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自养脱氮菌在颗粒污泥床反应器的性能

Lan Wang, Ping Zheng*, Tingting Chen, Jianwei Chen ¹, Yajuan Xing, Qixing Ji ², Meng Zhang,Jiqiang Zhang

环境工程，浙江大学，杭州310058，中国

亮点

发展了一种新的、高效率的自养脱氮过程；

容量达到了目前报道的最高水平；

分析了优势功能微生物；

实现了主要操作参数的最优化；

研究了工作机理。

文章信息

文章历史：

2012年6月5日收到

2012年7月30日接受

2012年8月7日网上可用

关键词

颗粒污泥床反应器

自养脱氮

过程性能

工作机理

摘要

颗粒污泥床中的自养脱氮过程（）去除废水中的氮是一种新的、有前景的生物技术，它只需要一个反应器、简单的操作和无机碳源。实验结果显示，以硝化颗粒污泥作为接种体的GSM-ANR过程可成功启动。氮的容积负荷率和容积去除率分别达到5.44和2.57kgN·m^-3·d^-1，这比报道的单一反应器中的自养脱氮过程达到的水平还要高很多。优势功能微生物来自浮霉菌和亚硝化单胞菌。GSB-ANR的优异表现可归纳为：(a)好氧氨氧化菌(AOB)和厌氧铵氧化菌(ANAMMOX)的高活性；(b)颗粒污泥良好的沉降性能；(c)适宜的溶解氧浓度可以满足好氧氨氧化菌对氧的需求同时防止溶解氧对厌氧铵氧化菌的抑制。

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1.介绍

二级处理之后，工业、农业、城市污水中的有机污染物得到了有效的控制。然而，二级出水仍然含有含氮污染物，这已经变成了一个越来越重要的环境问题

(Chen et al., 2009; Pynaert et al., 2003)。目前，在污水处理厂传统的硝化反硝化工艺应用最广泛的脱氮工艺(Pynaert et al., 2004)。但是，由于反硝化过程需要可生物降解的有机碳作为电子受体，当这种工艺应用于处理低碳氮比的二级出水时，会有一些不足(Sun et al.,2010)。幸运的是，一些新的脱氮技术，例如，ANAMMOX（厌氧氨氧化）工艺得到了发展，这些技术可以帮助解决二级出水低碳氮比的问题(Sun et al., 2010; Van de Graff et al., 1996)。最近，厌氧氨氧化工艺已成功应用于容积转化率为9.5kgN·m^-3·d^-1的离心污泥消化的脱氮过程(van der Star et al., 2007)。此工艺的容积转化率远高于传统的脱氮的工艺（lt;0.5kgN·m^-3·d^-1）(Gerardi, 2002)。

因为厌氧氨氧化工艺需要具有一定氨-亚硝酸亚比值的基质，所以它经常和部分硝化过程（50%的氨被氧化成亚硝酸盐）结合在一起(Cho et al., 2011; Gong et al., 2007; Vazquez-Pa-din et al., 2009)。然而，和厌氧氨氧化过程相比部分硝化过程的转化率（63.3kgN·m^-3·d^-1）较低(Ruiz et al., 2003) ，这是由于部分硝化过程的产物（亚硝酸盐）会抑制硝化菌的活性(Vazquez-Padin et al., 2009)。而且还不易控制厌氧氨氧化过程的进水的铵态氮与亚硝态氮的比值(Vlaeminck et al., 2009; Zhang et al., 2011)。为了克服在部分硝化-厌氧氨氧化过程的问题，提出了颗粒污泥反应器中的自养脱氮工艺（GSB-NAR），并进行了实验。由于在GSB-ANR工艺中的亚硝酸盐已经产生即被消耗，所以此工艺有效的避免了亚硝酸盐的毒性，铵态氮与亚硝态氮的比例也较易控制。此研究的目的是要调查GSB-ANR工艺的性能和工作机理。

2方法

2.1实验装置

实验的系统见于图1。一个10L的鼓气颗粒污泥床反应器具有5L的可用容积。反应器采用连续进水模式，进水从反应器底部进入。空气也从反应器底部进入。空气多孔石经分散使颗粒微生物流态化并用于生化反应。在气流的推动下，污水和颗粒污泥的混合液在立管区向上流动，然后在降液区向下流动，形成一个循环。出水通过上部的沉淀区流出反应器。调整空气流量在18-128L/h以控制立管区的溶解氧浓度在0.2-0.8mg/L。温度控制在301℃。

接种的微生物来自短程硝化反应器，在这里高活性的硝化菌是主要的功能微生物。高活性硝化菌对特定铵的转化率为2.87gN/(gVSS·d),这是文献报道中的最高水平(Chen et al., 2010)。颗粒污泥床反应器用5L的接种微生物（4.0gVSS/L）接种。

图1.气升式颗粒污泥床反应器示意图。图2.NLR, ACR, NRR, HRT vs 运行时间。

1-进水池；2-进水泵；3-出水； NLR，容积氮负荷；ACR，铵转化率；

4-降液部分；5-沉淀池； NRR，总氮去除率；HRT，水力停留时间。

6-上升部分；7-气体流量计；

8-气泵

表1.时期I至IV的操作条件和反应器的性能

表2.单级和两级反应器中自养脱氮氮负荷率和氮去除率的比较

2.2合成废水

反应器进水为合成废水，废水中包含2g/L(NH₄)₂SO₄(氮源)、2g/LNaHCO₃(碳源和碱度)和矿物质溶液。矿物质溶液中包含0.001g/LKH₂PO₄、0.0056g/LCaCl₂·H₂O和0.3g/LMgSO₄·7H₂0还有Ciudad et al. (2005)中描述的溶液中的微量元素。进水PH维持在7.8~8.0，铵的浓度维持431.7plusmn;25.5mgN/L。

2.3分析方法

每天对进水和出水取样，取样后立即分析或者储藏在4℃条件下。铵、亚硝酸盐、硝酸盐浓度根据标准方法用比色法测量 (APHA. et al., 1998)。用LZB-4腰轮流量计（浙江余姚仪器厂，中国）来监测空气流量。分别用S20K酸度计(Mettler Toledo, 瑞士)和YSI58溶解氧测量仪(YSI, 美国)来确定PH值和溶解氧浓度。

用D90数码相机（尼康，日本）拍摄颗粒图像。用QIC-PIC系统(Sympatec, Germany)和成像系统Imagepro6.0(Media Cybernetics, 美国)来分析粒径分布。颗粒的沉降速率通过一个充满反应器出水的垂直玻璃管来测量。玻璃管的高度和内径分别为0.5m和0.12m。

2.4计算

好氧氨氧化菌（AOB）、厌氧氨氧化菌（ANAMMOX）和亚硝酸氧化菌（NOB）是GSB-ANR过程的主要功能微生物。所以，可以通过化学计量方程估算好氧氨氧化菌作用下的铵的转化率、厌氧氨氧化菌或亚硝酸氧化菌作用下的亚硝酸盐的转化率。(1)–(3)(Sun et al., 2010)。

AOB: (1)

ANAMMOX bacteria:

(2)

NOB: (3)

把O/N定义为每转化单位质量（Kg）的氨氮消耗的样的质量（Kg）。所以，可以通过用总容积耗氧率（OCRT）除以铵转化率（ACR）来计算O/N。根据好氧氨氧化的化学计量方程式（方程（1））和亚硝酸氧化的化学计量方程（方程（3）），总容积耗氧率可以按式（4）计算：

(4)

2.5微生物多样性

在第119天，从反应器收集污泥颗粒用于提取DNA，用土壤DNA快速旋转设备提取基因组DNA（MP Biochemical，USA）。使用一下引物进行16s rRNA基因的放大：27F（正向引物: -AGA GTT TGA TCC TGG CTC AG-）和1492R（逆向引物: -GGT TAC CTT GTT ACG ACT T-）。聚合酶链式反应的条件如下：98℃下进行1.5min的初始变性；25次变性（98℃下10s）、退火（55℃下45s）、扩展（72℃下80s）；72℃下进行7min的最后一次扩展。用2.0版的琼脂糖凝胶DNA纯化试剂盒（Takara, Japan）进行放大后的产品的提纯。Chen et al. (2011) 提供了对扩增产物克隆的详细描述。随机选择34个克隆体（ASNR-1到ASNR-34）进行测序和进一步分析。

获得的序列立即用BLAST算法（http://www.ncbi.nlm.nih.-gov/BLAST）与基因库的序列进行对比。每个序列与MEGA4.1进行结合，并用于进化分析。用1000个复制品产生自助法的值的邻接法构建了系谱树。本次研究确定的16s rRNA基因的基因库加入码是JQ809233-JQ809251。

3结果与讨论

3.1反应器效能

为了研究GSB-ANR过程的效能，把165天的实验分成四个阶段（表1），实验结果见于图2。

在阶段Ⅰ（0-52天），氮的容积负荷率（NLR）从0.43plusmn;0.006kgN·m^-3·d^-1增加到1.39plusmn;0.006kgN·m^-3·d^-1，水力停留时间从24h缩短至8h。自养脱氮过程的总氮去除率达到0.77plusmn;0.006kgN·m^-3·d^-1，正如表2显示，其位于报道的值0.064~1.4kgN·m^-3·d^-1之间(Chen et al., 2009; Samik Bagchi and Nandy, 2010; Sliekers et al., 2002, 2003;van Dongen et al., 2001)。因此，硝化污泥的自养脱氮的启动是成功的。

在阶段Ⅱ（68-112天），水力停留时间从4.8h缩短至3h，氮容积负荷（NLR)从2.03plusmn;0.13kgN·m^-3·d^-1增加到3.59plusmn;0.13kgN·m^-3·d^-1，氮去除率从1.06plusmn;0.07kgN·m^-3·d^-1增加到2.13plusmn;0.16kgN·m^-3·d^-1。在阶段Ⅲ（118-154天），水力停留时间从2.67h缩短至2h，氮容积负荷（NLR)从4.04plusmn;0.12kgN·m^-3·d^-1增加到5.44plusmn;0.16kgN·m^-3·d^-1，氮去除率从2.08plusmn;0.02kgN·m^-3·d^-1缓慢增加到2.57plusmn;0.18kgN·m^-3·d^-1。在阶段Ⅳ（155-165天），进一步把水力停留时间从1.85h缩短至1.6h，进一步把氮容积负荷从5.81plusmn;0.11kgN·m^-3·d^-1增加至6.66plusmn;0.18kgN·m^-3·d^-1，但是却导致氮去除率从2.26plusmn;0.09kgN·m^-3·d^-1降到1.50plusmn;0.56kgN·m^-3·d^-1。所以实验中氮的去除率在阶段Ⅲ达到最高即2.57plusmn;0.18kgN·m^-3·d^-1，据我们所知，这也是文献中报道的最高值（正如表2所列）。

3.2影响反应器效能的因素

3.2.1上升流速

反应器的效能取决于微生物群落的沉降性能，而沉降性能又取决于上升流速。图3a显示了上升流速对氮去除率的影响。在阶段Ⅱ，沉淀区的液体上升流速从0.8m/h增加到1.27m/h，使氮去除率持续增加到2.19kgN·m^-3·d^-1。在阶段Ⅲ，尽管上升流速从1.27m/h增加到1.91m/h，但氮去除率仍维持在2.27plusmn;0.26kgN·m^-3·d^-1左右。在阶段Ⅳ，由于进一步增加上升流速，导致氮去除率降低至1.76kgN·m^-3·d^-1。结果显示，在气提颗粒污泥床反应器中的最佳上升流速为1.91m/h，这么高的值以前从来没

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