固定化包埋填料高氨氮负荷下短程硝化稳定运行特征

第11卷　第6期环境工程学报Vol.11,No.62017年6月ChineseJournalofEnvironmentalEngineeringJun.2017基金项目:北京市科委计划项目(Z161100004516010)收稿日期:2015-12-28;录用日期:2016-03-18第一作者:杨宏(1963—),男,博士,教授,研究方向:水处理生物技术。E-mail:[e-mail]∗通信作者固定化包埋填料高氨氮负荷下短程硝化稳定运行特征杨宏∗,吴城锋,王小乐,管清坤,刘毅北京工业大学建筑工程学院,北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京100124摘　要　为了探讨固定化包埋填料高氨氮负荷下短程硝化的稳定运行研究,以固定化技术包埋一定量硝化菌填料为载体,并利用序批次反应器进行处理人工配置的氨氮废水实验,该实验研究了实现短程硝化影响因素DO、有机物的控制范围,驯化期间,分别将温度、pH值、DO控制在(31±1)℃、7.8~8.2、1.8~2.0mg·L-1范围内,进水有机物浓度始终保持在50mg·L-1以下,体积填充率为15%,采用高游离氨(3.03~14.18mg·L-1)对NOB产生抑制作用,使活性填料中的AOB成为优势菌群,通过历时55d的培养实现了该填料短程硝化的启动及稳定运行,结果表明,进水氨氮浓度保持200mg·L-1左右,氨氮去除速率高达28.29mgNH+4-N·(L·h)-1的同时,氨氮的去除率97%,亚硝酸盐积累NO-2-N/NO-x-N85%,实验同时还考察了活性填料的抗冲击负荷能力与单个周期内短程硝化运行特征。关键词　SBR;生物活性填料;FA;短程硝化中图分类号　X703.1　　文献标识码　A　　文章编号　1673-9108(2017)06-3369-06　　DOI　10.12030/j.cjee.201512214ShortcutnitrificationofstableoperationofimmobilizedactivefillerunderhighammonialoadingYANGHong∗,WUChengfeng,WANGXiaole,GUANQingkun,LIUYiKeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,Beijing,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,ChinaAbstract　Tostudyonshortcutnitrificationstableoperationofimmobilizedactivefillerathighammoniaload-ing,theexperimentusedacertainamountofembeddedactivefillerasacarriertotreatammoniawastewaterbymanualconfigurationinasequencebatchreactor.TheresearchexploredDOandorganicsrangeastheinfluencefactorsofshortcutnitrification.Duringacclimation,thereactorranunderthefollowingoptimalconditions:tem-peratureof(31±1)℃,DOof1.8—2.0mg·L-1,pHof7.8—8.2,andfillingrateof15%.Theconcentrationoforganicswasalwayslowerthan50mg·L-1aboutinfluent.TheAOBdevelopedthedominantbacteriaofim-mobilizedactivefillerbyhighfreeammonia(3.03—14.18mg·L-1)inhibitoryactiontoNOB.Theresultsshowedthattheammoniaremovalratewasupto97%,nitriteaccumulationrateNO-2-N/NO-x-N85%bycon-trollinginfluentammoniaconcentrationat200mg·L-1duringshortcutnitrificationofstart-upandstableopera-tionof55days,whereastheammoniaremovalratewas28.29mgNH+4-N·(L·h)-1.Thetestalsoinvestigatedtheactivefillerloadofshockresistanceandasinglecyclecharacteristicsofshortcutnitrificationoperation.Keywords　SBR;immobilizedactivefiller;FA;shortcutnitrification　　短程硝化是将传统的硝化反应控制在亚硝化阶段,与传统工艺相比,短程硝化反硝化需氧量减少25%,碳源需求减少40%,具有节省曝气能耗、缩短反应时间、减少污泥生成量、减少反应器有效容积和节约基建费用等优点[1-3],因此如何实现与维持稳定的短程硝化成为目前污水生物脱氮领域的研究热点[4]。硝化菌是一种自养菌,生长缓慢,对环境因子变化十分敏感,采用微生物固定化技术可解决硝化菌流环境工程学报第11卷失问题,提高系统中硝化菌浓度,已得到广泛的研究和应用。但是大部分实验还都停留在传统的以包埋材料为载体的“滴下造粒法”和“成型切断法”阶断,由于载体材料自身(微球和包埋块)的限制,活性填料在机械强度、传质、稳定性和处理效率等方面都存在一定的问题,更为主要的缺陷是这些填料不具有较好的水力学特征,无法充分发挥填料的硝化活性。因此,开发出稳定性好、处理效率高、传质效果好的固定化生物活性填料对氨氮废水的处理具有十分重要意义。本研究从污水处理厂获取的剩余污泥经筛选富集培养得到的硝化菌群(混合菌)为菌源,采用包埋法制备的固定化填料为载体,重点研究了溶解氧(dissolvedoxygen,DO)对活性填料发生短程硝化的影响,利用高游离氨(freeammonia,FA)对亚硝酸盐氧化菌(nitriteoxidizingbacteria,NOB)产生抑制作用使氨氧化细菌(ammoniaoxidizingbacteria,AOB)成为优势菌群(混合菌),实现了在高氨氮负荷下序批次反应器(SBR)短程硝化的快速启动及稳定运行,填料中的实验还考察该新型活性填料的抗冲击负荷能力。1　材料与方法1.1实验用水实验用水采用人工模拟配水,按氨氮浓度为100mg·L-1时各基质组分质量浓度为:NH4Cl382.81mg·L-1,NaHCO31272.02mg·L-1,KH2PO4112mg·L-1,CaCl2·2H2O111mg·L-1,MgSO415mg·L-1,FeSO4·7H2O11.1mg·L-1,NaCl500mg·L-1,进水投加的微量元素:H3BO314mg·L-1,MnCl2·4H2O990mg·L-1,CuSO4·5H2O250mg·L-1,CoCl2·6H2O240mg·L-1,ZnSO4·7H2O430mg·L-1,NiCl2·6H2O190mg·L-1,NaMoO4·2H2O220mg·L-1(每1L进水投加1mL微量元素溶液,以满足微生物生长需求),进水氨氮浓度发生变动时,其他组分按比例增减。1.2分析项目及测试方法NH+4-N:纳氏试剂分光光度法;NO-2-N:N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;NO-3-N:紫外分光光度法;pH值:PHS-2C实验室pH计;DO:德国WTWinoLabOxi7310实验室台式溶氧仪;1.3菌种的来源及活性填料的制备图1　新型固定化硝化菌活性填料示意图Fig.1　Diagramofnovelimmobilizednitrobacteriumactivefiller本实验包埋所用菌源来自于北京市某污水处理厂二沉池剩余污泥,经筛选富集培养后的硝化菌群。具体做法如下:首先将剩余污泥过度曝气,利用气体扰动作用和异氧菌的内源呼吸代谢使污泥絮体解体;然后将解体污泥用纱布进行过滤去除无机颗粒杂质,保留滤液;最后对滤液进行选择性培养,培养液配方如1.1所述,在实验室发酵罐中培养20d后,离心浓缩至污泥含水率90%左右,细菌浓缩液与质量分数为2%活性炭混合均匀(活性炭质量/包埋液总质量),形成混合液A,将一定质量的聚乙烯醇加入到去离子水中,添加质量分数为2%的CaCO3粉末混合(CaCO3粉末质量/包埋液总质量),在105℃下加热溶解30min,搅拌均匀,冷却至35~40℃形成混合液B,A与B混合均匀形成包埋液。采用具有一定水力学特征的网状载体,根据聚乙烯醇-硼酸二次交联方法[5],放入饱和硼酸溶液中1.5h后,调节硼酸溶液pH到8~10,交联24h,将其取出,切割后洗净表面残留物质,得到网状新型生物活性填料,该填料比重:1.01~1.03,直径:10mm,高:10mm,堆积密度:250kg·m-3,比表面积:950m2·m-3。1.4实验装置实验采用有机玻璃制成的SBR反应器,内径:185mm,有效高度:700mm,有效体积:18.8L。将恒温棒放在反应器中调节温度,利用微孔曝气器进行曝气。0733第6期杨宏等:固定化包埋填料高氨氮负荷下短程硝化稳定运行特征图2　反应装置Fig.2　Experimentalsetup2结果与讨论2.1温度对启动短程硝化的影响生物硝化反应可以在4~45℃范围内均可进行,AOB与NOB生长的最适宜温度并不相同[6-9]。HELLINGA等[6]认为,实现与维持短程硝化的最佳温度为30~35℃。而YANG等[9]应用SBR中试系统通过对硝化反硝化过程进行实时控制,温度在11~25℃范围内均达到稳定的短程脱氮效果,平均亚硝化率在95%以上。本实验将温度控制在(31±1)℃范围内启动并实现硝化活性填料的短程硝化反应。2.2DO对启动短程硝化的影响图3　DO变化对亚硝酸盐积累率、氨氮去除负荷的影响Fig.3　EffectofDOonnitriteaccumulationrateandammoniumremovalrateWIESMANN[10]的研究表明,AOB和NOB氧饱和常数分别为0.3、1.1mg·L-1,即AOB对O2的亲和能力比NOB要强得多,当DO浓度为0.3~1.1mg·L-1时,AOB的比增长速率比NOB大,增值快。与传统活性污泥硝化相比,包埋后的活性填料氧传质阻力更大,溶解氧更难穿透进填料内部,王应军等[11]研究包埋颗粒短程硝化采用的DO为2.5mg·L-1,本实验采用已经恢复活性的填料为研究对象,在不同的DO值0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5和4.0条件下,取样测定并计算出亚硝酸盐积累率与氨氮去除负荷。实验结果如图3所示。在DO小于1.0时,亚硝酸盐积累率高达96%以上,但是氨氮的去除负荷仅为0.2kgNH+4-N·(m3·d)-1,在逐步提高DO时,积累率呈下降趋势,但是去除速率呈直线上升,表明在低溶解氧条件下会削弱氨氧化菌的代谢活性,不利于氨氮去除负荷的提高,当DO为2.0mg·L-1时,亚硝酸盐积累率为86%,氨氮的去除速率高达0.64kgNH+4-N·(m3·d)-1。DO为4.0mg·L-1时氨氮去除负荷达到最大,达到1.5kgNH+4-N·(m3·d)-1,但是亚硝酸盐积累率仅为60%。综合考虑氨氮的去除速率和亚硝酸盐积累同时又能在短时期内启动短程硝化反应器,将溶解氧控制在1.8~2.0mg·L-1左右。2.3有机物对短程硝化的影响有机物对短程硝化的影响较为复杂,对于活性填料中硝化菌的影响目前没有一致的结论