基于 SASMBR 的城鎮污水 PN/ANAMMOX 研究

李建啟 余道道 呂育鋒 劉思彤,,?

基于 SASMBR 的城鎮污水 PN/ANAMMOX 研究

李建啟1余道道1呂育鋒2劉思彤1,2,?

1.北京大學深圳研究生院環境與能源學院, 深圳 518055; 2.北京大學環境科學與工程學院, 北京市新型污水深度處理工程技術研究中心, 北京 100871; ?通信作者, E-mail: liusitong@pku.edu.cn

基于目前短程硝化–厭氧氨氧化(partial nitritation and anammox, PN/A)工藝處理城鎮污水中反應器運行不穩定和氮去除負荷低的問題, 本文設計一種新型復合生物反應器: 序批式–折流板–分置膜生物反應器(sequencing batch-baffled-separate membrane bioreactor, SASMBR)。將該反應器應用于 PN/A 工藝處理城鎮污水, 探究反應器的性能, 并對 SASMBR 運行 PN/A 工藝的運行成本進行分析。結果表明, 采用 SASMBR 反應器運行 PN/A 工藝處理城鎮污水, 能夠實現高效穩定的脫氮效果, TN 去除率達到 80%~85%, 氮素去除負荷(nitrogen removal rate, NRR)達到 0.20~0.22kgN/(m?3·d?1), 出水 TN 濃度維持在 8mg/L 以下。16S rRNA基因測序分析發現, 短程硝化 SASMBR 反應器內設置的折流板能夠富集氨氧化細菌(ammonia oxidation bacteria, AOB), 確保短程硝化 SASMBR 反應器的良好性能; 厭氧氨氧化 SASMBR 內固定在折流板兩側的無紡布可以有效地持留厭氧氨氧化菌(ammonium oxidizing bacteria, AnAOB), 同時, 厭氧氨氧化 SASMBR 內豐度升高的 AOB 可以為 AnAOB 提供生長的厭氧環境和 NO2?-N 基質, 使厭氧氨氧化 SASMBR 反應器能夠快速啟動和高效穩定運行。SASMBR 的運行成本為 0.037 元/m3, 比傳統城鎮污水處理廠的運行成本大幅度降低。

序批式–折流板–分置膜生物反應器; 短程硝化–厭氧氨氧化; 城鎮污水; 群落結構

作為新型的全程自養脫氮工藝, 短程硝化–厭氧氨氧化(partial nitritation and anammox, PN/A)工藝具有無需外加有機碳源, 能節約 60%的曝氣量, 減少 80%的污泥和 CO2產生量等優點[1–3], 已成功地應用于污水處理廠厭氧污泥消化液和含高氨氮濃度工業廢水的脫氮處理。據報道, 截至 2014 年, 世界范圍內已有超過 200 座工廠化 PN/A 裝置[4]。近年來, PN/A 工藝處理含低氨氮濃度的城鎮污水已成為研究熱點。但是, PN/A 工藝處理實際城鎮污水仍然存在以下問題: 1)亞硝酸鹽氧化菌(nitrite oxidizing bacteria, NOB)在低進水氨氮濃度條件下活性難抑制, 使短程硝化長時間運行不穩定; 2)生長緩慢的AnAOB 在低氨氮濃度和短水力停留時間(hydraulic retention time, HRT)條件下易流失; 3)進水水質波動較大條件下運行不穩定; 4)NRR 較低。因此, 設計一種在低進水氨氮濃度下可以維持短程硝化長期穩定運行, 同時在低氨氮濃度和短HRT 條件可以良好地截留 AnAOB, 確保 PN/A 工藝較高的 NRR 和長期穩定運行的新型反應器顯得非常必要。

PN/A 工藝處理城鎮污水的研究采用的反應器主要有序批式生物反應器(Sequencing Batch Bioreac-tor, SBR)、膨脹污泥床(Expanded Granular Sludge Bed, EGSB)、膜生物反應器(Membrane Bioreactor, MBR)、移動床生物膜反應器(Moving Bed Bioreactor, MBBR)、固定膜活性污泥(Integrated Fixed-film Activated Sludge, IFAS)反應器和厭氧折流板反應器(Anaerobic Baffled Reactor, ABR)等[5–10]。Lotti 等[6]采用 SBR 運行 PN/A 工藝處理預處理后的市政污水, 發現 SBR 可以有效地截留活性污泥, 但在短 HRT條件下, 污泥易流失。Wu 等[11]用 MBR和 ABR 耦合的反應器在低溫下運行厭氧氨氧化來處理生活污水, 發現 MBR 和 ABR 耦合的反應器有很高的污泥截留率, 且有利于顆粒污泥的形成, 但存在各擋板隔室菌體分布不均勻的問題。

結合上述反應器的優點, 我們設計制作一種新型復合反應器——序批式–折流板–分置膜生物反應器(sequencing batch-baffled-separate membrane bio-reactor, SASMBR), 該反應器集“SBR+ABR+分置式 MBR+微生物固定化”于一體, 同時結合在線自動控制系統調控系統操作參數。本研究將 SASMBR應用于 PN/A 工藝處理城鎮污水, 探索其在 PN/A 工藝在室溫條件下(24~33oC)處理城鎮污水的脫氮性能, 并對反應器穩定運行階段的運行成本進行初步分析, 以期為 PN/A 工藝處理城鎮污水的相關研究提供一種反應器形式, 并為 PN/A 工藝處理城鎮污水的工程化應用提供技術支撐。

1 材料和方法

1.1 反應器的結構和運行策略

PN/A 工藝 SASMBR 的結構和連接如圖 1 所示, 厭氧氨氧化 SASMBR 主要由反應池、膜室和自動控制系統組成。反應器由 PP 板材制成, 反應池長200cm, 寬 180cm, 高 185cm, 持水高度為 145cm, 有效容積為 6m3。膜室與反應池相連, 用高 175cm的膜室隔板隔出膜室, 膜室長 40cm, 寬 180cm, 膜組件放置于膜室內。反應池和膜室設置有反應器密閉蓋板密閉, 并在反應器密閉蓋板上開一個 2cm的直徑孔, 維持反應器內外壓平衡。長 115cm, 寬 7cm, 高 45cm 的網格折流板兩側固定無紡布載體, 間距 20cm 交錯固定于反應池的底部, 無紡布載體可有效地固定 AnAOB, 避免 AnAOB 的流失。攪拌裝置放置于反應池的中部, 攪拌槳的攪拌使反應池底部水流形成循環的推流, 中上部為完全混合流態, 避免折流板各個隔室間菌體分布不均勻。設置污泥回流泵, 定期將膜室內沉降的污泥回流至反應池內。通過自動控制系統控制反應器的進出水和液位變化, 通過膜壓表示數變化來確定膜污染情況。短程硝化 SASMBR 結構和尺寸與厭氧氨氧化 SASMBR相同; 不同的是短程硝化 SASMBR 不進行密閉處理, 且使用曝氣泵曝氣處理。SASMBR 集“SBR+ ABR+分置式 MBR+微生物固定化”于一體, 可以有效地截留微生物, 同時最大程度地避免膜污染。反應器結合自動控制系統, 使反應器運行保持相對穩定。

如圖 1 所示, 本研究采用兩段式 PN/A 工藝, 在短程硝化 SASMBR 成功建立起短程硝化后, 與接種厭氧氨氧化污泥的厭氧氨氧化 SASMBR 相連, 完成整個 PN/A 工藝系統的搭建。運行策略: 短程硝化SASMBR 維持溶解氧(dissolved oxygen, DO)濃度為0.4~0.6mg/L, 自動控制系統根據 NH4+-N 在線監測電極監測到的 NH4+-N 濃度數據, 判定每個周期反應器內 NH4+-N 濃度的最高值減少 60%時, 停止曝氣泵的曝氣。液位計控制進出水水量。短程硝化反應池換水比為 2/3, 進水時間為 10 分鐘, 攪拌槳轉速為 50r/min, 沉降時間為 30 分鐘, 反應池出水進入膜池的同時, 膜池出水, 出水時間同為 10 分鐘。短程硝化分為 3 個階段: 階段 I 為啟動期(1~37 天), 階段 II 為負荷提升期(38~101 天), 階段 III 為穩定運行期(102~169 天)。啟動期第 1~27 天的進水為合成廢水, 進水的 NH4+-N濃度為 50mg/L, 后進水接入預處理后的污水進行處理, 維持 SRT 為 12 天, 以便淘洗掉 NOB 菌。啟動完成后, 對接厭氧氨氧化SASMBR 反應器, SRT維持在 20 天左右。運行過程中的曝氣量根據在線監測 DO 數據進行調節。

厭氧氨氧化 SASMBR 的運行分為 3 個階段: 階段 I 為啟動階段(第 38~47 天), 階段 II 為負荷提升階段(第 48~101 天), 階段 III 為穩定運行階段(第 102~ 169 天)。反應池換水比為 2/3, 進水時間為 10 分鐘, 攪拌槳轉速為 50r/min, 沉降時間為 30 分鐘, 反應池出水進入膜池的同時, 膜池出水, 出水時間同為10 分鐘。HRT 同步于短程硝化 SASMBR 變化, 自動控制系統控制反應器的進出水和液位變化。

1.2 試驗廢水和接種污泥

短程硝化 SASMBR 啟動階段的第 1~27 天進水為合成廢水, 組成 (g/L)為: KH2PO40.022, CaCl2·2H2O 0.135, FeSO4·7H2O 0.0075, KHCO31.25, EDTA 0.0075, Na2CO30.09[12]。NH4+-N 用(NH4)2SO4提供, 濃度為 50mg/L。pH 采用 NaOH 調節, 維持在 7.8~8.0。所用藥品均為工業級。其后, 接入經過厭氧消化預處理的城鎮污水, 進水水質的各項指標見表 1。

短程硝化 SASMBR 接種污泥為經淘洗后的某污水處理廠好氧區活性污泥, 接種量為 5gMLSS/L。厭氧氨氧化反應器內接種經過活性恢復后的厭氧氨氧化污泥, 接種量為 7.5gMLSS/L。接種方式為, 將厭氧氨氧化活性污泥與無紡布在厭氧氨氧化反應器內混合后, 悶曝掛膜, 然后將掛好膜的無紡布固定于厭氧氨氧化 SASMBR 反應器內的折流板兩側。接種后, 厭氧氨氧化反應器接入經短程硝化反應器處理后的出水。

1.3 樣品采集和水質檢測方法

在短程硝化 SASMBR 運行的啟動階段(第 1, 16, 26 天)、負荷提升階段(第 45, 70, 95 天)和穩定運行階段(第 123, 160 天)分別取懸浮態和附著在折流板上的附著態污泥樣品, 第 1 天接種污泥為懸浮態, 故只取懸浮態污泥樣品。對應于取樣時間, 對污泥樣品進行編號(表 2)。

在厭氧氨氧化 SASMBR 運行的第 38, 82, 120, 160 天, 分別從厭氧氨氧化 SASMBR 中取懸浮態和附著在無紡布載體上的附著態污泥樣品, 第 38 天接種污泥為懸浮態, 只取懸浮態污泥。對應于取樣時間對污泥樣品進行編號, 如表 3 所示。

表1 短程硝化SASMBR進水水質

表2 短程硝化SASMBR污泥樣品編號

說明: “?”為未采污泥樣品。下同。

樣品經 30 分鐘沉降去除上清液后, 取 5mL 保存于?20oC 的冰箱。每天取短程硝化 SASMBR 和厭氧氨氧化 SASMBR 的進出水進行水質檢測。

氨氮(NH4+-N)、亞硝酸鹽氮(NO2?-N)、硝酸鹽氮(NO3?-N)、化學需氧量(COD)、總氮(TN)和混合液懸浮固體(MLSS)等指標, 均按照國家標準方法[13]進行測定。DO, pH, ORP 和溫度采用在線探頭 (WTW, 德國)監測。

1.4 DNA提取和定量PCR

采用 DNA 提取試劑盒(Fast DNA Spin kit for soil), 對每個保存的樣品取 0.2mL 污泥進行 DNA提取, 具體操作按試劑盒的試驗步驟進行。對于提取的 DNA, 采用 NanoDrop2000 對 DNA 濃度和純度進行檢測, 采用 1%瓊脂糖凝膠電泳對 DNA 完整性進行檢測。

1.5 PCR 擴增及 Illumina 測序

對質檢合格的 DNA 樣品, 采用引物對 515F(5’-GTGCCAGCMGCCGCGG-3’)和 806R (GGACTACNVGGGTWTCTAA )進行 16S rRNA 基因的 V4 可變區的高通量測序(Illumina Miseq 2000, 上海美吉生物醫藥科技有限公司)。測序獲得的原始序列數據經過質控過濾后, 得到高質量序列。之后, 對 OTUs (operational taxonomic units)進行聚類分析, 并通過 RDP classifier 貝葉斯算法, 在 97%相似水平對OTUs 進行物種分類學注釋(80%置信度)?；?OTUs數據, 進行物種分類學分析, 研究樣品的多樣性和菌群結構。

表3 厭氧氨氧化 SASMBR污泥樣品編號

2 結果和討論

2.1 SASMBR運行PN/A工藝整體情況分析

如圖 2(a)所示, SASMBR 反應器 PN/A 工藝在第38 天完成對接, 實現整體運行。工藝整體運行共計131 天, 分為兩個階段, 階段 I(第 38~101 天)為通過縮短 HRT 提升運行負荷的負荷提升階段; 階段 II(第 102~169 天)為維持目標 HRT 的穩定運行階段。雖然整個運行過程中進水 NH4+-N 濃度在 12~38 mg/L 范圍內波動, 但 131 天的運行時間內 NH4+-N 去除率維持在 70%以上, 其中階段 II 穩定運行期的 NH4+-N 去除率在 95%左右, 氮素去除負荷(NRR)達到 0.20~0.22kgN/(m3·d)。

如圖 2(b)所示, 除強降雨時期外, 整個過程的TN 去除率維持在 75%以上, 階段 II 穩定運行時期的 TN 去除率為 80%~85%, 出水 TN 濃度在 8mg/L以下。

Laureni 等[14]采用 MBBR 反應器運行 PN/A 工藝處理經過預處理的市政污水, NRR 僅達到 0.02~0.04kgN/(m3·d)。Trojanowicz 等[15]采用 IFAS 反應器運行 PN/A 工藝處理主流污水, TN 去除率達到 44%。與他們的工作相比, 本研究采用 SASMBR 反應器運行 PN/A 工藝處理實際城鎮污水, 實現相對高的NRR 和 TN 去除效果。此外, 整個運行過程中進水NH4+-N 濃度雖有較大的波動, 但工藝裝置的脫氮性能仍保持相對穩定, 說明本研究設計的 SASMBR運行 PN/A 工藝具有較強的穩定性。

值得注意的是, 第 87~90 天進水 NH4+-N 濃度由 30mg/L 迅速降低至 12 mg/L, 但 NH4+-N 去除率仍維持在 75%以上, TN 去除率維持在 55%以上, 出水 TN 濃度依然在 8mg/L 以下。第 95 天隨著強降雨的結束, PN/A 工藝的 NH4+-N 去除率迅速恢復到95%左右, TN 去除率恢復到 80%左右。由此可知, 即使在極端天氣條件下, SASMBR 運行 PN/A 工藝處理實際城鎮污水仍然能維持相對較高的 NH4+-N 和 TN 去除率, 保證出水水質, 且工藝具有較強的恢復能力。

2.2 短程硝化 SASMBR 反應器運行性能分析

由于高效的厭氧氨氧化過程依賴于高效且穩定的短程硝化來實現, 所以短程硝化是 PN/A 工藝的關鍵。Zeng 等[16]發現較低濃度的 DO(0.3~0.5mg/L)和對 HRT 及 SRT 進行調控有助于短程硝化的建立, 因此本研究設置 DO 為 0.4~0.6mg/L, 啟動階段 SRT為 12 天。如圖 3(a)所示, 短程硝化 SASMBR 啟動階段的 1~4 天, 出水 NO2?-N 在 1mg/L 左右, 而第5 天縮短 HRT 至 12h 后, 出水中 NO2?-N 的濃度仍然在 1mg/L 左右。Liu 等[17]對 SBR 進行 14 天的好氧饑餓處理, 恢復運行后 NO2?-N 積累率迅速提升至 95%以上, 但不穩定, NO2?-N 積累率逐步衰減至13.6%。因此, 本研究在啟動階段的第 7~14 天維持曝氣量, 對短程硝化 SASMBR 進行 7 天的好氧饑餓處理, 并在第 15 天接入配制污水運行。如圖 3(b)所示, 好氧饑餓處理后, 第 15~18 天短程硝化的 NO2?-N 積累率迅速提升到 80%以上, 第 29 天接入實際污水后, NO2?-N 積累率仍然維持在 85%左右?？梢园l現, 本研究在建立起短程硝化后, NO2?-N 積累率持續維持在 85%左右。但是, Liu 等[17]的研究發現, 在好氧饑餓處理后, 系統并不穩定, NO2?-N 積累率會逐步降低。

如圖 3(a)所示, 啟動階段完成后, 在階段 II 負荷提升階段和階段 III 穩定運行階段, 雖然進水水質有波動, 但出水 NO2?-N 濃度/NH4+-N 濃度的比例維持在 1~1.31 之間, NH4+-N 去除率維持在 63%~70%之間, 基本上符合對在線自動控制及系統設置的 60% 的 NH4+-N 轉化需求。有研究發現, 當出水的 NO2?-N 濃度和 NH4+-N 濃度比為 1~1.3 時, 基本上能滿足厭氧氨氧化進水的要求[18], 說明短程硝化 SASMBR結合在線自動控制系統可以為后續的厭氧氨氧化長期提供穩定的合適進水, 這也是整個 PN/A 工藝能夠高效穩定運行的前提條件。

圖 4 顯示短程硝化 SASMBR 反應器不同時期AOB 和 NOB 的豐度變化。隨著反應器的運行, 隸屬于 NOB 的豐度呈下降趨勢, 而隸屬于AOB 的豐度呈上升趨勢, 且同時期附著態污泥樣品中的豐度顯著低于懸浮態樣品, 附著態污泥樣品中的豐度明顯高于懸浮態污泥樣品。對比同時期附著態和懸浮態污泥樣品中 AOB 和 NOB 的豐度差異可知,短程硝化 SASMBR 內設置的折流板可以富集 AOB, 確保短程硝化的穩定運行。

2.3 厭氧氨氧化SASMBR運行性能分析

第 38 天厭氧氨氧化 SASMBR 對接前端短程硝化 SASMBR, 實現 PN/A 工藝的整體運行。厭氧氨氧化 SASMBR 共計運行 131 天。如圖 5(a)所示, 第38~42 天, 反應器出水的 NH4+-N 和 NO2?-N 濃度由4~5mg/L 降至 1.5mg/L 以下, 出水 NO3?-N 濃度為2~3.5mg/L。圖 5(b)顯示厭氧氨氧化 SASMBR 進出水中 TN 濃度和 TN 去除率的變化, 第 38~42 天 TN去除率由 60%迅速提升至 80%左右, 出水 TN 降至 8mg/L 以下, 反應器啟動成功。

高夢佳等[19]采用連續流 UASB 厭氧氨氧化工藝處理經短程硝化處理后的生活污水, 發現進水由配水轉變為生活污水后, AnAOB 豐度降低, TN 去除率一直維持在 60%。本研究的厭氧氨氧化 SASMBR 在對接短程硝化 SASMBR 反應器 4 天后, TN 去除率就由 60%升高到 80%, 且整個過程中, 除強降雨時期外, TN 去除率都維持在 70%以上, 說明接入實際城鎮污水后, AnAOB 的活性未受到太大的影響, 推測是因為厭氧氨氧化 SASMBR 具有良好的厭氧環境和有效截留 AnAOB 的能力。

在強降雨時期, 受進水 NH4+-N 濃度急劇降低的影響, TN 去除率迅速下降, 但出水 TN 濃度依舊維持在 10mg/L 以下, 強降雨時期過后, TN 去除率快速恢復到 80%左右, 說明厭氧氨氧化 SASMBR具有較強的抗干擾和恢復能力, 有利于維持厭氧氨氧化工藝的長期穩定運行。

圖 6 為厭氧氨氧化 SASMBR 中不同時期微生物群落屬水平的變化。在接種污泥 A_1 的優勢菌屬中, 隸屬 AnAOB 的占 47.4%,占 10.3%。在懸浮態污泥樣品中的豐度分別為8.0% (A_2_1)、7.8%(A_3_1)和 7.1%(A_4_1), 在附著態污泥樣品中, 豐度分別為 8.0%(A_2_2)、6.0%(A_3_2)和 8.3% (A_4_2), 基本上呈穩定狀態。同時期附著態污泥樣品與懸浮態樣品中的豐度基本上相當。隨著反應器的運行,在懸浮態污泥樣品中的豐度為 26.1% (A_2_1)、20.2%(A_3_1)和17.8%(A_4_1), 呈下降的趨勢, 而附著態污泥樣品中的豐度為 37.9% (A_2_2)、38.6% (A_3_2)和 40.9% (A_4_2), 呈逐步上升的趨勢。通過對比可知, 同時期附著態污泥樣品中的豐度顯著高于懸浮態樣品中的, 這與 Liu 等[20]發現厭氧氨氧化處理主流實際廢水時起主要作用的結論一致。Wang 等[21]以無紡布為載體, 在主流廢水中啟動厭氧氨氧化, 發現 AnAOB 可以吸附在無紡布的表面或嵌入無紡布纖維內, 促進 AnAOB 在反應器內的持留, 實現厭氧氨氧化的快速啟動。本研究中厭氧氨氧化 SASMBR 反應器在折流板兩側固定無紡布載體, 發現運行過程中附著態污泥樣品中的豐度顯著高于懸浮態樣品, 說明兩側固定無紡布載體的折流板能夠促進 AnAOB 的附著和持留, 減少低 HRT 運行條件下 AnAOB 的流失, 提高反應器的脫氮負荷及運行的穩定性, 這就進一步解釋了厭氧氨氧化 SASMBR 可以快速啟動厭氧氨氧化和確保厭氧氨氧化的穩定運行的原因。

在接種污泥 A_1 中, 亞硝化單胞菌屬的豐度為 0.05%, 隨著反應器運行,在懸浮態污泥樣品中的豐度為 0.6% (A_2_1)、1.1% (A_3_1)和 2.2% (A_4_1), 豐度逐步升高; 在附著態污泥樣品中的豐度為 1.5% (A_2_2)、2.1%(A_3_2)和 3.2% (A_4_2), 豐度也逐步上升。并且, 同時期附著態污泥中的豐度高于懸浮態污泥。亞硝化單胞菌屬()的作用是在有氧的條件下將污水中的 NH4+-N 氧化為 NO2?-N, 有研究發現, PN/A 工藝處理低氨氮主流污水時, AOB 會分布在 AnAOB 形成的生物膜或者顆粒表面, 形成溶解氧梯度為 AnAOB 提供厭氧環境, 同時提供 NO2?-N 基質[22–23]。本研究在反應器運行的過程中, 懸浮態污泥和附著態污泥中的豐度都有所提升, 反應器運行過程中 AOB 對 DO 的消耗會為 AnAOB 提供一個良好的厭氧環境, 同時提供其生長所需的 NO2?-N, 這就證實了厭氧氨氧化SASMBR 可以提供一個良好的厭氧環境, 進而快速啟動厭氧氨氧化的推測。

圖5 厭氧氨氧化 SASMBR進出水 NH4+-N、NO2?-N和NO3?-N 濃度變化(a)以及TN 濃度和 TN 去除率變化(b)

圖6 厭氧氨氧化SASMBR反應器不同時期菌群結構屬水平變化

表4 穩定運行階段每個運行周期(HRT)工藝整體運行電能消耗成本核算結果

說明: 單價為中試現場平均電價。

2.4 工藝整體運行成本分析

運行成本可以體現工藝的經濟價值, 本研究對PN/A 工藝利用 SASMBR 處理實際城鎮污水的運行成本進行核算。表 4 為穩定運行階段每個運行周期(HRT)工藝整體運行電能消耗成本的核算結果, 穩定運行階段工藝整體的電力消耗成本為 0.303 元/m3, 同時在工藝的前端, 通過添加聚合氯化鋁(PAC), 對原水進行沉降處理, PAC 的成本約為 0.04 元/m3, 由于工藝運行過程中剩余污泥的產生量極少, 因此穩定運行階段工藝整體的運行成本約為 0.307 元/m3。相較于傳統的硝化–反硝化工藝中城鎮污水處理廠平均 0.65~1.03 元/m3(處理工藝、處理水質和排放標準不同, 運行成本有差別)的運行成本[24–25], 采用SASMBR 反應器運行的 PN/A 工藝處理城鎮污水具有較大的成本優勢。

3 結論

本研究設計制作一種新型的復合生物反應器SASMBR, 將該反應器應用于 PN/A 工藝處理城鎮污水, 通過對反應器運行性能和反應器內微生物菌群的變化分析, 得出如下主要結論。

1)采用 SASMBR 運行 PN/A 工藝處理城鎮污水實現了良好的脫氮效果, TN 去除率達到 80%~85%, NRR 達到 0.20~0.22kgN/(m3·d), 出水 TN 濃度維持在 8mg/L 以下, 且在進水 NH4+-N 濃度波動較大的情況下, 反應器的性能依然比較穩定。

2)短程硝化 SASMBR 處理城鎮污水能夠快速啟動短程硝化, 且整個過程中 NO2?-N 積累率維持在 85%左右, 短程硝化 SASMBR 內設置的折流板有助于短程硝化的長期穩定。

3)厭氧氨氧化 SASMBR 內固定在折流板兩側的無紡布可以有效地持留 AnAOB, 同時反應器內的 AOB 可以為 AnAOB 提供生長的厭氧環境以及NO2?-N 基質, 加速了厭氧氨氧化 SASMBR 的啟動, 實驗穩定高效運行。

4)采用 SASMBR 運行 PN/A 工藝處理城鎮污水, 穩定運行階段的運行成本約為 0.307 元/m3, 與傳統的硝化–反硝化工藝城鎮污水處理方式相比, 采用 SASMBR 運行 PN/A 工藝處理城鎮污水的運行成本大幅度降低。

[1] Jetten M S M, Horn S J, van Loosdrecht M C M. Towards a more sustainable municipal wastewater treatment system. Water Science & Technology, 1997, 35(9): 171–180

[2] Wett B. Development and implementation of a robust deammonification process. Water Science & Techno-logy, 2007, 56(7): 81–88

[3] Daigger G T. Oxygen and carbon requirements for biological nitrogen removal processes accomplishing nitrification, nitritation, and anammox. Water Envi-ronment Research, 2014, 86(2): 204–209

[4] Lackner S, Gilbert E M, Vlaeminck S E, et al. Full-scale partial nitritation/anammox experiences — an application survey. Water Research, 2014, 55: 292–303

[5] Han M, De Clippeleir H, Al-Omari A, et al. Impact of carbon to nitrogen ratio and aeration regime on mainstream deammonification. Water Science & Tech-nology, 2016, 74(2): 375–384

[6] Lotti T, Kleerebezem R, Hu Z, et al. Simultaneous partial nitritation and anammox at low temperature with granular sludge. Water Research, 2014, 66: 111–121

[7] Gao Dawen, Huang Xiaoli, Tao Yu, et al. Sewage treatment by an UAFB-EGSB biosystem with energy recovery and autotrophic nitrogen removal under different temperatures. Bioresource Technology, 2015, 181: 26–31

[8] Lackner S, Welker S, Gilbert E M, et al. Influence of seasonal temperature fluctuations on two different partial nitritation anammox reactors treating main-stream municipal wastewater. Water Science & Tech-nology, 2015, 72(8): 1358–1365

[9] Malovanyy A, Trela J, Plaza E. Mainstream waste-water treatment in integrated fixed film activated sludge (IFAS) reactor by partial nitritation/anammox process. Bioresource Technology, 2015, 198: 478–487

[10] Jin Rencun, Yu Jinjin, Ma Chun, et al. Performance and robustness of an ANAMMOX anaerobic baffled reactor subjected to transient shock loads.Biore-source Technology, 2012, 114: 126–136

[11] Wu Peng, Chen Ya, Ji Xiaoming, et al. Fast start- up of the cold-anammox process with different inocu-lums at low temperature (13°C) in innovative reactor. Bioresource Technology, 2018, 267: 696–703

[12] Zeng R J, Lemair R, Yuan Z G, et al. Simultaneous nitrification, denitrification, and phosphorus removal in a lab-scale sequencing batch reactor. Biotechnology & Bioengineering, 2003, 84(2): 170–178

[13] 國家環境保護總局, 水和廢水監測分析方法編委會. 水和廢水監測分析方法. 北京: 中國環境科學出版社, 2002

[14] Laureni M, Falas P, Robin O, et al. Mainstream partial nitritation and anammox: long-term process stability and effluent quality at low temperatures. Water Re-search, 2016, 101: 628–639

[15] Trojanowicz K, Plaza E, Trela J. Pilot scale studies on nitritation anammox process for mainstream waste-water at low temperature. Water Science Technology, 2016, 73(4): 761–768

[16] Zeng Wei, Li Lei, Yang Yingying, et al. Nitritation and denitritation of domestic wastewater using a con-tinuous anaerobic-anoxic-aerobic (A2O) process at ambient temperatures. Bioresource Technology, 2010, 101(21): 8074–8082

[17] Liu Wenlong, Yang Qing, Ma Bin, et al. Rapid achievement of nitritation using Aerobic Starvation. Environment Science & Technology, 2017, 51(7): 4001–4008

[18] Strous M, Heijnen J, Kuenen J, et al. The sequencing batch reactor as a powerful tool for the study of slowly growing anaerobic ammonium-oxidizing mic-roorganisms. Applied Microbiology Biotechnology, 1998, 50(5): 589–596

[19] 高夢佳, 王淑瑩, 王衫允, 等. 生活污水對成熟厭氧氨氧化顆粒污泥的影響.化工學報, 2017, 68(5): 2066–2073

[20] Liu Wenru, Yang Dianhai, Chen Wenjing, et al. High-throughput sequencing-based microbial characterization of size fractionated biomass in an anoxic anammox reactor for low-strength wastewater at low tempera-tures. Bioresource Technology, 2017, 231: 45–52

[21] Wang Tao, Wang Xian, Yuan Luzi, et al. Start-up and operational performance of Anammox process in an anaerobic baffled biofilm reactor (ABBR) at a mode-rate temperature. Bioresource Technology, 2019, 279: 1–9

[22] Chen Xueming, Liu Yiwen, Peng Lai, et al. Model-based feasibility assessment of membrane biofilm reactor to achieve simultaneous ammonium, dissolved methane, and sulfide removal from anaerobic diges-tion liquor. Scientific Reports, 2016, 6(1): 25114

[23] Lotti T, Kleerebezem R, Hu Z, et al. Pilot-scale evaluation of anammox-based mainstream nitrogen removal from municipal wastewater. Environmental Technology, 2015, 36(9): 1167–1177

[24] 譚雪, 石磊, 陳卓琨, 等. 基于全國 227 個樣本的城鎮污水處理廠治理全成本分析. 給水排水, 2015, 5(41): 30–34

[25] 原培勝. 城鎮污水處理廠運行成本分析. 環境科學與管理, 2008, 33(1): 107–109

Study of Partial Nitritation and Annmmox Process Treating Mainstream Municipal Wastewater with SASMBR

LI Jianqi1, YU Daodao1, Lü Yufeng2, LIU Sitong1,2,?

1. Department of Environment and Energy, Peking University Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518055; 2. Beijing Engineering Research Center of Advanced Wastewater Treatment, Department of Environmental Science & Engineering, Peking University, Beijing 100871; ?Corresponding author, E-mail: liusitong@pku.edu.cn

Based on the reactor unstable and low nitrogen removal rate when Partial Nitritation and Anammox (PN/A) process treat municipal wastewater, a new composite bioreactor named sequencing batch-baffled-separate membrane bioreactor (SASMBR) was designed and manufactured. This reactor was applied to the treating of municipal wastewater using PN/A process to explore the performance and analyze the operating costs of the reactor. The results showed that highly efficient and stable denitrification processes had been achieved using PN/A process in this reactor, with TN removal rate up to 80%–85%, nitrogen removal rate (NRR) up to 0.20–0.22 kgN/(m3·d)and the effluent TN concentration was below 8 mg/L. 16SrRNA gene sequencing analysis found that the baffles set inside the bioreactor could enrich ammonia oxidation bacteria (AOB), which ensuring a good treating performance of the reactor. Non-woven fabrics in the SASMBR could effectively retain anaerobic ammonium oxidizing bacteria (AnAOB), and the increasing abundance of AOB in the SASMBR could provide anaerobic environment and NO2?-N substrate for the growth of AnAOB. As such, the combination inevitably accelerated the quick startup of the reactor and maintained its highly efficient and stable running. The operating costs was 0.307 yuan/m3which was significantly lower than the traditional municipal wastewater treatment plants.

sequencing batch-baffled-separate membrane bioreactor; partial nitritation and anammox; municipal wastewater; community structure

10.13209/j.0479-8023.2020.010

深圳市科技計劃項目(JSGG20160429162015597)資助

2019–03–07;

2019–06–04