不同曝气量对SBBR短程硝化微生物特性及氮转化的影响

第32卷第9期2012年9月环　境　科　学　学　报　ActaScientiaeCircumstantiaeVol.32,No.9Sep.,2012基金项目:重庆市科技攻关项目(No.CSTC,2008AB7133);中央高校基本科研业务费科研专项(No.CDJXS11210015,CDJZR10210003);重庆大学大型仪器设备开放基金(No.2010121548)SupportedbytheChongqingKeyScientificandTechnologicalProject(No.CSTC,2008AB7133),theFundamentalResearchFundsfortheCentralUniversities,China(No.CDJXS11210015,CDJZR10210003)andtheLarge-scaleInstrumentandEquipmentOpeningFoundationofChongqingUniversity(No.2010121548).作者简介:丁文川(1969—),男,教授(博士),E-mail:[e-mail];∗通讯作者(责任作者)Biography:DINGWenchuan(1969—),male,professor(Ph.D.),E-mail:[e-mail];∗Correspondingauthor丁文川,吴丹,曾晓岚,等.2012.不同曝气量对SBBR短程硝化微生物特性及氮转化的影响[J].环境科学学报,32(9):2112-2118DingWC,WuD,ZengXL,etal.2012.Effectofaerationflowonmicrobialcharacteristicsandnitrogentransformationofshortcutnitrificationprocessinginasequencingbatchbiofilmreactor[J].ActaScientiaeCircumstantiae,32(9):2112-2118不同曝气量对SBBR短程硝化微生物特性及氮转化的影响丁文川∗,吴丹,曾晓岚,罗亭,李桥,徐洲重庆大学城市建设与环境工程学院,重庆400045收稿日期:2011-11-15　　　修回日期:2012-01-20　　　录用日期:2012-01-21摘要:在实验室规模的序批式生物膜反应器(SBBR)中研究了不同曝气量(7.2、12.0、15.6L·h-1,对应反应器中平均溶解氧浓度分别为0.5、0.8、1.2mg·L-1)下生物膜的生物特性变化及短程硝化过程规律.结果表明:减小曝气量使反应器内溶解氧浓度降低,将导致生物膜的总生物量下降,生物膜中氨氧化菌逐渐成为优势菌,无论数量还是生物活性均高于亚硝酸氧化菌,利于亚硝酸盐积累;在一个反应周期中,生物膜对溶解氧需求的分配是不同的,曝气初期溶解氧主要用于异氧菌对COD的降解,其后用于氨氮转化.根据上述规律,提出在短程硝化过程中采用“梯级递减式曝气”供氧新策略,即在反应初期保持一种较大的曝气量,提高反应器溶解氧浓度,促进COD快速降解,随后保持一种小曝气量使反应器中溶解氧维持较低的浓度,从而促进亚硝酸盐积累及优化供氧效率.关键词:序批式生物膜反应器(SBBR);短程硝化反硝化;氨氧化菌(AOB);亚硝酸氧化菌(NOB);溶解氧(DO);比摄氧速率(SOUR)文章编号:0253-2468(2012)09-2112-07　　　中图分类号:X703　　　文献标识码:AEffectofaerationflowonmicrobialcharacteristicsandnitrogentransformationofshortcutnitrificationprocessinginasequencingbatchbiofilmreactorDINGWenchuan∗,WUDan,ZENGXiaolan,LUOTing,LIQiao,XUZhouSchoolofUrbanConstructionandEnvironmentalEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400045Received15November2011;　　　receivedinrevisedform20January2012;　　　accepted21January2012Abstract:Alaboratory-scalesequencingbatchbiofilmreactor(SBBR)wasusedtoinvestigatecharacteristicsofbiofaciesandcorrelativeperformanceofshortcutnitrificationprocessunderdifferentaerationflowsof7.2L·h-1,12.0L·h-1and15.6L·h-1(correspondingwithaverageddissolvedoxygenconcentrationofaround0.5mg·L-1,0.8mg·L-1and1.2mg·L-1).TheexperimentalresultsshowedthattotalbiomassofbiofilminSBBRsubstantiallyreducedwithdecreaseddissolvedoxygenconcentrationduringtheaerobicphase.Theammonia-oxidizingbacteria(AOB)becamethedominantpopulationinthesystematlowdissolvedoxygenconcentration.BothnumberandbiologicalactivityofAOBwererelativelyhigherthanthatofnitrite-oxidizingbacteria(NOB)thatresultedinnitriteaccumulation.Thedissolvedoxygendemandduringthewholecyclictreatmentwasnotuniform.Attheearlystageoftheaerationphase,dissolvedoxygenwaspreferentiallyconsumedbyheterotrophicbacteriaforCODdegradation.Thenitwasutilizedforammoniaoxidation.Basedontheresults,weproposedMulti-sectionDecliningAeration(MSDA)asanimprovedaerationmodefortheshortcutnitrificationprocessing.InMSDAmode,initialhighaerationflowwassuppliedtoenhanceCODdegradation.Thereafter,aerationflowwasswitcheddowntomaintainlowdissolvedoxygenconcentrationwhichcouldfacilitatenitrosificationfornitriteaccumulationandoptimizeenergyconsumption.Keywords:sequencingbatchbiofilmreactor(SBBR);shortcutnitrification-denitrification;ammonia-oxidizingbacteria(AOB);nitrite-oxidizingbacteria(NOB);dissolvedoxygen(DO);specificoxygenuptakerate(SOUR)1　引言(Introduction)短程硝化反硝化生物脱氮工艺较传统生物脱氮工艺节省能耗和碳源,特别是在处理低C/N比污水方面已获得人们的广泛关注(Ruizetal.,2003;Xiaoetal.,2010;Spagnietal.,2010).实现短程生9期丁文川等:不同曝气量对SBBR短程硝化微生物特性及氮转化的影响物脱氮的关键是如何将氨氧化过程控制在亚硝化阶段终止,目前的研究大多采取控制溶解氧(DO)、游离氨、温度、pH值或运行方式等策略(王鹏等,2007).相比而言,调控溶解氧具有以下优势:可节省供氧能耗,控制方式灵活简便,适用于各类性质的污水.Garrido等(1997)研究发现,溶解氧浓度介于1.0~2.0mg·L-1之间时可以获得最大的亚硝酸盐累积,溶解氧浓度高于2.5mg·L-1时氨氮被完全转化为硝酸盐.Helmer(2001)和Ruiz等(2003)则指出,溶解氧控制在0.7mg·L-1左右可以获得最佳的亚硝酸盐累积及氨氮去除效果.而国内学者研究发现,溶解氧在0.5~5.2mg·L-1之间均能有效地实现亚硝酸盐累积的短程硝化(张可方等,2008;张立秋等,2009;金云霄等,2011).同时,溶解氧浓度会影响反应器内微生物的群落结构与活性.王志盈等(1999)通过建立基质扩散-反应及微生物生长模型,从理论上证实了低溶解氧可提高氨氧化菌(Ammonia-oxidizingbacteria,AOB)在生物膜中的比率.Park等(2008)的研究表明,生物膜内亚硝酸氧化菌(Nitrite-oxidizingbacteria,NOB)的数量与溶解氧浓度呈明显的正比关系,而降低溶解氧浓度也会使氨氧化菌的活性降低.短程硝化实质上是由氨氧化菌和亚硝酸氧化菌的代谢作用强度决定.现有文献大多探讨了溶解氧与短程硝化工艺运行效果的关系,较少从溶解氧对上述功能菌生物数量和代谢活性的影响角度研究短程硝化的调控机制.因此,本文通过研究SBBR短程硝化反硝化过程中不同曝气量下的生物膜生物特性与氮氧化之间的关系,以期从生物学角度探讨溶解氧对短程硝化的影响规律与机理.2　材料与方法(Materialsandmethods)2.1　试验污水采用人工模拟低C/N比污水,以葡萄糖、可溶性淀粉为碳源,加入NH4Cl、KH2PO4和大豆蛋白粉作为氮磷营养,并补充适量微量元素,人工污水主要性状指标见表1.表1　污水主要水质指标Table1　StandardsofsyntheticwastewaterCOD/(mg·L-1)氨氮/(mg·L-1)TN/(mg·L-1)TP/(mg·L-1)pHC/N300~35065~7575~853~48.0~8.54~52.2　试验装置及运行方案序批式生物膜反应器(图1)由PVC材料制成,高600mm,直径200mm,有效容积12L.反应器内放置8片组合纤维填料(重庆科兴公司,型号ZV-150-60),每片填料由纤维丝和塑料圆片组成,生物膜附着在纤维丝载体上,塑料圆片用于固定纤维丝,每片填料含纤维丝约为1.0~1.2g.填料直径150mm,片间距离60mm,填料投放密度为740片·m-3,理论比表面积为2600m2·m-3.曝气系统由空气泵连通2个砂芯曝气头组成,用空气转子流量计调节曝气量(QL).采用恒温加热器控制反应器水温在28~30℃.设置循环水泵使整个反应器内水质尽量混合均匀.取重庆市唐家沱污水处理厂好氧池污泥,采用循环接种法挂膜.每个周期向反应器内加入6L人工污水,即排水比为1∶2.一个周期分为:瞬时进水-曝气(5.5h/8.5h)-停曝混合(1.5h)-沉淀(0．5h)-瞬时出水-静置(0.5h).实验共设置7.2、12.0和15.6L·h-13种曝气量,对应每个曝气阶段图1　SBBR反应器装置示意图Fig.1　SchematicdiagramoftheSBBRreactor反应器内平均溶解氧浓度为0.5mg·L-1(0.1~0.7mg·L-1)、0.