氨氮负荷对膜曝气生物膜反应器部分亚硝化性能的影响

Seediscussions,stats,andauthorprofilesforthispublicationat:filmreactorfortreatingammonium-richwastewaterArticle  in  HuanjingKexueXuebao/ActaScientiaeCircumstantiae·April2015DOI:10.13671/j.hjkxxb.2014.0868CITATIONS0READS693authors,including:Someoftheauthorsofthispublicationarealsoworkingontheserelatedprojects:theNationalKeyResearchandDevelopmentPrograminChina(2016YFC0400805)ViewprojecttheNationalNaturalScienceFoundationofChina(51878466)ViewprojectRongchangWangTongjiUniversity41PUBLICATIONS   548CITATIONS   SEEPROFILEAllcontentfollowingthispagewasuploadedbyRongchangWangon15June2016.Theuserhasrequestedenhancementofthedownloadedfile.第３５卷第４期２０１５年４月环　境　科　学　学　报　ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅＶｏｌ．３５，Ｎｏ．４Ａｐｒ．，２０１５基金项目：国家科技支撑计划课题（Ｎｏ．２０１２ＢＡＪ２１Ｂ０１）ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲ＆ＤＰｒｏｇｒａｍ（Ｎｏ．２０１２ＢＡＪ２１Ｂ０１）作者简介：王荣昌（１９７６—），男，副教授（博士），Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]；∗通讯作者（责任作者）Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＷＡＮＧＲｏｎｇｃｈａｎｇ（１９７６—），ｍａｌｅ，ａｓｓｏｃｉａｔｅｐｒｏｆｅｓｓｏｒ（Ｐｈ．Ｄ．），Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]；∗ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒＤＯＩ：１０．１３６７１／ｊ．ｈｊｋｘｘｂ．２０１４．０８６８王荣昌，王亚楠，赵建夫．２０１５．氨氮负荷对膜曝气生物膜反应器部分亚硝化性能的影响［Ｊ］．环境科学学报，３５（４）：９９１⁃９９８ＷａｎｇＲＣ，ＷａｎｇＹＮ，ＺｈａｏＪＦ．２０１５．Ｅｆｆｅｃｔｏｆａｍｍｏｎｉｕｍｌｏａｄｉｎｇｏｎｐａｒｔｉａｌｎｉｔｒｉｔａｔｉｏｎｉｎｍｅｍｂｒａｎｅ⁃ａｅｒａｔｅｄｂｉｏｆｉｌｍｒｅａｃｔｏｒｆｏｒｔｒｅａｔｉｎｇａｍｍｏｎｉｕｍ⁃ｒｉｃｈｗａｓｔｅｗａｔｅｒ［Ｊ］．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３５（４）：９９１⁃９９８氨氮负荷对膜曝气生物膜反应器部分亚硝化性能的影响王荣昌１，２，∗，王亚楠１，２，赵建夫１，２１．同济大学环境科学与工程学院，长江水环境教育部重点实验室，上海２０００９２２．同济大学生物膜技术研究所，污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海２０００９２收稿日期：２０１４⁃０７⁃０１　　　修回日期：２０１４⁃０８⁃１５　　　录用日期：２０１４⁃０８⁃１５摘要：对不同进水氨氮负荷下中试膜曝气生物膜反应器（ＭＡＢＲ）部分亚硝化性能进行了考察，旨在确定在ＭＡＢＲ中启动、优化和维持稳定亚硝化的控制策略．在进水氨氮表面负荷由（４．９±０．４）ｇ·ｍ－２·ｄ－１（以Ｎ计，下同）升至（９．１±０．５）ｇ·ｍ－２·ｄ－１的过程中，ＭＡＢＲ氨氮去除负荷可以达到（５．７±０．５）ｇ·ｍ－２·ｄ－１．当进水氨氮负荷为７．４ｇ·ｍ－２·ｄ－１时，本试验ＭＡＢＲ部分亚硝化效果最佳，亚硝化率可达９６．３％．部分亚硝化的维持需要控制合适的生物膜厚度，当生物膜厚度在１１０～１７０μｍ之间时，ＭＡＢＲ亚硝化率在９０％左右，能够有效实现对亚硝酸盐氧化菌（ＮＯＢ）的抑制和亚硝酸盐的积累．利用微生物比氧利用率（ＳＯＵＲＡＯＢ）来反映生物膜中氨氧化菌（ＡＯＢ）的活性，发现ＭＡＢＲ生物膜的ＳＯＵＲＡＯＢ可达（１３３．９±３１􀆰１）ｍｇ·ｇ－１·ｈ－１（以每ｇＳＳ利用的Ｏ２量（ｍｇ）计）．实时定量ＰＣＲ结果也表明ＡＯＢ为ＭＡＢＲ生物膜中的优势菌群，其微生物丰度比接种污泥高出３个数量级．通过调控进水氨氮负荷和生物膜厚度，维持ＡＯＢ的种群优势和高活性并同时抑制ＮＯＢ的活性，可以实现ＭＡＢＲ的稳定部分亚硝化．关键词：膜曝气生物膜反应器（ＭＡＢＲ）；高氨氮废水；中试；部分亚硝化；生物膜厚度文章编号：０２５３⁃２４６８（２０１５）０４⁃９９１⁃０８　　　中图分类号：Ｘ１７２　　　文献标识码：ＡＥｆｆｅｃｔｏｆａｍｍｏｎｉｕｍｌｏａｄｉｎｇｏｎｐａｒｔｉａｌｎｉｔｒｉｔａｔｉｏｎｉｎｍｅｍｂｒａｎｅ⁃ａｅｒａｔｅｄｂｉｏｆｉｌｍｒｅａｃｔｏｒｆｏｒｔｒｅａｔｉｎｇａｍｍｏｎｉｕｍ⁃ｒｉｃｈｗａｓｔｅｗａｔｅｒＷＡＮＧＲｏｎｇｃｈａｎｇ１，２，∗，ＷＡＮＧＹａｎａｎ１，２，ＺＨＡＯＪｉａｎｆｕ１，２１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＹａｎｇｔｚｅＡｑｕａｔｉｃＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＢｉｏｆｉｌｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｏｌｌｕｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅＲｅｕｓｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２Ｒｅｃｅｉｖｅｄ１Ｊｕｌｙ２０１４；　　　ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ１５Ａｕｇｕｓｔ２０１４；　　　ａｃｃｅｐｔｅｄ１５Ａｕｇｕｓｔ２０１４Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｐｉｌｏｔ⁃ｓｃａｌｅｍｅｍｂｒａｎｅ⁃ａｅｒａｔｅｄｂｉｏｆｉｌｍｒｅａｃｔｏｒ（ＭＡＢＲ）ｗａｓｏｐｅｒａｔｅｄｖｉａｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌｌｙｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｉｎｆｌｕｅｎｔＮＨ＋４⁃Ｎｌｏａｄｉｎｇｒａｔｅｓ，ｆｒｏｍ（４．９±０．４）ｇ（Ｎ）·ｍ－２·ｄ－１（ｔｈｅｓａｍｅｂｅｌｏｗ）ｔｏ（９．１±０．５）ｇ·ｍ－２·ｄ－１．Ｔｈｅｇｏａｌｏｆｔｈｅｓｔｕｄｙｗａｓｔｏｄｅｖｅｌｏｐａｎｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｓｔｒａｔｅｇｙｆｏｒｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ，ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇａｎｄｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇａｓｔａｂｌｅｐａｒｔｉａｌｎｉｔｒｉｔａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｒｅａｃｔｏｒ．ＷｈｅｎｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｔＮＨ＋４⁃Ｎｓｕｒｆａｃｅｌｏａｄｉｎｇｒａｔｅｗａｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｏ（９．１±０．５）ｇ·ｍ－２·ｄ－１，ＮＨ＋４⁃Ｎｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｒｅａｃｈｅｄ（５．７±０．５）ｇ·ｍ－２·ｄ－１．ＷｈｅｎｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｔＮＨ＋４⁃Ｎｌｏａｄｉｎｇｒａｔｅｗａｓｍａｉｎｔａｉｎｅｄａｔ７．４ｇ·ｍ－２·ｄ－１，ｔｈｅｎｉｔｒｉｔａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｎｔｈｅＭＡＢＲｒｅａｃｈｅｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｏｆ９６．３％．Ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇａｓｔａｂｌｅｐａｒｔｉａｌｎｉｔｒｉｔａｔｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｂｉｏｆｉｌｍｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．Ｗｈｅｎｂｉｏｆｉｌｍｔｈｉｃｋｎｅｓｓｗａｓｍａｉｎｔａｉｎｅｄｂｅｔｗｅｅｎ１１０～１７０μｍ，ｔｈｅｎｉｔｒｉｔａｔｉｏｎｒａｔｅｗａｓｓｔａｂｌｅａｔａｂｏｕｔ９０％ａｎｄｓｐｅｃｉｆｉｃｏｘｙｇｅｎｕｐｔａｋｅｒａｔｅ（ＳＯＵＲＡＯＢ），ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｉｎｇｔｈｅａｃｔｉｖｉｔｙｏｆａｍｍｏｎｉａｏｘｉｄｉｚｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａ（ＡＯＢ），ｒｅａｃｈｅｄｍａｘｉｍｕｍｏｆ（１３３．９±３１．１）ｍｇ（Ｏ２）·ｇ（ＳＳ）－１·ｈ－１．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｒｅａｌｔｉｍｅｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅＰＣＲｓｈｏｗｅｄｔｈａｔＡＯＢｄｏｍｉｎａｔｅｄｔｈｅｍｉｃｒｏｂｉａｌｐｏｐｕｌａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｂｉｏｆｉｌｍ，ａｓｅｘｐｅｃｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｉｒａｂｕｎｄａｎｃｅｗａｓ３ｏｒｄｅｒｓｏｆｍａｇｎｉｔｕｄｅｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｉｎｔｈｅｓｌｕｄｇｅｕｓｅｄｔｏｉｎｏｃｕｌａｔｅｔｈｅｒｅａｃｔｏｒ．Ｉｎｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ，ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇａｓｔａｂｌｅｐａｒｔｉａｌｎｉｔｒｉｔａｔｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｓｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｗｏｆａｃｔｏｒｓ：ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｔＮＨ＋４⁃Ｎｌｏａｄｉｎｇｒａｔｅａｎｄｔｈｅｂｉｏｆｉｌｍｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．Ｗｈｅｎｔｈｅｓｅｆａｃｔｏｒｓａｒｅｐｒｏｐｅｒｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ，ＡＯＢｄｏｍｉｎａｔｅｔｈｅｍｉｃｒｏｂｉａｌｐｏｐｕｌａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｂｉｏｆｉｌｍａｎｄｔｈｅａｃｔｉｖｉｔｙｏｆｎｉｔｒｉｔｅｏｘｉｄｉｚｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａ（ＮＯＢ）ｉｓｉｎｈｉｂｉｔｅｄ，ｔｈｕｓｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｐａｒｔｉａｌｎｉｔｒｉｔａｔｉｏｎ．环　　境　　科　　学　　学　　报３５卷Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｅｍｂｒａｎｅ⁃ａｅｒａｔｅｄｂｉｏｆｉｌｍｒｅａｃｔｏｒ（ＭＡＢＲ）；ａｍｍｏｎｉｕｍ⁃ｒｉｃｈｗａｓｔｅｗａｔｅｒ；ｐｉｌｏｔｓｃａｌｅ；ｐａｒｔｉａｌｎｉｔｒｉｔａｔｉｏｎ；ｂｉｏｆｉｌｍｔｈｉｃｋｎｅｓｓ１　引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）高浓度氨氮废水采用生化方法处理时，需要较高的供氧量和生物量，因而成为生化处理含氮污染物的难题之一．传统的生物脱氮工艺（即硝化⁃反硝化工艺）普遍存在着占地面积大、能耗高、外加碳源需求量大及脱氮效率低等不足．部分亚硝化和厌氧氨氧化联合技术是新型的废水生物脱氮方法，与传统的生物脱氮方法相比，该方法能够节省６４％的能量需求和１００％的外加碳源及减少８０％～９０％的污泥量（Ｈｅｎｚｅ，２００８），特别是在高氨氮废水的治理方面存在很大的优势．膜曝气生物膜反应器（Ｍｅｍｂｒａｎｅ⁃ａｅｒａｔｅｄｂｉｏｆｉｌｍｒｅａｃｔｏｒ，ＭＡＢＲ）是利用透气膜进行曝气供氧的一种污水生物处理工艺，溶解氧通过气体透过性膜扩散进入生物膜进而氧化污染物，同时气体透过性膜也可作为生物膜生长的载体（Ｃａｓｅｙｅｔａｌ．，１９９９）．传统的多孔或者微孔曝气装置氧的利用效率不高，膜曝气生物膜反应器由于采用无泡曝气的方式，氧气的传递效率可以接近１００％（Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２００９；Ａｈｍｅｄｅｔａｌ．，２００４）．高效的氧传质速率、较高的生物膜表面积和内外分层的特殊生物膜结构，使得ＭＡＢＲ工艺在高浓度废水的处理中具有明显的优势（Ｔｅｒａｄａｅｔａｌ．，２００３）．ＭＡＢＲ特殊的生物膜分层结构能够实现在同一系统中同时发生氧化和还原作用，通过调整供氧压力来控制氧气的传递（Ｔｅｒａｄａｅｔａｌ．，２００４），氧气能够直接透过曝气膜被硝化菌利用（Ｓａｔｏｈｅｔａｌ．，２００４），为氨氧化菌的生长提供了良好的生存环境．有研究在ＭＡＢＲ小试中实现了部分亚硝化（Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２００９；Ｌａｃｋｎｅｒｅｔａｌ．，２０１０；Ｔｅｒａｄａｅｔａｌ．，２００６；Ｐａｒｋｅｔａｌ．，２０１０；Ｎｉｓｏｌａｅｔａｌ．，２０１３）．但是，目前对于ＭＡＢＲ中试系统中部分亚硝化的稳定运行的抑制条件（如生物膜厚、氨氮负荷等）及微生物机理方面的研究尚鲜有报道．本文正是针对该问题，通过中试来考察ＭＡＢＲ实现部分亚硝化的技术关键，重点分析在不同的氨氮负荷下，ＭＡＢＲ工艺的