15SBBR短程硝化快速启动和稳定运行性能孙艺齐

115℃SBBR短程硝化快速启动和稳定运行性能孙艺齐1,卞伟2,李军1*,赵青3,王文啸1,梁东博1,吴耀东1(1.北京工业大学建筑工程学院,北京100124;2.国家能源集团，北京100011;3.中国市政工程华北设计研究总院有限公司,天津300110)摘要：本文通过控制C/N研究了15℃序批式生物膜反应器（SBBR）低氨氮污水短程硝化工艺的快速启动和稳定运行性能，结果表明，启动运行60个周期C/N为1.5时成功快速启动短程硝化,C/N为0和3时快速启动失败；荧光原位杂交和激光共聚焦显微镜联用技术(FISH-CLSM)结果表明，生物膜载体在C/N为1.5时成功富集氨氧化菌（AOB），C/N为0和3时，几乎没有AOB与亚硝酸盐氧化菌（NOB）的存在；启动成功的短程硝化在运行过程中可以不加入碳源，但投加适量的碳源可提升硝化性能，对短程硝化的稳定运行更有利。本实验在高溶解氧（DO）（约9mg·L-1）下成功启动短程硝化，稳定运行过程中平均DO维持为6.5mg·L-1左右，成功将实现短程硝化的DO值从低浓度解离出来。反应器内充足甚至过量的NH4+-N可以有效抑制NOB的生长，保证短程硝化的稳定运行。15℃工况下，全量亚硝化工艺更适合处理高氨氮负荷的污水，而半量亚硝化更适合降解低氨氮污水。关键词：碳源；溶解氧；生物膜法；短程硝化；序批式生物膜反应器(SBBR)中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：0250-3301（2019）DOI:10.13227/j.hjkx.201810233收稿日期：2018-10-30；修订日期：2018-12-03基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2015ZX07202-013)作者简介：孙艺齐(1993～),女,硕士研究生,主要研究方向为污水短程硝化启动、破坏及稳定运行，E-mail：[e-mail]*通信作者，E-mail：[e-mail]stStart-upandStablePerformanceof15℃SBBRSUNYi-qi1,BIANWei2,LIJun1*,ZHAOQing3,WANGWen-xiao1,LIANGDong-bo1,WUYao-dong1(1.CollegeofArchitectureandCivilEngineeringofBeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China;2.NationalEnergyInvestmentGroupCo.,Ltd.,Beijing100011,China;3.NorthChinaMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300110,China)Abstract:Inthispaper,controllingC/Ninvestigatedthefaststart-upandstableperformanceofthe15°CSequencedBatchBiofilmReactor(SBBR)partialnitrificationprocess.TheresultsshowedthatpartialnitrificationsuccessfullyfastinitiatedwhenC/Nwas1.5butfailedwhenC/Nwas0and3during60cycles.Fluorescenceinsituhybridizationandconfocallaserscanningmicroscope(FISH-CLSM)resultsshowedthatammoniaoxidizingbacteria(AOB)wasfoundasthedominantbacteriapopulationwhenC/Nwas1.5.WhileC/Nwere0and3,therewerealmostnoexistenceofAOBandnitriteoxidativebacteria(NOB).Partialnitrificationcouldbestablyachievedwithoutcarbonsourcebutaddinganappropriateamountofcarbonsourcecaneffectivelyimprovethenitrificationperformanceanditisbetterforthestableoperationofpartialnitrification.Inthisexperiment,partialnitrificationwassuccessfullyinitiatedatahighdissolveoxygen(DO)(about9mg·L-1)andtheaverageDOwasmaintainedatabout6.5mg·L-1duringthestableoperation,whichsuccessfullydecoupledpartialnitrificationfromlowDOconcentration.AbundantevenexcessiveresidualammoniumconcentrationinthereactorseffectivelyrepressedthegrowthofNOBandguaranteedthestableoperationofpartialnitrification.At15°C,fullnitritationwasmoresuitableforsidestreamwastewater,whilemainstreamwastewaterwasmoresuitableforpartialnitritation.Keywords:carbonsource;dissolveoxygen(DO);biofilmmethod;partialnitrification;sequencedbatchbiofilmreactor(SBBR)传统的全程硝化工艺是在氨氧化细菌（AOB）和亚硝酸盐氧化细菌（NOB）的共同作用下，将氨氮氧化成硝酸盐氮，短程硝化工艺是通过抑制NOB的生长，在AOB的作用下，将氨氮控制生成在亚硝酸盐氮[1]，短程硝化不仅节省反应时间，还节省约25%的曝气量[2,3]。2018-12-2007:04:12近年来，短程硝化作为多种工艺的前置处理工艺被广泛关注[4~6]。短程硝化实现和维持的手段主要有：高温、高pH、高游离氨（FA）、高游离亚硝酸（FNA）、适宜的水力停留时间（HRT）、低DO等[7-9]，其调控机理是使AOB活性高于NOB。近年来，短程硝化工艺多应用于处理垃圾渗滤液、消化液等高氨氮污水中[10,11]，而低氨氮污水的短程硝化相对难以实现。另外低温一直是短程硝化工艺中的研究难点，在寒冷的冬季，污水水温一般在12~14℃[12]，因此研究低温低氨氮污水短程硝化的启动与长期稳定运行十分有实际意义。低温条件下相对于抗冲击负荷能力差，易解体的活性污泥，抗冲击负荷强的生物膜法更有优势[13]。对于生物膜法，挂膜成功是具有硝化性能的基础，硝化反应从原理上不需要碳源，但实际的生活污水中有机碳源是主要的污染物之一，探究有机碳源对低温短程硝化的影响同样具有现实意义。同时，市政污水中低氨氮浓度直接影响AOB的生长，因此反应器内能够保证短程硝化稳定运行的最低氨氮浓度值得探究。文献[14]指出活性污泥法中常控制低DO浓度使AOB增长速率高于NOB，生物膜法能否将DO从低浓度中解离出来值得关注。温度小于等于15℃，NOB的氧亲和力大于AOB[15]，如何在15℃探寻出抑制NOB的控制方法，实现短程硝化的稳定运行值得研究。本文采用SBBR工艺通过控制反应器内碳源浓度、高DO浓度、氨氮浓度来研究15℃低氨氮污水短程硝化的启动和稳定运行，主要目的①探究C/N对15℃短程硝化快速启动和稳定运行的影响；②从生物膜法中解离低DO限制；③探究反应器内氨氮浓度对短程硝化影响。通过本实验利用污水厂采用短程硝化为前置反应工艺处理低温实际生活污水提供理论依据。1材料与方法1.1实验装置3个相同的SBBR反应器(R1、R2、R3)，长、宽、高分别约为180、120、260mm，有效工作容积约为4L（见图1），整个实验装置还包括定时搅拌器，DO探头，pH探头，水质分析仪(WTW)，低温恒温槽(型号DC-0516)，精确曝气装置。鲍尔环作为反应器的载体，约占整个工作容积的22%。1.转子流量计;2.曝气泵;3.曝气盘;4.DO探头;5.pH探头；6.WTW主机;7.鲍尔环;8.低温恒温槽3图1实验装置示意Fig.1Schematicdrawingofexperimentaldevice1.2实验水质SBBR反应器(R1、R2、R3)采用人工配水，进入反应器的水质为：氨氮由氯化铵(NH4Cl)提供质量浓度为60mg·L-1，COD由醋酸钠(CH3COONa)提供，其中R1(C/N=0)中COD浓度为0mg·L-1，R2(C/N=1.5)中COD浓度为90mg·L-1，R3(C/N=3)中COD浓度为180mg·L-1，P由磷酸二氢钾(KH2PO4)提供质量浓度为2mg·L-1。接种污泥均来自北京高碑店污水处理厂曝气池，其硝化性能良好，f值在0.7左右，SVI值在90左右，3个反应器的启动温度均在15℃。1.3水质检测NH4+-N：纳氏试剂分光光度法；NO2--N：N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；NO3--N：麝香草酚分光光度法；DO、pH和T采用在线探头检测(WTW，德国)。定义亚硝酸盐氮积累率为NAR(%)=100%×NO2--N/(NO2--N+NO3--N)，氨氮氧化率AAR(%)=100%×(NH4+-N进水−NH4+-N出水)/NH4+-N进水，其中NO3--N、NO2--N均指由NH4+-N氧化而来的部分。本实验中采用氨氮去除率(AAR)达到50%作为硝化性能良好的指标参数，采用亚硝态氮积累率(NAR)达到90%作为评价亚硝化启动成功、稳定运行和破坏修复效果的指标参数。MLSS、MLVSS：超声波(45kHz，120W，2~3min)剥落生物膜，离心(10000g，15min)，后重量法测量。反应器启动阶段以周期为单位进行水质检测，运行阶段以天为单位进行水质检测。1.4生物膜分析生物膜分析中采用荧光原位杂交技术(FISH)和共聚焦激光显微镜技术(CLSM)测量生物膜厚度、分析生物膜内总菌、AOB和NOB的空间分布规律[16]。实验中所得样品胞外聚合物（EPS）的测定通过蛋白质（PN）、多糖（PS）值来代表EPS含量：PN采用考马斯亮蓝法，PS采用蒽酮法。2结果与讨论2.115℃反应器运行工况反应初期，在3个反应器中各加入接种污泥2L,再加入人工配水2L，每个反应器中加入等量的鲍尔环，填充率约是反应器有效工作容积的22%，低温恒温槽温度控制在15℃。将转子流量计流量调至最大进行闷曝48h，50%排泥排水，然后按此种方式运行一周后，将接种污泥全部排掉，以4L的配水进行运行。3个反应器的曝气时间控制12h为一周期。2.1.1短程硝化的快速启动反应器运行初期（周期：0~14），为满足理论碱度需求在3个反应器中均加入恰好可以完全消耗NH4Cl的NaHCO3，运行14个周期，DO高达9mg·L-1，pH为8.8~8.9。从图2可知：3个反应器AAR都低于20%，没加碳源的R1反应器AAR低于10%，这可能是由于反应初期生物量较少，硝化性能较差，无法消耗所提供的碱度，并且由于碱度过高，也抑制硝化细菌的生长，因此从第15个周期开始，3个反应器均不加NaHCO3，R2的pH逐渐降低维持在8.3左右，DO也随着反应器的运行周