水动力条件对全程自养脱氮工艺启动研究*

操家顺　漆磊　薛朝霞　赵昌爽　阮仁俊

(1.河海大学,浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室　南京 210098；

2.河海大学环境学院　南京 210098；　3.河海大学水资源高效利用与工程研究中心　南京 210098)



水动力条件对全程自养脱氮工艺启动研究*

操家顺1,2,3漆磊2薛朝霞1,2,3赵昌爽2阮仁俊2

(1.河海大学,浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室南京 210098；

2.河海大学环境学院南京 210098；3.河海大学水资源高效利用与工程研究中心南京 210098)

摘要CANON工艺需要部分短程硝化提供亚硝酸盐，所以CANON工艺存在溶解氧难控制的问题，特别是在反应器较小的情况。本文采用设有挡板的改良SBR，通过机械搅拌形成剧烈水流搅动，精确控制溶解氧，研究了不同搅拌速率对CANON工艺启动的影响。结果表明，机械曝气能成功启动了CANON工艺，且获得平均总氮去除率达79.40%，剪切应力的提高有利于脱氮性能的提升，机械曝气启动方式相比于鼓风曝气更加容易控制。

关键词CANON机械曝气搅拌速率剪切应力溶解氧

Study on Hydrodynamic Conditions on Start-up of CANON Process

CAO Jiashun1,2,3QI Lei2XUE Zhaoxia1,2,3ZHAO Changshuang2RUAN Renjun2

(1.KeyLaboratoryofIntegratedRegulationandRegulationDevelopmentonShallowLakes,MinistryofEducation,HohaiUniversityNanjing210098)

AbstractCANON process need nitrite by shortcut nitrification, so there exists a problem, dissolved oxygen is hard to be controlled, in the CANON process, especially when happened in small reactor. The improved SBR is applied, equipped with baffles, to control dissolved oxygen accurately through mechanical stirring and study the effects of different stirring speed on the CANON start-up. The results show the mechanical stirring can start-up the CANON process successfully, the mean TN removal efficiency is up to 79.40% and the mechanical stirring helps to improve nitrogen removal performance in CANON system, which is easier to be controlled than blast aeration.

Key WordsCANONmechanical aerationstirring speedshear stressdissolved oxygen

0引言

高氨氮废水系统一般通过游离氨(FA)抑制容易实现短程硝化[1]。目前国内外对高氨氮废水处理的研究主要集中在短程硝化与厌氧氨氧化(Anammox)联合工艺。

1材料与方法

1.1试验装置

试验装置由进水箱、主体反应器、搅拌器、出水箱组成。主体反应器采用3个SBR反应器R1，R2和R3，如图1所示。反应器由有机玻璃制成，高15 cm，内径18 cm，有效容积2 L，排水比为50%。在反应器外壁上设置一排间距10 cm的取样口，用以取样和排水。由于不设鼓风曝气，在内壁设4挡板，挡板为柱状，尺寸为2 cm×2 cm×10 cm(L×B×H)，水流在搅拌作用下由于受到挡板的阻挡作用而被剧烈搅动，混合液液面不断更新与空气接触，增加水中的溶解氧，不需鼓风曝气。搅拌浆半径6 cm，距离反应器底部6.3 cm，设调速电机调节搅拌转速。反应器外部设有水浴层，用以控制反应温度。

1—改良SBR；2—水浴层；3—搅拌浆；4—调速电机；

1.2接种污泥、进水水质和运行条件

反应器由于水浴锅保温作用，使反应温度保持31±1 ℃。反应一个周期包括进水20 min、反应23 h、沉淀20 min、出水20 min，总共24 h。试验过程分别调节R1，R2，R3搅拌浆转速为40 r/min，75 r/min，100 r/min。不同转速下SBR反应器中水流剪切力τ的计算公式[3]为：

τ=μG

(1)

搅拌器相应转速下的系统水流剪切力和溶解氧见表1。

表1　各反应器水流剪切力应力及溶解氧质量浓度

1.3分析方法

2结果与讨论

2.1水力条件对CANON工艺启动期脱氮能力的影响

1.43H2O

(2)

图2R1反应器脱氮性能

图3R2反应器脱氮性能

图4　R3反应器脱氮性能

图5R1，R2，R3反应器脱氮性能

2.2水力条件对CANON工艺启动期污泥质量浓度的影响

CANON颗粒污泥培养过程中污泥质量浓度的变化如表2所示。3个反应器在污泥接种2～3 d后，由于采用无机培养，导致反应器中异养菌自身内源降解，致使部分污泥变松散，在水流剪切应力作用下，生物膜剥落。

随着试验的进行，在第Ⅰ阶段结束，污泥质量浓度均减少，且污泥质量浓度减小值呈现R3>R2>R1，主要因为反应器剪切应力的越大，在反应器启动初期被洗出的絮状污泥量越多，加上由于环境突变，Anammox颗粒污泥上的生物膜开始变得松散，从颗粒污泥上剥落的生物膜也越多，且此阶段反应器中污泥产率成负增长，因此，第Ⅰ阶段初始条件相同的3个反应器运行一段时间后，污泥量和颗粒污泥粒径均减小，且剪切应力越大被洗出的污泥量也越大。

随着反应器进行到第Ⅱ阶段，污泥质量浓度均呈现上升趋势，第Ⅱ阶段末污泥质量浓度R2>R3>R1，主要因为随着CANON反应进行，污泥实现正增长，故污泥质量浓度均增大，R3中搅拌速率过大导致反应器溶解氧过高抑制了CANON反应，R1搅拌速率较低导致传质效果不如R2和R3，故R2中CANON反应速率最大，污泥质量浓度增长也最多。

表2　各阶段污泥质量浓度变化　g/L

注：括号内代表本阶段污泥质量浓度与上一阶段污泥质量浓度差值。

2.3水力条件对CANON工艺启动期微生物群落的影响

对3个反应器内部的总细菌进行PCR-DGGE 图谱分析(见图6)。DGGE 图谱中每条条带代表一种微生物物种或者一个可操作分类单元(OTU)，条带的数量和光密度值可以反映系统中微生物群落结构的复杂程度，为了分析系统内的微生物群落结构的组成特点与反应器稳定运行的关系，对3个泳道中所有条带的 DNA 序列进行克隆测序，得到的DNA 序列提交至 GenBank，通过与GenBank 中的已知序列进行比对以确定其种属特征，所得结果见表3。

图6　DGGE图谱(从左至右分别为R1，R2，R3)

条带号最接近菌种相似度/%功能微生物11(22) unculturedanaerobicammonium-oxidizingbacterium98 AnAOB 12(23,32)unculturedbacterium99AerAOB13(25,34)CandidatusBrocadia96Anammox14(26,35)Nitrisomonassp.99AerAOB21,31Nitrisomonassp.97AerAOB24,33Nitrosomonaseuropaea98AerAOB

由图6和表3可见，无论是总细菌、AerAOB还是AnAOB，都具有不止一个建群种，因此形成了共优种群落。对比3种运行条件下的DGGE图谱，R2>R1>R3，且R1，R2条带相类似，且亮度增加，说明R2系统内微生物数量及种类均明显多余另外两个反应器，R1与R2均检测出2个AnAOB序列，说明AnAOB群落结构简单且保持稳定，R3条带数明显减少，且出现的主要为AerAOB条带，R2检测出4个AerAOB序列(21，23，24，26)，R1，R3均检测出2个AerAOB序列(23，26，32，35)，R3检测出一条AnAOB条带34，但与R1的13和R2的25条带相比，显得十分暗淡，这与2.1中对R3的分析是一致的。R2的4个AerAOB序列中有2个属于Nitrisomonas sp.，另外两个分别为Nitrosomonas europaea和uncultured bacterium。R1，R3检测出的2个AerAOB序列均属于Nitrisomonas sp.。R1，R2均检测出两个AnAOB序列，其中最亮的条带13(25)属于Candidatus Brocadia sinica JPN1，该菌是目前最为常见的AnAOB，条带11(22)属于uncultured anaerobic ammonium-oxidizing bacterium，说明剪切力和溶解氧变化对AnAOB种群的影响不大。克隆结果与刘涛的研究相类似[8]，CANON反应器中功能微生物主要靠Nitrisomonas和Candidatus Brocadia共同完成高效自养脱氮。值得注意的是，系统中并未检测到NOB，说明此时系统内NOB含量很低，甚至完全被淘汰掉，这也与前文中的分析相一致。

3结论

(1)在改良的反应器内，采用机械搅拌方式能够实现CANON工艺成功启动，在剪切应力为132.4×10-3N/m2时，总氮平均去除率为79.40%，在一定范围内，在本装置系统内提高剪切应力能相应提高溶解氧浓度和传质效率，有利于形成性能稳定的CANON工艺，但是过低的水力剪切力会导致传质效率低和溶解氧过低，而较高的剪切应力会导致溶解氧的升高而抑制AnAOB导致CANON启动失败。

(3)分子生物学方法证实，适宜的剪切应力可使系统内生物多样性增多，实现CANON启动的反应器内存在功能微生物AerAOB和AnAOB，完成高效自养脱氮。

参考文献

[1]VAN HULLE S W H, VANDEWEYER H J P, MEESSCHAERT B D, et al. Engineering aspects and practical application of autotrophic nitrogen removal from nitrogen rich streams[J]. Chemical Engineering Journal, 2010,162(1):1-20.

[2]KAMPSCHREUR M J, TEMMINK H, KLEEREBEZEM R, et al. Nitrous oxide emission during wastewater treatment[J]. Water research, 2009,43(17):4093-4103.

[3]许荫椿.水力学: 工程流体力学[M]. 河海大学出版社, 2009.

[4]WG WALTER. Standard methods for the examination of water and wastewater[J]. American Journal of Public Health & the Nations Health, 2012,56(3):113.

[5]施永生. 亚硝酸型生物脱氮技术[J]. 给水排水, 2000,26(11):21-23.

[6]薛朝霞. 水动力条件对厌氧氨氧化颗粒污泥性能的影响机制研究[D]. 南京：河海大学, 2012.

[7]李冬,崔少明,梁瑜海,等.溶解氧对序批式全程自养脱氮工艺运行的影响[J].中国环境科学,2014，(5):1131-1138.

[8]刘涛. 基于亚硝化的全程自养脱氮工艺 (CANON) 效能及微生物特征研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学,2013.

(收稿日期：2015-06-15)

作者简介操家顺,男,1964年生,教授,博士,研究方向为水处理技术,发表论文100余篇。

*基金项目：国家重大科技专项(2014ZX07305-002-02)。