15℃ SBBR短程硝化快速启动和稳定运行性能

传统的全程硝化工艺是在氨氧化细菌(AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)的共同作用下, 将氨氮氧化成硝酸盐氮, 短程硝化工艺是通过抑制NOB的生长, 在AOB的作用下, 将氨氮控制生成在亚硝酸盐氮[1], 短程硝化不仅节省反应时间, 还节省约25%的曝气量[2, 3].近年来, 短程硝化作为多种工艺的前置处理工艺被广泛关注[4~6].

短程硝化实现和维持的手段主要有：高温、高pH、高游离氨(FA)、高游离亚硝酸(FNA)、适宜的水力停留时间(HRT)、低DO等[7~9], 其调控机理是使AOB活性高于NOB.近年来, 短程硝化工艺多应用于处理垃圾渗滤液、消化液等高氨氮污水中[10, 11], 而低氨氮污水的短程硝化相对难以实现.另外低温一直是短程硝化工艺中的研究难点, 在寒冷的冬季, 污水水温一般在12~14℃[12], 因此研究低温低氨氮污水短程硝化的启动与长期稳定运行十分有实际意义.低温条件下相对于抗冲击负荷能力差, 易解体的活性污泥, 抗冲击负荷强的生物膜法更有优势[13].对于生物膜法, 挂膜成功是具有硝化性能的基础, 硝化反应从原理上不需要碳源, 但实际的生活污水中有机碳源是主要的污染物之一, 探究有机碳源对低温短程硝化的影响同样具有现实意义.同时, 市政污水中低氨氮浓度直接影响AOB的生长, 因此反应器内能够保证短程硝化稳定运行的最低氨氮浓度值得探究.文献[14]指出活性污泥法中常控制低DO浓度使AOB增长速率高于NOB, 生物膜法能否将DO从低浓度中解离出来值得关注.温度小于等于15℃, NOB的氧亲和力大于AOB[15], 如何在15℃探寻出抑制NOB的控制方法, 实现短程硝化的稳定运行值得研究.本文采用SBBR工艺通过控制反应器内碳源浓度、高DO浓度、氨氮浓度来研究15℃低氨氮污水短程硝化的启动和稳定运行.主要目的: ①探究C/N对15℃短程硝化快速启动和稳定运行的影响; ②从生物膜法中解离低DO限制; ③探究反应器内氨氮浓度对短程硝化影响.通过本实验利用污水厂采用短程硝化为前置反应工艺处理低温实际生活污水提供理论依据.

3个相同的SBBR反应器(R1、R2、R3), 长、宽、高分别约为180、120、260 mm, 有效工作容积约为4 L(见图 1), 整个实验装置还包括定时搅拌器, DO探头, pH探头, 水质分析仪(WTW), 低温恒温槽(型号DC-0516), 精确曝气装置.鲍尔环作为反应器的载体, 约占整个工作容积的22%.

SBBR反应器(R1、R2、R3)采用人工配水, 进入反应器的水质为：氨氮由氯化铵(NH4Cl)提供质量浓度为60 mg·L-1, COD由醋酸钠(CH3COONa)提供, 其中R1(C/N=0)中COD浓度为0 mg·L-1, R2(C/N=1.5)中COD浓度为90 mg·L-1, R3(C/N=3)中COD浓度为180 mg·L-1, P由磷酸二氢钾(KH2PO4)提供质量浓度为2 mg·L-1.接种污泥均来自北京高碑店污水处理厂曝气池, 其硝化性能良好, f值在0.7左右, SVI值在90左右, 3个反应器的启动温度均在15℃.

NH4+-N：纳氏试剂分光光度法; NO2--N：N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法; NO3--N：麝香草酚分光光度法; DO、pH和T采用在线探头检测(WTW, 德国).定义亚硝酸盐氮积累率为NAR(%)=100%×NO2--N/(NO2--N+NO3--N), 氨氮氧化率AAR(%)=100%×(NH4+-N进水-NH4+-N出水)/NH4+-N进水, 其中NO3--N、NO2--N均指由NH4+-N氧化而来的部分.本实验中采用氨氮去除率(AAR)达到50%作为硝化性能良好的指标参数, 采用亚硝态氮积累率(NAR)达到90%作为评价亚硝化启动成功、稳定运行和破坏修复效果的指标参数. MLSS、MLVSS：超声波(45 kHz, 120 W, 2~3 min)剥落生物膜, 离心(10 000g, 15 min), 后重量法测量.反应器启动阶段以周期为单位进行水质检测, 运行阶段以天为单位进行水质检测.

生物膜分析中采用荧光原位杂交技术(FISH)和共聚焦激光显微镜技术(CLSM)测量生物膜厚度、分析生物膜内总菌、AOB和NOB的空间分布规律[16].实验中所得样品胞外聚合物(EPS)的测定通过蛋白质(PN)、多糖(PS)值来代表EPS含量：PN采用考马斯亮蓝法, PS采用蒽酮法.

反应初期, 在3个反应器中各加入接种污泥2 L, 再加入人工配水2 L, 每个反应器中加入等量的鲍尔环, 填充率约是反应器有效工作容积的22%, 低温恒温槽温度控制在15℃.将转子流量计流量调至最大进行闷曝48 h, 50%排泥排水, 然后按此种方式运行一周后, 将接种污泥全部排掉, 以4L的配水进行运行. 3个反应器的曝气时间控制12 h为一周期.

反应器运行初期(周期：0~14), 为满足理论碱度需求在3个反应器中均加入恰好可以完全消耗NH4Cl的NaHCO3, 运行14个周期, DO高达9mg·L-1, pH为8.8~8.9.从图 2可知：3个反应器AAR都低于20%, 没加碳源的R1反应器AAR低于10%, 这可能是由于反应初期生物量较少, 硝化性能较差, 无法消耗所提供的碱度, 并且由于碱度过高, 也抑制硝化细菌的生长, 因此从第15个周期开始, 3个反应器均不加NaHCO3, R2的pH逐渐降低维持在8.3左右, DO也随着反应器的运行周期逐渐降低, 平均DO为6.5mg·L-1, 第37个周期, NAR超过50%, 第48个周期, AAR达到50%, NAR为88.79%, 在硝化性能良好的同时, 成功实现短程硝化, 继续运行至第60个周期, AAR达到57%左右, NAR可保持在95%. R1和R3的pH却没有明显变化, R1 8.5左右, R3大约8.7, DO也一直维持在较高水平, R1的DO大约8.7mg·L-1, R3的DO在8.2mg·L-1左右, 运行至第60个周期, R1中AAR始终小于20%, 几乎没有亚硝酸盐积累, R3在第45~60周期中, AAR维持在25%, NAR在10%左右, R1、R3短程硝化启动失败.

R2短程硝化启动成功稳定运行一个月后, 进行C/N对15℃短程硝化稳定运行小试. R2反应器中鲍尔环平均分成3份, 各加入有效工作容积为2 L的B1、B2、B3烧杯反应器中(配水水质和DO分别与R1、R2、R3相同), 并将B1、B2、B3的HRT延长至24 h进行连续批次小试实验.从图 3和图 4可以看出, 运行约50 d后, B1的AAR约80%, NAR为4.26%, 短程硝化完全破坏; B2运行60 d后, AAR高达98.65%, NAR为7.23%, 短程硝化稳定运行失败, B3只运行了30 d, AAR一直在60%左右, NAR逐步降至5.23%, 短程硝化稳定运行破坏.

将B1和B2采用缩短HRT至12 h的方法进行恢复, 结果发现：B1运行60 d后, NAR达到75%, 但AAR低于40%, 为此在第80 d加入少量碳源(C/N=0.5), 继续运行至120 d, NAR达到85%, AAR保证在57%左右, 反应器内氨氮浓度约为25mg·L-1, 短程硝化恢复; B2运行50 d, NAR达到90.34%, 短程硝化成功恢复, 此时反应器内氨氮为25.8mg·L-1; B3 C/N调回1.5, HRT调回12 h进行短程硝化恢复, 从图 3和图 4可以看出, 经过80 d NAR达到82.34%, 持续运行, NAR可以保证在90%以上, 短程硝化恢复, 在此运行过程中AAR一直保持在55%左右, 即反应器内氨氮浓度约为27mg·L-1.

为保证小试实验的准确性, 又将B1、B2反应器HRT延长至24 h, 考虑到如果以NAR降低到10%作为短程硝化完全破坏再进行恢复所需的时间太久, 此阶段小试将NAR约为65%作为短程硝化破坏严重的标志(达到65%, 即将HRT调回12 h), 从图 3和图 4可知此阶段实验结果趋势和之前相同, 验证实验结果的准确性.另外此阶段破坏和恢复所需的时间较上一阶段小试达到同样结果的时间有所缩短, 分析由于反应器从启动至今已经超过4个月, 较上一阶段鲍尔环生物量由970mg·L-1增至1 890 mg·L-1, 生物量的增加促使硝化性能提高, 缩短反应时间.

传统观点认为：硝化细菌为化能自养型微生物, 参与硝化反应时不需要外加碳源, 但目前已有实验证明碳源的加入能够启动和稳定运行短程硝化, 并且在常温条件下, 加入适量的碳源有利于短程硝化的稳定运行[17, 18].为探究碳源对15℃短程硝化启动和稳定运行的影响, 本研究进行了不加碳源、加入适量碳源、加入过量碳源的实验.

15℃, 在R1、R2和R3反应器中各加入C/N为0、1.5和3的人工配水启动SBBR工艺短程硝化, 运行60个周期后, 只有R2成功启动短程硝化, R1和R3均失败.通过观察鲍尔环形态发现, R1中鲍尔环与刚加入反应器时相差不多, 但是颜色呈现淡黄色, 运行60个周期, FISH-CLSM结果中[图 5(a)]中几乎没有发现AOB和NOB的存在, 有效膜厚大约15 μm; 因此C/N为0时短程硝化启动失败是因为传统的“闷曝”挂膜方式没有优势, 低温下“闷曝”没有让活性污泥中的细菌与鲍尔环强力结合, 当污泥全部排出后, 反应器中硝化细菌受温度影响生长缓慢, 附着在鲍尔环载体上的硝化细菌极少且活性较低, 并且分泌的EPS量低, 所以细菌彼此之间很难依靠附着力结合生长.反应器内无法消耗提供的DO和NaHCO3, DO和pH一直较高, 反应器内消耗的NH4+-N几乎可以认定为由高pH产生的吹脱作用和少量硝化细菌发生的硝化反应, 硝化反应消耗的NH4+-N极少, 反应器运行60周期依旧无法实现短程硝化. R2中鲍尔环上生物膜呈黄色, FISH-CLSM检测厚度约为45 μm, FISH-CLSM结果[图 5(b)]显示, R2载体上附着的生物膜中存在AOB和NOB, AOB含量丰富, 是膜内的优势细菌; R3鲍尔环中生物膜较厚呈现黄褐色, FISH-CLSM检测厚度约为70 μm, FISH-CLSM结果[图 5(c)]中发现少量AOB的存在, NOB存在不明显. R3中C/N为3, 没有实现短程硝化在于加入的碳源过量导致异养菌大量繁殖, 图 6为R2和R3反应器运行第60周期的COD“沿程(随时间变化)”结果, C/N为3时运行2 h, COD降解80mg·L-1. Liu等[19]的研究发现在30℃时, 在加入碳源的颗粒污泥反应器中, 异养反硝化细菌的生长速率是好氧硝化细菌的4~7倍, 不过快速生长的异养细菌不会抑制硝化细菌的生长[20], 但在短时间内异养菌会占据鲍尔环上的大量空间, 生长缓慢的硝化细菌在空间竞争上落于下风, 在鲍尔环上生长生存的极少, 虽然大量繁殖的异养菌可以分泌出较多的EPS具有黏着性[21], 硝化细菌本可以和分泌的EPS结合附着在异养菌上生长, 但反应器中鲍尔环一直处于动态旋转, 并且在高DO的曝气冲击条件下, 导致大量生物膜脱落, 所以硝化细菌很难附着生长.因此运行60周期, R3也没有实现短程硝化.

因此在15℃, 反应器中不加碳源(C/N为0)和加入较多碳源(C/N为3)均不能启动短程硝化.反观R2中加入了适量的碳源, 一方面异养细菌的繁殖速率与数量会低于R3(从图 6可知, 2 h内COD只降解30mg·L-1; 并且第40 d R2中EPS为24.16 mg·g-1 R3中EPS为41.25 mg·g-1), 鲍尔环中会留存一定的空间, 能够生长在鲍尔环上的硝化细菌会和异养菌分泌的EPS结合, 附着力增强, 硝化细菌不会轻易脱落随出水流失导致生物量降低细菌不断生长, FISH-CLSM结果也证明R2鲍尔环上附着的生物膜中AOB含量丰富, 是膜内的优势细菌, 因此短程硝化启动成功.

B1延长HRT至24 h, 经过50 d时反应器内氨氮浓度为12mg·L-1, NAR为4.26%, 短程硝化性能才被完全破坏, 说明生物膜抗冲击能力较强; 缩短HRT后, 60 d, NAR达到85%, 短程硝化性能恢复, B1小试是在已经稳定运行短程硝化的反应器中以不外加碳源方式进行实验, 不同于15℃启动时碳源必须存在, 在运行过程中, 反应器中可以不加入碳源, 不过不加入碳源的反应器生物膜附着力较弱, 易脱落, 导致大量微生物随出水流失, 反应器内生物量减少, 硝化性能降低, AAR一直低于40%.因此第80 d加入少量碳源(C/N=0.5)促进异养菌生长分泌EPS结合硝化细菌, 硝化性能逐渐上升, 第120 d AAR稳定在57%. B3延长HRT为24 h同时增加碳源至C/N为3, AAR一直维持在55%左右.分析原因：虽然B3内平均DO约为6.5mg·L-1, 最低DO也有5mg·L-1, 但由于碳源过多, 导致在反应初期DO被COD消耗, 硝化细菌能够利用的DO极少, 所以AAR几乎没有增加, 而大量生长的异养细菌结合到生物膜上, 使生物膜变厚, 阻碍了DO在生物膜内的氧传质, 另外膜内部存在缺氧区, 在碳源充足的条件下, 极易发生反硝化, 无法形成亚硝酸盐氮积累, 短程硝化稳定运行失败; C/N降为1.5并缩短HRT为12 h, 持续运行90 d, AAR稳定在55%左右, NAR保持90%以上, 短程硝化恢复, 从C/N为3实验中可以看出, 碳源过量不利于短程硝化的启动和稳定运行, 并且添加过量的碳源导致反应器内短程硝化性能破坏易恢复难. B2延长HRT至24 h, 经过60 d, 出水氨氮低于1.2mg·L-1, 仍有少量亚硝酸盐氮积累, 缩短HRT后, 经过50 d, NAR恢复到90%, 相比于B1, B2短程性能破坏更慢, 恢复更快, 说明碳源的存在有利于短程硝化的维持, 虽然在15℃短程硝化运行中, 可以没有碳源的存在, 但加入适量的碳源使AAR增加, 短程硝化运行更加稳定.

SBBR不仅在运行操作上易于控制, 更重要的是其运行模式相当于一个时间上的推流反应器, Zheng等[22]提出, 推流式反应器相比于完全混合式反应器, 更易实现短程硝化.在推流式反应器中, 随着反应逐步运行, 基质浓度逐渐降低, 典型A2O工艺, 在不同隔层内存在不同的优势细菌[23].根据米门公式与莫诺方程[24], 当反应器内反应基质浓度远远大于KS时, 反应速率、微生物的生长速率与底物浓度无关, 因此保证充足的NH4+-N浓度是短程硝化反应发生的前提.而SBBR充分利用其在时间上的推流运行模式, 反应运行初期, 不同于完全混合式反应器中NH4+-N、NO2--N并存, SBBR内反应基质只有NH4+-N, 不仅保证只进行短程硝化反应, 还使AOB的生长速率大于NOB的生长速率, 抑制NOB生长.但随着反应持续运行, 反应器内NH4+-N浓度逐渐减弱, NO2--N浓度逐渐增加, 反应器内较低的NH4+-N浓度导致AOB反应基质缺失, 而此时反应器内NO2--N充足, 具有较强活性的NOB[25], 会将NO2--N氧化成NO3--N, 破坏短程硝化, 因此保证反应器内充足的NH4+-N浓度并且抑制NOB的生长是短程硝化稳定运行的关键因素. 图 3和图 4中AAR维持在55%左右(反应器内浓度约为27mg·L-1), NAR可以保证在85%以上, 但当AAR大于55%并逐渐上升时, 亚硝酸盐氮积累就会随着AAR增加明显破坏, 这说明当反应器内氨氮浓度低于一定数值, NOB的活性就会高于AOB, 而在本实验中使反应器内氨氮浓度高于27mg·L-1, 就会对NOB产生有效抑制, 保证85%以上的亚氮积累, 维持短程硝化的稳定运行.该实验结果与Isanta等[14]曾利用AQUASIM软件提出连续流反应器内NH4+-N浓度若高于32mg·L-1(AAR在55%左右), 会抑制NOB的生长, 有利于短程硝化的稳定情况相似.

GU等[26]曾采用实时控制的方法, 在氨谷点停止曝气, 即当反应器中的NH4+-N恰好完全氧化成NO2--N时, 停止曝气, 排水进入下一个周期, 如此往复, 实现短程硝化的稳定运行, 此方法的不足之处在于对自控系统的精确要求, 其提出的氨谷点不是一直保持不变的, 一旦外界环境改变, 氨谷点发生变化, 自控系统如果不是极其敏锐, 很有可能造成过度曝气而破坏短程硝化的情况.而将反应器AAR控制在55%左右时, 此点不仅易于实现, 还能够随时应对过度曝气带来的隐患, 保证短程硝化的稳定运行.

短程硝化实现的关键在于富集AOB, 淘洗NOB. Ciudad等[27]指出实现亚硝化的DO应小于1.4 mg·L-1, Laureni等[28]在DO为0.15~0.18mg·L-1的反应器中成功实现短程硝化, 传统观点认为AOB的氧饱和系数为0.2~0.4mg·L-1, NOB的氧饱和系数为1.2~1.6 mg·L-1[29], 因此控制低DO浓度是实现短程硝化的关键因素, 本实验以SBBR方式启动运行, 在整个实验阶段一直维持较高的DO(平均DO为6.5mg·L-1), 本不利于短程硝化的实现和稳定运行.而本实验成功解离低DO, 实现短程硝化稳定运行的关键在于保证反应器中氨氮浓度能够有效抑制NOB生长, 2.3节的实验结果已经证明对于SBBR, 基质“滞后性”原理, 让反应器在初始条件下就有实现短程硝化的优势, 另外只要通过控制AAR在55%左右(出水氨氮浓度在27mg·L-1), 就可保证反应器内的基质浓度维持稳定的短程硝化, 而不受DO浓度的影响.

目前短程硝化工艺分为全量亚硝化与半量亚硝化2种, 后续处理可接反硝化工艺和厌氧氨氧化工艺.全量亚硝化要求氨氮去除率接近100%, 而半量亚硝化则大约57%, 因此无论是全量亚硝化还是半量亚硝化, 对于氨氮去除率都有要求, 如果无法保证氨氮去除率, 短程硝化作为前置处理工艺的要求就无法实现.从本文实验情况来看, 高氨氮污水更适合采用全量亚硝化, 高氨氮污水浓度相对较高, 一般为500mg·L-1, 虽然低温条件下, 硝化性能受温度影响, 硝化速率时常较低, 但通过增大DO、延长HRT方法可以保证AAR在95%以上, 实现全量亚硝化, 并且若后续反应接厌氧氨氧化工艺, 则将全程亚硝化的出水按照固定比例与废水混合即可; 对于低温低氨氮污水则适合采用半量亚硝化, 目前市政污水多为低氨氮污水, 由于其进水氨氮浓度低, AAR很容易达到50%, 在AAR约为55%时, NAR可以保证在85%以上(C/N=1.5), 而半量亚硝化的AAR大约57%, 通过计算, 进水为氨氮浓度60mg·L-1, NAR保证在80%左右, 就可以满足厌氧氨氧化对于NH4+-N/NO2--N约为1.32的要求, 而若是低氨氮污水采用全量亚硝化存在问题在于, AAR接近100%, 反应器内的NH4+-N浓度过低, 无法保证亚硝化的稳定运行, 亚硝化性能破坏, 无法接厌氧氨氧化工艺, 而对于反硝化工艺, 15℃短程硝化速率低, 反硝化速率也低, 在增加基建费用的同时, 还需外加碳源, 增加能耗, 难以实现经济效率.

(1) 15℃条件下, 反应器运行60个周期后, C/N=1.5成功快速启动和稳定运行SBBR工艺短程硝化, 但C/N=0和3时, 短程硝化快速启动失败; 短程硝化运行阶段可以不加碳源, 但投加适量的碳源可提升硝化性能, 对短程硝化的稳定运行更有利.

(2) 15℃SBBR内氨氮浓度超过27mg·L-1(AAR约为55%), 能够有效抑制NOB的生长; 并且可以在高DO(平均DO为6.5mg·L-1)下启动并且稳定运行短程硝化.

(3) 相比于全量亚硝化, 15℃低氨氮浓度污水采用半量亚硝化更能保证亚硝化工艺的稳定运行.