新型IEM-UF耦合短程硝化反硝化系统脱氮特性

张 岩,马翔山,郭 威,邢金良,张博康,刘子奇,陈昌明 (.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 004；.北京市丰台区卫生和计划生育监督所,北京 0007)

随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高,居民的饮食方式和结构也随之发生了重大变化,生活污水中的氮磷含量明显增加,城市、农村污水呈现低C/N的现象越来越普遍[1].因此处理低C/N生活污水是我们面临的严峻课题.国内外学者研究表明,由于反硝化碳源不足,传统的硝化反硝化生物脱氮已经不能满足对低C/N生活污水脱氮处理的要求.例如,利用一体式A/O生物膜反应器处理低C/N污水,在DO为2～3mg/L时TN去除率平均值为11.2%[2];在缺氧段采用分点进水A/O工艺处理低C/N生活污水,TN最大去除率仅为56.40%[3].随着技术的发展,涌现出一批具有创新意义的生物脱氮工艺.其中,短程硝化反硝化工艺可减少25%的硝化需氧量和40%的反硝化碳源[4],解决传统硝化反硝化脱氮效率较低的问题.文献[5]采用SBR法,通过交替缺氧好氧的运行模式实现了短程硝化的启动,总氮去除率达到了70%;文献[6]采用缺氧/厌氧UASBA/O组合工艺处理高氮垃圾渗滤液,经过70d运行实现亚硝酸盐稳定积累.但其都存在短程硝化启动时间较长,运行不稳定等问题.基于以上工艺的不足,本实验室开发了新型浸没式IEM-UF(Ion ExchangeMembrane-Ultrafiltration Membrane)组合膜耦合短程硝化反硝化工艺处理低C/N模拟废水(C/N=3).以期将有机物与氨氮进行有效分离,避免短程硝化反应器中自养菌与异养菌的竞争作用以及反硝化反应器中碳源不足的问题,缩短亚硝化启动时间,提高短程硝化反硝化稳定运行效率,实现系统高效脱氮和有机物去除.本研究考察了新型IEM-UF短程硝化反硝化脱氮系统不同工况下氨氮富集、短程硝化反硝化脱氮及COD去除特性,并利用分子生物学高通量16S rDNA测序技术,分析对比不同阶段下短程硝化、短程反硝化活性污泥中微生物种群的变化以及功能微生物与短程硝化反硝化的相互关系,从分子生物学角度揭示反应器中细菌数量与菌群结构变化对系统脱氮效果的影响.

1 材料与方法

1.1 试验水质

表1 试验模拟废水成分及元素组成Table 1 Elements of the simulated wastewater

试验采用人工配水,以淀粉作为碳源、NH4HCO3作为氮源,其水质参数COD平均浓度为180mg/L,平均浓度为60mg/L,C/N=3,pH值为7.8～8.5.同时投加MgSO4、CaCl2、KH2PO4等作为活性污泥微生物生长需要的营养液.人工配水组成如表1所示.

1.2 IEM-UF组合膜

新型IEM-UF组合膜是一种可浸没于液体中的平板式膜组件,基本尺寸为320mm×220mm×5mm.组成如图1所示.其离子交换膜、超滤膜及其支撑板的主要性能参数如下表2、表3所示.

图1 膜组件示意Fig.1 Schematic diagram of membrane component

表2 离子交换膜性能参数Table 2 Characteristics of the ionexchange membranes

表3 超滤膜和支撑板性能参数Table 3 Characteristics of the UF and support plate

1.3 氨氮分离器工作原理

氨氮分离器装置如图2所示.其长×宽×高=40cm×20cm×60cm,有效体积为40L,主要由直流电源、铁电极、IEM-UF组合膜以及搅拌装置组成.IEM-UF组合膜浸没在氨氮分离器内,阳极正对阳离子交换膜,阴极正对超滤膜.氨氮分离器中的水分子透过超滤膜进入超滤膜和支撑板之间,由于阳离子交换膜对一价阳离子的选择透过性,NH4+等一价阳离子在电场力的作用下透过阳离子交换膜进入膜组件内,形成高浓度的氨氮浓缩液,同时,大分子有机物被膜组件截留在氨氮分离器内,从而实现氨氮的富集和有机物的分离.

图2 氨氮分离器装置Fig.2 Schematic diagram of the separation equipment

1.4 试验装置及运行

新型IEM-UF氮富集短程硝化反硝化脱氮系统装置如图3所示,主要包括氨氮分离器、短程硝化反应器和短程反硝化反应器.原水经蠕动泵抽吸泵入氨氮分离器进行氨氮的富集和有机物的截留.富集的氨氮浓缩液经蠕动泵泵入短程硝化反应器中进行短程硝化.氨氮分离器有机物截留液出水(Q1)与短程硝化出水(Q2)用蠕动泵分别以流量比Q1:Q2=1:1、2:1泵入缺氧短程反硝化反应器中进行反硝化脱氮和有机物的去除.

图3 试验装置示意Fig.3 Schematic diagram of the test equipment

1.5 试验条件

该试验运行包括3个阶段,各阶段运行工况如表4所示.氨氮分离器运行条件采用实验室已有研究[7].实验过程定期排泥,控制污泥浓度为(3000±200)mg/L.

表4 实验运行工况表Table 4 Operating conditions of the reactor

1.6 分析方法

氨氮富集率计算公式:

式中:N2为膜组件出水浓度,mg/L;N1为氨氮分离器中浓度,mg/L.

亚硝酸盐积累率NAR(%)计算公式[9,19]:

1.6.2 高通量16S rDNA测序 分别从亚硝化、短程反硝化反应器3个运行阶段的最后一天即第17d、45d、88d采集活性污泥样品,分别编号为4Y、4F、5Y、5F、6Y、6F(其中Y代表亚硝化活性污泥,F为反硝化活性污泥,数字4、5、6代表月份).样品经离心后置于-60℃冷藏,后送至上海生工生物公司进行DNA提取,之后通过高通量16S rDNA测序,分析反应器中物种的菌落结构及其特性.

2 结果与讨论

2.1 氨氮分离器氨氮富集特性

由图4看出,第一阶段氨氮富集率平均值为50.6%,最高为62.71%,其中运行第3d氨氮富集率由30.3%迅速升至52.71%,并在氨氮分离器中观察到了黄褐色胶体沉淀物.原因分析:由于在电流作用下铁电极被氧化,与氨氮分离器中电解生成的OH-产生含铁离子的胶体或者沉淀物质[10].造成氨氮分离器中离子浓度降低,电极板之间的电压增加,电场强度增大,从而使迁移速度加快,单位时间内进入膜组件的增多,氨氮富集率在短期内有一个明显的提升;第二阶段氨氮富集率平均值为62.47%、最高为90%;第三阶段氨氮富集率达到稳定,平均值为66.7%、最高为86.1%.第三阶段的氨氮富集率平均值明显要高于第一、二阶段.

图4 氨氮分离器中氨氮富集率随时间变化Fig.4 The variation of ammonia nitrogen enrichment with time in the separator

2.2 亚硝化反应器去除与积累特性

亚硝化反应器中接种污泥取自实验室稳定运行的SBR硝化反应器,反应器接种后污泥浓度为3200mg/L.亚硝化反应器中进出水浓度、去除率变化如图5所示:

图5 亚硝化反应器中去除情况Fig.5 Removal of ammonia nitrogen in shortcut nitrification reactor

第二阶段,随着DO=0.5mg/L、进水pH=7.8～8.5、温度=(27±1)℃[11-14]等条件的作用,反应器中NOB(亚硝酸盐氧化菌)逐渐被淘洗掉.阶段前期,AOB(氨氧化菌)菌种含量仍然较少,在反应周期内不能完全将氧化.随着AOB菌种含量逐渐升高,出水浓度也逐步降低.此阶段出水浓度平均值为41.37mg/L、去除率平均值为49%.

图6 亚硝化反应器中积累情况Fig.6 Nitrite accumulation in the shortcut nitrification reactor

2.3 反硝化反应器及COD去除特性

反硝化污泥取自某市政污水处理厂二沉池回流污泥,反应器接种后活性污泥初始MLSS为2800mg/L.不同反硝化反应器进水流量比Q1:Q2下、COD浓度变化、去除效果如图7、图8所示.

图7 不同进水流量比下反硝化反应器去除效果Fig.7 Removal of in the denitrificationreactorunder different influent flow ratios

由图7看出,第一阶段Q1:Q2为1:1时,反应器进水中含量较高,反硝化出水变化幅度较大,去除率不稳定;第二阶段Q1:Q2为2:1,反应器进水中主要成分为,平均去除率达到89%;第三阶段(Q1:Q2为2:1),去除率平均值为83.7%,最高达到93%.对比三阶段反硝化反应器-N去除率得出:反硝化进水流量比为2:1时的-N去除效果明显优于进水流量比1:1时.所以进水COD浓度越高,越利于提高反硝化反应器的-N去除率.

分析图8看出,第一阶段反硝化进水COD浓度平均值为76.14mg/L,平均去除率为66.8%.第二、三阶段进水COD浓度提高,平均值分别为98.05,99.6mg/L,出水COD浓度分别为39.6,37.5mg/L, COD平均去除率分别为59.6%、62.3%.反硝化反应器在三阶段均可以有效去除COD.3个阶段出水COD浓度均能达到《中华人民共和国污水综合排放标准》[16]一级A标准中COD要求(50mg/L).

图8 不同进水流量比下反硝化反应器COD去除效果Fig.8 Removal of COD in the denitrification reactorunder different influent flow ratios

2.4 IEM-UF氮富集短程硝化反硝化系统脱氮及COD去除特性

图9 IEM-UF脱氮系统氨氮、、TN去除效果Fig.9 Removal of and TN in the system

图10 各反应器COD去除情况Fig.10 Removal of COD in each reactor

图11 系统COD去除率效果Fig.11 Removal of COD in the system

IEM-UF氮富集短程硝化反硝化脱氮系统3个反应器均可去除部分COD,各反应器去除比例如图10所示.其中一小部分在氨氮分离器中被电解氧化,一小部分在亚硝化反应器中被异养菌消耗,其余主要作为反硝化过程的碳源被反硝化消耗.各阶段COD去除情况如图11所示.系统3个阶段COD去除率平均值分别为86.98%、79.44%、79.36%.处理效果良好,该系统可以稳定高效去除COD.

系统在连续运行过程中,短程硝化反应器的稳定运行,可以明显提高系统对低C/N废水的脱氮效率,相比采用A/O工艺处理C/N为3左右的废水,COD去除率提高了20%左右[17].

综合以上分析,IEM-UF氮富集短程硝化反硝化系统历时88d的培养可实现对C/N为3的污水连续流稳定脱氮和高效COD去除.国内外关于低C/N废水脱氮研究中C/N在5～8之间时,TN去除率一般较高;当C/N减小到4以下时,TN去除率下降明显.表5为其他试验低C/N废水处理效果与本试验的比较.

表5 低C/N废水处理效果比较Table 5 Comparison of treatment effects of low C/N wastewater

如表5所示,本试验在C/N为3时,总氮去除率可达到64.8%,COD去除率达86.98%.相比其他C/N同为3左右的处理方法,本系统TN去除率较高,COD去除率也达到了同样处理水平.因此,IEM-UF氮富集短程硝化反硝化系统在处理低C/N为3左右的废水时,有着较好脱氮效果与COD去除率,具有一定的应用推广价值.

2.5 系统中微生物菌群结构特征分析

2.5.1 短程硝化反应器中微生物群落分析短程硝化污泥样品中检测到380多个菌属,含量在1%以上的菌属分布情况如图12所示.

参与亚硝化反应的主要为变形菌门Proteobacteria下的亚硝化单胞菌属Nitrosomona和亚硝化螺旋菌属(Nitrosospira).亚硝化单胞菌Nitrosomonas为能将氧化为的无机化能自养细菌,是短程硝化作用的重要菌种[24].因此亚硝化单胞菌在反应器中所占比例的多少直接影响短程硝化的效果.

由图12可知,第一阶段末,亚硝化单胞菌Nitrosomonas在反应器微生物中的比例为3.69%,第二阶段末时,其所占比例增加至了5.48%,这与图5分析结论一致:亚硝化反应器去除率在第二阶段升高.同时也可说明IEM-UF组合膜能避免短程硝化反应器中自养菌与异养菌的竞争作用,缩短亚硝化启动周期.但是,到了第三阶段末期,由于曝气时间延长至6.5h,DO增大导致NOB增殖速率及生物活性提高,AOB的生物活性受到抑制[25],亚硝化单胞菌Nitrosomonas的数量下降,至第三阶段末时,亚硝化单胞菌Nitrosomonas在系统中的数量急剧降低至0.53%,导致反应器积累率也降低,这与图6第三阶段末期亚氮积累率变化一致.

图12 属水平下亚硝化反应器中微生物群落分布Fig.12 The distribution of microbial communitie on the level of genus in the shortcut nitrification reactor

2.5.2 短程反硝化反应器中微生物群落分析反硝化污泥样品在属分类水平下菌群分析结果如图13所示.

图13 属水平下反硝化反应器中微生物群落分布Fig.13 The distribution of microbial communities on the level of genus in the denitrification reactor

图中变形杆菌属Dechloromonas、陶厄氏菌属Thauera均为反硝化菌种[26].反硝化反应器中Dechloromonas菌属、Thauera菌属处于优势地位,两者在反硝化反应器属水平下微生物菌群中所占比例之和在3个阶段分别为33.35%、25.62%、20.52%.研究表明,Dechloromonas可以利用有机物作为电子供体将还原成,Thauera的异养反硝化功能在多篇文献中都有报道[28-29].由于IEM-UF组合膜能够分离有机物作为反硝化碳源,解决碳源不足问题,所以系统中的这些反硝化菌属在3个阶段都保持着较高的比例,始终处于优势地位,因此系统具有较好的脱氮性能和COD去除效果,与图9、图11分析结论一致.由图13可知,变形杆菌属Dechloromonas和陶厄氏菌属Thauera在3个阶段的占比和呈现逐渐下降趋势,主要是因为陶厄氏菌属Thauera占比减少所致.但由于Dechloromonas占比一直较高,所以IEM-UF系统可以保持稳定的脱氮效率和COD去除效果.

3 结论

3.1 新型IEM-UF组合膜氨氮分离器与短程硝化反硝化耦合,亚硝化反应器中积累率仅用19d就达到了90%;反硝化反应器COD及平均去除率分别达到80%和89%以上.

3.2 新型IEM-UF氮富集短程硝化反硝化脱氮系统通过将氨氮与有机物进行有效分离,解决反硝化碳源不足的问题并促使短程硝化稳定运行,对C/N为3的废水可达到64.8%的高效稳定脱氮和86.98%的有机物去除率.

3.3 亚硝化反应器中亚硝化单胞菌Nitrosomonas在3个阶段下所占比例分别为3.69%、5.48%和0.53%;反硝化反应三个阶段反硝化菌Dechloromonas、Thauera之和占活性污泥总菌群比例达到33.35%、25.62%、20.52%,三阶段菌群结构变化与系统脱氮效果变化一致.

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