反应器的平面示意图如图1所示.A2/O反应器由厚约8mm的无色有机玻璃制成, 反应区的整体尺寸为长0.8m,宽0.25m,高0.65m,有效容积为91.8L;反应区内部设置了7块隔板,将反应区均匀分割为8个首尾相连的隔室;通过对隔板上下开孔的方式,保证了装置内部的污水流态;通过设置独立的曝气调节系统,可随时改变系统的曝气分区比例,能满足不同分区研究的需求;反应器进水量、混合液回流比和污泥回流比等均由蠕动泵控制,DO浓度由气体转子流量计控制;厌、缺氧区域均设置了搅拌系统以保证活性污泥的完全混合状态。
1.进水阀;2.进水箱;3.搅拌器;4.曝气孔;5.蠕动泵;6.二沉池;7.曝气泵
图 1 反应器平面示意
整个试验过程中,进水流量为6升/时,实验室温度在22℃左右,内回流比为2,外回流比为1,每个试验阶段的具体工况参数如表1所示。
表 1 反应器工况控制参数
1.2 试验用水及接种污泥
反应器的进水为模拟污水,其配方:CH3COONa为0.32克/升、NH4Cl为0.191克/升、K2HPO4为0.026克/升、CaCl2为0.027克/升、MgSO4·H2O为0.225克/升, 微量元素为混合溶液,浓度为1毫升/升,进水水质情况如表2所示。反应器的活性污泥取自西安市某污水处理厂好氧池的活性污泥,污泥维持了较高的活性,经过连续20天的培养,活性污泥絮体性状良好,系统进入稳定运行阶段。
表 2 进水水质情况:毫克/升
1.3 试验指标及测定方法 1.3.1 常规指标测定
检测COD、TN、NH4+-N、NO3--N和NO2--N等常规指标,采用国标方法检测;温度和DO采用便携式哈希WWT测定仪现场测定。
1.3.2 SAOR和SNOR的测定
SAOR测定:采用3个2L的烧杯A、B和C, 从反应器好氧区中取6L的污泥完全混合均匀, 均分后放入3个烧杯中, 将污泥液静置30分钟后倒去1L的上清液, 然后加入等量的超纯水进行搅拌淘洗, 再静置30分钟倒去上清液;重复此操作3次, 在3个烧杯中分别加入1L等浓度的NH4+-N溶液,将DO控制在4~6毫克/升, 每反应15分钟取一次样测定NH4+-N浓度, 根据公式(2-1)计算SAOR。
SNOR测定:采用3个2L的烧杯A、B和C,从反应器缺氧区中取6L的污泥完全混合均匀, 均分后放入3个烧杯中,将污泥液静置30分钟后倒去1L的上清液,然后加入等量的超纯水进行搅拌淘洗,再静置30分钟倒去上清液;重复此操作3次,在3个烧杯中分别加入1 L等浓度的NO2--N溶液,将DO控制在4~6毫克/升,每反应15分钟取一次样测定NO2--N浓度,根据公式(2-2)计算SNOR。
1.3.3 厌氧氨氧化速率测定
采用3个2L的烧杯A、B和C,从反应器厌氧区中取6L的污泥完全混合均匀,均分后放入3个烧杯中,将污泥液静置30分钟后倒去1L的上清液,然后加入等量的超纯水进行搅拌淘洗, 再静置30分钟倒去上清液;重复此操作3次,在3个烧杯中分别加入1Lc(NH4+-N): c(NO2--N)=1的溶液,然后通入氮气直至处于厌氧条件(DO < 0.2毫克/升),最后将反应器用黑色塑料袋密闭严实,每反应15分钟取一次样测定NH4+-N、NO3--N和NO2--N浓度,在保证NO2--N浓度降低且NO3--N浓度基本未变的前提下,根据公式(3)计算厌氧氨氧化速率。
1.4 指标计算方法 1.4.1 亚硝氮积累率(NAR)
亚硝酸积累率的计算公式为:
式中,NO2--N和NO3--N分别表示好氧区末端NO2--N和NO3--N的浓度,毫克/升。
1.4.2 比氨氧化速率(SAOR)、比亚硝酸盐氧化速率(SNOR)
比氨氧化速率和比亚硝酸盐氧化速率的计算公式为:
式中,NH4,s+和NO2,s-分别表示硝化开始时NH4+-N和NO2--N的浓度(毫克/升);NH4,e+和NO2,e-分别为硝化结束时NH4+-N和NO2--N的浓度(毫克/升);MLVSS为污泥浓度(毫克/升);t为硝化反应时间(时)。
1.4.3 厌氧氨氧化速率(AMXR)
厌氧氨氧化速率的计算公式为:
式中,NH4,s+表示厌氧氨氧化开始时NH4+-N的浓度(毫克/升);NH4,e+表示厌氧氨氧化结束时NH4+-N的浓度(毫克/升);MLVSS为污泥浓度(毫克/升);t为厌氧氨氧化反应时间(时)。
1.4.4 污染物质量平衡计算
系统中氮污染物质平衡如图2所示,根据公式(4)可计算出厌氧、缺氧和好氧区的氮污染物质平衡,式中c1N、c2N和c3N分别为厌氧区末端、缺氧区末端和好氧区末端污染物浓度。
图 3 各阶段下反应器对污染物的去除效果
系统运行过程中氮类污染物的沿程变化如图4所示。经物料衡算分析可以得出,除了系统的稀释作用外,各阶段NH4+-N主要是在生物池Ⅳ~Ⅷ(好氧区)中通过硝化作用去除,好氧区对NH4+-N的去除率分别为86.98%、60.31%、47.86%和86.17%,除了阶段Ⅲ以外,各阶段好氧区均具有较高的NH4+-N去除效率。与阶段Ⅰ和Ⅱ相比,阶段Ⅳ在降低好氧区DO浓度并提高好氧区分区比例的工况下,仍能保证好氧区对NH4+-N的高效去除。然而阶段Ⅰ~Ⅳ厌氧和缺氧区对NH4+-N的去除情况却有着明显的差异,经物料衡算分析可以得出, 各阶段厌缺区域NH4+-N的去除率分别3.3%、11.78%、18.56%和28.06%,可以看出系统运行过程中,厌氧和缺氧区对NH4+-N的去除效率呈现出明显的增长趋势。与阶段Ⅰ~Ⅲ相比,阶段Ⅳ缺氧区对NH4+-N的去除率已高达28.06%,推测此时缺氧区已发生一定程度的厌氧氨氧化现象,这是阶段Ⅳ高效脱氮的主要原因。由图 4(b)可以看出,NO3--N主要是在缺氧区中通过反硝化作用去除,经物料衡算分析可以得出,缺氧区在阶段Ⅰ~Ⅳ对NO3--N的去除效率分别为62.51%、58.37%、62.77%和66.69%,各阶段下缺氧区对NO3--N的去除情况无明显差异,然而好氧区在阶段Ⅰ~Ⅳ对NO3--N的生成情况却有着明显的降低趋势(334.19%、137.97%、129.45%和103.01%),阶段Ⅳ好氧区NO3--N的转化率仅为103.01%,这与阶段Ⅳ好氧区高效的NH4+-N去除率相矛盾,因此推测此时系统好氧区已发生一定程度的短程硝化现象。由图 4(c)可以看出,阶段Ⅰ和Ⅱ系统沿程NO2--N浓度几乎无明显变化,然而在阶段Ⅲ和Ⅳ系统好氧区内已发生了明显的NO2--N积累,各阶段好氧末端NO2--N的浓度分别为0.21、0.50、3.30和3.31毫克/升。
图 4 各阶段NH4+-N、NO3--N和NO2--N延程变化趋势
2.2 系统脱氮途径变化研究
系统运行过程中氮类污染物在宏观层面发生一定程度的变化,为了进一步验证系统脱氮途径的转变,还应在微观层面进行分析。系统运行过程中NAR、SAOR、SNOR和AMXR的变化规律如图5所示。由图 5(a)可以看出,4个阶段好氧末区NAR平均分别为1.74%、5.72%、40.47%和42.41%,阶段Ⅲ开始系统的NAR开始大幅增加。由图 5(b)可以看出,4个阶段SAOR(以N/VSS计)平均分别为0.248 3、0.237 0、0.158 8和0.138 5 g·(g·h)-1,SNOR(以N/VSS计)平均分别为0.293 5、0.278 7、0.165 6和0.092 1 g·(g·h)-1, 阶段Ⅱ增大缺氧区域使NOB活性降低幅度大于AOB,这与Irvin等的研究结果不谋而合, 其研究表明厌氧/缺氧期的延长使微生物长期处于饥饿状态,由于NOB比AOB更容易腐烂,NOB活性可能大幅度降低,从而实现AOB富集。阶段Ⅲ开始通过降低好氧区DO浓度与系统SRT可在一定程度上抑制AOB与NOB的活性,然而由于AOB具有更强的低氧亲和力和倍增速率,因此通过一定时间的适应,AOB的活性开始恢复,NOB的活性进一步降低,最终实现AOB的富集和NOB的淘洗,这与吴春雷等的研究成果相符,其运行的A2/O反应器在DO浓度为0.5~0.8毫克/升的工况下实现了AOB的富集、NOB的淘洗,NAR可达62%。从阶段Ⅲ开始,系统好氧区中的优势硝化菌群逐渐由AOB和NOB转变为AOB,因此系统好氧区中的脱氮途径也随之发生了转变,即由传统的全程硝化转变为短程硝化,从而实现了NO2--N的积累。系统通过内回流将好氧末端积累的NO2--N回流至生物池Ⅰ(厌氧区),从而为AnAOB提供电子受体,这为厌氧氨氧化作用的发生创造了必要条件。从图 5(c)中可以看出,系统缺氧区AMXR呈现出明显的升高趋势,各阶段AMXR(以N/VSS计)平均分别为0.012、0.017、0.053和0.79 g·(g·h)-1.由于一些客观因素,如无法实现理想的厌氧环境、无法同时满足AOB和AnAOB的最佳污泥龄、较低的NO2--N积累量以及光合作用细菌对AnAOB的竞争性抑制等, 致使系统的厌氧氨氧化速率无法进一步得到提升, 即便如此与阶段Ⅰ相比,系统在阶段Ⅳ对TN的去除率提高了14.61%,出水平均TN浓度由14.55毫克/升降至7.03毫克/升,最终实现了深度脱氮的目的。
表 3 样本测序数据666
菌属从柱状图低端往上依次为Nitrosospira、Nitrosomonas、Nitrospira、Nitrococcus、Nitrobacter、Candidatus Jettenia和Candidatus Kuenenia
图 7 属水平上7种功能细菌群落结构
2.4 系统脱氮机制初探
结合系统脱氮性能、脱氮途径和微生物种群结构(图1~7)的研究, 推测系统脱氮机制如图8所示, 系统脱氮的关键环节为AOB和NOB共培养阶段(阶段Ⅰ)、AOB筛分阶段(阶段Ⅱ~Ⅲ)与AnAOB富集阶段(阶段Ⅳ),因此可将系统氮类污染物转化途径分为好氧区的(短程)硝化反应(阶段Ⅱ~Ⅲ),厌缺区域的(短程)反硝化反应和厌氧氨氧化反应(阶段Ⅳ)。好氧区NH4+-N在AOB的作用下被氧化为NO2--N,有一部分NO2--N在NOB的作用下被氧化为NO3--N;回流系统将好氧区和出水中的NO3--N和NO2--N回流至缺氧区,使NH4+-N和NO2--N在AnAOB的作用下生成N2,NO3--N在反硝化菌和碳源的作用下也生成N2,最终达到深度脱氮的目的。
红色向上和向下箭头代表细菌丰度的增加和减少,蓝色代表 4个阶段均发生的反应,灰色代表Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ阶段均发生的反应。
图8 系统机制初探示意
3 结论
(1) A2/O短程硝化耦合厌氧氨氧化系统具有优良的脱氮性能,其最佳工况为阶段Ⅳ,即V厌缺:V好=4:4、DO为0.3~0.7毫克/升和SRT=15 d,此时系统出水NH4+-N和TN的平均浓度分别为1.20毫克/升和7.03毫克/升,去除率分别为97.69%和87.83%。
(2) 增大曝气分区比例、降低好氧区DO浓度和SRT等参数可实现A2/O系统中NOB的淘洗,AOB和AnAOB的富集,在阶段Ⅳ实现了部分短程硝化耦合厌氧氨氧化系统脱氮构建,此时NH4+-N在缺氧区的去除率为28.06%,好氧区末端NAR为42.41%,系统SAOR、SNOR和AMXR(以N/VSS计)分别为0.138 5、0.092 1和0.79g·(g·h)-1。
(3) Illumina MiSeq测序结果表明,A2/O短程硝化耦合厌氧氨氧化系统中AOB以Nitrosospira和Nitrosomonas为主,NOB以Nitrospira、Nitrococcus和Nitrobacter为主,AnAOB以Candidatus Kuenenia和Candidatus Jettenia为主,AOB、NOB和AnAOB在属水平上的实测丰度在阶段Ⅳ时分别为5.95%、2.2%和0.32%。
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