含氨氮,但由于硝化細菌(NOB)的增殖,R1和R2最大出水總氮為15.8,12.1mg/L.R1中NOB過量增殖更為嚴重,而R2出水長期滿足了國家一級A排放標準.混合濾料的啟動策略減少了2/3厭氧氨氧化濾料的使用量,加速了反應器的啟動,更好地抑制了硝化作用,實現氮素長期排放達標.

生活污水；濾柱；厭氧氨氧化；自養脫氮；填料

與傳統脫氮工藝相比,全程自養脫氮(CANON)工藝具有脫氮途徑短、節省曝氣、無需外加碳源、污泥產量少等優點[1],已成為目前最具前景的污水脫氮工藝[2].CANON工藝形式主要包括活性污泥工藝[3-4]、生物膜工藝[5]和顆粒污泥工藝[6]等,尤其是基于生物膜工藝的上向流CANON濾柱,由于其操作簡便,運行穩定,耐沖擊負荷強,去除負荷高,適合應用于污水處理廠[7-8].

國外污水處理廠通常采用接種功能菌啟動CANON工藝[9].厭氧氨氧化菌作為CANON工藝的功能菌,倍增時間長達14d[10],難于富集[11].針對CANON生物膜反應器,傳統的啟動策略是在厭氧氨氧化菌生物膜的基礎上,接種亞硝化細菌絮狀污泥,使2種菌耦合,完成自養脫氮.有研究指出,CANON工藝限速步驟是亞硝化[8],理論上只需要少量的厭氧氨氧化菌就可以啟動CANON工藝,基于此,本試驗提出了混合濾料的啟動策略,即按2:1的質量比混合裝填亞硝化和厭氧氨氧化填料后直接啟動CANON工藝,并以對傳統啟動策略和混合濾料啟動策略進行了比較.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗采用2個完全相同的上向流濾柱(圖1),分別記為R1和R2.反應器由有機玻璃制成,內徑8cm,承托層高5cm,濾料高80cm,有效容積為5L,內部裝填直徑5~10mm的火山巖填料,底部設有曝氣裝置,整個反應器外部用黑色塑料袋纏繞以避光.

圖1 反應器裝置示意

1.2 試驗用水和接種污泥

試驗進水為A/O除磷處理后的實際生活污水,整個運行過程溫度在15~21℃.其他水質指標如表1所示.

厭氧氨氧化濾料來自于運行穩定的上向流火山巖填料厭氧氨氧化濾柱,總氮去除率穩定在85%左右,總氮去除負荷在1.0kg/(m3·d),生物量為10mgMLSS/g濾料.

亞硝化濾料來自于30℃環境中運行的亞硝化濾池,反應器亞硝化率在85%以上,亞硝化容積負荷在0.6kg/(m3·d)左右,生物量為4mgMLSS/g濾料.

亞硝化絮狀污泥來自于推流式反應器,反應器高溫高氨氮運行,亞硝化率在90%以上,亞硝化污泥負荷為0.52kg/(kgMLSS·d).

表1 進水水質指標

1.3 試驗方法

傳統CANON濾柱的啟動在反應器R1中進行,R1裝填80cm成熟的厭氧氨氧化濾料.啟動CANON工藝時,接種6L亞硝化絮狀污泥,亞硝化絮狀污泥濃度為1840mg/L.

混合濾料的啟動在反應器R2中進行,按2:1的質量比取亞硝化和厭氧氨氧化濾柱濾料,混勻后放入反應器,濾料裝填高度為80cm,接種濾料2.18kg.

R1和R2接種采用的厭氧氨氧化濾料完全相同,R1和R2接種污泥質量為11.0g和8.72g,兩個反應器在各階段的運行參數相同,如表2所示.

表2 各階段反應器參數變化情況

1.4 化學分析方法及反應速率的測定

水樣分析中NH4+–N測定采用納氏試劑光度法,NO2－–N采用N–(1–萘基) 乙二胺光度法,NO3－–N采用紫外分光光度法,COD測定采用5B-3BCOD多參數快速測定儀,DO采用碘量法,pH和水溫通過WTW便攜測定儀測定,其余水質指標的分析方法均采用國標方法.

反應速率的測定:從反應器中取出濾料,刮下生物膜并解離,放入1L的燒杯.燒杯底部設置曝氣裝置,上方設置機械攪拌.分別測定短程硝化、硝化、厭氧氨氧化反應速率,代表AOB、NOB和ANAMMOX菌活性.測定反應速率時,基質中氨氮和亞氮濃度為50mg/L,投加840mg/L碳酸氫鈉使堿度與氨氮濃度為10:1.測定短程硝化和硝化反應速率時啟動曝氣裝置,使DO維持在2.0mg/L以上.測定厭氧氨氧化活性時,DO維持在0.3mg/L以下.

2 結果與討論

2.1 反應器啟動的比較

反應器啟動階段,R1和R2反應器接種了亞硝化細菌,為了減少DO對厭氧氨化菌的抑制以及抑制硝化細菌的活性,反應器在低DO條件下運行.研究表明,AOB的氧飽和常數為0.2~0.4mg/ L,NOB的氧飽和常數為1.2~1.5mg/L[12],同時,DO對厭氧氨氧化的抑制濃度低于0.5%空氣飽和度[13].因此試驗實時控制曝氣量,使得濾柱中部DO為0.3~0.8mg/L.

為了降低啟動階段污泥的流失,啟動初期采用較小的水力負荷,濾速為0.2m/h,出水收集并循環進水.循環進水3d后,保持其他參數不變,反應器改為連續流,進入S1階段.S1階段的第1d,R1和R2反應器出水清澈,SS小于10mg/L,幾乎沒有污泥的流失.

由圖2、圖3可見,S1階段R1和R2反應器氨氮去除率逐漸增加.第5d時,R1反應器總氮去除率僅為12.7%,而R2總氮去除率高達46.6%.相較于R1,R2在啟動階段初期就有著良好的氮素去除效果.R1和R2分別用37d和19d使氨氮去除率穩定在95%,總氮去除負荷大于0.25kg/ (m3·d).混合濾料啟動策略明顯縮短了反應器的啟動時間.

為了比較R1和R2反應器啟動階段性能,第10d對濾柱進行沿程分析,結果如圖4所示.R1和R2反應器受到進水高溶解氧影響,0~10cm的濾層中氨氮濃度下降較多,幾乎沒有總氮去除.同時,觀察到R1反應器的氮素去除主要發生在10~ 50cm的濾層中.而50~80cm濾層中DO處于較高水平,亞氮略有積累,氮素去除效果差.研究表明,厭氧氨氧化菌受DO抑制時,會表現出亞氮積累.反應器接種亞硝化絮狀污泥后循環進水啟動,雖然很大程度上避免了亞硝化菌的流失,但無法使亞硝化菌均勻分布在濾柱中[14].出水口端濾層的亞硝化細菌接種量低于中下端濾層.因此,50~ 80cm濾層中亞硝化細菌較少,消耗的溶解氧有限,導致該段濾層中DO過剩,對厭氧氨氧化菌的活性產生抑制作用,降低了氮素去除效果.

圖3 氨氮及總氮去除率

圖5表明,R2反應器10~80cm濾層都有著較好的氮素去除效果,DO處于較低水平.R2反應器單位高度濾層的氮素去除量大于R1,是厭氧氨氧化菌和亞硝化菌耦合效果良好的表現.Liu等[15]的研究表明,AOB和厭氧氨氧化菌分布對CANON工藝的啟動及運行有較大影響.混合濾料的啟動方式使得2種濾料交錯排布,AOB和厭氧氨氧化菌混合完全,一方面AOB消耗溶解氧,為厭氧氨氧化菌提供了厭氧的微環境,減輕了DO對厭氧氨氧化菌的抑制[16];另一方面,微環境中的AOB為厭氧氨氧化菌提供亞氮,傳質方便,厭氧氨氧化菌活性較高[17].

圖5 反應器特征比

2.2 高負荷運行的性能比較

在S2(49~127d)階段,為了提高反應器的處理負荷,在第49d將R1和R2的水力停留時間縮短為2h,進水基質濃度保持不變,進水氨氮負荷提高了1倍.在S2階段,調節曝氣量,維持濾柱中部DO濃度在0.3~0.5mg/L之間,避免硝化細菌的過量增殖.

從圖2、圖3中可以看出,突然縮短水力停留時間,導致R1和R2反應器氮素去除效果下降.但隨著反應器運行,出水氨氮、亞氮逐漸降低.第100d之后,R1和R2反應器出水幾乎不含氨氮和亞氮,氮素主要以硝氮的形式存在.R1平均出水總氮濃度為14.0mg/L,最高出水總氮為15.8mg/L. R2平均出水總氮濃度為9.7mg/L,最高出水總氮為12.1mg/L,R2的出水滿足國家一級A的氮素指標要求.

為了研究硝化細菌的活性,引入特征比這一參數.根據CANON工藝的生化反應方程式(4)[18],總氮去除量與硝氮增量比應為8,該比值稱為特征比.如果NOB大量增殖,則特征比會降低[19-20],兩個反應器特征比如圖5所示.

圖6 氮素及DO沿程變化

由圖5可見,隨著反應器的運行,R1和R2特征比均明顯下降.第117~127d,R1平均特征比為2.70,R2平均特征比為4.91,均明顯小于8,表明NOB已大量增殖.R1特征比低于R2,表明R1中NOB增殖更為嚴重.雖然S2階段,通過實時調控曝氣量,使得反應器中部DO在0.3~0.5mg/L之間,但由于進水氨氮濃度低、水溫低,難以對NOB產生抑制[21-22].為具體比較R1和R2反應器內部的氮素變化及NOB活性,第125d對濾柱進行沿程分析,結果如圖6所示.

R1和R2反應器中,10cm高度的濾層中DO濃度已降到0.5mg/L以下,且氮損明顯,表明該段濾層中亞硝化和厭氧氨氧化作用較強.60~80cm濾層中氮損較小,而硝氮濃度顯著增加,是硝化作用強的表現.相對于采用混合濾料策略啟動的R2反應器,R1中60~80cm濾層中硝氮增加更為明顯.結合S1階段第5d的沿程變化,分析其原因,可能是R1反應器接種亞硝化絮狀污泥啟動CANON工藝,60~80cm濾層靠近出水口,截留的絮狀污泥有限.S1階段初期,60~80cm濾層亞硝化作用較弱,溶解氧過剩,濾層處于延時曝氣階段.研究表明,高DO會導致CANON工藝中硝化細菌大量增殖增殖[23-24].因此在S2階段,該段濾層硝化作用較強,硝酸鹽含量明顯增加.R2反應器采用混合濾料的啟動策略,亞硝化濾料均勻分布在濾柱中.S1啟動階段60~80cm濾層中亞硝化作用較強,DO處于較低水平,不利于反硝化菌的生長.S2階段60~80cm濾層硝化作用較弱,出水硝氮濃度低.混合濾料的啟動策略有利于降低出水硝氮濃度,提高反應器總氮去除率.

2.3 生物學特性研究

為了比較S1和S2階段反應器中AOB和厭氧氨氧化菌的活性以及NOB被抑制的程度,每次取等量距底部10,30,50,70cm的濾料,測定濾料表面平均生物生物量以及微生物反應速率,微生物反應速率測定3次取平均值,結果如圖7所示.

第10d時,R1和R2生物量分別為14,9mg MLSS/g濾料.R1生物量較大是由于啟動時接種了大量厭氧氨氧化填料和亞硝化絮狀污泥的原因.第127d時,R1和R2生物量為28,26mgMLSS/g濾料,1#和2#反應器生物量差距明顯縮小.采用混合濾料的啟動策略,有利于加速微生物的生長.

R1和R2在第10d時的厭氧氨氧化速率為8.9,7.2kg/(kgMLSS·d).反應器啟動時,R1接種的厭氧氨氧化濾料是R2的3倍, R1中厭氧氨氧化速率高是接種了大量厭氧氨氧化菌的結果.到第127d時,R2和R1的厭氧氨氧化速率基本相同,表明兩種啟動策略對污泥厭氧氨氧化反應速率的含量影響不大.

表3 第127d硝化速率測定結果[kg/(kgMLSS·d)]

表4 硝化速率顯著性分析

隨著反應器的運行,R1和R2的硝化速率逐漸增加,與反應器出水硝氮濃度增加相符.第10d時,R1和R2污泥硝化速率為0.10,0.15kg/ (kgMLSS·d).R1和R2在啟動時,接種污泥的亞硝化率為90%和85%,R1的AOB純度高于R2,因此第10d時,R1污泥的硝化速率較低.

第127d反應器硝化速率測定結果如表3所示.對1#和2#反應器硝化速率進行顯著性檢驗,采用方差齊性檢驗(F檢驗)方法,同時將反應器啟動策略造成的影響定義為因素A.F檢驗的計算結果如表4所示.F0.005(1,4)為31.33,而本試驗測得的F值為158.17,遠大于F0.005(1,4).在統計學的角度上,有99.5%的可能認為R1和R2反應器的硝化速率具有顯著差異.

3 結論

3.1 在常溫低氨氮條件下,按2:1的質量比混合亞硝化和厭氧氨氧化填料后裝填濾柱.濾速為0.2m/h,DO控制在0.3~0.8mg/L.第19d時氨氮去除率達到95%以上,厭氧氨氧化反應器啟動成功,混合濾料的啟動策略縮短了反應器的啟動時間.

3.2 反應器運行的第100~127d,R1和R2濾柱出水氨氮濃度小于3mg/L,最大出水總氮為15.8mg/ L和12.1mg/L.R2反應器出水氮素滿足國家一級A氮素排放標準,混合濾料的啟動策略提高了總氮去除率.

3.3 常溫低氨氮條件下,CANON濾柱中的硝化細菌難以抑制,采用混合濾料的啟動方式一定程度上抑制了硝化作用,降低了出水硝氮濃度.

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致謝：本實驗的環境條件由北京市石景山區京禹石水務有限公司協助完成,在此表示感謝.

Startup strategies of CANON process in wastewater treatment plant.

LI Dong1*, ZHAO Shi-xun1, WANG Jun-an2, ZHU Jin-feng1, GUAN Hong-wei1, ZHANG Jie1,3

(1.Key Laboratory of Beijing Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2.Technology Research and Development Center, Beijing Sander Environmental Group, Beijing 101102, China；3.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)., 2017,37(11)：4125~4131

Lab-scale completely autotrophic nitrogen removal over nitrite (CANON) process was operated in Municipal Waste Water Treatment Plant (WWTP). The tests leading to two started strategies of CANON filter, R1was filled with filler with matured ANAMMOX bacteria and inoculated nitrite flocculent sludge, R2 started with mixing nitrification filter and anaerobic ammonium oxidation filter with weight ratio of 2:1. The inlet water of R1 and R2 was domestic sewerage after the A/O phosphorus removal treatment and keeping the temperature between 15~21degree and ammonia nitrogen concentration within 35~55mg/L. The R1 and R2 made use of 37d and 19d to keep ammonia removal rate stable at 95%. After operated 100d, the effluent of reactor almost did not contain ammonia and the maximum effluent total nitrogen concentrationof R1and R2 was 15.8mg/L and 12.1mg/L because of excessive proliferation of NOB. Specially the more worse of R1, and effluent of R2 metthe first level A emission standards. The start-up strategy of mixed media reduced two thirds of the amount used in the anaerobic ammonium oxidation filter media, accelerated the start-up of the reactor, inhibited the activity of nitrite oxidation better, and achieved the long-term nitrogen emission standards.

domestic wastewater；filter；ANAMMOX；CANON；filter media

X703.5

A

1000-6923(2017)11-4125-07

李 冬(1976-),女,遼寧丹東人,教授,博士,主要研究方向為水質科學與水環境恢復關鍵技術.發表論文160余篇.

2017-04-30

北京市青年拔尖團隊項目

* 責任作者, 教授, lidong2006@bjut.edu.cn