常温低氨氮CANON工艺稳定性研究

中国环境科学2017,37(1)：102~107ChinaEnvironmentalScience常温低氨氮CANON工艺稳定性研究李冬1*,赵世勋1,关宏伟1,梁瑜海1,张艳辉1,张杰1,2(1.北京工业大学,水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室,北京100124；2.哈尔滨工业大学,城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江哈尔滨150090)摘要：室外以A/O除磷后的生活污水为基质启动全程自养脱氮(CANON)生物滤柱,针对CANON工艺中NOB过量增殖导致出水氮素浓度超过一级A排放标准的问题,试验考察高氨氮负荷、反冲洗、厌氧运行对滤柱中NOB的影响.结果表明:NOB对高氨氮负荷有适应性,进水氨氮负荷为0.60kg/(m3·d)时,连续运行80d后总氮去除率稳定在65%左右,最大出水总氮浓度为15.8mg/L,超过一级A排放标准;反冲洗可以洗脱CANON工艺中的NOB,反冲洗后滤柱连续40d出水总氮浓度小于10.5mg/L:厌氧运行对NOB抑制作用大而对AOB影响较小,从厌氧运行恢复低DO稳定运行后,连续40d以上总氮去除率大于80%,最大出水总氮浓度为9.5mg/L.关键词：生活污水；滤柱；自养脱氮；反冲洗；亚硝酸盐氧化菌中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2017)01-0102-06StableoperationofCANONprocessatnormaltemperatureandlowammoniaconcentration.LIDong1*,ZHAOShi-xun1,GUANHong-wei1,LIANGYu-hai1,ZHANGYan-hui1,ZHANGJie1,2(1.KeyLaboratoryofBeijingWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100424,China；2.StateKeyLaboratoryofUrbanWaterResourceandEnvironment,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China).ChinaEnvironmentalScience,2017,37(1)：102~107Abstract：OutdoorsthelivingwastewaterafterusingA/OremovesphosphoruswastakenasmatrixtostartthebiofilterofCANONprocess,aimedattheproblemthatnitriteoxidizingbacteria(NOB)excessesproliferationinCANONprocessandcausestheeffluentnitrogenconcentrationtoexceedthefirstlevelAdischargestandardofpollutantsformunicipalwastewatertreatmentplant,toexperimentandinvestigatetheeffectofhighammonialoadingrate,backwashingandanaerobicoperationontheNOBinthefiltercolumn.TheresultsshowthattheNOBhadadaptabilitytothehighammonialoadingrate,whentheinfluentammonianitrogenloadingratewas0.60kg/(m3⋅d),afterthecontinuousoperationof80d,thetotalnitrogenremovalratewasstableat65%orso,themaximumeffluenttotalnitrogenconcentrationwas15.8mg/L,exceedingthefirstlevelAemissionstandards;NOBwaselutedinCANONprocessbythemeansofreversewashing,afterthebackwashingthetotalnitrogenconcentrationofthecontinuous40deffluentwaslessthan10.5mg/L;theinhibitoryeffectofanaerobicoperationonNOBwaslargerbutitsinhibitoryeffectonAOBwassmaller,fromafteranaerobicoperationrecoverslowDOstableoperation,thetotalnitrogenremovalrateabovecontinuous40dwasgreaterthan80%,andthemaximumeffluenttotalnitrogenconcentrationwas9.5mg/L.Keywords：domesticwastewater；filter；CANON；backwash；nitriteoxidizingbacteria与传统脱氮工艺相比,新型的全程自养脱氮(CANON)工艺节省了62.5%的氧气供应、脱氮途径短、无需外加碳源、温室气体产量少[1],是目前最具前景的污水脱氮工艺[2].CANON工艺适合处理高温、高氨氮、低碳氮比[3-4]的污水,而城市生活污水是典型的常温、低氨氮、高碳氮比的水质,因此如何将CANON工艺应用到城市生活污水处理领域是长久以来的难点[5].生活污水的厌氧发酵和A/O除磷预处理已解决基质高碳氮比的问题,但如何在常温、低氨氮条件下运行CANON工艺仍有待进一步研究.之前即使有对常温低氨氮CANON工艺的研究,也仅局限于配水和短期运行[6-8],在实际生收稿日期：2016-03-28基金项目：北京市青年拔尖团队项目*责任作者,教授,[e-mail]1期李冬等：常温低氨氮CANON工艺稳定性研究103活污水长期应用方面基本没有.本试验采用上向流全程自养脱氮生物滤柱反应器,研究CANON工艺在室外处理实际生活污水时的效果.在常温低氨氮条件下,CANON工艺的难点在于短程硝化的稳定性[9].由于CANON工艺无法去除硝态氮,如果NOB过量增殖,出水中会含有大量硝氮,导致反应器总氮去除率下降,出水总氮超标.常温、低游离氨条件下,单纯通过低DO抑制NOB活性已被证实难以实现[10-11],因此需要通过其他策略达到抑制NOB的目的.研究[12]指出高氨氮负荷有助于维持短程硝化的稳定.同时在CANON工艺的生物膜反应器中,NOB分布在生物膜的外层[9,13],反冲洗有利于洗脱生物膜表面的NOB.研究表明,AOB代谢具有多样性[14],部分AOB可以在厌氧的条件下,按厌氧氨氧化类似的途径进行代谢,而NOB不具有这种功能.基于此,试验在污水处理厂室外,以A/O除磷处理后的实际生活污水为基质,启动并运行CANON生物滤柱,研究高氨氮负荷、反冲洗和厌氧运行对CANON滤柱中NOB的影响.1材料与方法1.1试验装置进水出水蠕动泵火山岩填料承托层气泵图1反应器装置示意Fig.1Schematicdiagramoftheexperimentalequipment试验采用上向流生物滤柱(图1),反应器由有机玻璃制成,内径8cm,承托层高5cm,滤料高80cm,有效容积5L.内部装填直径5~10mm的火山岩填料,底部设有曝气装置,整个反应器外部用黑色保温棉缠绕以避光和保温.1.2试验用水和接种污泥该试验进水为A/O除磷处理后的实际生活污水.在冬季,水箱中放置加热棒以维持水温在15~19℃,整个运行过程温度在13~21℃.其他水质指标如表1所示.表1进水水质指标Table1WaterQualityofinfluent指标参数指标参数NH4+-N35~60mg/LCOD50mg/LNO2--N0.5mg/LpH值7.2~8.1NO3--N2mg/LTP1.5mg/L厌氧氨氧化滤料来自于运行稳定的上向流火山岩填料厌氧氨氧化滤柱,总氮去除率稳定在85%左右,总氮去除负荷在1.0kg/(m3·d)以上.亚硝化絮状污泥来自于推流式反应器,反应器高温高氨氮运行,亚硝化污泥浓度为1050mg/L,亚硝化率在90%以上.1.3试验方法反应器的运行分4个阶段.第1~48d为S1阶段,反应器装填厌氧氨氧化滤料,接种3L亚硝化污泥,在低负荷下启动;第49~178d为S2阶段,反应器在高负荷下运行,第129d对滤柱进行反冲洗;第179~202d为S3阶段,进水中投加亚硝酸钠,同时关闭曝气,滤柱厌氧运行;203~251d为S4阶段,重新运行CANON工艺.各阶段运行参数表2.表2各阶段反应器参数变化情况Table2Theparametervariationsofeachstage阶段NO2--N(mg/L)HRT(h)DO(mg/L)S1(1~48d)—40.3~0.8S2(49~178d)—20.3~0.5S3(179~202d)502—S4(203~251d)—20.3-0.51.4化学分析方法及反应速率的测定水样分析中NH4+–N测定采用纳氏试剂光度法,NO2－–N采用N–(1–萘基)乙二胺光度法,NO3－–N采用紫外分光光度法,COD采用快速测定仪,DO、pH值和水温通过WTW便携测定仪104中国环境科学37卷测定,其余水质指标的分析方法均采用国标方法.反应速率的测定:从反应器中取出滤料,刮下生物膜并解离,放入1L的烧杯.烧杯底部设置曝气装置,设置机械搅拌.分别测定短程硝化、硝化、厌氧氨氧化反应速率,代表AOB、NOB和ANAMMOX菌活性.测定反应速率时,调节进水碱度,使得碱度与氨氮之比为10,调节pH至7.6~8.0,基质氨氮和亚硝酸盐氮浓度为50mg/L.测定短程硝化和硝化反应速率时曝气,使水中DO维持在2.0mg/L以上,测定厌氧氨氧化活性时,保证基质的厌氧状态.44NH-NHMLSSVt++⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦=⋅始末亚硝化(1)[][]TN-TNMLSSVt=⋅末始厌氧氨氧化(2)33NO-NOMLSSVt−−⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦=⋅末始硝化(3)2结果与讨论2.1CANON工艺的启动及高负荷运行反应器装填成熟的厌氧氨氧化滤柱填料,接种亚硝化絮状污泥启动CANON工艺,启动过程中接种亚硝化絮状污泥4L,污泥MLSS为2100mg/L.为了减少DO对厌氧氨化菌的抑制以及抑制硝化细菌的活性,反应器启动过程在低DO条件下运行.有研究表明,AOB的氧饱和常数为0.2~0.4mg/L,NOB的氧饱和常数为1.2~1.5mg/L[15],同时,DO对厌氧氨氧化的抑制浓度低于0.5%空气饱和度[16].因此试验实时控制曝气量,使得出水口DO为0.3~0.8mg/L.启动初期为了使得微生物适应环境,滤柱在低负荷下运行,HRT设定为4h,滤速为0.2m/h.反应器运行过程中的进出水氮素变化如图2所示,氮素去除率如图3所示,总氮去除负荷如图4所示.在S1阶段,由于反应器内DO较低,厌氧氨氧化菌受抑制较小,反应器没有明显的NO2--N积累.随着亚硝化细菌的挂膜、生长,氨氮去除率逐渐提高.反应器运行到48d时,连续10d氨氮去除率稳定在90%以上,总氮去除率大于70%,总氮去除负荷大于0.20kg/(m3·d),表明CANON滤柱已启动成功.在整个启动阶段,氨氮去除率几乎呈线性增长,与前人研究有所不同[17],可能是本试验实时调控曝气量,维持DO浓度在0.3~0.8mg/L,而其他研究采用固定曝气量,因此导致氨氮去除率增长趋势有所不同.本试验在低氨氮条件下,启动初期取得了较高的总氮去除负荷,甚至高于其他高氨氮条件下的去除负荷[18],表明滤柱形