李鈺琪,向 韜,高大文*,彭永臻

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上流雙層填料單級自養(yǎng)脫氮反應(yīng)器啟動(dòng)與運(yùn)行

李鈺琪1,向 韜1,高大文1*,彭永臻2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院,城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150006；2.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,北京 100124)

單級自養(yǎng)脫氮；短程硝化；厭氧氨氧化；雙層填料；沸石；聚氨酯海綿

與傳統(tǒng)污水生物脫氮工藝相比,基于厭氧氨氧化的全程自養(yǎng)脫氮工藝(CANON)大大降低能耗,且無須外加有機(jī)碳源,剩余污泥產(chǎn)量低,具有顯著地優(yōu)勢[1],近年來逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn).目前已有超過100座污水處理廠采用厭氧氨氧化工藝[2],主要用于污泥消化液[3-4]、垃圾滲濾液[5-6]等污水處理.

亞硝化菌(AOB)與厭氧氨氧化菌(AnAOB)都為自養(yǎng)菌,生長緩慢,AnAOB倍增時(shí)間長達(dá)11d[7],因此能否有效持留污泥是反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)鍵.目前,針對不同填料自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的研究逐漸成為熱點(diǎn)內(nèi)容.如采用火山巖[8]或改性聚乙烯塑料[9]作為濾料,反應(yīng)器運(yùn)行不易穩(wěn)定,火山巖易造成堵塞.塑料空隙大及耐磨性好[10],但掛膜性能遠(yuǎn)差于海綿填料,這些填料依然存在很多問題.

沸石具有很高的孔隙率和比表面積,而且對NH4+-N具有選擇交換性能[11].此外,研究表明以沸石為填料的厭氧氨氧化系統(tǒng)有利于減弱進(jìn)水NH4+-N波動(dòng)影響,穩(wěn)定出水水質(zhì)[12].聚氨酯海綿具有較好的掛膜性能,為反硝化菌生長增殖提供足夠空間,減少上層填料堵塞風(fēng)險(xiǎn),避免與自養(yǎng)菌生長增殖的競爭.采用沸石與聚氨酯海綿結(jié)合作為反應(yīng)器填料,實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)脫氮的研究還鮮見報(bào)道.因此,本研究探討單級自養(yǎng)脫氮在上流式雙層填料反應(yīng)器中的啟動(dòng)與運(yùn)行,并探討有機(jī)物、反沖洗、不同填料比例對反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的影響.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1 試驗(yàn)裝置示意

1.進(jìn)水水箱;2.進(jìn)水蠕動(dòng)泵;3.進(jìn)水口閥門;4.空氣泵;5.氣體流量計(jì);6.曝氣頭;7.時(shí)間繼電器;8.DO(溶解氧)在線檢測儀;9.DO探頭;10.pH在線檢測儀;11.pH探頭;12.回流蠕動(dòng)泵;13.出水水箱;14.反沖洗進(jìn)水管;15.取樣口;16.出水管;Ⅰ.聚氨酯海綿填料;Ⅱ.鵝卵石墊層;Ⅲ.沸石填料;Ⅳ.清水區(qū)

本試驗(yàn)裝置為2個(gè)完全相同的反應(yīng)器,裝置如圖1所示.主體采用有機(jī)玻璃制作,其總?cè)莘e1.5L,有效容積1.3L.反應(yīng)器內(nèi)自下至上安裝聚氨酯海綿、沸石填料.2個(gè)反應(yīng)器分別將其命名為1號和2號.1號反應(yīng)器沸石填料與聚氨酯海綿填料高度比為2:3,2號反應(yīng)器為3:2,海綿填料的填充比均為30%.裝置外壁沿垂直方向每隔9cm設(shè)置一個(gè)取樣口,共3個(gè).反應(yīng)器上部設(shè)置pH值及DO探頭監(jiān)測反應(yīng)器內(nèi)pH值和DO,并通過溫度傳感器同時(shí)監(jiān)測水溫,反應(yīng)器底部安裝微孔曝氣頭,由設(shè)置好的時(shí)間繼電器控制曝氣時(shí)間,空氣泵與氣體流量計(jì)控制曝氣量.反應(yīng)器設(shè)置內(nèi)循環(huán)裝置,外部用黑色遮光布包裹.后期在外部包裹電熱毯,溫度維持在(33±3)℃.

1.2 試驗(yàn)用水與接種污泥

接種污泥為培養(yǎng)好的亞硝化絮狀污泥,亞硝酸鹽積累率(NAR)穩(wěn)定在95%以上.后期投加的厭氧氨氧化顆粒污泥來自于實(shí)驗(yàn)室長期穩(wěn)定運(yùn)行的反應(yīng)器,污泥濃度為27.1g/L, NH4+-N及NO2--N去除率均穩(wěn)定在90%以上.

1.3 試驗(yàn)方法

反應(yīng)器啟動(dòng)包括悶曝啟動(dòng)以及其他4個(gè)連續(xù)運(yùn)行階段,分別為未控溫亞硝化(Ⅰ)、中溫亞硝化(Ⅱ)、自養(yǎng)脫氮(Ⅲ)和穩(wěn)定運(yùn)行階段(Ⅳ).在常溫亞硝化階段,反應(yīng)器內(nèi)水溫隨室溫變化,由于正值夏天,所以反應(yīng)器水溫內(nèi)均處于較高水平.此運(yùn)行階段連續(xù)曝氣,通過曝氣量和游離氨濃度來抑制亞硝酸鹽氧化菌(NOB).在高溫亞硝化階段,連續(xù)曝氣改為間歇曝氣.在自養(yǎng)脫氮階段,投加厭氧氨氧化菌.在穩(wěn)定運(yùn)行階段,將可溶性淀粉作為有機(jī)碳源添加在進(jìn)水中,具體情況見表1.

表1 各階段反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)

1.4 分析項(xiàng)目與方法

試驗(yàn)中水中氮素測定采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法[13],其中NH4+-N測定采用納氏試劑分光光度法;NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;NO3--N采用麝香草酚分光光度法,COD采用快速消解法;DO、pH 值和水溫采用德國WTW pH/Oxi 340i多參數(shù)水質(zhì)分析儀測定.

本研究中有一些指示系統(tǒng)運(yùn)行情況的參數(shù)與指標(biāo),氨氮去除率、NAR、總氮、總氮去除率、總氮去除負(fù)荷,其計(jì)算方法如下:

△NO3--N/△NH4+-N、△TN/△NH4+-N為表征自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)運(yùn)行的指標(biāo).理論上單級自養(yǎng)脫氮△NO3--N/△NH4+-N、△TN/△NH4+-N的比值分別為0.11、0.88,△NH4--N為進(jìn)出水NH4+-N濃度差,mg/L;△NO2--N為進(jìn)出水NO2--N濃度差,mg/L;△NO3--N為進(jìn)出水NO3--N濃度差,mg/L;HRT為反應(yīng)器水力停留時(shí)間,h.

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)器的悶曝啟動(dòng)

圖2 掛膜階段,NH4+-N、NO2--N和NO3--N濃度變化

圖2中顯示悶曝階段,1、2號反應(yīng)器內(nèi)NH4+-N、NO2--N和NO3--N濃度變化情況.從圖2中看出,前4h,由于好氧硝化與沸石選擇性吸收作用,2個(gè)反應(yīng)器內(nèi)NH4+-N濃度迅速降低.在1、2號反應(yīng)器分別有18.3mg/L、13.3mg/LNH4+-N被沸石所吸收.在接下來22h, NH4+-N降低、NO2--N、NO3--N濃度升高趨勢變緩.

2號的NO3--N濃度在達(dá)到14.2mg/L之后基本保持不變,在掛膜階段結(jié)束時(shí), NO3--N濃度為16.7mg/L,而1號在整個(gè)階段NO3--N濃度不斷上升,最終達(dá)到28.1mg/L.由于2號內(nèi)沸石填料比例更高,沸石吸收對NH4+-N去除貢獻(xiàn)更大,NOB缺少充足的基質(zhì)導(dǎo)致NO3--N濃度較1號更低.在整個(gè)過程中, NH4+-N主要是通過硝化過程和選擇性離子吸附過程而被去除,可看出接種污泥活性已經(jīng)開始適應(yīng)系統(tǒng)環(huán)境.

2.2 反應(yīng)器內(nèi)亞硝化的啟動(dòng)

2.2.1 亞硝化過程中反應(yīng)器出水情況 在單級自養(yǎng)脫氮工藝中,AOB與AnAOB集中在一個(gè)反應(yīng)器中協(xié)同作用,AOB將NH4+-N氧化為NO2--N,為AnAOB提供基質(zhì),AnAOB將NH4+-N與NO2--N轉(zhuǎn)化成氮?dú)鈁14].亞硝化啟動(dòng)的關(guān)鍵是富集AOB的同時(shí),抑制NOB的生長增殖,從而實(shí)現(xiàn)NO2--N的積累.利用AOB與NOB對環(huán)境因素適應(yīng)的差異性,可以實(shí)現(xiàn)亞硝化的啟動(dòng)[15].

通過控制DO、溫度、游離氨等反應(yīng)條件可有效地實(shí)現(xiàn)亞硝化.Abeling[16]認(rèn)為控制游離氨濃度在1.0~10mg/L能有效地抑制NOB,而對AOB影響較少,從而實(shí)現(xiàn)亞硝化過程.當(dāng)溫度超過20℃時(shí),AOB的生長增殖速率開始大于NOB,因此維持高溫有利于亞硝化過程的維持[17].相對于其他因素,各種因素的綜合控制是實(shí)現(xiàn)亞硝化的有效方法[18].

在未控溫亞硝化階段(Ⅰ),采用限氧曝氣,進(jìn)水NH4+-N濃度110~130mg/L.以1號反應(yīng)器為例來說明亞硝化階段反應(yīng)器內(nèi)變化規(guī)律.從圖3看出,由于進(jìn)水NH4+-N保持在較高濃度,使得游離氨(FA)也較高.根據(jù)文獻(xiàn)中的計(jì)算方法可得[19],進(jìn)水FA濃度保持在6~7mg/L,有利于抑制NOB.自運(yùn)行以來,出水NO2--N開始積累,氨氮去除率也迅速升高,到第12d,反應(yīng)器氨氮去除率達(dá)到34.8%,NO2--N濃度也達(dá)到36.7mg/L.反應(yīng)器內(nèi) NAR均保持在90%,甚至一度達(dá)到99%.

第56d,開始中溫亞硝化階段(Ⅱ),對反應(yīng)器保溫,亞硝化過程逐漸恢復(fù).1號出水NO2--N濃度最高達(dá)到59.1mg/L,并維持在45.0mg/L以上,NAR也恢復(fù)并維持在85%以上,氨氮去除率維持在45%左右.2號反應(yīng)器亞硝化情況雖不如1號,但NAR也維持在70%~80%.說明1號反應(yīng)器內(nèi)亞硝化過程已經(jīng)啟動(dòng)并穩(wěn)定建立,2號反應(yīng)器也具有一定的亞硝化能力,且1號反應(yīng)器的氨氮去除率已經(jīng)滿足厭氧氨氧化菌對基質(zhì)的需求.

圖3 亞硝化階段,1號反應(yīng)器內(nèi)氮素變化情況

2.2.2 溫度對反應(yīng)器亞硝化效果的影響 因?yàn)?個(gè)反應(yīng)器內(nèi)水溫差距在2℃之間,所以取反應(yīng)器內(nèi)溫度的平均值作為水溫.從圖4中可知,在未控溫(Ⅰ)、中溫亞硝化階段(Ⅱ)中,反應(yīng)器水溫主要有3個(gè)階段,分別為平均水溫29℃(0~20d)、24.5℃(21~57d)、(33±3)℃(58~90d).

階段Ⅱ由于不利溫度影響,1、2號反應(yīng)器的NAR也不斷下降,最終降至55.9%和56.8%,亞硝化過程受到破壞.在降溫條件下,NOB活性得到增強(qiáng).階段Ⅰ、Ⅲ反應(yīng)器水溫都較高,NAR也處于較高水平.階段Ⅰ,2個(gè)反應(yīng)器NAR一直維持在90%以上.在階段Ⅲ,階段Ⅱ受到破壞的亞硝化過程得到迅速恢復(fù),2個(gè)反應(yīng)器內(nèi)NAR均恢復(fù)到70%以上.第71d,反應(yīng)器水溫甚至達(dá)到40℃,但是反應(yīng)器內(nèi)亞硝化過程并沒有完全破壞,反而使1、2號反應(yīng)器內(nèi)NAR提高至90.0%、82.7%.這可能是由于AOB對不利環(huán)境的耐受性強(qiáng)于NOB所致.說明中溫能維持反應(yīng)器的亞硝化過程,有利于AOB的生長繁殖,抑制NOB活性.

圖4 反應(yīng)器內(nèi)水溫與NAR的變化情況

2.3 自養(yǎng)脫氮及穩(wěn)定運(yùn)行階段

2.3.1 自養(yǎng)脫氮的啟動(dòng) 第95d,投加厭氧氨氧化顆粒污泥,開始啟動(dòng)自養(yǎng)脫氮階段(Ⅲ).為了進(jìn)一步抑制反應(yīng)器內(nèi)NOB菌,曝氣方式改為間歇曝氣,一個(gè)曝氣周期為30min,根據(jù)反應(yīng)器運(yùn)行效果,調(diào)節(jié)停曝比,內(nèi)回流比1.5~10,初始曝氣15min/停曝15min.由于進(jìn)水NO3--N及NO2--N含量很低, NH4+-N占進(jìn)水總氮的主要部分.

從圖5、圖6可以看出,由于亞硝化階段運(yùn)行效果較好, 1號反應(yīng)器總氮去除率迅速上升.在第98d, 1號反應(yīng)器總氮去除率就達(dá)到53.6%,而2號反應(yīng)器僅有27.2%.初期1號反應(yīng)器△NO3--N/△NH4+-N低于特征值0.11,而2號反應(yīng)器內(nèi)NOB菌活性較高,導(dǎo)致△NO3--N/△NH4+-N遠(yuǎn)高于0.11,△TN/ △NH4+-N也遠(yuǎn)低于特征值0.88.為了進(jìn)一步提高總氮去除率,將曝氣時(shí)間提高,曝氣18min/停曝12min,但是2個(gè)反應(yīng)器的△NO3--N/△NH4+-N開始升高,總氮去除率、出水總氮濃度逐漸下降.說明反應(yīng)器曝氣過度.因此不斷提高間歇曝氣內(nèi)停止曝氣的時(shí)間,最終為曝氣12min/停曝18min,△NO3--N/△NH4+-N逐漸降低,總氮去除率也不斷降低.可能由于反應(yīng)內(nèi)污泥負(fù)荷過高導(dǎo)致2個(gè)反應(yīng)器的運(yùn)行效果較差.

圖5 反應(yīng)器內(nèi)總氮變化情況

因此,自第120d開始,在118d、137d,2次提高反應(yīng)器HRT.從圖5看出,第133d,反應(yīng)器氨氮去除率達(dá)到最高,分別為99.3%和97.1%,出水NH4+-N濃度均低于5mg/L,總氮去除率分別75.1%和82.1%.1號反應(yīng)器△NO3--N/△NH4+-N一直穩(wěn)定在特征值0.11附近,而2號反應(yīng)器略高,維持在0.2左右,但并沒有對自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)脫氮效果產(chǎn)生明顯影響. 2個(gè)反應(yīng)器內(nèi)下層填料略有上浮,附有微小氣泡,清水區(qū)部分也有微小氣泡生成,與劉竹寒等[20]結(jié)果相似,說明兩個(gè)反應(yīng)器內(nèi)單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)已經(jīng)成功建立并穩(wěn)定運(yùn)行.

圖6 反應(yīng)器△NO3--N/△NH4+-N、△TN/△NH4+-N的變化情況

2.3.2 有機(jī)物強(qiáng)化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行 第150d開始,在進(jìn)水投加60mg/L的有機(jī)物,以防高濃度有機(jī)物造成自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)破壞.從第157d開始,停止曝氣以內(nèi)循環(huán)代替充氧.將內(nèi)循環(huán)比提高至1:4.

從圖5、6看出,停止曝氣,提高內(nèi)循環(huán)比到1:4后,2個(gè)反應(yīng)器的△NO3--N/△NH4+-N、氨氮去除率及總氮去除率雖然升高,但沒有完全恢復(fù),且NO3--N逐漸增加,在154d,1號反應(yīng)器△TN/△NH4+-N降低至0.714,自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)受到破壞.第167d,兩個(gè)反應(yīng)器出水NO3--N濃度分別達(dá)到17.6mg/L和19.2mg/L.這可能是由于運(yùn)行以來,從未進(jìn)行反沖洗,導(dǎo)致△NO3--N/ △NH4+-N逐漸偏離特征值0.11.反沖洗后,系統(tǒng)得到迅速恢復(fù),運(yùn)行效果也得到提升.183d,雖然氨氮去除率比最高時(shí)期略低,但總氮去除率分別提高到84.4%和81.8%.在176~190d之間,反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定,氨氮去除率及總氮去除率均維持在較高水平, △NO3--N/ △NH4+-N,△TN/△NH4+-N穩(wěn)定維持在特征值附近.反沖洗有效地將NOB洗脫出系統(tǒng),僅利用內(nèi)循環(huán)進(jìn)行充氧,DO處于較低水平,有利于抑制NOB的生長增殖.進(jìn)水有機(jī)物的添加將會(huì)促進(jìn)異養(yǎng)反硝化菌的生長,反硝化菌與NOB共同競爭基質(zhì),同時(shí)進(jìn)一步去除厭氧氨氧化生成的NO3--N.說明有機(jī)物能強(qiáng)化單級自養(yǎng)脫氮的穩(wěn)定運(yùn)行,提高脫氮性能.

根據(jù)理論計(jì)量比及有機(jī)物消耗量可估算出厭氧氨氧化過程、反硝化過程對污水中總氮去除的貢獻(xiàn)率.用1號反應(yīng)器的第166d氮素及COD進(jìn)出水濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析說明.根據(jù)計(jì)算,厭氧氨氧化對總氮去除的貢獻(xiàn)率在85.1%~99.5%,反硝化貢獻(xiàn)率僅為0.05%~14.9%.說明厭氧氨氧化是系統(tǒng)的主要脫氮途徑,而反硝化過程對提高總氮去除率有一定貢獻(xiàn)作用.

根據(jù)目前文獻(xiàn)報(bào)道,將單級自養(yǎng)脫氮反應(yīng)器脫氮效能進(jìn)行對比,如表2所示.相比其它研究,由于進(jìn)水NH4+-N濃度不高,本研究的總氮去除負(fù)荷較低,但本研究的總氮去除率處于同類研究中前列水平.Daverey等[25]通過接種亞硝化與厭氧氨氧化污泥,以工業(yè)高氨氮廢水為研究對象,164d內(nèi)實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)脫氮穩(wěn)定運(yùn)行,最高總氮去除率達(dá)到89%.Daverey等[25]雖然取得較高總氮去除率,但因?yàn)槠渌νＡ魰r(shí)間長達(dá)4d,進(jìn)水NH4+-N濃度保持在(3712±120)mg/L,有利于自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)啟動(dòng).相比其他文獻(xiàn),本研究在相對較低的NH4+-N濃度下實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)脫氮穩(wěn)定運(yùn)行,并取得很高的總氮去除率.

表2 單級自養(yǎng)脫氮反應(yīng)器脫氮效能對比

2.4 填料比例對反應(yīng)器運(yùn)行效果的影響

2.4.1 填料比例對亞硝化過程的影響 從圖4看出,第1~62d,除去2號NAR略高于1號外,2個(gè)反應(yīng)器的運(yùn)行效果并沒有明顯區(qū)別.由于沸石能選擇性吸附NH4+-N,孔隙率、比表面積大等有利于微生物生長特性,導(dǎo)致其表面更有利于污泥活性,但生物膜形成緩慢[27].反應(yīng)器接種污泥是具有良好性能的亞硝化污泥,污泥內(nèi)NOB菌比例較少,且2號反應(yīng)器內(nèi)具有更高的沸石填料比例,所以在初期2號反應(yīng)器的NAR較1號反應(yīng)器相比略高.

反應(yīng)器運(yùn)行初期長期低溫狀態(tài)使NOB的生長增殖受到促進(jìn),雖然連續(xù)高溫的運(yùn)行,但是2號反應(yīng)器亞硝化過程沒有得到完全恢復(fù),氨氮去除率僅維持在30%左右,NAR最高僅為82.7%,受到后期投加二沉池污泥的影響,NAR進(jìn)一步下降至70%.說明沸石填料比例更高的反應(yīng)器內(nèi)一旦NOB的生長增殖得到促進(jìn),再通過中溫等手段,更難完全有效地抑制NOB菌,反應(yīng)器亞硝化過程會(huì)受到一定程度的影響.

2.4.2 填料比例對脫氮效能影響 第95d,投加厭氧氨氧化顆粒污泥,開始啟動(dòng)自養(yǎng)脫氮過程.從圖5、6中看出,自養(yǎng)脫氮(Ⅲ)前期,1號反應(yīng)器總氮去除率高于2號反應(yīng)器.可能是由于亞硝化階段,2號反應(yīng)器內(nèi)NOB沒有得到完全抑制,說明良好穩(wěn)定的亞硝化過程有利于單級自養(yǎng)脫氮的啟動(dòng).隨著反應(yīng)器HRT的提高, 1號反應(yīng)器雖然氨氮去除率高于2號反應(yīng)器,但總氮去除率較低.△NO3--N/△NH4+-N也可反映出2個(gè)反應(yīng)器不同的運(yùn)行效果.相比1號反應(yīng)器,2號反應(yīng)器△NO3--N/△NH4+-N一直穩(wěn)定在特征值0.11附近,更能抵御不斷改變曝氣調(diào)節(jié)帶來的不利影響,自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)更為穩(wěn)定.

為了穩(wěn)定運(yùn)行,不斷降低間歇曝氣時(shí)間,調(diào)高內(nèi)循環(huán)比.2號反應(yīng)器的△NO3--N/△NH4+-N、△TN/ △NH4+-N與1號反應(yīng)器相比更為穩(wěn)定,1號反應(yīng)器氨氮去除率較高,但兩者總氮去除率沒有明顯區(qū)別.經(jīng)過反沖洗后,△NO3--N/△NH4+-N比值一直維持在0.11以下,1號與2號反應(yīng)器相比比值更低.這可能是由于1號反應(yīng)器內(nèi)聚氨酯海綿填料比例更高,經(jīng)過反沖洗后,較多的NOB菌得到洗脫,反硝化異養(yǎng)菌也得到更多的生長增殖空間.

2.5 反沖洗對NO3--N產(chǎn)生的影響

在進(jìn)水添加有機(jī)物后,△NO3--N/△NH4+-N并未有下降,反而緩慢上升.因此在167d,采用氣預(yù)反沖-氣水反沖-水反沖方式進(jìn)行反沖洗.考慮到本研究中進(jìn)水采用人工模擬配水,因此選擇較低的反沖洗強(qiáng)度為:氣反洗時(shí)間2min,強(qiáng)度4.5L/(s×m2),氣水聯(lián)合反沖時(shí)間4min,水反沖時(shí)間2min,強(qiáng)度為1.5L/(s×m2).

圖7 反應(yīng)器內(nèi)△NO3--N/△NH4+-N的變化情況

圖7為反沖洗前后,△NO3--N/△NH4+-N的變化情況.從圖7中看出,1號反應(yīng)器NO3--N積累嚴(yán)重,比值一度達(dá)到0.315,說明反應(yīng)器內(nèi)存在一定數(shù)量的NOB并具有較強(qiáng)活性.通過調(diào)節(jié)內(nèi)循環(huán)比, △NO3--N/△NH4+-N逐漸穩(wěn)定分別維持在0.12和0.14左右,但△NO3--N/△NH4+-N也有逐漸上升的趨勢,說明僅依靠較低的溶解氧無法完全抑制NOB.在第167d,對反應(yīng)器進(jìn)行反沖洗后, △NO3--N/ △NH4+-N分別降低至0.004和0.031.第175d,系統(tǒng)就恢復(fù)到反沖洗前運(yùn)行效果,總氮去除率達(dá)到78.0%,而出水NO3--N濃度僅為8.9mg/L.反沖洗對AOB及AnAOB的影響較小,且反沖洗后系統(tǒng)能快速恢復(fù). NOB與AOB相比有更高的氧飽和系數(shù),位于生物膜的最外層[28].說明反沖洗能較為有效地將NOB洗脫出系統(tǒng),有利于反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行.

圖8 反沖洗前后NO3--N沿程的變化情況

3 結(jié)論

3.1 歷時(shí)139d在反應(yīng)器內(nèi)建立自養(yǎng)脫氮系統(tǒng),穩(wěn)定運(yùn)行40d,1號反應(yīng)器平均總氮去除率達(dá)到82.5%,2號反應(yīng)器平均總氮去除率達(dá)到80.0%,總氮去除負(fù)荷分別達(dá)到0.15和0.14kgN/(m3·d).

3.2 沸石填料比例更高的反應(yīng)器內(nèi)NOB的生長增殖得到促進(jìn)后,其活性更難完全有效地抑制.反沖洗后,聚氨酯填料比例高的反應(yīng)器,反硝化異養(yǎng)菌得到更多增殖空間,△NO3--N/△NH4+-N比值更低.

3.3 反沖洗在氣水混合作用下能有效洗脫好氧區(qū)表層NOB,對AOB及AnAOB的影響較小,且系統(tǒng)能快速恢復(fù).反沖洗與NOB抑制手段相結(jié)合能有助于單級自養(yǎng)脫氮的長期穩(wěn)定運(yùn)行.

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Start-up and operation of single-stage autotrophic nitrogen removal process in upflow double layer filler reactor.

LI Yu-qi1, XIANG Tao1, GAO Da-wen1*, PENG Yong-zhen2

(1.School of Environment, State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150006, China；2.College of Environmental and Energy Engineering, 100124 Beijing, China)., 2018,38(12)：4494~4501

The start-up and operation of single-stage autotrophic nitrogen removal process in upflow double layer filler reactor were successfully established in this study after 139 days. Zeolite and polyurethane foam were used as reactor filler. Synthetic high ammonia nitrogen (110~130mg/L) wastewater was fed to the reactor. Ratio of filler zeolite and polyurethane foam height in No.1and No.2 reactor was 2:3 and 3:2, resprctively. The results showed that the total nitrogen removal efficiency of No.1reactor reached 84.4%, while in the No.2 reactor 81.8%, with a total nitrogen removal load achieved 0.15 and 0.14kgN/(m3·d), respectively. Without adding organic matter into influent, compared with No. 1reactor, △NO3--N/△NH4+-N of No.2 reactor has been stable around 0.11. The total nitrogen removal efficiency of two reactors both increased with the addition of organic carbon source. It was indicated that appropriate concentration of COD can enhance autotrophic nitrogen removal performance. After backwashing, the NO3--N concentration of No. 1 reactor decreased from 17.61mg/L to below 10mg/L. It was showed that backwashing can effectively wash out NOB, and the combination of backwashing and other NOB suppression strategies can better maintain the long-term stable operation of single-stage autotrophic nitrogen removal process.

single-stage autotrophic nitrogen removal；partial nitrification；anammox；double layer filter；zeolite；polyurethane foam

X703.1

A

1000-6923(2018)12-4494-08

李鈺琪(1993-),女,遼寧鞍山人,在讀博士研究生,主要從事污水生物脫氮研究.

2018-05-04

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助(2016YFC0401105);黑龍江省自然科學(xué)基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD201412)

* 責(zé)任作者, 教授, gaodw@hit.edu.cn