含盐量对氨氮废水短程硝化性能的影响陈晓坤

陈晓坤，汪晓军，陈小珍，等.含盐量对氨氮废水短程硝化性能的影响[J].环境科学与技术,2019,42(1):101-107.ChenXiaokun,WangXiaojun,ChenXiaozhen,etal.Effectsofsalinityonshort-cutnitrificationperformanceintreatmentofammonianitrogencontainingwastewater[J].EnvironmentalScience&Technology,2019,42(1):101-107.含盐量对氨氮废水短程硝化性能的影响陈晓坤，汪晓军*，陈小珍，陈静，王永庆（华南理工大学环境与能源学院，广东广州510006）摘要：利用沸石曝气生物滤池(ZBAF)实现对含盐氨氮废水中的氨氮进行短程硝化处理。在持续103d的运行中，探究了进水氮容积负荷(NLR)为1.714kg/(m3·d)，NaCl投加量为0、5.0、7.5、10.0、12.0、15.0、20.0、25.0g/L时，ZBAF的短程硝化性能。结果表明，稳定运行阶段，亚硝氮积累率(NAR)始终高于97.0%。但随着NaCl投加量增加，氨氮转化效率(ARE)从最初的80%(0gNaCl/L)下降至34.7%(25.0gNaCl/L)，亚硝氮产率(NPR)则由1.356kg/(m3·d)削减为0.600kg/(m3·d)，NaCl投加量为20.0g/L时，ZBAF短程硝化效果不如最初的50%。取NaCl盐度投加量为0、25.0g/L时ZBAF中部的沸石进行高通量测序，结果表明：亚硝化功能菌纲Betaproteobacteria占比分别为48.3%、21.3%。在属的水平检测到氨氧化菌(AOB)Nitrosomonas，占比由44.9%减少至14.6%，这与未投加盐度时ZBAF良好的短程硝化效果相一致，同时表明NaCl盐度的引入，削弱了ZBAF的短程硝化效果。关键词：沸石；游离氨；短程硝化；NaCl盐度；高通量测序中图分类号：X703文献标志码：Adoi：10.19672/j.cnki.1003-6504.2019.01.015文章编号：1003-6504(2019)01-0101-07EffectsofSalinityonShort-cutNitrificationPerformanceinTreatmentofAmmoniaNitrogenContainingWastewaterCHENXiaokun,WANGXiaojun*,CHENXiaozhen,CHENJing,WANGYongqing(SchoolofEnvironmentandEnergy,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China)Abstrac:Abench-scaleZBAF(zeolitebiologicalaeratedfilter)operatedwithshort-cutnitrificationfunctionwasusedfortreatinghigh-salinityandNH4+-N-containingwastewater.Theexperimentaloperationwasrunforalong-termof103d,dur⁃ingwhichsalinityininfluentwasgraduallyincreasedfrom0to25.0gNaCl/Lwithanitrogenloadingrate(NLR)of1.714kg/(m3·d),thedosageofNaCladdedbeing0,5.0,7.5,10.0,12.0,15.0,20.0and25.0g/L.TheexperimentshowedthatZBAFcouldachievestableshort-cutnitrificationandNARremainedabove97.0%.However,withtheincreaseofsaltconcentra⁃tion,theammoniumremovalefficiency(ARE)decreasedfrom80%(0gNaCl/L)to34.7%(25.0gNaCl/L),andnitritepro⁃ductionrate(NPR)wasreducedfrom1.356kg/(m3·d)to0.600kg/(m3·d),thesemi-inhibitorydosageofsaltconcentrationforZBAFbeing20.0gNaCl/L.Astothehigh-throughputsequencinganalysis,theresultsindicatedthatwhenNaCldosageincreasedto20g/L,theshort-cutnitrificationefficiencywilldecline,50%downfromtheinitialone;thehigh-throughputse⁃quencinganalysisforZBAFshowedthatBetaproteobacteriaaccountedforrespectively48.3%,21.3%whenNaCladdedwas0,25.0g/L.Atthegenuslevel,ammoniaoxidizingbacteria(AOB)Nitrosomonaswasidentified,whichaccountedfor44.9%(noNaCladdedtoinfluent)butdroppeddownto14.6%asNaClconcentrationoftheinfluentwasraisedto25.0g/L.Incon⁃clusion,increasingsaltcontenti.e.salinityinwastewaterisdetrimentaltotheperformanceofshort-cutnitrificationinZBAF.Keywords：zeolite；freeammonia；short-cutnitrification；NaClsalinity；high-throughputsequencinganalysis《环境科学与技术》编辑部：（网址）（电话）027-87643502（电子信箱）[e-mail]收稿日期：2018-05-04；修回2018-07-03基金项目：印染行业污染控制技术集成、环保装备研发及其产业化（2015B020235013）；2015年广东省应用型科技研发专项（重大）作者简介：陈晓坤（1993-），男，硕士研究生，主要从事水污染控制与环境修复方面研究，（电子信箱）[e-mail]；*通讯作者，男，教授，主要从事水污染控制与环境修复方面研究，（电子信箱）[e-mail]。EnvironmentalScience&TechnologyVol.42No.1Jan.2019第42卷第1期2019年1月传统全程硝化反硝化生物脱氮工艺包含的主要过程包括：在曝气条件下，废水中的氨氮通过氨氧化细菌（ammoniaoxidizingbacteria，AOB）转化为NO2--N，NO2--N在亚硝酸盐氧化菌（nitriteoxidizingbacteria,NOB）转化成NO3--N；氨氮转化为NO3--N后，在缺氧状态下，反硝化细菌以NO3--N为电子受第42卷体，首先将NO3--N还原为NO2--N，再将NO2--N还原为N2，实现对废水中TN的脱除。如果将废水中氨氮的硝化控制在NO2--N阶段，再以NO2--N作为反硝化过程的电子受体，即可节省约25%的曝气量以及约40%的反硝化碳源[1]，这就是被广泛应用于废水生物脱氮处理的短程硝化反硝化工艺[2-4]。无论是传统全程硝化工艺或短程硝化工艺，功能微生物都包含两大自养型微生物，AOB和NOB[5]。硝化细菌对环境因素的变化，如温度、pH、DO、底物浓度以及废水的盐含量等，都非常敏感，故其比增殖速率很低，这成为短程硝化反硝化脱氮工艺规模化应用的一大难点[6-8]。因此，深入探究以上因素对短程硝化工艺效果的影响及其机理，对于短程硝化工艺的应用和推广，具有重要意义。含盐氨氮废水的脱氮处理备受关注，其主要来源包括酸洗废水、海产品加工废水、制革废水、化学品和药品生产废水、石油和天然气回收废水以及垃圾渗滤液等[9]。盐类物质的存在会引起废水渗透压的升高，而微生物的活性在过高的渗透压环境中会显著下降，甚至完全丧失[10]。另外，已有研究中，由于运行条件以及接种微生物是否耐盐等的不同，盐度对短程硝化过程的影响说法不一，甚至会显示出截然不同的结果[11]。本研究旨在阐明NaCl盐度对ZBAF短程硝化性能的影响。1材料与方法1.1试验装置试验所用ZBAF为有机玻璃材质，外形尺寸为Φ100mm×H1600mm，有效容积约10L，如图1所示，反应器底部设有进水口、曝气口(反冲洗进气口)，柱体共设置有6个取样口，相邻取样口间隔0.15m。装填填料为天然沸石，装填高度90cm。所用天然沸石产品参数如表1所示。模拟废水经蠕动泵抽吸，再与曝气混匀后打入ZBAF中。ZBAF柱体环绕恒温加热装置以及保温带，保证反应器内水温为（25.0±1.0）℃。ZBAF曝气量控制为0.16m3/h，相应地，ZBAF的DO控制范围为5.5~6.7mg/L。ZBAF反冲洗周期为20d1次，反冲洗时，先用0.4m3/h进气冲洗5min，然后保持反洗进气量不变，气水联洗10min。表1天然沸石产品特性参数Table1Characteristicsofnaturalzeolite平均粒径/mm1.80比重/(g·m-3)2.64干密度/(g·m-3)1.11表面积/(m2·g-1)16.201.2进水水质与污泥驯化模拟废水进水组成如下：NH4+-N（NH4Cl），150~250mg/L；NaHCO3，2500~4167mg/L；NaHPO4，10.0mg/L；CaC12·2H2O，5.6mg/L；MgSO4·7H2O，300mg/L；FeSO4·7H2O，24.0mg/L；微量元素，1.0mL/L。微量元素配制方法参考文献[12]。在运行期间，进水中投加不同NaCl盐度（NaCl，0~25g/L），以探究盐度对ZBAF亚硝化效果的影响。接种污泥取自本课题组实验室内培养的成熟好氧硝化污泥，接种量500mL，污泥浓度MLSS为5000mg/L，污泥容积指数SVI为40mL/g。1.3试验过程试验开始前，首先进行ZBAF的挂膜启动。配以3.5L氨氮浓度为150mg/L的氯化铵溶液，向ZBAF中投加接种污泥，溶解氧控制为5.5~6.7mg/L，每隔12h换一次进水，闷曝3d。系统闷曝结束后，根据运行方式的不同，将试验过程分为3个阶段。阶段一：全程硝化阶段，进水氨氮浓度设定为150mg/L。根据氨氮去除效果，逐步将水力停留时间（HRT）从8h缩短至4h，对应进水流量由0.9L/h增加至2.0L/h，以此提高反应器的NLR；阶段二（记为T0）：短程硝化阶段，ZBAF进水氨氮浓度提升至250mg/L，提高反应器内FA浓度，实现短程硝化，同时逐步缩短HRT至3.5h，以实现ZBAF最优化短程硝化效果；阶段三：NaCl盐度投加试验阶段，保持NLR不变，考察不同NaCl投加浓度对ZBAF亚硝化效果的影响，设计NaCl投加浓度分别为5.0、7.5、10.0、12.0、15.0、20.0、25.0g/L，运行周期依次记为T1、T2、T3、T4、T5、T6和T7，如图2所示，每个周期有效运行时间为10d，考察各个周期的运行效果时，各周期最后5d评价指标的平均值作为参考。各运行阶段，每12h采样观测反应器运行情况。ZBAF