城市污水厂部分反硝化滤池启动及运行

中国环境科学2020,40(3)：1068~1074ChinaEnvironmentalScience城市污水厂部分反硝化滤池启动及运行田夏迪1,2,张树军1,2,3,杨岸明1,2*,王聪1,2,3,吴从从1,2,陈沉1,2,王佳伟1,2,3,孟春霖1,2(1.北京城市排水集团有限责任公司,北京100044；2.北京市污水资源化工程技术研究中心,北京100124；3.北京北排科技有限公司,北京100044)摘要：采用生物滤池探究部分反硝化(NO3--N还原到NO2--N)工艺应用于城市污水厂深度脱氮的可行性.以实际二级出水为进水,考察滤速、碳氮比(C/N)等影响因素对滤池快速启动及稳定运行的影响,分析了滤池沿程水质变化和系统微生物群落结构.结果表明,控制高滤速和低C/N,3d可实现部分反硝化滤池的快速启动,滤池120d平均亚硝态氮累积率(NTR)为60.3%,最高可达82.1%,成功构建了连续流生物膜部分反硝化工艺.高滤速条件有助提高滤池的NO2--N积累率,C/N对NO2--N积累率的影响较小,C/N为2~4,部分反硝化滤池的NTR维持在62.0%.沿程数据表明底部40cm的滤料层是部分反硝化滤池NO3--N去除和NO2--N累积的主要反应区域.由于采用实际水厂二级出水进行研究,扫描电镜和高通量测序结果表明存在多种具有反硝化功能的微生物,系统的微生物多样性较高.关键词：部分反硝化；生物滤池；亚硝酸盐积累；深度脱氮；二级出水中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2020)03-1068-07Studyonstart-upandoperationofpartialdenitrificationfilterinmunicipalwastewatertreatmentplant.TIANXia-di1,2,ZHANGShu-jun1,2,3,YANGAn-ming1,2*,WANGCong1,2,3,WUCong-cong1,2,CHENChen1,2,WANGJia-wei1,2,3,MENGChun-lin1,2(1.BeijingDrainageGroupCo.,Ltd.,Beijing100044,China；2.BeijingEngineeringResearchCenterofWastewaterResource,Beijing100124,China；3.BeijingDrainageTechnologyCo.,Ltd.,Beijing100044,China).ChinaEnvironmentalScience,2020,40(3)：1068~1074Abstract：Thefeasibilityofapplyingpartialdenitrification(NO3--N→NO2--N)processtoadvancednitrogenremovalinmunicipalwastewatertreatmentplantwasexploredbyusingbiofilter.Takingtheactualsecondaryeffluentofmunicipalwastewatertreatmentplantastheinfluent,theeffectsoffiltrationrate,C/Nratioontherapidstart-upandstableoperationofpartialdenitrificationfilterwereinvestigated.Inaddition,thevariationofwaterqualityalongthereactorandthecompositionofmicrobialcommunityinthesystemwerealsoexplored.Thepartialdenitrificationfiltercanbestartedquicklyin3daysbycontrollingthehighfiltrationrateandlowC/Nratiowithactualsecondaryeffluent.Theaveragenitrate-nitritetransformationrate(NTR)ofthepartialdenitrificationfilterwas60.3%in120daysandthemaximumwas82.1%,whichsuggestedthatthepartialdenitrificationprocessofcontinuousflowbiofilmsystemhasbeensuccessfullyconstructed.HigherfiltrationratecouldimprovetheaccumulationofnitriteinthefilterwhileC/Nratiohadlittleeffectontheaccumulationofnitrite.NTRwasmaintainedat62.0%inthesystemwhentherangeofC/Nratiowas2~4.Thedataalongthefiltershowedthatthefilterbedunder40cmwasthemainreactionareafornitrateremovalandnitriteaccumulationinthesystem.Duetotheuseofactualsecondaryeffluentfortheexperiment,thereweremanykindsofmicroorganismsandthemicrobialdiversitywasrelativelyhigh,whichwasprovedbytheresultsofscanningelectronmicroscopyandhighthroughputsequencing.Keywords：partialdenitrification；biofilter；nitriteaccumulation；advancednitrogenremoval；secondaryeffluent随着污水排放标准的不断提高,城市污水处理厂出水氨氮及总氮难以实现稳定的达标排放,一般需要进行深度处理[1-2].最常用的深度处理工艺是反硝化生物滤池(DNBF),但存在碳源投加量大、污泥产量大、反冲洗频繁及微生物分泌物质引起严重的膜污染等问题,导致部分工艺不能稳定运行[3-5].二级出水中最主要的污染物是NO3--N及可能残留的NH4+-N.部分反硝化技术可以将反硝化过程控制在NO3--N还原产生NO2--N的阶段,然后再与厌氧氨氧化工艺耦合实现NH4+-N和NO3--N的同步去除,是一种新型的污水脱氮处理技术[6-8].基于此提出应用于深度脱氮的部分反硝化耦合厌氧氨氧化二级滤池的工艺路线.该工艺理论上可节省79%的碳源,氨氮可来源于二级生物处理剩余氨氮或者引入部分初沉池原水,可节省曝气成本;其次,厌氧氨氧化菌为自养菌,污泥产量低,对后续膜处理工艺影收稿日期：2019-08-12基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFC0401103);北京市科技计划项目(D171100001017001,Z181100005518003)*责任作者,教授级高级工程师,[e-mail]3期田夏迪等：城市污水厂部分反硝化滤池启动及运行1069响小,该工艺的开发及应用将大幅降低建设投资费用及运行费用.Ji等[9]实现了高NO2--N积累的部分反硝化工艺,长期运行NO2--N积累率大于80%;王维奇等[10]研究了SBR系统中不同驯化方式对NO2--N积累的影响;Cao等[11]和Li等[12]甚至实现了NO2--N积累率大于90%,证明了部分反硝化工艺的可行性和稳定性;Du等[13-14]和Cao等[15]也证明了部分反硝化耦合厌氧氨氧化工艺的可行性,用于高效地处理含硝酸盐的污水.但是目前有关部分反硝化的研究多以人工配水和活性污泥系统为主,且多采用序批式运行的SBR反应器,更偏重初步的可行性研究和机理探索,采用实际污水进行深度脱氮的部分反硝化工艺的研究较少.基于此,本文以污水厂实际二级出水为进水,采用连续流的滤池反应器,进行部分反硝化工艺的启动与运行,并探究滤速及C/N对该工艺部分反硝化的影响,系统地分析反应器内的水质变化特性和NO2--N积累特性,并对其中的微生物结构进行了观察和分析.1材料与方法1.1试验装置部分反硝化所用的滤池装置由有机玻璃制成,滤池总高度250cm,直径10cm,有效容积15.7L.滤池从下至上分别是20cm进水混合区、20cm承托层、120cm滤料层、60cm清水区,承托层由鹅卵石构成,滤料层所填充滤料为3~5mm的陶瓷颗粒,鹅卵石和陶瓷颗粒均取自污水厂反硝化滤池的余料.滤池采用底部进水顶部出水的运行模式,配有进水水箱、碳源加药箱、出水水箱及反冲洗水箱,在滤池底部进水和碳源分别通过蠕动泵控制,二者混合后进入滤池底部进水混合区.滤池反冲洗采用气冲-气水冲-水冲的方式,配有反冲洗水泵、空压机及流量计.1.2试验用水和接种污泥部分反硝化滤池采用自然挂膜法,未接种污泥.本试验直接采用北京某再生水厂二级出水作为进水,进水水质如表1.部分反硝化滤池外加碳源乙酸钠,根据试验需要进行不同浓度的添加.表1试验用二级出水水质Table1Characteristicsofsecondaryeffluentusedinthisstudy项目NH4+-NNO2--NNO3--NSCOD浓度(mg/L)0.2未检出10~2015~25注:NO2--N一般为未检出,偶尔检出1mg/L;pH=6.8~7.2,温度为室温.1.3试验方法模拟工艺实际运行工况,进水DO和温度不做控制.本试验设置高浓度低流量(C=50mg/L,滤速为1,2m/h)和低浓度高流量(C=15mg/L,滤速为4,5m/h)2种启动方式,考察部分反硝化工艺的快速启动.采用控制变量法进行C/N和滤速对部分反硝化滤池的影响试验,控制滤速不变,分别设置不同的C/N(2,2.5,3,3.5),观察C/N对部分反硝化的影响;控制C/N不变,设置3组滤速条件(2,4,5m/h),考察滤速对部分反硝化滤池的影响.NO3--N到NO2--N转化率(NTR)即亚硝态氮累积率,是指系统内去除的NO3--N转化为NO2--N的比例,试验装置为连续流反应器,NTR的计算方法为:2eff2inf3inf3eff(NO)(NO)NTR(NO)(NO)cccc−−−−−=−(1)式中:C(NO2-)inf、C(NO3-)inf为反应器进水NO2--N和NO3--N的浓度;C(NO2-)eff、C(NO3-)eff为反应器出水NO2--N和NO3--N的浓度.1.4分析方法样品水质指标检测按照国家标准方法进行.NO3--N和NO2--N采用离子色谱法测试,SCOD采用哈希快速测定试剂检测.生物样品的测试包括扫描电镜和高通量测序.采用SU8020日本日立(Hitachi)扫描电镜进行观察,预处理方法参照文献[16];此外,从滤料层底部处取滤料50mL置于250mL锥形瓶,加100mL超纯水恒温振荡,得到的混合液进行离心,然后经低温干燥冻干机干燥后,用于高通量测序分析.在上海美吉生物医药科技有限公司的I-Sanger云平台进行数据的处理和分析.2结果与讨论2.1部分反硝化滤池启动与运行2.1.1部分反硝化滤池的快速启动控制进水C/N为2.5,考察高浓度低流量启动方式的NO2--N1070中国环境科学40卷积累情况.如图1所示,初期污水厂二级出水携带的微生物在滤料上附着,利用进水中的硝酸盐和外加的乙酸钠进行反硝化,生物膜快速生长,初期出现稳定的NO2--N积累,系统积累的最高NO2--N为10mg/L左右.但是经过第二次反洗后NO2--N的积累消失.运行2个周期后提高滤速观察,仍未有明显的NO2--N积累出现.出现