脉冲式流量波动对厌氧氨氧化UASB反应器的影响

高梦佳,王淑莹*,王衫允,彭永臻,贾方旭



脉冲式流量波动对厌氧氨氧化UASB反应器的影响

高梦佳1,王淑莹1*,王衫允2,彭永臻1,贾方旭1

(1.北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京 100124；2.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150090)

通过试验模拟不同幅度、不同频率的脉冲式进水流量波动,研究脉冲式流量波动对已稳定运行的厌氧氨氧化UASB反应器性能的冲击影响.结果表明,在脉冲波动幅度小于60mL/min(上升流速1.33cm/min)范围内,厌氧氨氧化UASB反应器表现出良好的适应性和承受力,甚至对于高频率的波动冲击,出水也可达到一级A标准,NH4+-N和NO2--N去除率都基本维持在80%以上,总氮去除率维持在70%以上.而当脉冲的波动幅度为100mL/min(上升流速2.22cm/min)时,则UASB反应器的出水水质波动性大,随着波动频率的增大,反应器的适应时间增长,一直到波动频率为1.5h时,反应器出水NH4+-N和NO2--N浓度难以稳定在5mg/L以下.随着波动幅度由40mL/min增大到60,100mL/min,反应器内污泥中厌氧氨氧化菌的丰度值和厌氧氨氧化菌占全细菌的百分含量均呈现先增多后减少的趋势,在波动幅度为60mL/min时均为最大,可能是由于此时污泥和基质的混合与接触更为高效,氮去除效率高,更有利于厌氧氨氧化菌的生长.

流量波动；脉冲幅度；脉冲频率；厌氧氨氧化；UASB

厌氧氨氧化反应改变了传统的生物脱氮方 式[1],厌氧氨氧化反应是缺氧反应,不需曝气,节约能源[2-3],是自养反应,不需碳源,节约碳源[4-5],适合于C/N较低的废水[6-7],同时节省废水处理费用[8].厌氧氨氧化菌生长缓慢,UASB反应器有利于厌氧氨氧化污泥颗粒化,提高污泥的沉降性 能[9],达到污泥的有效持留[10],对厌氧氨氧化污泥的培养比较有利.

污水处理厂实际运营期间,上游来水水量波动大,会存在高峰和低谷[11-12].我国北方地区降雨集中在7、8月份,集中的降雨对污水处理厂造成了很大的压力[13],在降雨集中时污水厂水量会超过蓄水池容量,使生物处理系统进水量瞬时增加.每天产生的污水量存在时间上的波动[12],虽然污水厂可设调节池,但这会增加建筑费用[14],并且在水量波动过大时会超出调节池的调节容量.Jin等[15]研究了厌氧氨氧化的厌氧折流板反应器对短暂冲击负荷的适应情况,Yuya等[16]探究了自养型氮去除系统在水力负荷增加条件下的稳定性,Yu等[11]研究了短暂高进水流速对厌氧氨氧化反应器的影响,葛世建等[17]考察了改良UCT分段进水工艺抗脉冲式水量冲击的能力,但目前关于脉冲式流量波动对厌氧氨氧化UASB工艺影响的相关研究尚少.本试验采用脉冲进水方式,模拟城市污水厂实际进水的流量波动,研究厌氧氨氧化UASB反应器对流量波动的适应情况,为厌氧氨氧化UASB反应器在实际工程中的推广应用提供理论指导.

1 材料与方法

1.1 材料与装置

采用模拟废水,其组成见表1,并且此废水中COD为35~40mg/L,进水的NH4+-N和NO2--N维持在30mg/L左右,温度控制为30℃,进水pH值范围为7.5~9.0,厌氧氨氧化UASB反应器的初始污泥浓度为1.6gVSS/L,在启动初期保持恒进水流量80mL/min稳定培养,反应器的体积为6.08L,横截面积为0.45dm2,高度为1.35m,第1阶段、第2阶段、第3阶段低高流量时的水力停留时间分别为1.69,1.01,2.03,0.92,3.38,0.78h.

1.2 脉冲进水的操作方法

通过实时控制系统实现脉冲进水.第1阶段波动幅度设定为40mL/min(低-高流量为60~ 100mL/min),波动频率首先设定为12h(a段),通过监测进出水氨氮和亚硝浓度及相应去除效率,反映系统耐冲击负荷的能力,当出水效果良好(达到一级A标准[18],NH4+-N和NO2--N出水浓度均稳定在5mg/L以下,且TN稳定在15mg/L以下)时,提高脉冲进水频率,将脉冲进水波动频率依次提高为6,3,1.5h(b,c,d段).当系统的出水效果良好时,再次提高脉冲进水频率,一个周期为6h,前4h的波动频率为1h,后2h的波动频率为0.5h,以此来模拟高频率脉冲冲击,并研究其出水水质的变化情况.当系统不随流量交替频率的影响,始终保持良好的出水水质时,提高流量变化振幅.具体实施为将低-高流量改变为第2阶段(波动幅度为60mL/min,低-高流量为50~110mL/min),第3阶段(波动幅度为100mL/min,低-高流量为30~130mL/min),交替频率方式同第1阶段(波动幅度为40mL/min,低-高流量为60~100mL/min)设置,脉冲幅度和频率的变化情况见表2.

表1 模拟废水成分 Table 1 Characteristics of simulated wastewater

1.3 DNA的提取和定量PCR

称取0.1g左右经-50℃冷冻干燥处理的污泥样品,利用 FastDNA SPIN Kit for Soil(Bio 101, Vista,CA)提取试剂盒提取样品中的总DNA.定量PCR 扩增的20μL体系配置如下:SYBR酶10μL, Rox荧光染料0.4μL,前后引物各0.2μL, DNA 2μL,ddH2O补足至20μL.其中,使用通用引物341f/534r对全细菌进行定量PCR扩增;使用特异性引物Amx368f/Amx820r进行厌氧氨氧化菌定量PCR扩增[19-20].厌氧氨氧化菌与全细菌丰度值的比值为厌氧氨氧化菌占全细菌的百分含量.

1.4 理化指标测定方法

水样经过0.45μm滤纸过滤后测定NH4+-N、NO2−-N和NO3−-N,采用美国LACHAT公司QuikChem8500Series2流动注射分析仪;总氮TN取NH4+-N、NO2−-N和NO3−-N之和;pH值采用德国WTW pH/oxi340i仪测定;温度采用温控箱在线调节控制;混合液污泥浓度(MLSS):滤纸称重法;挥发性污泥质量浓度(MLVSS)采用马弗炉灼烧重量法测定;采用Olympus_BX 51型相差显微镜对颗粒污泥形态结构进行观察,扫描电子显微镜(SEM)对颗粒污泥表面形态进行观察.

2 试验结果与讨论

2.1 脉冲进水对厌氧氨氧化UASB反应器出水效果的影响

从图1中可知,当进水流量脉冲式波动时,厌氧氨氧化UASB反应器的出水水质在低负荷时波动小,出水效果良好,而在高负荷时,出水水质波动增大,出水效果变差.在波动幅度为40mL/min(低-高流量为60~100mL/min)和60mL/min(低-高流量为50~110mL/min)时,经过20~30d,已能够适应波动频率为1.5h的波动,使出水NH4+-N和NO2--N浓度均能降到5mg/L以下,达到一级A标准;但是当波动幅度增大到100mL/ min(低-高流量为30~130mL/min)时,UASB反应器则需要适应的时间增长,出水效果的波动变大,受波动频率的影响增大,当波动频率为1.5h时,特别是在高流量时,出现了出水NH4+-N和NO2--N浓度难以稳定在5mg/L以下的现象.

可见,厌氧氨氧化UASB反应器在流量波动幅度小于60mL/min(上升流速1.33cm/min)时能够取得良好出水效果,而当波动幅度增大为100mL/min(上升流速2.22cm/min)时,由于波动幅度超出了UASB反应器能够适应的限度[21],造成出水难以稳定.当波动幅度小于60mL/min时,出水受波动频率的影响不明显,而当波动幅度达到100mL/min时,波动频率越大,反应器适应所需时间越长,随着波动频率由12h变为6h和3h,反应器的适应时间由18d分别增加到28d和50d,甚至在波动频率为1.5h时出水难以达到稳定.

2.2 厌氧氨氧化UASB反应器对高频率脉冲冲击的适应情况

从图2中可以看出,在第1阶段模拟高频率脉冲冲击时,厌氧氨氧化UASB反应器的出水效果良好,出水的氨氮和亚硝态氮的浓度都可以达到3mg/L以下,基本不随高低负荷的转换而波动,而在第2阶段,出水的氨氮和亚硝态氮在前4h不稳定,浓度偏高,后2h基本稳定,能够降到5mg/L以下.可见,在第1和第2阶段,对于高频率的脉冲冲击,厌氧氨氧化UASB反应器都能适应,而在第2阶段时波动幅度增大了,相应的适应时间也增长了.

2.3 脉冲进水对厌氧氨氧化UASB反应器总氮、氨氮以及亚硝态氮去除率的影响

由图3可见,在第1阶段和第2阶段低流量时,厌氧氨氧化UASB反应器的氨氮和亚硝态氮去除率基本在90%以上,总氮去除率基本在80%以上,在第1阶段和第2阶段高流量时,氨氮和亚硝态氮去除率基本在80%~100%之间,总氮去除率基本在70%~85%之间;而在第3阶段低流量时,出水的氨氮和亚硝态氮去除率在60%~100%之间波动,总氮去除率在55%~85%之间波动,在高流量时出水的氨氮和亚硝态氮去除率在50%~100%之间波动,总氮去除率在55%~75%之间波动.

由此可知,厌氧氨氧化UASB反应器对第1阶段和第2阶段的流量波动可以很好地适应,在低流量和高流量时氨氮和亚硝态氮去除率都基本维持在80%以上,总氮去除率都基本维持在70%以上,出水有良好的氨氮、亚硝态氮和总氮去除率.而第3阶段的波动幅度对于厌氧氨氧化UASB反应器偏大,氨氮和亚硝态氮以及总氮去除率整体都波动大,相比于第1和第2阶段偏低.并且可以发现在第3阶段,低流量由第2阶段的50mL/min降到了30mL/min,但是出水水质不如第2阶段,可知,当流量波动过大时,对高低流量时的出水水质都有不利影响.

2.4 脉冲进水过程中反应器内厌氧氨氧化活性

2.4.1 厌氧氨氧化反应计量关系 由图4可见,低流量时系统平均亚硝态氮去除量/氨氮去除量为1.14,平均硝态氮产生量/氨氮去除量为0.26,高流量时系统平均亚硝态氮去除量/氨氮去除量为1.19,平均硝态氮产生量/氨氮去除量为0.32,由此可知,在脉冲进水期间,系统的平均亚硝态氮去除量/氨氮去除量略低于文献报道的理论值1.32,平均硝态氮产生量/氨氮去除量接近文献报道的理论值0.26[22],系统的厌氧氨氧化活性良好.

2.4.2 UASB反应器内厌氧氨氧化污泥形态及表面特征 由图5可见,反应器内厌氧氨氧化污泥呈红色,这是因为厌氧氨氧化菌内羟氨氧还酶和联氨氧化酶含有血红素c[23],厌氧氨氧化污泥呈不规则颗粒状,由扫描电镜照片可知,厌氧氨氧化颗粒污泥表面形状不规则,由多个菌群的聚集体堆积而成,颗粒污泥内部主要由成簇聚生的球菌构成,这些球菌通过胞外聚合物紧密连接.厌氧氨氧化菌为球菌,这种球菌易聚集而形成厌氧氨氧化聚体[3,24],与本实验观察到的颗粒污泥形态基本一致.

2.5 脉冲进水过程中厌氧氨氧化UASB反应器内微生物的变化情况

从定量PCR的结果(图6)可以看出,反应器内污泥中厌氧氨氧化菌的丰度值和厌氧氨氧化菌占全细菌的百分含量均呈现先增多后减少的趋势,其中第二阶段厌氧氨氧化菌的丰度值最高,为1.58´109copies/g干污泥,厌氧氨氧化菌占全细菌的百分含量最大,为22.1%.

可见,适当的流量冲击有利于厌氧氨氧化菌的生长,但是流量冲击过大,则不利于厌氧氨氧化菌的生长.第2阶段将要结束的前10d比第1阶段将要结束的前10d,出水氨氮、亚硝态氮整体都低(特别是在高流量时,图1),反应器的氮去除效率有所增高,相应的第2阶段的厌氧氨氧化菌丰度值以及厌氧氨氧化菌占全菌的百分含量也增多.原因可能是当水力冲击的高流量由100mL/ min增大到110mL/min时,污泥和基质的混合与接触更为高效[4,25-26],从而使反应器氮去除效率增高,有利于厌氧氨氧化菌的生长.而第3阶段由于流量波动过大,在高流量时水力停留时间过短,造成部分污泥不能及时与基质反应[27],氮去除效率低,从而不利于厌氧氨氧化菌的生长,相应的第3阶段的厌氧氨氧化菌丰度值以及厌氧氨氧化菌占全菌的百分含量最少.

3 结论

3.1 厌氧氨氧化UASB反应器在流量波动幅度小于60mL/min(上升流速1.33cm/min)时,能够适应并使出水NH4+-N和NO2--N浓度均降到5mg/L以下,达到一级A标准,此时出水受波动频率的影响不明显,并且反应器可以适应高频率(0.5h)的脉冲冲击.而当波动幅度增大为100mL/min(上升流速2.22cm/min)时,超出了UASB反应器能够适应的限度,出水效果的波动变大,且波动频率越大,适应所需时间越长,随着波动频率由12h变为6h和3h,反应器的适应时间由18d增加到28d和50d,甚至在波动频率为1.5h时出水难以达到稳定.

3.2 第1阶段和第2阶段时,厌氧氨氧化UASB反应器在低流量和高流量时氨氮和亚硝态氮去除率都基本维持在80%以上,总氮去除率都基本维持在70%以上,出水有良好的氨氮、亚硝态氮和总氮去除率.而第3阶段的波动幅度对于厌氧氨氧化UASB反应器偏大,氨氮和亚硝态氮以及总氮去除率整体都波动大,相比于第1和第2阶段偏低.同时可知,当流量波动幅度过大时,对高低流量时的出水水质都有不利影响.此结果可以为实际污水厂的运行提供一定的参考.

3.3 在脉冲进水期间,系统的厌氧氨氧化活性良好,系统的平均亚硝态氮去除量/氨氮去除量略低于文献报道的理论值1.32,平均硝态氮产生量/氨氮去除量与文献报道的理论值0.26相近.

3.4 在对厌氧氨氧化UASB反应器进行脉冲冲击的过程中,反应器内污泥中厌氧氨氧化菌的丰度值和厌氧氨氧化菌占全细菌的百分含量均呈现先增多后减少的趋势,其中第2阶段厌氧氨氧化菌的丰度值最高,为1.58´109copies/g干污泥,厌氧氨氧化菌占全细菌的百分含量最大,为22.1%.可见,在适量脉冲冲击的条件下,UASB反应器内可实现厌氧氨氧化菌的增长,使反应器的氮去除效率增高.

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* 责任作者, 教授, wsy@bjut.edu.cn

Influence of pulsed flow fluctuation on UASB reactor of anaerobic ammonia oxidation

GAO Meng-jia1, WANG Shu-ying1*, WANG Shan-yun2, PENG Yong-zhen1, JIA Fang-xu1

(1.Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)., 2016,36(8)：2347~2354

Due to the fluctuation of upstream sewage during the actual operation, the effect of pulsed inflow shock on the stability of anaerobic ammonium oxidation (ANAMMOX) process was evaluated in the present study through changing the amplitude and frequency of pulsed inflow. The results showed that the ANAMMOX process in UASB reactor had a good adaptivity and tolerance towards pulsed inflow when the amplitude was less than 60mL/min(vupflow=1.33cm/min). Even through the pulsed frequency came to a high level, the effluent could meet the national 1-A standard. The removal efficiency ratio of NH4+-N and NO2--N could both been kept above 80% and the removal ratio of total nitrogen was above 70%. The process of ANAMMOX in UASB reactor was unstable when the pulsed amplitude came to 100mL/min (upflow=2.22cm/min). With the enhancement of pulsed frequency, the adaptation time of ANAMMOX process increased. The concentrations of NH4+-N and NO2--N in effluent were both above 5mg/L when the pulsed frequency came to 1.5h. Moreover, when the pulsed amplitude increased from 40mL/min to 60mL/min and 100mL/min, the abundance of anammox bacteria in reactor and the percentage of anammox on total bacteria firstly increased and then decreased. The abundance and percentage of anammox bacteria in total bacteria came to the highest level when the pulsed amplitude came to 60mL/min. The reason might be that the mixture and contaction of the anammox and the substance were more efficient, which facilited the growth of anammox bacteria.

flow fluctuation；pulse amplitude；pulse frequency；anammox；UASB

X703.1

A

1000-6923(2016)08-2347-08

高梦佳(1992-),女,山东东营人,北京工业大学硕士研究生,主要从事污水生物处理理论与应用.

2015-12-30

国家自然科学基金(51478013),北京市教委资助项目