环境科学研究  2018, Vol. 31 Issue (8): 1423-1430  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2018.05.21

引用本文  

林兴, 方文烨, 金润, 等. 低基质CANON中短程硝化稳定性控制研究[J]. 环境科学研究, 2018, 31(8): 1423-1430.
LIN Xing, FANG Wenye, JIN Run, et al. Stable Operational Strategy of Paritial Nitritation in CANON with Low Strength Wastewater[J]. Research of Environmental Sciences, 2018, 31(8): 1423-1430.

基金项目

国家研发计划项目(No.2016YFC0401103)
National Research and Development Program, China (No.2016YFC0401103)

责任作者

黄勇(1958-), 男, 云南姚安人, 教授, 博士, 主要从事废水生物处理及资源化、地表水体修复研究, yhuang@mail.usts.edu.cn.

作者简介

林兴(1994-), 男, 江苏苏州人, linxlx@qq.com

文章历史

收稿日期:2018-02-02
修订日期:2018-05-03
低基质CANON中短程硝化稳定性控制研究
林兴1,2,3 , 方文烨1,2,3 , 金润1,2,3 , 郭超然1,2,3 , 李祥1,2,3 , 黄勇1,2,3     
1. 苏州科技大学环境科学与工程学院, 江苏 苏州 215009;
2. 苏州科技大学, 城市生活污水资源化利用技术国家地方联合工程实验室, 江苏 苏州 215009;
3. 苏州科技大学环境生物技术研究所, 江苏 苏州 215009
摘要:为研究主流PN/A(短程硝化/厌氧氨氧化)工艺中短程硝化稳定运行控制策略,采用连续流CANON反应器,以人工模拟低氨氮[ρ(NH4+-N)为50 mg/L]无机废水为进水,考察了FA(free ammonia,游离氨)、DO等控制参数对低氨氮下连续流CANON反应器短程硝化的影响.结果表明,启动前期提高进水NLR(nitrogen volume loading,氮容积负荷)有利于维持CANON的稳定运行,控制NLR在1.01 kg/(m3·d),运行至32 d,ΔNO3--N/ΔNH4+-N(指NO3--N产生量与NH4+-N消耗量的比值)始终维持在(0.11±0.02).然而随着运行时间的延长,ρ(NO3--N)逐渐增长,ΔNO3--N/ΔNH4+-N从理论值升至0.49,短程硝化受到严重破坏.过程中控制ρ(FA)在2 mg/L以上,NOB(亚硝酸盐氧化菌)受到明显抑制,但抑制周期短暂,并且随着ρ(FA)的降低,ρ(NO3--N)快速升高,FA抑制失效.限制氧供给,控制ρ(DO) < 0.3 mg/L,ΔNO3--N/ΔNH4+-N降至0.16,但NOB并未被完全抑制,ρ(NO3--N)仍呈上升趋势.微生物活性测定结果表明,运行中功能菌活性均得到增强,并且发现VAOB > VAnAOB > VNOB,在限氧条件下[ρ(DO) < 0.3 mg/L]运行,NOB虽受抑制但仍维持较高活性.研究显示,在低氨氮条件下,采用FA以及限氧的方式对NOB抑制作用有限,对NOB控制条件的选择需结合反应器内微生物种群结构、生长特性进行进一步研究.
关键词CANON    短程硝化    FA    DO    微生物活性    
Stable Operational Strategy of Paritial Nitritation in CANON with Low Strength Wastewater
LIN Xing1,2,3 , FANG Wenye1,2,3 , JIN Run1,2,3 , GUO Chaoran1,2,3 , LI Xiang1,2,3 , HUANG Yong1,2,3     
1. School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China;
2. National and Local Joint Engineering Laboratory of Municipal Sewage Resource Utilization Technology, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China;
3. Institute of Environmental Biotechnology, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China
Abstract: In order to investigate the stable operational strategy of partial nitrification in PN/ANAMMOX process, a continuous flow reactor was used to treat the low strength (50 mg/L) wastewater. The effects of control parameters such as free ammonia (FA) and dissolved oxygen (DO) on partial nitrification in a continuous flow CANON reactor under low ammonia nitrogen were investigated. The results show that increasing nitrogen volume loading (NLR) in the early stage of start-up is beneficial to maintaining the stable operation of CANON reactor, running at 32 d with NLR and ΔNO3--N/ΔNH4+-N maintained at 1.01 kg/(m3·d), and (0.11±0.02) respectively. However, with a prolonged of operation period, the concentration of NO3--N was gradually increased from its theoretical value to 0.49 which subjected partial nitrification to serious damaged. Subsequently, FA and DO were controlled to inhibit NOB. The inhibition in NOB was observed when ρ(FA) was as up to 2 mg/L, though the inhibition period was relatively short. With the decrease of ρ(FA), ρ(NO3--N) increased rapidly. Also, by limiting oxygen supply and maintaining ρ(DO) < 0.3 mg/L, ΔNO3--N/ΔNH4+-N decreased to 0.16. However NOB was not completely inhibited and ρ(NO3--N) was still rising. The results of microbial activity determination showed that the activity of functional bacteria was enhanced with the results VAOB > VAnAOB > VNOB. Under the condition of oxygen limited (ρ(DO) < 0.3 mg/L), the activity of NOB was maintained at a high level. The study showed that NOB was hardly inhabited by using FA and oxygen limited condition under low concentration of ammonia nitrogen. The selection of NOB control conditions should be further studied in combination with the microbial population structure and the growth characteristic in the reactor.
Keywords: CANON    partial nitrification    FA    DO    microbial activity    

厌氧氨氧化是一种新型自养脱氮工艺,相比于传统的硝化、反硝化,它能减少60%的曝气,无需有机碳源即可实现脱氮,同时具有污泥产量低,减排温室气体等特点[1].作为串联厌氧氨氧化的前置工艺,短程硝化的成功建立以及稳定运行一直是研究的难点.短程硝化是利用AOB (氨氧化菌)将NH4+-N氧化成NO2--N,同时抑制NOB (亚硝酸盐氧化菌),避免NO2--N进一步氧化.

目前,短程硝化已在污泥消化液等高温高氨氮废水的处理中得到稳定运行,过程中由高氨氮形成的高FA(free ammonia, 游离氨)、FNA(free nitrous acid,游离亚硝酸)以及高温条件是抑制NOB,维持短程硝化稳定运行的关键[2-3].然而面对城市生活污水,其ρ(NH4+-N)普遍在30~100 mg/L,在该低浓度下难以形成高的FA和FNA,导致短程硝化易失稳.因此城市污水PN/A(短程硝化/厌氧氨氧化)工艺运行中普遍存在NOB增殖引起的出水ρ(NO3--N)增加、TN去除率下降的问题[4-5]. Gonzalez等[6]控制进水ρ(NH4+-N)在100 mg/L下运行CANON反应器,在140 d运行中,出水ρ(NO3--N)最终升至40 mg/L. LI等[7]采用SBR反应器处理低氨氮〔ρ(NH4+-N)为100 mg/L〕废水时发现,运行过程中ΔNO3--N/ΔNH4+-N (指NO3--N产生量与NH4+-N消耗量的比值)逐渐从0.41增至0.98,系统内NOB大量增殖,并最终导致系统崩溃.然而就低氨氮CANON反应器内NOB增殖,短程硝化运行失稳后的调控恢复相关报道较少.此外,对于CANON研究多是在SBR中进行,研究[8-10]表明,SBR反应器相比于CSTR更容易实现CANON的稳定运行. Svehla等[11]将反应器运行方式由CSTR改变为SBR后,系统内NOB受到明显抑制.然而实际工程中,连续流反应器的应用范围更广,若要实现城市生活污水的大流量处理,必须探索在连续流中实现短程硝化稳定运行的途径.

基于此,该研究采用连续流CANON反应器,以低氨氮无机废水为研究对象,针对低氨氮浓度下CANON反应器中短程硝化易失稳的问题,研究了FA、DO等控制参数对其稳定性的影响.并对不同运行阶段的微生物活性进行测定,进一步说明反应器各调控阶段运行情况,旨在为主流PN/A工艺中短程硝化的稳定运行提供参考.

1 材料与方法 1.1 试验装置与运行

试验采用有效容积为9.25 L的上流式连续流反应器,底部设有微孔曝气盘.反应器由底部进水,进水方式为连续流,流量由蠕动泵控制(见图 1).反应器外包裹黑色遮光布,室温下(23~30 ℃)运行.

图 1 试验装置 Fig.1 Schematic diagram of tester
1.2 试验用水与接种污泥

采用人工合成无机废水(不含有机物),以NH4HCO3和NaHCO3提供NH4+-N和碱度,进水pH控制在(8±0.3).接种的悬浮填料源于运行稳定的短程硝化中试反应器[12],NAR(亚硝酸盐积累率)90%以上.填料填充率为25%.

1.3 分析方法

试验中各污染物指标的监测均按标准方法[13]进行. ρ(NH4+-N)采用纳氏试剂分光光度法;ρ(NO2--N)采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;ρ(NO3--N)采用紫外分光光度法;混合液悬浮固体浓度(MLSS)、挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)采用标准重量法测定;温度、ρ(DO)采用WTW便携式测定仪;pH采用哈纳pH211型酸度计. NiPR(NO2--N产生速率),NaPR(NO3--N产生速率)的计算参考完颜德卿等[14]的公式.

1.4 试验方法及反应速率测定

试验在室温条件下运行.维持进水ρ(NH4+-N)为50 mg/L,通过逐步缩短HRT提高进水NLR(nitrogen volume loading, 氮容积负荷).系统运行至31、66、105 d,从反应器内取出部分悬浮填料,将附着在填料表面的污泥取出,放入500 mL血清瓶,通过批次试验测定厌氧氨氧化、短程硝化、硝化反应速率,分别代表AnAOB、AOB、NOB活性.批试过程中控制pH为7.5,温度为25 ℃,配水组份见表 1.测定AnAOB活性时,用高纯氮吹脱15 min以去除瓶内上部空气及液相ρ(DO),测定AOB、NOB时曝气,维持ρ(DO)在2 mg/L以上.反应540 min,定期测定水样中ρ(NH4+-N)、ρ(NO2--N)、ρ(NO3--N),反应速率计算参考李冬等[15]的公式.

表 1 批次试验配水组分 Table 1 The synthetic wastewater in bath experiment
2 结果与讨论 2.1 CANON工艺启动以及出现的问题

维持进水ρ(NH4+-N)为50 mg/L,通过缩短HRT提高进水NLR,启动过程中氮素浓度及氮转化速率变化见图 2.由图 2可见,前21 d为负荷提升期,此时HRT由4.19 h逐步缩短至1.61 h,NLR从0.28 kg/(m3·d)升至0.77 kg/(m3·d).随着NLR的提升,反应器内出现明显的TN损失现象.由于进水中不含有机物,因此排除反硝化脱氮的作用.运行至13 d,反应器内NRR(氮去除速率)达到0.12 kg/(m3·d),此时出水ρ(NO3--N)为3.23 mg/L,ΔNO3--N/ΔNH4+-N为0.10,与厌氧氨氧化反应的理论值[16-17]基本一致.在随后2周的运行中NRR增至0.20 kg/(m3·d),同时ΔNO3--N/ΔNH4+-N始终维持在0.11左右,表明CANON已稳定建立.

图 2 反应器出水氮素质量浓度及氮转化速率变化 Fig.2 Variations of nitrogen concentration in the reactor

随着NLR的提升,NiPR增长明显,21 d时NiPR已达0.27 kg/(m3·d),系统内AOB得到有效富集.与此同时NaPR接近于0,几乎检测不到NOB活性,表明负荷的快速提高能够有效维持短程硝化的稳定,这与LIU等[18]研究结果一致.随后控制NLR在1.01 kg/(m3·d)左右,随着运行时间的延长,ρ(NO3--N)逐渐升高.运行至45 d时ρ(NO3--N)升至9.1 mg/L,ΔNO3--N/ΔNH4+-N升至0.21,同时NaPR出现快速增长,体系内NOB大量繁殖,短程硝化受到破坏.李冬等[19]研究指出,NOB对高NLR具有适应性,控制NLR在0.6 kg/(m3·d),体系NOB受到短暂抑制后出现过量增殖.而该试验中,NLR控制在1.01 kg/(m3·d)左右,NOB仍出现了过量增长,这表明低进水ρ(NH4+-N)下,通过控制高NLR不能长期有效的抑制NOB,需结合其他控制手段联合抑制[20].

2.2 FA对短程硝化稳定性的影响

研究[21]表明,FA对抑制NOB具有重要作用. FA对AOB和NOB均存在抑制作用,而NOB对FA更为敏感[22-23]. Anthonisen等[23]指出,ρ(FA)在0.1~1.0 mg/L时可以抑制NOB活性. Vadivelu等[24]研究表明,ρ(FA)超过0.6 mg/L就能完全抑制NOB活性.该试验中ρ(FA)随反应时间的变化见图 3.由图 3可见,前30 d随着负荷的提升,ρ(NH4+-N)升高,ρ(FA)达到1.5 mg/L,处于对NOB的抑制范围内,此时短程硝化维持稳定运行.随着出水ρ(NH4+-N)的降低,ρ(FA)逐步降至1.2 mg/L左右,此时ρ(NO3--N)升高,FA对NOB抑制作用减弱.研究[25]发现,NOB受FA抑制的同时,也会对FA产生适应性.韩晓宇等[26]研究表明,NOB对7 mg/L的FA仍具有很强的适应性,当系统内ρ(FA)由16 mg/L降至7 mg/L时,FA对NOB的抑制解除,短程硝化受到严重破坏.因此,ρ(NO3--N)的增加很可能是由于NOB对FA的适应性导致的.随后为了验证该结论,运行至第44天,在不改变ρ(NH4+-N)及温度的前提下通过提高pH的方式将ρ(FA)升至2 mg/L以上.而pH是影响FA抑制NOB的关键,Hawkins等[27]研究表明,相同ρ(FA)(2.1~2.2 mg/L)条件下,pH从7.1升至8.0,对NOB的抑制作用从18%升至60%.提高FA后,ρ(NO3--N)由9.2 mg/L迅速降至5.1 mg/L,NOB受到明显抑制.然而仅维持一周,ρ(NO3--N)就开始增长,最终达到14.84 mg/L,系统内NOB大量增殖,FA抑制失效.因此,在低氨氮条件下,通过FA的方式抑制NOB并不可行.

图 3 ρ(FA)随反应时间的变化 Fig.3 Variations of FA in the reactor
2.3 DO对短程硝化稳定性的影响

短程硝化的运行中,通过AOB、NOB对DO的竞争是抑制NOB的重要手段[28].研究[29]表明,AOB和NOB的氧饱和常数分别为0.6和2.2 mg/L.因此在前期的运行中,为了保证AOB活性,同时避免AnAOB被抑制,系统内的ρ(DO)维持在0.7 mg/L.然而随着运行时间的延长,NOB仍出现了大量增殖,ρ(NO3--N)达到14.84 mg/L.鉴于此,对系统内DO进行了进一步调控,降低供气量,控制ρ(DO)为0.5 mg/L后,ρ(NO3--N)出现下降,运行到82 d降至7.12 mg/L,但随后逐渐增至10.61 mg/L,ΔNO3--N/ΔNH4+-N由0.17升至0.25,表明NOB仍未完全抑制.此外进水NLR需与气量相匹配[30],降低气量后,进水NLR并未做出调整,导致出水ρ(NH4+-N)升高.于是在86 d,将HRT延长至1.6 h,控制NLR在0.77 kg/(m3·d),同时将ρ(DO)进一步控制在0.3 mg/L.此后ρ(NH4+-N)稳固下降,NH4+-N去除率达到70%. NOB受到抑制,ρ(NO3--N)降低,ΔNO3--N/ΔNH4+-N降至0.16.整个调控期间,两个降气量的过程,NaPR均呈现梯度降低(见图 4),最终在0.1 kg/(m3·d)左右.但需要注意的是,尽管ρ(DO)已控制在0.3 mg/L以内,但ρ(NO3--N)仍有上升趋势. MIAO等[31]利用CANON反应器处理低氨氮〔ρ(NH4+-N)为60 mg/L〕废水时,控制ρ(DO)为(0.17±0.08)mg/L.在60 d的运行后,ρ(NO3--N)由4.71 mg/L升至38.14 mg/L,NOB仍出现过量增殖.可见,低氨氮下,通过对氧的限制仍然难以实现NOB的有效抑制,系统内部分NOB在适应环境后仍会出现过量增殖.

图 4 控制DO阶段氮素浓度及转化速率变化 Fig.4 Variations of nitrogen concentration in the reactor with the control of DO
2.4 温度变化对CANON脱氮速率的影响

由于反应器是在室温条件下运行,而温度条件的变化对CANON脱氮效能具有重要影响.前60 d室温是升高的,温度逐渐由24 ℃升至30 ℃,有利的温度条件也促使厌氧氨氧化菌得到有效富集[32],此阶段NRR快速提高,最高达0.30 kg/(m3·d).随后温度开始降低,NRR出现下降趋势,最终在23 ℃下稳定在0.2 kg/(m3·d)左右,高于一般研究[33]现状.根据Arrhenius方程〔见式(1)〕,对NRR与温度的关系进行拟合,取各温度条件下平均NRR,以ln NRR为纵坐标,1/T为横坐标,并计算出反应所需活化能.

$ \ln \;{\rm{NRR}} = \ln \;{\rm{A}} - E/{\rm{R}}T $ (1)

式中:NRR为氮去除速率,kg/(m3·d);A为Arrhenius常数;E为活化能,kJ/mol;R为气体常数,8.314 J/(K·mol);T为热力学温度,K.

图 5可知,23~30 ℃的温度区间内存在2个E(活化能).当环境温度为26~30 ℃时,厌氧氨氧化反应E为82.04 kJ/mol,略高于现有研究的典型范围(63~70 kJ/mol),温度在23~26 ℃之间活化能升至149.11 kJ/mol,约为26~30 ℃的1.82倍. E越低反应更容易进行[34]E升高说明降温后厌氧氨氧化反应速率降低. Lotti等[35]研究表明,厌氧氨氧化菌在30 ℃下比生长速率为0.21 d-1,倍增时间为3.3 d;而温度降至20 ℃时,其比生长速率低至0.02 d-1,倍增时间也延长至35 d[36].反观,运行中NiPR在降温后仍呈上升趋势,仅在降低ρ(DO)后出现略微下降,并且随后又保持增长,可见温度的变化未对AOB的活性造成明显影响.在CANON反应器中,ANAMMOX活性对温度变化更为敏感.

图 5 NRR与温度变化关系 Fig.5 Relationship between NRR and temperature
2.5 微生物活性变化

为进一步说明各运行阶段反应器运行状况,分别在31、66、106 d从反应器内取出部分污泥,采用批次试验对微生物活性进行了测定,结果如图 6所示.运行中,VAOB不断提高,较高的负荷以及适合的DO条件下,系统内AOB得到有效富集.至66 d,VAOB已达0.722 kg/(kg·d)(以N计,下同),相比31 d时提升了34.62%.而VAnAOB则由0.314 kg/(kg·d)增至0.618 kg/(kg·d),升幅达49.19%,表明系统内厌氧氨氧化菌得到富集,活性明显增强.分析原因,一方面是由于前期温度的提升,较高的温度有利于厌氧氨氧化菌的增殖; 另一方面是由于反应器内接种的生物膜,而生物膜对DO传质具有阻碍作用. Philips等[37]控制液相中ρ(DO)为3.3 mg/L, 检测到生物膜表面以内30 μm处,ρ(DO)降为0 mg/L.顾澄伟等[38]在CANON稳定运行期间控制ρ(DO)为5 mg/L,利用微电极对膜内DO分布检测后发现随着生物膜厚度的增加,ρ(DO)不断下降,并在距膜表面1 000 μm处降至0 mg/L.因此尽管控制液相ρ(DO)为0.7 mg/L,生物膜内仍存在较大的缺(厌)氧区域,这也为厌氧氨氧化菌提供良好的生境.降温后,VAnAOB降至0.534 kg/(kg·d),厌氧氨氧化菌受到明显抑制.

图 6 不同阶段微生物活性变化 Fig.6 Variations of microbial activity at different stages

启动前期,VNOB仅为0.116 kg/(kg·d),前期NLR的快速提升对NOB表现出了良好的抑制作用.固定负荷运行42 d后,NOB大量繁殖,VNOB增至0.485 kg/(kg·d).为了抑制NOB的生长,限氧〔ρ(DO)<0.3 mg/L〕运行.此后NOB虽受到一定抑制,但VNOB降幅较小,仍维持在0.422 kg/(kg·d),分析原因,整个运行过程中VAOB始终是最高的(VAOB>VAnAOB>VNOB),系统内以短程硝化为主,同时具有部分厌氧氨氧化作用,由AOB氨氧化产生的NO2--N并不能完全被AnAOB所利用,导致出水中NO2--N的累积,这为NOB的生长提供了充足的基质.此外,无论是调控HRT还是DO,归根结底都是利用AOB和NOB对DO亲和力的差异性,控制因子单一.人们通常认为,低氧更有利于维持短程硝化稳定性,这是因为AOB的KO(氧半饱和常数)比NOB低,对DO的亲和力更高[39].然而近年来,一些研究者在研究主流厌氧氨氧化工艺时发现,在微氧条件长期运行后,Nitrospira的增殖会导致KO2NOB<KO2AOB的问题,即NOB对氧的亲和力高于AOB[40].而Nitrospira属于K-生长型NOB,即拥有较高的底物亲和力,这也导致微氧条件并不能有效抑制NOB的增长,需对控制条件进行调整. MIAO等[31]研究发现,控制ρ(DO)为(0.17±0.08)mg/L,在60 d的运行中,反应器内Nitrospira的基因拷贝数由2.61×108增至1.67×1010,出水ρ(NO3--N)大大提高. Regmi等[40]认为,控制ρ(DO)>1.5 mg/L有利于增强AOB对Nitrospira的竞争优势以抑制NOB. BAO等[41]研究了曝气强度对短程硝化稳定性的影响发现,当控制ρ(DO)在(0.3±0.14)mg/L时,Nitrospira大量增殖,而提高DO控制〔ρ(DO)为(1.8±0.32)mg/L〕后Nitrospira得到有效抑制,全程硝化逐渐转变为短程硝化.因此,对于抑制NOB的控制条件的选择,需结合反应器内微生物种群结构,生长特性进行进一步研究.

3 结论

a) 在低基质连续流CANON反应器的运行中,启动前期通过提高NLR能够有效维持CANON的稳定运行,NLR控制在1.01 kg/(m3·d),ΔNO3--N/ΔNH4+-N维持在(0.11±0.02).

b) 随着运行时间的延长,ρ(NO3--N)逐渐增长,短程硝化失稳.联合FA进行调控,控制ρ(FA)在2 mg/L以上,NOB受到明显抑制,ρ(NO3--N)降低.但抑制时间短暂,仅一周出水中ρ(NO3--N)就出现增长,FA抑制失效.限制氧供给,控制ρ(DO)<0.3 mg/L,短程硝化得到一定恢复,ΔNO3--N/ΔNH4+-N降至0.16,但NOB未被完全抑制,ρ(NO3--N)仍呈上升趋势.

c) 微生物活性变化表明,运行过程中NOB活性明显增强.同时发现,VAOB>VAnAOB>VNOB.在限氧〔ρ(DO)<0.3mg/L〕条件下运行,NOB虽受抑制但仍维持较高活性,需结合反应器内微生物种群结构、生长特性进行进一步研究.

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