CANON中试反应器启动及性能优化孙庆花

1CANON中试反应器启动及性能优化孙庆花，吴迪，周家中，郑志佳（青岛思普润水处理股份有限公司，青岛266555）摘要：以青岛某污水处理厂污泥消化液为连续进水，控制温度在（30±3）℃，接种污水厂普通活性污泥，驯化启动CANON反应器。为解决菌种流失、优化反应器性能，向CANON反应器内投加悬浮生物载体，转换为生物膜CANON反应器。结果表明，经过130d运行培养，总氮去除率达到0.03kg·(m3·d)-1，硝酸盐生成量与氨氮减少量的比值（RNaA）平均为0.09，接近理论值0.11，由此判断CANON反应器启动成功。CANON活性污泥反应器共运行300d，稳定运行时总氮去除负荷为0.20kg·(m3·d)-1。投加悬浮载体后，经过30d运行培养，系统成功转换为纯膜系统，载体表面生物膜转为淡红色，TN平均去除负荷达到0.17kg·(m3·d)-1，RNaA平均为0.14，略大于理论值0.11。由此判断CANON污泥在MBBR工艺中逐渐适应并得以稳定运行。CANON-MBBR反应器共运行200d，稳定运行期间，总氮去除负荷为1.15kg·(m3·d)-1。高通量测序结果表明，CANON-MBBR成功启动后，AOB和AnAOB是系统中的优势菌种，丰度分别达到26.24%和30.08%，NOB被成功抑制。以上结果表明，以高密度聚乙烯填料为悬浮载体的CANON-MBBR具有良好的脱氮效能，有利于自养脱氮工艺的稳定运行。关键词：全程自养脱氮（CANON）；自养脱氮；移动床生物膜工艺（MBBR）；厌氧氨氧化（ANAMMOX）；污泥消化液；中试中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：0250-3301（2019）DOI:10.13227/j.hjkx.201812161Start-upandPerformanceOptimizationoftheCANONPilotReactorSUNQing-hua,WUDi*,ZHOUJia-zhong,ZHENGZhi-jia(QingdaoSPRINGWaterTreatmentCO.,Ltd.,Qingdao266555,China)Abstract:ACANONreactorwasstartedupbyseedingordinaryactivatedsludgeandusingrejectwaterofasewagetreatmentplantinQingdaoasinfluentat(30±3)℃.Inordertosolvebacteriallossandoptimizereactorperformance,thesuspensionbiologicalcarrierswereaddedtotheCANONreactor.Astheresultshowed,thereactorwasstartedsuccessfully130dayslater.Thetotalnitrogenremovalloadwasupto0.03kg·(m3·d)-1,andaveragevariationratioofnitrateandammonia(RNaA)was0.09,closetotheoreticalvalue0.11.TheCANONactivesludgereactorranfor300days.Duringstableoperationperiod,thetotalnitrogenremovalratewasstableat0.20kg·(m3·d)-1.Redgranularsludgewasmixedwiththeeffluentofthesystem,andtheparticlesizeofgranularsludgewasbetween1-3mm.ThesuspensioncarrierswereaddedtotheCANONreactorwithafillingrateof30%.ThefillersaddedtotheMBBRreactorwerematurefillersinthenitrifyingreactorofthelaboratory.Theaccumulationrateofnitrificationwasgreaterthan95%,andtheammonia-oxidizedsurfaceloadreached2.0g·(m2·d)-1.After30daysofoperationandculture,thesystemwassuccessfullyconvertedtoapuremembranesystem,andthebiofilmonthesurfaceofthecarrierturnedpalered.Thetotalnitrogenremovalloadwasupto0.17kg·(m3·d)-1.TheaverageRNaAwas0.14,slightlylargerthanthetheoreticalvalueof0.11.ThissuggestedthatCANONsludgeadaptedtotheenvironmentintheMBBRandbegantoenterthestablestage.TheCANON-MBBRreactorranfor200days.DuringthestableoperationperiodoftheCANON-MBBR,thetotalnitrogenremovalratewasstableat1.15kg·(m3·d)-1.Thebiofilmisbrightbrickredwithathicknessof150-250μm.MLSSandMLVSSonthecarrierswereabout10200mg·m-2and9000mg·m-2,andthetotalbiomassinthesystemwasabout1.5kg.Throughhigh-throughputsequencing,itwasfoundthatAOBandAnAOBwerethedominantbacteriaspeciesonthesuspensioncarrier,theabundanceofAOBandAnAOBonsuspensioncarriercanreach26.24%收稿日期：2018-12-20；修订日期：2019-02-19基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07106005-04)；青岛市民生科技计划项目（18-6-1-100-nsh）作者简介：孙庆花（1989~），女，硕士研究生，工程师，主要研究方向为污水处理工艺设计与研发，E-mail：[e-mail]通信作者，E-mail：[e-mail]2019-02-2517:04:29:completelyautotrophicnitrogenremovalovernitrite(CANON);autotrophic;movingbedbiofilmreactor(MBBR);an-aerobicammoniumoxidation(ANAMMOX);sludge-digestionwastewater;pilotscale全程自养脱氮工艺（completelyautotrophicnitrogenremovalovernitrite，CANON）是一种基于厌氧氨氧化的一体化低耗、高效脱氮工艺。在好氧氨氧化菌（ammoniaoxidizingbacteria，AOB）与厌氧氨氧化菌（anaerobicammoniumoxidationbacteria，AnAOB）的共同作用下，将NH4+-N转化为氮气以及少量的NO3--N。因为AOB和AnAOB均为自养菌，生长速率较低，同时AnAOB难以富集、易于流失，成为制约CANON工艺在国内推广应用的关键问题。生物膜或颗粒污泥的形式与CANON工艺相结合是通常的解决方案，即利用其能形成分层分布的生物膜，AOB在外层好氧区将NH4+-N转化为NO2--N，AnAOB在内层缺氧区将NH4+-N和NO2--N转化为氮气以及少量的NO3--N，以此达到脱氮目的[1,2]，相关分子生物学的研究也表明了这一设想的可实施性。Helmer等[3]通过AOB和AnAOB菌的特异性探针对CANON工艺生物膜内微生物的空间分布进行了FISH检测试验，结果表明生长在生物膜表层的微生物以AOB为主，而AnAOB菌则主要分布于生物膜的内部缺氧层；Neilsen等[4]也通过特异性探针对CANON工艺中颗粒污泥内微生物的空间分布进行研究，并得到了与上述一致的结论。虽然传统生物膜工艺或颗粒污泥均能够实现CANON的启动，但颗粒污泥工艺的总氮去除负荷大部分在1.0kg·(m3·d)−1以下[5~7]，且启动时间多数在半年以上[8,9]。已有报道的生物膜CANON反应器的研究中，采用的填料包括海绵、火山岩[10]、无纺布、纤维载体[11]和塑料填料等多种类型。付昆明等[12，13]曾采用聚氨酯海绵成功启动CANON工艺，但是运行过程中出现了磨损、堵塞和结垢等问题；左早荣等[14]分别以陶粒和聚氨酯海绵作为填料启动CANON工艺，也出现了阻塞的问题；李冬等[15]在MBR系统中成功启动了CANON工艺，并具有较高的总氮去除负荷，但周期性膜堵塞的问题一直无法解决；海绵、火山岩和无纺布等作为填料都有易阻塞的缺点[16,17]。顾澄伟等[18]采用纤维载体填料，随着生物膜越长越厚，需要及时刮泥，增加运行维护的难度，对系统的稳定运行产生影响。生物膜CANON工艺，从载体在反应器内的流化形态上可以分为固定床（FBBR）和移动床（MBBR）。MBBR相比FBBR，具有无需反冲洗、稳定性和耐冲击性更强、维护运行简单等诸多优势，更适宜与CANON工艺联用。本研究以青岛某污水厂污泥消化液为连续进水，接种污水厂普通活性污泥，在连续曝气条件下，通过逐步缩短HRT的策略，驯化启动CANON，随后向稳定运行的CANON反应器内投加悬浮载体，启动CANON-MBBR，解决菌种流失的问题。本研究通过对活性污泥与生物膜两种工艺类型的启动与运行比较，以期为工程应用提供技术支持。1材料与方法1.1试验装置本试验采用EGSB装置，反应器由有机玻璃制成，内径为60cm，高265cm，总体积700L，有效体积为560L，具体形态如图1所示。反应器由底部进水口进水，上部出水口排水。反应器底部设置穿孔曝气装置，同时采用转子流量计控制其曝气量。反应器设有温控装置，温度控制在（30±3）℃范围内。本试验后半段，向反应器内填充悬浮载体，填充率为30%，在三相分离器之前，增加拦截筛网。悬浮载体由高密度聚乙烯纯料制成，填料的材质、性能参数等均符合《水处理用高密度聚乙烯悬浮载体填料》（CJ/T461-2014）的规定，填料为扁圆柱体，圆柱为多个小六边形呈蜂窝状排列，侧边沿不同径向伸展许多尾翅，用于增加填料的比表面积，有效比表面积≥800m2·m-3，直径约25mm，高度约10mm，在挂膜前密度为0.94~0.97g·cm-3。31.进水泵；2.回流泵；3.鼓风机；4.出水沉淀池；5.CANON反应器主体