主流程厌氧氨氧化耦合多种脱氮途径处理市政污水

陈长东, 薛晓飞, 穆永杰, 张建锋, 孙尚勇, 张丽丽, 曹之淇. 主流程厌氧氨氧化耦合多种脱氮途径处理市政污水[J]. 环境工程学报, 2023, 17(4): 1084-1091. doi: 10.12030/j.cjee.202302097
引用本文: 陈长东, 薛晓飞, 穆永杰, 张建锋, 孙尚勇, 张丽丽, 曹之淇. 主流程厌氧氨氧化耦合多种脱氮途径处理市政污水[J]. 环境工程学报, 2023, 17(4): 1084-1091. doi: 10.12030/j.cjee.202302097
CHEN Changdong, XUE Xiaofei, MU Yongjie, ZHANG Jianfeng, SUN Shangyong, ZHANG Lili, CAO Zhiqi. Mainstream anammox coupled with multiple denitrification paths to treat municipal wastewater[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2023, 17(4): 1084-1091. doi: 10.12030/j.cjee.202302097
Citation: CHEN Changdong, XUE Xiaofei, MU Yongjie, ZHANG Jianfeng, SUN Shangyong, ZHANG Lili, CAO Zhiqi. Mainstream anammox coupled with multiple denitrification paths to treat municipal wastewater[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2023, 17(4): 1084-1091. doi: 10.12030/j.cjee.202302097

主流程厌氧氨氧化耦合多种脱氮途径处理市政污水

    作者简介: 陈长东 (1998—) ,男,硕士研究生,chenchangdong821@163.com
    通讯作者: 张丽丽 (1977—),女,博士,zhanglili03@bewg.net.cn
  • 基金项目:
    北控水务集团自主科技立项课题(ZZLX-2018-05)
  • 中图分类号: X703

Mainstream anammox coupled with multiple denitrification paths to treat municipal wastewater

    Corresponding author: ZHANG Lili, zhanglili03@bewg.net.cn
  • 摘要: 采用厌氧-好氧-缺氧推流反应器,研究实现低碳氮比主流程厌氧氨氧化(anammox)耦合多种脱氮途径的启动条件,并对脱氮途径进行分析。首先进行短程硝化驯化启动,接着在缺氧池投加填料以及接种厌氧氨氧化细菌(AnAOB),进行主流程anammox工艺脱氮。结果表明,好氧池DO约为1.5 mg·L−1时,NH4+-N去除率为80%,亚硝氮积累率为50%,短程硝化驯化启动成功。AnAOB接种启动后,在维持缺氧池DO为0.3~0.5 mg·L−1,缺氧池NH4+-N去除量为好氧池的3倍时,可实现进水C/N为2,出水总无机氮 (TIN) 低于6 mg·L−1,NH4+-N去除率>95%,这表明anammox驯化启动成功。分析缺氧池氮素变化情况表明缺氧池存在anammox及反硝化多种脱氮途径。高通量测序结果可确定Candidatus KueneniaCandidatus Brocadia等AnAOB菌属及Denitratisoma(反硝化菌)在缺氧池中显著存在,从微生物种群角度解析了anammox及反硝化等多种脱氮途径,使出水TIN<6 mg·L−1。该工艺可调控主流程anammox耦合多种脱氮途径,为低C/N市政污水深度脱氮提供可行的技术途径。
  • 加载中
  • 图 1  反应器装置图

    Figure 1.  Schematic diagram of reactor

    图 2  反应器长期运行的指标表现

    Figure 2.  Performance of the reactor for long-term operation

    图 3  好氧池、缺氧池NH4+-N负荷分配与去除量比值

    Figure 3.  Ratio of NH4+-N load distribution to removal in aerobic and anoxic tanks

    图 4  好氧池、缺氧池COD,NH4+-N去除量与NO3--N生成量变化

    Figure 4.  Variation of removal of COD and NH4+-N and generation of NO3--N in aerobic tank and anoxic tank

    图 5  稳定运行期缺氧池污泥的厌氧氨氧化代谢活性

    Figure 5.  The metabolic activity of anammox of anoxic sludge in stable period

    图 6  缺氧池污泥驯化阶段与稳定运行阶段属水平上的微生物群落结构

    Figure 6.  Microbial community analysis at genus level in the acclimation and stable periods

    表 1  不同运行阶段实验参数

    Table 1.  Operating parameters during different experimental periods

    阶段时间/d好氧池曝气量/(mL·min−1)缺氧池曝停比外回流比
    I1~300.3100%
    31~590.7150%
    II60~900.7~0.430 s/(50~30) s100%
    III91~1640.4~0.330 s/30 s100%
    阶段时间/d好氧池曝气量/(mL·min−1)缺氧池曝停比外回流比
    I1~300.3100%
    31~590.7150%
    II60~900.7~0.430 s/(50~30) s100%
    III91~1640.4~0.330 s/30 s100%
    下载: 导出CSV
  • [1] CHEN Y J, GUO G Z, LI Y Y. A review on upgrading of the anammox-based nitrogen removal processes: Performance, stability, and control strategies[J]. Bioresource Technology, 2022, 364: 127992. doi: 10.1016/j.biortech.2022.127992
    [2] ZHANG L, JIANG L, ZHANG J T, et al. Enhancing nitrogen removal through directly integrating anammox into mainstream wastewater treatment: Advantageous, issues and future study[J]. Bioresource Technology, 2022, 362: 127827. doi: 10.1016/j.biortech.2022.127827
    [3] CHEN H, WANG H, CHEN R, et al. Unveiling performance stability and its recovery mechanisms of one-stage partial nitritation-anammox process with airlift enhanced micro-granules[J]. Bioresource Technology, 2021, 330: 124961. doi: 10.1016/j.biortech.2021.124961
    [4] ZHAO Q, PENG Y, LI J, et al. Sustainable upgrading of biological municipal wastewater treatment based on anammox: From microbial understanding to engineering application[J]. Science of The Total Environment, 2022, 813: 152468. doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.152468
    [5] LACKNER S, GILBERT E M, VLAEMINCK S E, et al. Full-scale partial nitritation/anammox experiences–an application survey[J]. Water Research, 2014, 55: 292-303. doi: 10.1016/j.watres.2014.02.032
    [6] LV Y, PAN J, HUO T, et al. Enhance the treatment of low strength wastewater at low temperature with the coexistence system of AnAOB and heterotrophic bacteria: performance and bacterial community[J]. Science of the Total Environment, 2020, 714: 136799. doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.136799
    [7] BUNSE P, ORSCHLER L, AGRAWAL S, et al. Membrane aerated biofilm reactors for mainstream partial nitritation/anammox: Experiences using real municipal wastewater[J]. Water Research X, 2020, 9: 100066. doi: 10.1016/j.wroa.2020.100066
    [8] 徐峥勇. 基于亚硝化、厌氧氨氧化与反硝化的脱氮耦合工艺及其控制策略研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2011.
    [9] TRINH H P, LEE S H, JEONG G, et al. Recent developments of the mainstream anammox processes: challenges and opportunities[J]. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2021, 9(4): 105583. doi: 10.1016/j.jece.2021.105583
    [10] GHOLAMI-SHIRI J, AZARI M, DEHGHANI S, et al. A technical review on the adaptability of mainstream partial nitrification and anammox: Substrate management and aeration control in cold weather[J]. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2021, 9(6): 106468. doi: 10.1016/j.jece.2021.106468
    [11] GAO X J, ZHANG L, PENG Y Z, et al. The successful integration of anammox to enhance the operational stability and nitrogen removal efficiency during municipal wastewater treatment[J]. Chemical Engineering Journal, 2023, 451: 138878. doi: 10.1016/j.cej.2022.138878
    [12] GAO X J, ZHANG T, WANG B, et al. Advanced nitrogen removal of low C/N ratio sewage in an anaerobic/aerobic/anoxic process through enhanced post-endogenous denitrification[J]. Chemosphere, 2020, 252: 126624. doi: 10.1016/j.chemosphere.2020.126624
    [13] 刘小钗. A2/O短程硝化耦合厌氧氨氧化强化脱氮技术研究[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2020.
    [14] 姚丽婷, 梁瑜海, 陈漫霞, 等. 高溶解氧条件下不同曝气量对短程硝化性能及微生物特征的影响[J]. 环境科学学报, 2021, 41(8): 3258-3267. doi: 10.13671/j.hjkxxb.2021.0188
    [15] 郭凯成, 刘文如, 宋家俊, 等. 短程硝化的影响因素及其耦合工艺的研究进展[J]. 工业水处理, 2022, 42(4): 46-56.
    [16] 刘文龙. 城市污水主流厌氧氨氧化连续流工艺的脱氮除磷效能研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2019.
    [17] ZHANG T, WANG B, LI X Y, et al. Achieving partial nitrification in a continuous post-denitrification reactor treating low C/N sewage[J]. Chemical Engineering Journal, 2018, 335: 330-337. doi: 10.1016/j.cej.2017.09.188
    [18] FENG Y, PENG Y Z, WANG B, et al. A continuous plug-flow anaerobic/aerobic/anoxic/aerobic (AOAO) process treating low COD/TIN domestic sewage: Realization of partial nitrification and extremely advanced nitrogen removal[J]. Science of the Total Environment, 2021, 771: 145387. doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.145387
    [19] GE S J, PENG Y Z, QIU S, et al. Complete nitrogen removal from municipal wastewater via partial nitrification by appropriately alternating anoxic/aerobic conditions in a continuous plug-flow step feed process[J]. Water Research, 2014, 55: 95-105. doi: 10.1016/j.watres.2014.01.058
    [20] YANG Y D, ZHANG L, CHENG J, et al. Achieve efficient nitrogen removal from real sewage in a plug-flow integrated fixed-film activated sludge (IFAS) reactor via partial nitritation/anammox pathway[J]. Bioresource technology, 2017, 239: 294-301. doi: 10.1016/j.biortech.2017.05.041
    [21] YANG Y D, JIANG Y M, LONG Y N, et al. Insights into the mechanism of the deterioration of mainstream partial nitritation/anammox under low residual ammonium[J]. Journal of Environmental Sciences, 2023, 126: 29-39. doi: 10.1016/j.jes.2022.04.005
    [22] MIAO Y Y, ZHANG L, YANG Y D, et al. Start-up of single-stage partial nitrification-anammox process treating low-strength swage and its restoration from nitrate accumulation[J]. Bioresource Technology, 2016, 218: 771-779. doi: 10.1016/j.biortech.2016.06.125
    [23] 冯凯. 低C/N污水脱氮固态碳源的研究[D]. 太原: 山西大学, 2020.
    [24] 王鑫, 穆永杰, 薛晓飞, 等. 不同气源曝气对一段式厌氧氨氧化工艺启动与运行的影响[J]. 环境工程学报, 2021, 15(8): 2778-2788. doi: 10.12030/j.cjee.202103060
    [25] 侯朝阳, 贾紫雯, 付静薇, 等. 部分硝化/厌氧氨氧化 (PN/A) 工艺对城市污水厌氧处理单元出水的强化脱氮效果[J]. 环境工程学报, 2022, 16(3): 806-813.
    [26] ZHU G, WANG S, MA B, et al. Anammox granular sludge in low-ammonium sewage treatment: Not bigger size driving better performance[J]. Water Research, 2018, 142: 147-158. doi: 10.1016/j.watres.2018.05.048
    [27] ZHANG W K, YU D S, ZHANG J H, et al. Start-up of mainstream anammox process through inoculating nitrification sludge and anammox biofilm: Shift in nitrogen transformation and microorganisms[J]. Bioresource Technology, 2022, 347: 126728. doi: 10.1016/j.biortech.2022.126728
    [28] 张树军, 黄剑明, 马淑勍, 等. 连续流分段进水短程反硝化-厌氧氨氧化耦合工艺的反硝化脱氮特性[J]. 环境工程, 2022, 40(11): 13-18.
    [29] 薛晶晶, 雷振, 王俊, 等. 一段式短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺处理厌氧膜生物反应器出水[J]. 环境工程学报, 2022, 16(3): 788-797.
  • 加载中
图( 6) 表( 1)
计量
  • 文章访问数:  1793
  • HTML全文浏览数:  1793
  • PDF下载数:  145
  • 施引文献:  0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-02-19
  • 录用日期:  2023-03-15
  • 刊出日期:  2023-04-10

主流程厌氧氨氧化耦合多种脱氮途径处理市政污水

    通讯作者: 张丽丽 (1977—),女,博士,zhanglili03@bewg.net.cn
    作者简介: 陈长东 (1998—) ,男,硕士研究生,chenchangdong821@163.com
  • 1. 西安建筑科技大学环境与市政工程学院,西安 710055
  • 2. 北控水务集团 (中国) 投资有限公司,北京 100102
基金项目:
北控水务集团自主科技立项课题(ZZLX-2018-05)

摘要: 采用厌氧-好氧-缺氧推流反应器,研究实现低碳氮比主流程厌氧氨氧化(anammox)耦合多种脱氮途径的启动条件,并对脱氮途径进行分析。首先进行短程硝化驯化启动,接着在缺氧池投加填料以及接种厌氧氨氧化细菌(AnAOB),进行主流程anammox工艺脱氮。结果表明,好氧池DO约为1.5 mg·L−1时,NH4+-N去除率为80%,亚硝氮积累率为50%,短程硝化驯化启动成功。AnAOB接种启动后,在维持缺氧池DO为0.3~0.5 mg·L−1,缺氧池NH4+-N去除量为好氧池的3倍时,可实现进水C/N为2,出水总无机氮 (TIN) 低于6 mg·L−1,NH4+-N去除率>95%,这表明anammox驯化启动成功。分析缺氧池氮素变化情况表明缺氧池存在anammox及反硝化多种脱氮途径。高通量测序结果可确定Candidatus KueneniaCandidatus Brocadia等AnAOB菌属及Denitratisoma(反硝化菌)在缺氧池中显著存在,从微生物种群角度解析了anammox及反硝化等多种脱氮途径,使出水TIN<6 mg·L−1。该工艺可调控主流程anammox耦合多种脱氮途径,为低C/N市政污水深度脱氮提供可行的技术途径。

English Abstract

  • 传统生物脱氮技术具有曝气能耗高、碳源消耗量大、污泥产量高,且易产生温室气体CO2等不足[1] 。随着上世纪90年代厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation,anammox)作为新的短流程脱氮途径被证实,基于anammox反应的新型生物脱氮技术迅速成为国内外研究热点[2] 。该反应即在缺氧/无氧条件下,以氨为电子供体,亚硝酸盐为电子受体,产生氮气和少量硝酸盐的生物反应。相比于传统脱氮技术,anammox具有节省60%以上曝气量、节约100%碳源、极大降低污泥产量和减排温室气体等优势[3]

    目前,anammox主要用于污泥消化液和高NH4+-N工业水的处理,在世界范围内已有较多应用案例,其技术经济优势已得到证明[4-5] 。除了污泥消化液和工业废水等侧流处理外,近5年来,已有研究者开始将anammox应用于城市污水主流程的研发[6-7] 。亚硝化(partial nitrification,PN)-anammox (PN-A)工艺可实现污水自养生物脱氮,在城市污水主流程中已有较多研究,可分为单级工艺和两级工艺[8] 。但在城市污水低温和低基质条件下,亚硝酸盐氧化菌(nitrite oxidizing bacteria, NOB)生长速率大于氨氧化菌(ammonia oxidizing bacteria, AOB),污水中游离氨和游离的亚硝酸盐无法有效抑制NOB生长繁殖。因此,AOB很难竞争过NOB,这会导致亚硝酸盐积累不足,较难实现长期稳定的anammox反应,故很难维持其在工程应用中的稳定性和高效性[9-10] 。2013年彭永臻院士团队首次提出短程反硝化(partial denitrification,PD)-anammox(PD-A)工艺。该工艺通过部分反硝化实现相对稳定的亚硝酸盐积累。但短程反硝化反应仍需消耗碳源,增加外碳源来实现PD将增加运行成本。为了将进水中的可生物降解碳源充分应用于PD,彭院士团队也采用“厌氧-好氧-缺氧”模式(AOA)实现内碳源短程反硝化-anammox,其原理是聚糖菌(glycogen accumulating organisms,GAOs)和聚磷菌(phosphorus accumulating organisms,PAOs)在厌氧区能将COD贮存为内碳源,进而在缺氧区发生PD而产生NO2-N[11] 。但内源反硝化反应速率较慢[12] ,会导致缺氧区的体积增大,且PD相对于PN来说,对曝气量及碳源需求更高。

    PN-A和PD-A耦合工艺可将NOB和厌氧氨氧化菌(anaerobic ammonium oxidation bacteria, AnAOB)产生的部分NO3-N还原成NO2-N继续进行anammox反应,降低对NOB控制的要求,同时也能充分利用亚硝化节约能耗的特点,可为主流程脱氮提供一种高效、低耗的解决方案。目前,基于PN-A和PD-A耦合工艺的多途径脱氮研究报道较少,本研究以实际市政污水为处理对象,在厌氧-好氧-缺氧推流式反应器的缺氧区植入高性能纤维束填料,以在主流程实现PN-A和PD-A等多途径高效脱氮,依据市政污水进水水质变化,通过优化外回流比、曝气量等运行参数进行污染物负荷的合理分配,从而实现主流程anammox耦合多途径稳定高效脱氮,以期为anammox的工艺优化及工程应用提供参考。

    • 反应器主体由有机玻璃制成,有效体积为50 L,各区域的体积比为1:4:6。厌氧池设置搅拌混合,好氧池通过空气泵可连续曝气,缺氧池则在反应器短程硝化驯化启动后增加束状纤维填料(填充比为25%),以截留AnAOB,通过控制曝停比来维持填料表面的生物膜厚度及活性污泥混合。反应装置如图1所示。

      反应器共运行164 d,分为3个阶段。阶段I(第1~59天)短程硝化驯化阶段;阶段II(第60~90天)AnAOB驯化阶段;阶段III(第91~164天)稳定运行阶段。阶段I采用提高好氧池曝气量(0.3~0.7 mL·min−1),控制好氧池DO<1.5 mg·L−1,并调节外回流比进行AOB驯化;阶段II通过降低好氧池曝气量(0.7~0.4 mL·min−1),提高缺氧池曝停比(30 s/50 s~30 s/30 s)的方式使得NH4+-N污染物更多由anammox途径去除,进行AnAOB活性驯化;阶段III则为稳定运行阶段,观察反应器应对进水水质波动的稳定性。运行条件如表1所示。

    • 进水取自北京市通州区某污水处理厂的进水 (生活污水) 。运行期间进水水质指标为:COD 62~250 mg·L−1、NH4+-N 22~54 mg·L−1、NO2-N 0~0.8 mg·L−1、NO3-N 0.6~1.8 mg·L−1、pH 7.4~7.8。

      实验运行期间共接种2次污泥。第一次为反应器刚启动时,接种水厂好氧池活性污泥,接种后污泥质量浓度为3 260 mg·L−1;第二次是第59天时,在缺氧区增设束状纤维填料的同时接种AnAOB颗粒污泥,接种量为3 L,原种泥污泥质量浓度为5 862 mg·L−1

    • 常规检测指标(COD、NH4+-N、NO2-N、NO3-N、MLSS)均采用国标法。NH4+-N、NO2-N、NO3-N的质量浓度总和用总无机氮 (total inorganic nitrogen,TIN) 表示。DO和pH采用Multi 3 630 IDS WTW(德国)测定。每个实验阶段均留存污泥样品,置于-20 ℃环境中冷冻贮存,统一进行高通量测序。AnAOB代谢活性实验方法参考文献[13]进行测定。

    • 在反应器运行过程中,NH4+-N、COD、TIN及好氧池亚硝氮积累率(nitrite accumulation ratio,NAR)的变化情况如图2所示。在短程硝化驯化阶段(第1~59天),反应器进水COD和NH4+-N质量浓度分别由120 mg·L−1上升至250 mg·L−1、30 mg·L−1上升至45 mg·L−1。为应对进水负荷增大带来的冲击并强化AOB的活性,提高反应器外回流比和好氧池曝气量,好氧池DO由0.2 mg·L−1提升至1.5 mg·L−1。反应器COD降低了70%~80%,NH4+-N去除率由30%增至80%,好氧池NAR为(60±10)%,这说明NOB活性成功被抑制,这与好氧池低DO控制与反应器缺氧/好氧分区有关。

      首先通过控制低DO(0.2 mg·L−1)条件,使得NOB活性受到抑制,NAR较高为65%。然而,同时NH4+-N去除量仅为(3±1) mg·L−1,AOB活性亦受到抑制,在进水负荷不断提高的条件下,短程硝化反应会成为anammox反应的限速步骤[14],需要提高AOB活性。在AOB、NOB活性均受抑制及进水负荷不断升高的条件下,提高污泥回流比有助于增强活性污泥抗冲击负荷能力。同时,基于低DO条件下AOB相较于NOB表现出更佳的氧亲和能力[15],逐步提高好氧池曝气量并维持低DO条件,可有利于AOB优先利用溶解氧,而比NOB增长优势更明显。随着曝气量逐步提高至0.7 mL·min−1,污泥回流比升高至150%,好氧池DO上升至1.5 mg·L−1, NH4+-N去除量上升至(12±1) mg·L−1,AOB活性亦升高。同时,NAR能稳定维持在50%,NOB活性仍受到抑制。本研究将好氧池DO控制为1.5 mg·L−1,这明显高于短程硝化控制DO阈值(0.5~1 mg·L−1),但仍能维持较高NAR。这可能是由于本研究采取厌氧-好氧-缺氧推流式反应器,在后端设置缺氧区能提供瞬时缺氧环境,从而有助于抑制NOB酶活性而对AOB影响不大。同时,在缺氧环境进入好氧环境后,AOB能优于NOB优势增长[16-17]。这与文献[18-19] 报道的较高缺氧时间/好氧时间(T缺氧/T好氧)可促进亚硝酸盐累积一致。因此,本研究中反应器缺氧区与好氧分区体积比为7:4及低DO条件有助于NOB的抑制。在驯化阶段末期,出水COD和NH4+-N质量浓度分别为(38±2) mg·L−1和8 mg·L−1,且AOB有较好的活性,能满足后端AnAOB启动条件。

      第II阶段(第60~90天),在缺氧区投加填料并接种AnAOB种泥,通过降低好氧池曝气量,提高缺氧池曝停比进行anammox启动驯化。该阶段反应器进水C/N与上一阶段相同,驯化期间COD稳定降低了80%,NH4+-N去除率则上升至90%,同时TIN去除率上升至70%~80%,出水TIN为(11±2) mg·L−1 ,低于上一阶段出水TIN(17±3) mg·L−1。这可能是反应器接种了AnAOB之后,发生了部分anammox反应,使得在与上一阶段相同C/N条件下,NH4+-N及TIN去除率均上升。然而,驯化期间NAR下降至20%~40%,这可能是由于通过降低好氧池曝气量,提高缺氧池曝停比,维持缺氧池DO为0.3~0.5 mg·L−1,可为缺氧池提供了合适anammox驯化启动条件。在缺氧池中,NH4+-N可被AOB及AnAOB去除,从而提高了NH4+-N去除率,使得缺氧池出水剩余NH4+-N质量浓度小于5 mg·L−1。低剩余NH4+-N质量浓度会减弱AOB与NOB对O2的竞争,以及AnAOB与NOB对NO2-N的竞争,从而有助于NOB活性的表达[20]。文献[21-22]表明在剩余NH4+-N质量浓度小于5 mg·L−1时,出现了NOB的增长,使得推流式反应器中NAR下降。

      第III阶段(第91~164天),为减少好氧池NAR下降带来的不利影响,该阶段通过降低好氧池曝气量,来增加缺氧池中进水NH4+-N质量浓度。结果表明:该阶段好氧池NAR维持在20%~40%,进水C/N由4.5:1降至2:1,NH4+-N去除率>95%,TIN去除率维持在80%~85%,出水TIN小于6 mg·L−1。在传统硝化反硝化脱氮工艺中,该C/N条件下较难实现出水TN达标(一般C/N大于5时,反硝化作用发挥比较明显)[23]。这表明该反应体系的AnAOB在总氮脱除中发挥了重要作用,使得出水TIN较低。这也说明本反应器在应对低C/N废水及NAR下降的情况下,对TIN仍有较稳定地去除,可实现出水TIN小于6 mg·L−1

    • 反应器于第59天接种了AnAOB种泥。由于填料具有良好的吸附作用使得AnAOB在缺氧区富集和停留。为降低NAR下降带来的不利影响,增加AnAOB富集区的进水基质,通过降低好氧池的曝气量、提高缺氧池曝停比的方式进行好氧池/缺氧池NH4+-N去除负荷分配,结果使得缺氧池NH4+-N去除量与好氧池NH4+-N去除绝对量比值由0.5提高至3,结果如图3所示。图2(c)表明,驯化期间(第60~90天)至稳定运行期间(第91~164天)工艺进水C/N不断下降,但出水TIN却由(11±2) mg·L−1降至小于6 mg·L−1,并能维持稳定运行。这可能是由于缺氧池束状纤维填料富集并停留AnAOB,通过增加缺氧池NH4+-N负荷,让更多进水NH4+-N经由anammox途径去除,从而获得在较低C/N的进水基质条件下的高效脱氮。

    • 在该反应体系中,NH4+-N主要由好氧池及缺氧池去除。好氧池与缺氧池NH4+-N去除量、NO3-N生成量及COD降低量如图4所示。

      图4(a)表明,好氧池COD去除量维持在(15±5) mg·L−1,可生化性有机物在好氧池中进一步去除,可减弱缺氧池中有机物对AnAOB的影响。在驯化期间不断降低好氧池曝气量,使得好氧池NH4+-N去除量由(12±1) mg·L−1降至(5±1) mg·L−1。同时,NO3-N生成量由(5±2) mg·L−1降至(2±1) mg·L−1,通过降低好氧池的NH4+-N去除量减弱了NAR下降带来体系中NO3-N质量浓度升高的影响,使更多的NH4+-N进入缺氧池。实验期间通过调节曝停比将体系中DO维持在0.3~0.5 mg·L−1,缺氧池的NH4+-N去除量由驯化期间(6±2) mg·L−1上升至稳定运行期(13±1) mg·L−1,而缺氧池NO3-N生成量始终低于0.5 mg·L−1,低于anammox反应生成NO3-N的理论生成量0.6~1.5 mg·L−1[24]。这说明体系中存在一定反硝化反应[25],但是该反应区∆COD<5 mg·L−1,远低于传统反硝化脱氮所需碳源理论值[23]。因此,在缺氧池中可能存在anammox和反硝化2种脱氮途径。因此,通过优化NH4+-N负荷分配,可提高缺氧池NH4+-N去除量,让更多的NH4+-N经由anammox途径去除,可在更低C/N条件下,减少NO3-N生成量,从而形成低TIN出水。

    • 为分析缺氧池污泥中anammox代谢活性,在稳定运行期取缺氧池污泥进行批次实验,同时取2份等量缺氧池污泥做空白实验。空白实验即分别观察NH4+-N与NO2-N随时间的变化情况,方法与anammox代谢活性实验相同[13] 。 NH4+-N和NO2-N随时间变化情况如图5所示。

      图5(a)表明NH4+-N与NO2-N质量浓度在240 min时分别下降了3.2 mg·L−1和4.9 mg·L−1,这可能是由于污泥自身吸附作用导致的。而图5(b)表明NH4+-N与NO2-N质量浓度均随时间以更快速率下降,在240 min时分别下降14 mg·L−1和28 mg·L−1,其中ΔNO2-N/ΔNH4+-N=2,高于anammox反应的理论值1.32。这说明体系中anammox具有较高的代谢活性,且同时存在反硝化反应,较直接地证明主流程中anammox在氮去除中发挥的重要作用。

      除上述对缺氧池中anammox代谢活性分析外,本实验也对缺氧池中微生物群落结构进行解析。图6为驯化阶段(第78天)和稳定运行阶段(第132天)基于属水平的高通量测序结果。

      高通量测序结果表明,被检测到的AnAOB菌属主要为Candidatus KueneniaCandidatus Brocadia,这与文献[26]所报道的市政污水主流程工艺中所发现的AnAOB菌属相一致。在驯化阶段及稳定运行阶段中AnAOB菌属的相对丰度分别为1.6%和1.8%,稳定运行阶段该菌属的相对丰度有所上升,这主要得益于增大缺氧池进水NH4+-N负荷的调控手段,使AnAOB可利用的基质增加,从而提高该菌属的相对丰度。这说明在稳定运行阶段,该系统在低C/N条件下仍能实现稳定低TIN出水的主要原因是大部分NH4+-N经由anammox反应去除。

      然而,体系中主要的反硝化菌属Denitratisoma的相对丰度由驯化期间的15%下降至稳定运行期间7.7%。这可能是由于缺氧池中COD变化量小于5 mg·L−1(如图4(b)),无法满足反硝化的需求,使得Denitratisoma相对丰度降低。根据Candidatus KueneniaCandidatus Brocadia相对丰度升高,Denitratisoma相对丰度降低。这说明AnAOB相对于反硝化菌能优势竞争NO2-N[27]。而低COD去除量易使反硝化菌还原NO3-N至NO2-N阶段,减弱NO2-N进一步还原[25]。这说明在缺氧池有短程反硝化反应发生[28-29],通过短程反硝化反应产生NO2-N,被AnAOB优势竞争,最终使得NO3-N生成量低于PN-A反应的理论值。

      另外,Nitrosomonas是被检测到的AOB菌属,Nitrospira是被检测到的NOB菌属。在这2个阶段中,Nitrosomonas相对分度分别为0.67%和0.61%,Nitrospira的相对丰度则分别为0.1%与0.14%,Nitrosomonas相对丰度有所降低,Nitrospira的相对丰度有所升高,这易导致NAR下降。但总体而言,Nitrospira的相对丰度始终低于Nitrosomonas相对丰度,NOB活性仍然受到抑制。这说明体系中可能发生短程硝化作用从而产生NO2-N。反应体系中缺氧池DO较低(0.3~0.5 mg·L−1),使AOB能优势竞争DO而抑制NOB,为厌氧氨氧化反应提供NO2-N。

      上述结果说明,在缺氧池的DO为0.3~0.5 mg·L−1条件下,NitrosomonasDenitratisomaCandidatus KueneniaCandidatus Brocadia等优势菌属得以共存,缺氧池存在anammox以及反硝化等多种脱氮途径,使得NO3-N生成量较低。

    • 1) 反应器中缺氧区和好氧区的体积比为7:4,好氧池DO约1.5 mg·L−1,能实现短程硝化(NAR为50%),同时通过调控缺氧池NH4+-N负荷和低溶解氧条件,DO为0.3~0.5 mg·L−1,可使该工艺在低C/N进水条件下,实现TIN去除率为80%~85%。

      2) 在稳定运行阶段,缺氧池∆NH4+-N为(13±1) mg·L−1,∆COD<5 mg·L−1,∆NO3-N<0.5 mg·L−1。这表明缺氧池存在anammox及反硝化反应,且anammox在主流程工艺中发挥了重要作用。

      3) 在缺氧段检测到AnAOB菌属Candidatus KueneniaCandidatus Brocadia作为优势种群存在,从微观角度可以证明主流程anammox反应的宏观效能。同时,检测到的反硝化菌属Denitratisoma等进一步表明该工艺中可能存在anammox、短程硝化和反硝化等多种脱氮途径,有利于在低碳氮比条件下实现TIN的深度脱除。

    参考文献 (29)

目录

/

返回文章
返回