低温条件下好氧颗粒污泥培养及其脱氮性能研究

中国环境科学2019,39(2)：634~640ChinaEnvironmentalScience低温条件下好氧颗粒污泥培养及其脱氮性能研究梁东博1,卞伟2,王文啸3,赵青4,孙艺齐1,吴耀东1,侯连刚1,李军1*(1.北京工业大学建筑工程学院,城市污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室,北京100124；2.国家能源投资集团有限公司,北京100011；3.北控水务集团有限公司,北京100024；4.中国市政工程华北设计研究总院有限公司,天津300202)摘要：为研究在低温条件下好氧颗粒污泥(AGS)的形成及其脱氮性能,在序批式反应器(SBR)中15℃条件下60d内培养出了成熟的具有良好短程硝化功能的AGS,稳定运行阶段亚硝酸盐氮积累率(NAR)可以达到90%以上,扫描电镜显示AGS主要由短杆菌和球菌构成.通过批次实验研究了温度在15℃时,粒径为R1(1.0~2.0mm)、R2(2.0~3.0mm)和R3(3.0mm)的短程硝化AGS的脱氮特性.其中R1亚硝酸盐氮积累效果最差,R2、R3相差不大,其NAR均可达到90%左右,效果较好.AGS粒径的增大会对基质的传质产生影响,这为氨化细菌(AOB)、硝化细菌(NOB)和反硝化细菌的生长提供了适宜的场所,有利于短程硝化的实现.通过微电极测定,在温度为15℃、水中溶解氧(DO)浓度为6~7mg/L时,AGS中氧气的传质深度为600~700µm.关键词：低温；好氧颗粒污泥；短程硝化；粒径中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2019)02-0634-07Aerobicgranularsludgeformationandnutrientsremovalcharacteristicsunderlowtemperature.LIANGDong-bo1,BIANWei2,WANGWen-xiao3,ZHAOQing4,SUNYi-qi1,WUYao-dong1,HOULian-gang1,LIJun1*(1.NationalEngineeringLaboratoryofUrbanSewageAdvancedTreatmentandResourceUtilizationTechnology,CollegeofArchitectureandCivilEngineeringofBeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China；2.NationalEnergyInvestmentGroupCo.,Ltd.,Beijing,100011,China；3.BeijingEnterprisesWaterGroupLtd.,Beijing100024,China；4.NorthChinaMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300202).ChinaEnvironmentalScience,2019,39(2)：634~640Abstract：Inordertostudytheformationofaerobicgranularsludgeandnutrientsremovalcharacteristicsunderlowtemperature,asequencingbatchreactor(SBR)hasbeenoperatedat15℃.TheresultsshowedthatthematureAGSwhichhavegoodperformanceofpartialnitrificationwereobtainedwithin60daysandnitriteaccumulationrate(NAR)canachieveabove90%instableoperationstages.Thepictureofscanningelectronmicroscopy(SEM)showedthatAGSmainlyconsistedofshortbacillusandcocci.ThenutrientsremovalperformanceofAGSindifferentparticlesizesR1(1.0~2.0mm),R2(2.0~3.0mm),andR3(above3.0mm)wereinvestigatedbygascollectorbatchtestsunder15℃.ThenutrientsremovalperformanceofR2andR3werebetterthanR1andtheirNARwereabove90%.Theincreaseofparticlesizewouldaffectmasstransferofsubstrateandthenprovideappropriateplacesforammoniumoxidizingbacteria(AOB),nitriteoxidizingbacteria(NOB)anddenitrifyingbacteriawhicharegoodfornitrification.ThedepthofDOinAGSwas600~700µmwhentheDOinthebulkwaterwas6~7mg/Lat15℃throughthedeterminationofmicroelectrode.Keywords：lowtemperature；AGS；nitrification；particlesize好氧颗粒污泥(AGS)是生物自絮凝而形成的特殊生物结构,其技术起源于20世纪90年代[1].AGS技术与传统活性污泥技术相比具有很大优势,如颗粒污泥自身良好的沉降性、较高的生物量,以及较低的操作运行费用等[2].目前短程硝化反硝化成为废水生物脱氮的一个研究热点,其与传统生物脱氮工艺相比,具有需氧量小、碱度消耗少、反应时间短、反硝化所需碳源少、污泥产率低等优点,被认为是一种可持续的污水脱氮新技术[3].AGS内部氧传质限制使NOB生长受到抑制,进而使得亚硝化容易实现,而且良好的微生物固定化效果和颗粒污泥反应器较短的沉淀时间可以有效富集AOB、淘洗NOB.因此,短程硝化颗粒污泥的出现为高效低耗处理废水提供了新的选择[4].温度对所有环境中微生物代谢和群落结构有很大的影响,其改变会导致生物转化过程改变.因此,通过研究温度改变对细菌产生的影响,从而理解它对自然环境和改造生态系统的作用是有必要的[5].在我国冬季,大部分污水处理厂污水温度只有10℃收稿日期：2018-07-20基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07103-001)*责任作者,教授,[e-mail]2期梁东博等：低温条件下好氧颗粒污泥培养及其脱氮性能研究635左右,这样低的环境温度可以抑制微生物的新陈代谢和活动.生物脱氮工艺的处理效果与温度呈极强的负相关,当温度达到10℃甚至更低时,适应常温(25℃左右)的污泥活性就会被大幅度抑制[6],而且低温会给污水的生物处理带来很多的问题,例如丝状菌的大量生长、污泥沉降性变差等.在AGS系统中,低温会导致AGS的破坏、生物量流失等一系列问题,因此在低温条件下,AGS系统很难启动[7].尽管这样,郭安等[8]采用厌氧、好氧交替运行的小试SBR反应器,在秋、冬季温度由18℃逐渐降至10℃并长期维持在较低温度的下,培养出了具有良好物化特性的颗粒污泥,对生活污水中污染物的去除具有良好效果.王硕等[9]采用内循环序批气提式反应器(SBAR)40d在低温条件下培养出AGS,其对生化需氧量(COD)、氨氮(NH4+-N)和磷(P)的去除率分别为87.2%、81.8%和58.9%.粒径对颗粒污泥系统的效果具有重要影响.李定昌等[10]研究了不同粒径成熟AGS中胞外聚合物的分布及物理化学特性.然而,关于粒径对AGS脱氮性能的影响少有研究.因此,本研究拟考察短程硝化AGS系统在低温条件下的启动过程及其稳定运行的情况,并筛选3种粒径的AGS,研究粒径对其脱氮性能的影响.1材料与方法1.1实验装置压缩空气进水控温槽出水水浴出水WTWDO、TpH值水浴进水图1实验装置示意Fig.1Schematicdiagramofexperimentaldevice实验所用装置为序批式反应器,如图1所示,反应器由有机玻璃板制成,高170cm,直径为8cm,反应器总容积为8.5L,有效容积8L,设定排水比为50%.采用曝气泵(50L/min,50Hz)在反应器底部进行曝气;反应器外部设有水浴装置,用控温槽(上海朗晟,中国)控制反应器内水温恒定在15℃.1.2接种污泥与实验用水接种污泥取自北京市高碑店污水处理厂曝气池活性污泥,黑褐色.接种污泥的质量浓度(MLSS)为4600mg/L左右,污泥的沉降指数(SVI)为68.33,MLVSS/MLSS=0.72.实验用水为人工配制,模拟城镇生活污水,NH4+-N(以NH4Cl配制)质量浓度为60mg/L,COD(CH3COONa)值为300mg/L左右,P(KH2PO4)为4mg/L,Ca(无水CaCl2)为40mg/L,Mg(MgSO4⋅2H2O)为20mg/L.根据反应器实际降解NH4+-N的量,投加NaHCO3,维持反应器pH在7.8~8.2之间.每1L配水中添加0.5mL微生物生理活动所必需的微量元素,其中微量元素成分为FeCl3⋅6H2O1500mg/L、H3BO3150mg/L、CuSO4⋅5H2O50mg/L、KI150mg/L、MnCl2⋅4H2O110mg/L、CoCl2⋅6H2O150mg/L、Na2MoO4⋅2H2O60mg/L、ZnSO4⋅7H2O120mg/L.1.3实验方法1.3.1低温培养AGS反应器运行方式为序批式进水,每个周期12h,分为进水(3min)、曝气(9.5h)、沉淀(1-5min)、排水(1min)和静置(剩余时间)5个阶段.AGS启动培养阶段(阶段1,1~60d)、稳定运行阶段(阶段2,61~100d)和亚硝化破坏与恢复阶段(阶段3,101~140d),其中在1~99d控制DO在6mg/L左右,100~109d提高DO至8mg/L左右,110~140d降低DO至5mg/L左右.1.3.2批次实验装置和程序批次试验使用500mL集气瓶,进行不同粒径AGS的脱氮特性测定.反应器运行第138d,亚硝化效果稳定后进行批次实验,AGS从反应器中取出,先用自来水冲洗3遍以去除表面的残留基质,再用孔径为1.0,2.0,3.0mm的不锈钢筛网过滤得到粒径为R1(1.0~2.0mm)、R2(2.0~3.0mm)和R3(3.0mm)的AGS.AGS外观形态如图2所示,刻度尺最小刻度为1mm.用分析天平分别称取相同质量的3种粒径湿污泥,将污泥和模拟配水(与反应器进水水质相同)一起放入有效容积为500mL的集气瓶中,集气瓶中MLSS与反应器中相636中国环境科学39卷同.保证其他实验条件相同,每隔1h取样测定NH4+-N、亚硝酸盐氮(NO2--N)、硝酸盐氮(NO3--N)和COD浓度,以此来确定不同粒径AGS的亚硝化活性,每次取水样体积为5mL.(a)(b)(c)(d)图2好氧颗粒污泥的形态(a:10d、b:30d、c:60d、d:100d)Fig.2ImagesofAGSatdifferentdays1.4分析项目与方法NH4+-N、NO2--N和NO3--N的测定分别采用纳氏试剂分光光度法、N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法和麝香草酚分光光度法;DO、T和pH值通过在线测定仪(WTW,德国)进行测定;MLSS和MLVSS均采用重量法;COD采用COD快速测定仪(连华,中国)进行测定;采用OlympusBX51/52(OLYMPUS,日本)光学显微镜观察AGS的外形;AGS表面微观形态采用HitachiS3400N(HITACHI,日本)扫描电子显微镜(Scanningelectronicmicroscopy,SEM)表征