兩級PNDPR耦合Anammox脫氮除磷工藝研究

徐貴達(dá),李 冬*,劉志誠,陶 博,張 杰,2

兩級PNDPR耦合Anammox脫氮除磷工藝研究

徐貴達(dá)1,李 冬1*,劉志誠1,陶 博1,張 杰1,2

(1.北京工業(yè)大學(xué),水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué),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 150090)

鑒于厭氧氨氧化工藝進(jìn)水必須包含NO2--N和NH4+-N兩種基質(zhì),且只能脫氮,為在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)除磷,提出輔以短程硝化技術(shù),將除磷、脫氮技術(shù)相耦合,即短程硝化反硝化除磷串聯(lián)厭氧氨氧化工藝.生活污水首先進(jìn)入短程硝化反硝化除磷單元,主要實(shí)現(xiàn)NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO2--N并去除COD,其部分出水與生活污水原水相混合再進(jìn)入?yún)捬醢毖趸瘑卧?同時(shí)短程硝化反硝化除磷單元于缺氧條件下反硝化吸磷,待反應(yīng)結(jié)束后兩個(gè)處理單元的出水混合排放.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,控制進(jìn)水混合比為4.2可保證Anammox單元中C/N和NO2--N/NH4+-N值分別為2和1.5,平均△NO2--N/△NH4+-N=1.41,△NO3--N/△NH4+-N=0.12,Anammox脫氮平均占比為85.2%,反硝化與Anammox反應(yīng)耦合良好.整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后出水COD、P、NH4+-N、NO2--N和NO3--N濃度分別為15.2,0.85,0.59,5.56,3.33mg/L,TN去除率為89.4%,通過PNDPR-Anammox耦合新工藝成功實(shí)現(xiàn)模擬生活污水的高效處理.

短程硝化；厭氧氨氧化；反硝化除磷；進(jìn)水混合比

基于短程硝化-厭氧氨氧化(PNA)的自養(yǎng)脫氮工藝逐漸成為脫氮研究的熱點(diǎn),不過單一的無機(jī)脫氮工藝難以在實(shí)際污水處理中推廣,因?yàn)閷?shí)際生活污水中主要包括氮、磷、有機(jī)物三種污染物,難以用工程方法分離.而反硝化除磷[1-2](DPR)提供了新的思路,有學(xué)者將反硝化除磷與Anammox耦合,主要分為以下兩種方式[2]:1.將短程硝化、厭氧氨氧化、反硝化與反硝化除磷串聯(lián)起來[3-4],即SNADPR (Simulataneous partial nitrification, anammox, denitrification, and denitrifying phosphorus removal),工藝流程為污水首先進(jìn)入?yún)捬醐h(huán)境內(nèi)化有機(jī)物進(jìn)行釋磷,然后出水進(jìn)入SNAD反應(yīng)器,進(jìn)行短程硝化、厭氧氨氧化及反硝化,最后厭氧氨氧化產(chǎn)生的硝酸鹽回流至DPR反應(yīng)器進(jìn)行脫氮除磷.難點(diǎn)是于SNAD實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化,抑制NOB并避免DO對Anammox的抑制效果;2.將厭氧氨氧化、反硝化除磷和內(nèi)源性部分反硝化(endogenous partial- denitrification, EPD)相耦合[5-7],利用聚糖菌(GAOs)對碳源的代謝作用,產(chǎn)生亞硝酸鹽供給厭氧氨氧化,即Anammox-EPDPR(Anammox, endogenouspartial- denitrification and phosphorus removal),工藝流程為污水首先進(jìn)入?yún)捬醐h(huán)境內(nèi)化有機(jī)物進(jìn)行釋磷,然后進(jìn)行好氧全程硝化,將NH4+-N轉(zhuǎn)為NO3--N,最后于缺氧態(tài)下,由GAOs作用的內(nèi)源反硝化為Anammox提供穩(wěn)定的NO2--N,最終由DPAOs將NO--N與PO43--P去除.但實(shí)際生活污水中并不存在高濃度NO3--N,先將NH4+-N進(jìn)行全程硝化,最后再于缺氧下以內(nèi)源反硝化的運(yùn)行過程未免曝氣能耗過高.

綜合以上工藝現(xiàn)狀,若將Anammox與DPR成功耦合,關(guān)鍵是保證AOB、DPAOs、Anammox三種功能菌的豐度與活性.AOB為自養(yǎng)菌,在好氧條件下生長富集,并將進(jìn)水中的NH4+-N氧化為NO2--N;聚磷菌均在厭氧段釋磷,吸附同化污水中的有機(jī)物于體內(nèi),并在后續(xù)好氧/缺氧階段以O(shè)2/NO2--N/NO3--N為電子受體,利用厭氧段所同化的有機(jī)物,進(jìn)行過量吸磷;Anammox為自養(yǎng)菌,在厭氧條件下以進(jìn)水中的NH4+-N和NO2--N為基質(zhì),反應(yīng)生成N2與少量NO3--N.分析以上功能菌,Anammox菌對環(huán)境最為敏感,且其倍增時(shí)間最長,提出將其分離于單一反應(yīng)器中進(jìn)行富集培養(yǎng).

因此,本研究模擬城市生活污水為處理對象,啟動建立PNDPR-Anammox新工藝,分析PNDPR-A系統(tǒng)的啟動性能變化,并探討兩級反應(yīng)器中不同進(jìn)水混合比對整個(gè)耦合系統(tǒng)的影響,進(jìn)一步明確反應(yīng)過程及化學(xué)計(jì)量學(xué)參數(shù),為該工藝的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ).

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與運(yùn)行方法

圖1 耦合工藝系統(tǒng)的反應(yīng)器圖(A)和運(yùn)行流程(B)

系統(tǒng)包含兩種SBR反應(yīng)器,分別是PNDPR- SBR和Anammox-SBR,材質(zhì)均為有機(jī)玻璃,有效容積6L,換水比為80%,一天運(yùn)轉(zhuǎn)3個(gè)周期,耦合系統(tǒng)的運(yùn)行周期和反應(yīng)器構(gòu)造如圖1所示.其中PNDPR- SBR設(shè)有曝氣裝置,曝氣模式為高頻間歇梯度曝氣,設(shè)立兩個(gè)梯度,好氧1段和好氧2段的曝停時(shí)間和曝氣量分別為曝氣3min:停曝2min & 5L/(h·L)和曝氣2min:停曝3min & 2.5L/(h·L);Anammox-SBR保持全程厭氧狀態(tài).

整個(gè)實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)階段:1.耦合前準(zhǔn)備階段,因接種污泥的運(yùn)行環(huán)境發(fā)生變化,為實(shí)現(xiàn)后續(xù)工藝的耦合,需分別對兩個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行馴化,改變原PNDPR反應(yīng)器的曝停時(shí)間以進(jìn)一步提高AOB活性達(dá)成NO2--N積累,將原Anammox反應(yīng)器的周期由12h縮短至8h,提高負(fù)荷、調(diào)整時(shí)間以適配后續(xù)耦合工藝;2.初步耦合階段,控制PNDPR的1段出水與模擬生活污水混合,以達(dá)到Anammox反應(yīng)器進(jìn)水NO2--N:NH+ 4-N≈1.32:1,并測定相關(guān)污染物變化;3.探究進(jìn)水混合比的優(yōu)化,基于階段2的分析,控制不同進(jìn)水混合比的兩套平行耦合系統(tǒng),通過分析污染物、功能菌活性、EPS等參數(shù)變化,探究其對耦合系統(tǒng)影響.

1.2 接種污泥與實(shí)驗(yàn)用水

PNDPR-SBR接種實(shí)驗(yàn)室前期培養(yǎng)的短程硝化反硝化除磷顆粒,MLSS為5124mg/L,控制泥齡25d;Anammox-SBR同樣接種實(shí)驗(yàn)室內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行的厭氧氨氧化污泥,MLSS為3870mg/L,為保證厭氧氨氧化菌留存,不控制泥齡.

表1 人工配水水質(zhì)情況

本實(shí)驗(yàn)以人工配水模擬城市生活污水,以自來水、CH3CH2COONa、NH4Cl、NaHCO3、KH2PO4、MgSO4×7H2O和CaCl2配成,以NaHCO3模擬生活污水堿度兼具調(diào)節(jié)pH值,詳細(xì)水質(zhì)指標(biāo)如表3.

1.3 分析項(xiàng)目與檢測方法

以納氏試劑分光光度法測量NH+ 4-N;-(1-萘基)-乙二胺光度法測定NO2--N;用麝香草酚紫外分光光度法測定NO3--N;采用5B-3B型COD多參數(shù)快速測定儀測定TP和COD,間隔2d取樣測量上述參數(shù); WTW-pH/Oxi 340i便攜式多參數(shù)測定儀檢測DO和pH的變化; 胞外聚合物(EPS)中,以lowry法測定蛋白質(zhì)(PN);采用蒽酮硫酸法測定多糖(PS),以PN、PS之和表示EPS總濃度;以激光粒度儀(Malvern Mastersizer2000)觀測污泥的粒徑分布情況;以光學(xué)顯微鏡(Olympus BX51)進(jìn)行觀察和記錄污泥形態(tài)變化; SVI、MLSS和MLVSS等其他觀測指標(biāo)均采用國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法.

1.4 計(jì)算方法

1.4.1 厭氧氨氧化和反硝化脫氮貢獻(xiàn)率:Ana- nammox單元進(jìn)水含有有機(jī)物,會促使異養(yǎng)反硝化菌的生長,需明確反硝化和厭氧氨氧化的脫氮貢獻(xiàn)率,如式1和式2所示:

省委第四巡視組向省國土資源廳黨組反饋專項(xiàng)巡視情況（省廳新聞宣傳中心） ...............................................3-4

Pden(%)=100%-Pana(2)

式中:下標(biāo)den、ana、inf、eff和rem分別表示反硝化、厭氧氨氧化、進(jìn)水、出水和去除率.NH4+、NO2-和NO3-的濃度用mg/L表示[8].

1.4.2 聚磷菌所占比例測定 根據(jù)電子受體劃分3種聚磷菌,一類僅以O(shè)2作為電子受體,一類能以NO2-與NO3-為電子受體,還有一類能以O(shè)2、NO2-和NO3-為電子受體.利用不同電子受體的聚磷菌所占比例測定方法[1]如下:分別以O(shè)2、NO2-和NO3-作為電子受體進(jìn)行批次實(shí)驗(yàn),在洗去雜質(zhì)的反應(yīng)器中加入磷酸二氫鉀與乙酸鈉控制P濃度6mg/L, COD濃度是270mg/L,保持厭氧段120min充分釋磷結(jié)束后排出上層溶液,再次清洗污泥.加入蒸餾水稀釋至反應(yīng)器原容積,再混入磷酸二氫鉀擬合厭氧末的釋磷濃度,然后于反應(yīng)器內(nèi)排出3L泥水混合物,均勻分成3份,一份在好氧條件下控制溶解氧濃度為3.0mg/L,另外兩份不曝氣,分別加入NaNO2和KNO3,使NO2-和NO3-初始濃度分別為20mg/L.反應(yīng)時(shí)間為2.5h,期間測定磷濃度的變化.聚磷菌所占比例可近似按以下公式計(jì)算:

式中:O是只以O(shè)2為電子受體的除磷;ON是能用O2和NO3-(不能用NO2-)為電子受體的除磷;ONn是能用O2、NO3-和NO2-為電子受體的除磷:以NO2-為電子受體的吸磷量是ONn;以NO3-為電子受體在缺氧段的吸磷量是ON;以O(shè)2為電子受體在好氧段的吸磷量是O.

2 結(jié)果與分析

2.1 耦合前期各處理單元的性能變化

耦合前期,PNDPR-SBR的第一好氧段曝停頻率由原來的3min:3min調(diào)整為3min:2min,目的是提高反應(yīng)器內(nèi)在第一好氧段的NH4+-N氧化,獲得更多的NO2--N積累,為下一階段的工藝耦合做準(zhǔn)備. PNDPR的具體性能如圖2所示,COD在厭氧段基本被微生物攝取內(nèi)化,厭氧段COD平均去除率達(dá)91.83%,說明曝氣方式的調(diào)整并沒有影響COD的去除;P的去除效果一直穩(wěn)定,但通過批次實(shí)驗(yàn)測定聚磷菌所占比例,反應(yīng)器內(nèi)亞硝酸型的反硝化聚磷菌在總聚磷菌種中有所下降,由57.63%降至52.17%,分析認(rèn)為曝氣頻率的變化間接提高了1段曝氣中的好氧時(shí)長,因此好氧吸磷得到強(qiáng)化;曝停頻率的改變使得NH4+-N在第一好氧段中的氧化率不斷提高,由接種初期的71.53%逐漸上升至88.56%,同時(shí)又因?yàn)镃OD在厭氧段基本被去除和好氧時(shí)長的增加,短程硝化所生成的NO2--N,部分被反硝化聚磷菌用以缺氧吸磷,小部分被反硝化脫氮菌還原為N2,余者全部進(jìn)入下一階段,NO2--N積累最高可達(dá)40.63mg/L.值得注意的是,得益于高頻間歇曝氣模式,反應(yīng)器內(nèi)始終處于好氧/缺氧的交替變化狀態(tài),NOB抑制效果良好,運(yùn)行期間NO3--N始終低于1mg/L.

圖2 耦合前期PNDPR的污染物去除效能

圖3 耦合前期Anammox的污染物去除效能

Anammox-SBR耦合前期旨在配合下一階段的工藝耦合設(shè)計(jì),僅將原有周期時(shí)長由12h調(diào)整至8h,其他參數(shù)與接種前保持一致,由圖3中可以觀察到,隨著對負(fù)荷的適應(yīng),Anammox脫氮性能逐漸達(dá)到穩(wěn)定,DNO2--N/DNH4+-N和DNO3--N/DNH4+-N值分別為1.30和0.28接近理論值1.32和0.26,脫氮性能良好.綜上,PNDPR-SBR去除了大部分COD和P并實(shí)現(xiàn)了較高濃度的NO2--N積累,Anammox- SBR脫氮性能良好,均為后續(xù)工藝系統(tǒng)耦合奠定良好基礎(chǔ).

2.2 工藝耦合初期系統(tǒng)性能變化

原生活污水中并沒有Anammox菌代謝的全部基質(zhì),且有機(jī)負(fù)荷勢必會對Anammox菌造成沖擊,將短程硝化后的出水與原水相混合不僅可以獲得NO2--N基質(zhì),稀釋進(jìn)水中的COD同時(shí),還可以通過有機(jī)物將反硝化引入Anammox單元中,提高TN去除率[9-10].

因此,將短程硝化出水與原污水相混合作為Anammox單元的進(jìn)水基質(zhì).不過具體細(xì)節(jié)還需要仔細(xì)研究,如進(jìn)水NO2--N/NH4+-N的比值,理論上應(yīng)為1.32[11],但一方面考慮不同反應(yīng)器的運(yùn)行工況,具體實(shí)驗(yàn)具體分析,另一方面考慮有機(jī)物的存在必定會富集部分異養(yǎng)菌:如反硝化菌,可能會與Anammox菌競爭基質(zhì),從而導(dǎo)致計(jì)量比例失衡.所以本研究擬以NO2--N/NH4+-N=1.32為基準(zhǔn)調(diào)整Anammox單元中的進(jìn)水基質(zhì),初步耦合工藝.

圖4 耦合初期PNDPR-Anammox系統(tǒng)內(nèi)各基質(zhì)變化

根據(jù)上一階段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,耦合前期PNDPR在第一段好氧結(jié)束后,平均COD、P、NH4+-N、NO2--N和NO3--N濃度分別為19.01,0.92,9.15,40.27, 0.16mg/L,通過計(jì)算控制PNDPR出水:模擬污水= 3.6:1可基本實(shí)現(xiàn)進(jìn)水中NO2--N/NH4+-N=1.32的要求.耦合初期,各級反應(yīng)器與整個(gè)耦合系統(tǒng)的污染物去除效果如圖4所示,相較于耦合前期,PNDPR單元在厭氧段的釋磷量增加,平均漲幅2.6mg/L,同時(shí)厭氧段內(nèi)去除的COD也有所增加,好氧1段結(jié)束后,反應(yīng)器內(nèi)的NO2--N積累平均穩(wěn)定在41.3mg/L,吸磷量平均增加0.41mg/L,好氧2段結(jié)束后,反應(yīng)器內(nèi)P、NH4+-N濃度極低均小于0.1mg/L,出水NO2--N大幅下降,平均濃度為6.38mg/L,出水NO3--N上升明顯,平均濃度為4.26mg/L.因?yàn)楹醚?段結(jié)束后部分出水到Anammox單元,反應(yīng)器內(nèi)的生物總量不變,基質(zhì)總量減少,在原運(yùn)行模式下,各污染物濃度變化較大,在好氧2段中,曝氣量不變,受基質(zhì)總量限制, NH4+-N很快被消耗,轉(zhuǎn)換積累的NO2--N被DPAOs和DNB所利用,受碳源限制,仍存有部分NO2--N,變向?qū)е铝薔OB的繁殖,出水NO3--N增加,但相比耦合前期,原進(jìn)水中NO--N濃度得到稀釋,降低了聚磷菌在厭氧段于DNB的碳源競爭,聚磷菌活性提高,釋磷量也隨之增加.

Anammox單元混合進(jìn)水的平均COD、P、NH4+- N、NO2--N和NO3--N濃度分別為68.9,1.86, 24.55, 32.74,0.41mg/L,COD/NO2--N=2.11, NH4+-N/NO2—N =1.33,初時(shí)NH4+-N、COD去除率僅為60.21%和40.16%,隨著反應(yīng)器的運(yùn)行,出水NH4+-N、NO2--N和COD去除率逐漸升高,30d時(shí)分別達(dá)到80.11%、95.35%和71.96%,DNO2--N/DNH4+-N=1.61,DNO3-- N/DNH4+-N=0.04,通過公式(1)計(jì)算,厭氧氨氧化的脫氮貢獻(xiàn)率為71.83%,反硝化的脫氮貢獻(xiàn)率為28.17%.以上結(jié)果表明, Anammox初步與DNDPR耦合成功.觀察圖4(c),出水COD和NO2--N在前8d快速下降,說明COD促使了反硝化菌的快速增長,后續(xù)COD濃度下降緩慢,分析可能是來自部分PNDPR出水所包含的有機(jī)物大體上是難降解型[12],很難被反硝化菌同化利用;相較耦合前期期,反應(yīng)器內(nèi)的NH4+-N去除率雖然在逐漸上升但仍較低,說明反硝化菌的快速增殖會與厭氧氨氧化菌競爭營養(yǎng)和空間,厭氧氨氧化反應(yīng)被削弱,但通過出水余氨的存在以及較高的化學(xué)計(jì)量比分析,厭氧氨氧化反應(yīng)很有可能是受基質(zhì)限制,無法獲得充足的NO2--N.

圖4(d)是整個(gè)工藝系統(tǒng)的污染物去除效果圖,將兩級反應(yīng)器全部出水混合后,30d時(shí),出水COD、P、NH4+-N、NO2--N和NO3--N濃度分別為18.16,0.98, 3.45,3.13,2.12mg/L,TN去除率為88.48%,初步認(rèn)為PNDPR-Anammox耦合工藝啟動成功.

2.3 不同進(jìn)水混合比對耦合工藝系統(tǒng)的影響

初期雖然成功耦合工藝,出水水質(zhì)良好,但Anammox單元內(nèi)通過反硝化途徑的氮損過高,且出水存有余氨,反應(yīng)器內(nèi)的脫氮平衡不穩(wěn)定,易向反硝化工藝轉(zhuǎn)化.穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)鍵在于平衡厭氧氨氧化與反硝化反應(yīng),因此合理控制進(jìn)水中各項(xiàng)基質(zhì)比,如C/N和NO2--N/NH4+-N在適宜的范圍內(nèi)至關(guān)重要.研究[13-15]普遍認(rèn)為相對低C/N比下,厭氧氨氧化主導(dǎo)脫氮反應(yīng),相對高C/N下厭氧氨氧化易向反硝化轉(zhuǎn)變,林皓[16]控制進(jìn)水NO2--N/NH4+-N為1.2～1.5, TN去除率穩(wěn)定在80%以上,李冬等[14]通過控制水力停留時(shí)間,可高效處理C/N為2的模擬生活污水,Li Jin等[17]控制C/N在2左右時(shí),厭氧氨氧化脫氮平均占比為64.86%,Tang等[18]報(bào)道稱C/N>2.92時(shí),COD對厭氧氨氧化菌產(chǎn)生了明顯的抑制作用,也有研究[19-20]稱C/N過低時(shí),因?yàn)橛袡C(jī)碳源的缺乏會導(dǎo)致發(fā)生部分反硝化,總氮去除率較低.綜上,由于不同的實(shí)驗(yàn)條件及運(yùn)行工況,結(jié)果也不盡相同,需要進(jìn)一步的研究.本研究考慮到PNDPR單元亞硝化出水有機(jī)物大多為難降解型和耦合前期Anammox出水存有余氨的情況,調(diào)整進(jìn)水混合比,分別控制進(jìn)水NO2--N/ NH4+-N為2和1.5進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn),考察不同進(jìn)水混合比對工藝系統(tǒng)的影響.

通過計(jì)算控制PNDPR單元亞硝化出水:模擬生活污水分別為6.7和4.2可基本實(shí)現(xiàn)進(jìn)水中NO2--N/ NH4+-N=2和1.5的需求,兩個(gè)耦合系統(tǒng)的污染物去除效果分別如圖5和圖6所示.在好氧1段前,不同基質(zhì)比下PNDPR單元的污染物去除變化基本保持一致,但短程硝化后由于排出了不同體積的出水,導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)存留的基質(zhì)總量不同,進(jìn)水混合比越高,原反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)總量越低,PNDPR單元的最終出水的各項(xiàng)污染物就越低,由于本實(shí)驗(yàn)未再進(jìn)行運(yùn)行模式的修改,曝氣模式不變,進(jìn)水混合比越高,PNDPR的最終出水的NO3--N于TN中就占比更多.總體來說, PNDPR單元受不同進(jìn)水混合比的影響較小,因?yàn)橹饕廴疚锏娜コc轉(zhuǎn)換均在厭氧和好氧1段完成,建議未來在好氧2段增加停曝時(shí)間或降低曝氣強(qiáng)度以進(jìn)一步抑制NOB,以免影響NO2--N積累.

Anammox單元受進(jìn)水混合比影響較大,觀察圖5(c),當(dāng)進(jìn)水混合比為6.7時(shí),反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)出水的平均COD、P、NH4+-N、NO2--N和NO3--N濃度分別為46.15和17.05,1.89和1.69,17.19和1.46,37.35和19.26,0.34,1.84mg/L,與耦合前期比較,NH4+-N去除率升高,平均去除率達(dá)91.38%, NO2--N去除率卻大幅降低,平均DNO2--N/DNH4+-N=1.21,DNO3--N/DNH4+-N=0.09,兩計(jì)量比均低于理論值,分析原因可能是受低有機(jī)物濃度限制,反硝化進(jìn)行不完全,僅將部分NO3--N還原為NO2--N,導(dǎo)致出水NO2--N濃度較高.通過公式計(jì)算Anammox脫氮占比最高可達(dá)95.51%,說明在有機(jī)物存在的情況下,基質(zhì)不足才是導(dǎo)致Anammox活性下降的主要原因.

觀察圖6(c),當(dāng)進(jìn)水混合比為4.2時(shí),穩(wěn)定運(yùn)行后,Anammox的平均進(jìn)出水COD、P、NH4+-N、NO2--N和NO3--N濃度分別為67.00和14.27,1.72和1.27,21.28和1.78,34.04和6.50,0.43和2.69mg/L. NH4+-N去平均去除率為91.65%, NO2--N去除率為80.81%,平均DNO2--N/DNH4+-N=1.41,DNO3--N/DNH4+-N=0.12,Anammox脫氮平均占比為85.18%,出水TN<10mg/L,達(dá)到城鎮(zhèn)污水一級A處理標(biāo)準(zhǔn),種種結(jié)果表明厭氧氨氧化和反硝化耦合良好.

圖5 NO- 2-N/ NH+ 4-N=2:PNDPR-Anammox系統(tǒng)內(nèi)各基質(zhì)變化

圖6 NO- 2-N/ NH+ 4-N=1.5:PNDPR-Anammox系統(tǒng)內(nèi)各基質(zhì)變化

圖5、圖6(d)是整個(gè)工藝系統(tǒng)的污染物去除效果圖,當(dāng)進(jìn)水混合比為6.7時(shí),出水COD、P、NH4+-N、NO2--N和NO3--N濃度分別為19.08,0.97,1.26, 15.49,1.72mg/L,TN去除率為77.53%,雖然在Anammox單元中,厭氧氨氧化脫氮占比很高,但反應(yīng)器內(nèi)并不具備較高的COD條件來去除多余的NO2--N,一方面受限于較低的C/N,另一方面則是PNDPR單元短程硝化出水內(nèi)包含的有機(jī)物大多為難降解型,難以被反硝化菌進(jìn)一步利用;當(dāng)進(jìn)水混合比是4.2時(shí),出水COD、P、NH4+-N、NO2--N和NO3--N濃度分別為15.2,0.85, 0.59,5.56和3.33mg/L, TN去除率為89.43%,反應(yīng)性能良好, PNDPR- Anammox耦合工藝成功實(shí)現(xiàn)模擬生活污水的高效處理.

2.4 不同進(jìn)水混合比下Anammox單元胞外聚合物的含量變化

EPS作為一種由細(xì)菌分泌的高分子有機(jī)物,可以豐富生物體周圍環(huán)境的營養(yǎng)[20],形成多層多孔結(jié)構(gòu)[21],進(jìn)而降低不利環(huán)境對酶的抑制[22].EPS的輕度釋放可能有助于anammox活性的改善,在適當(dāng)?shù)难趸﹦┝肯驴梢源碳PS的產(chǎn)生來增強(qiáng)anammox菌的活性[23],污水中有機(jī)物的存在也對EPS有一定的促進(jìn)作用[24],有研究表明與厭氧氨氧化耦合的大部分反硝化菌屬于β-Proteobacteria[25],可以分泌大量EPS有助顆?；痆26],由反硝化細(xì)菌產(chǎn)生的EPS能覆蓋在anammox顆粒表面作為物理屏障,對anammox細(xì)菌有重要的保護(hù)作用[27].

圖7 不同進(jìn)水混合比下Anammox單元的污泥EPS含量變化

圖7是不同進(jìn)水混合比的Anammox單元胞外聚合物的含量變化,剛開始的EPS、PN和PS分別為139.81、117.89和21.91mg×g-1,經(jīng)過30d的運(yùn)行后,進(jìn)水混合比為4.2的反應(yīng)器中微生物分泌的EPS更多,PN/PS比值也更高,這是因?yàn)榇藭r(shí)反應(yīng)器內(nèi)厭氧氨氧化和反硝化耦合良好,有機(jī)物的存在促使細(xì)菌分泌更多的EPS保護(hù)自身,細(xì)菌活性的提高也有利于EPS含量的增加.而進(jìn)水混合比為6.7時(shí),因反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)物濃度較低,如反硝化菌等異養(yǎng)菌可能活性受限,相對EPS分泌量較低.

3 結(jié)論

3.1 提出并成功耦合PNDPR-Anammox新工藝,系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后出水COD、P、NH4+-N、NO2--N和NO3--N濃度分別為15.2,0.85,0.59,5.56,3.33mg/L, TN去除率為89.43%,表明PNDPR-Anammox耦合工藝成功實(shí)現(xiàn)模擬生活污水的高效處理,可在未來實(shí)行進(jìn)一步研究探索.

3.2 進(jìn)水混合比是基于C/N和NO2--N/NH4+-N的綜合參數(shù),目的是保障Anammox單元的穩(wěn)定運(yùn)行,通過控制進(jìn)水混合比為4.2可保障Anammox單元中C/N和NO2--N/NH4+-N分別為2和1.5,平均DNO2--N/DNH4+-N=1.41,DNO3--N/DNH4+-N=0.12, Anammox脫氮平均占比為85.18%,反硝化與Anammox耦合反應(yīng)良好.

3.3 進(jìn)水混合比對于整個(gè)PNDPR-A系統(tǒng)是雙向影響,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效穩(wěn)定的運(yùn)行是基于原水中的各項(xiàng)污染物濃度,其中NO2--N積累串聯(lián)兩級工藝的關(guān)鍵點(diǎn),以NO2--N積累為基礎(chǔ)調(diào)控Anammox單元進(jìn)水在合適的范圍內(nèi)至關(guān)重要.

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Study on two-stage PNDPR coupled with Anammox for nitrogen and phosphorus removal.

XU Gui-da1, LI Dong1*, LIU Zhi-cheng1, TAO Bo1, ZHANG Jie1,2

(1.Key Laboratory of Beijing Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124；2.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology , Harbin 150090, China)., 2021,41(11)：5133～5141

Considering that the influent of Anammox process must contain two substrates, NO2--N and NH4+-N, and it could only be denitrified. In order to further realize phosphorus removal on this basis, this study proposed to combine phosphorus removal and nitrogen removal with partial nitrification technology, namely partial nitrification and denitrifying phosphorus removal tandem Anammox process: the partial nitrification and denitrification phosphorus removal unit was the first to pass into domestic sewage to convert NH4+-N to NO2--N and remove part of COD. Part of the effluent was mixed with domestic sewage and enters the anaerobic ammonium oxidation unit. At the same time, the partial nitrification and denitrification phosphorus removal unit was denitrified and absorbed phosphorus under the hypoxia state, and the effluent of the two treatment units was mixed and discharged after the end of the reaction. The experimental results showed that controlling the influent mixing ratio to be 4.2 could ensure that the values of C/N and NO2-N/NH4+-N in the Anammox unit were 2 and 1.5, respectively, the average △NO2--N/△NH4+-N=1.41, △NO3--N/△NH4+-N=0.12, Anammox nitrogen 85.2% on average, denitrification and Anammox coupling reaction was good. After stable operation of the whole system, the effluent COD, P, NH4+-N, NO2--N and NO3--N concentrations were 15.2, 0.85, 0.59, 5.56 and 3.33mg/L, respectively, and the TN removal rate was 89.4%. The PNDPR-Anammox coupling new process successfully realized the efficient treatment of simulated domestic sewage.

short-cut nitrification；anaerobic ammonia oxidation；denitrifying phosphorus removal；influent mixing ratio

X703

A

1000-6923(2021)11-5133-09

徐貴達(dá)(1996-),男,河北圍場人,北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要從事生活污水脫氮除磷研究.

2021-04-01

北京高效卓越青年科學(xué)家計(jì)劃項(xiàng)目(BJJWZYJH0120191- 0005019);國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2018ZX07601-001)

* 責(zé)任作者, 教授, lidong2006@bjut.edu.cn