陶粒CANON反应器的接种启动与运行

通过CANON接种污泥,以人工配制无机高氨氮废水为对象,研究以陶粒为填料的CANON反应器启动与运行情况,结果表明:①陶粒可以作为CANON反应器合适填料,温度通过水浴控制在30℃±1℃,HRT为9 h、pH控制在7.00~8.08之间,经过60 d成功启动了CANON反应器,TN的去除负荷达到0.79 kg·(m3·d)-1;②在温度30℃时,陶粒CANON反应器中临界DO范围在1.12~1.69 mg·L-1之间,CANON反应器中短程硝化和厌氧氨氧化性能可维持稳定,高于此范围时,会出现CANON反应器中短程硝化不稳定现象;③在温度25℃,控制DO在1.01~1.54 mg·L-1之间时,尽管NO-3-N变化值与TN变化值的比值(δNO-3-N/δTN)略微偏离理论值0.127,为0.150~0.204,但CANON反应器脱氮性能趋于稳定,TN去除率最高为75.56%,TN的去除负荷最高达到0.97 kg·(m3·d)-1,这意味着CANON工艺的适宜温度范围至少可以降低至25℃.     

降温过程中生物膜CANON反应器的运行特征

本文以低温高氨氮废水为着眼点,通过不断地调节运行工况,探讨降温过程中全程自养脱氮(CANON)工艺的运行特征,以探索出低温环境下进水NH_4~+-N浓度较高时,CANON工艺获得稳定短程硝化和良好脱氮效果的方法.结果表明:①相较于直接将生物膜CANON反应器的温度条件由中温转变为低温(30℃±1℃→19℃),逐步降温驯化更有利于脱氮功能菌适应低温环境,且每次降温的幅度应尽量减小,同时还应配合运行工况的调节;②温度经25 d逐步降低至19℃左右,18 d后又继续降至15℃左右,NH_4~+-N和TN去除率均能分别长期稳定在90%、70%以上,甚至当温度下降至12℃时,TN去除率与去除负荷仍能分别达到72. 52%、0. 78 kg·(m~3·d)~(-1);③降温过程中驯化生物膜CANON污泥时,应优先考虑短程硝化控制.可通过维持一定的剩余NH_4~+-N浓度并严格控制DO浓度,以抑制NOB的活性,从而获得稳定的短程硝化效果.     

水力停留时间和溶解氧对陶粒CANON反应器的影响

以人工配制无机高氨氮废水为进水,通过接种CANON污泥,以陶粒作为填料,研究了HRT和DO对生物膜CANON反应器的影响.试验过程中,控制进水氨氮浓度基本不变,依次控制反应器的HRT为9、7、5 h,同时控制DO的范围为1.16~3.20 mg·L-1.研究发现:1当DO为1.20~1.75 mg·L-1时,尽管提高DO有利于提高AOB的活性和系统内基质的传质效果,但是CANON反应器的NH+4-N、TN去除效果依然随着HRT的缩短而下降,尤其当DO超过2.50 mg·L-1时,TN去除效果大幅度下降;2当DO为1.20~1.75 mg·L-1时,随着HRT的缩短,CANON反应器的短程硝化性能趋于稳定,而当DO超过1.75 mg·L-1时,即使缩短HRT,其短程硝化性能依然遭到严重破坏;3CANON反应器中短程硝化稳定性能和去除效果较佳的条件是HRT为7 h,且DO控制在1.20~1.75 mg·L-1之间.HRT和DO是废水生物处理的重要运行参数,直接影响到生物处理的效果和出水水质,协调控制两者的变化范围,对提高CANON工艺对高氨氮废水的处理效果非常重要.     

厌氧氨氧化菌的生物特性及CANON厌氧氨氧化工艺

厌氧氨氧化（ANaerobicAMMonium OXidation,缩写为ANAMMOX）指的是在缺氧条件下以亚硝酸盐为电子受体将氨氧化为氮气的过程.该过程由一类独特的、被称为“厌氧氨氧化菌”的专性厌氧微生物催化完成.作为细菌域浮霉菌门的成员,厌氧氨氧化菌具有与普通原核细菌显著不同的细胞结构;更重要的是,厌氧氨氧化在氮循环中扮演重要角色,并在污水处理领域显示出良好的应用潜力：厌氧氨氧化联合短程硝化非常适合处理高氨氮低碳废水.在一段式的CANON（Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite）厌氧氨氧化工艺中,好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌在氧限制的单个反应器内协同去除氨氮,这在节省反应器空间的同时对系统内功能菌群的优化调控提出了更高的要求.本文重点介绍了厌氧氨氧化菌的生物特性以及CANON厌氧氨氧化工艺的最新进展.     

纤维载体的生物膜CANON反应器的启动特性

为研究纤维载体在CANON工艺中的运行特性,同时接种亚硝化污泥及厌氧氨氧化污泥启动CANON反应器.结果表明经过85 d运行,成功启动了CANON反应器,NRR从0.09 kg·(m3·d)-1提升至0.9 kg·(m3·d)-1并能稳定运行,说明纤维载体有利于富集污泥,反应器内能维持较高的生物量.随着微生物的富集生长,生物膜变厚,反应器的能力提升,反应器中DO达到5 mg·L-1.利用微电极测得生物膜由表及里的DO梯度为0.32~0 mg·L-1,说明生物膜变厚,氧对生物膜的穿透力减弱,亚硝化微生物量降低.荧光定量PCR结果表明,启动前后NOB菌数量维持在较低水平,AOB菌的丰度增长不大,ANAMMOX菌细胞增长了一个数量级.     

序批式生物膜CANON工艺的运行与温度的影响

通过序批式生物膜反应器,研究了CANON工艺的运行规律,并研究了温度对CANON工艺的影响.研究发现,通过序批式生物膜反应器反应器可以成功实现CANON工艺,TN去除率可达到88.3%,TN去除负荷达到0.52kg/(m3·d).系统中的NO2--N变化规律可以分为浓度上升期,浓度稳定期与浓度下降期.pH值先降低后升高的拐点与DO突跃的拐点均可作为反应结束的指示参数,DO拐点比pH值拐点出现要提前.在26~35℃之间,可以获得较好的硝化效果与TN去除效果,温度降低到20℃时,厌氧氨氧化性能开始受到显著影响,造成反应器中大量NO2--N积累,而硝化效果在15℃才受到显著影响.反应器中厌氧氨氧化细菌的最适温度约为30℃.     

生物膜短程硝化系统的恢复及其转化为CANON工艺的过程

在温度为30℃±1℃条件下,以改性聚乙烯为填料,人工配置无机NH+4-N废水为进水,研究生物膜短程硝化系统的恢复过程.短程硝化首先通过过量曝气破坏,使NOB适应高浓度游离氨后,在连续曝气条件下,DO控制在0.5 mg·L~(-1)以下,FA控制在1.5 mg·L~(-1)以上,维持反应器运行83 d未实现短程硝化,84 d改连续曝气为间歇曝气,出现NO-2-N积累现象,142 d再次验证这一规律.随着反应器的运行,生物膜系统中为ANAMMOX菌提供了生存环境,厌氧氨氧化作用产生,短程硝化系统逐步转化为CANON工艺,并逐渐增加进水NH+4-N浓度和进水流量,反应器的TN去除率与TN去除负荷逐渐提高.当反应器运行至450 d,TN去除率达到64.03%,去除负荷为2.52 kg·(m~3·d)~(-1).因此,一旦NOB适应了高浓度的游离氨,生物膜系统的短程硝化恢复不易实现,但间歇曝气是一个有效的方法,随着反应器的连续运行,短程硝化工艺最终转化为CANON工艺,而且,这一转变进一步强化了短程硝化的稳定性.     

温度对厌氧氨氧化反应器脱氮效能稳定性的影响

采用厌氧氨氧化反应器,通过氮去除速率的测定,研究了不同温度变化方式对反应器脱氮效能稳定性的影响.结果表明,温度在26～37℃之间变化时,氮去除速率在1.51～1.84 kg.(m3.d)-1之间波动.其中逐渐降温的氮去除速率变化幅度4.35%,比阶梯降温(氮去除速率变化幅度9.03%)更有利于厌氧氨氧化反应器脱氮效能的稳定.当温度低于20℃时,反应器氮去除会快速下降.特别当温度低于15℃时,反应器氮去除速率下降至0.55 kg.(m3.d)-1,同时出现大量的NO2--N积累,从而抑制厌氧氨氧化反应.对其进行线性拟合发现,低于20℃时温度与氮去除速率具有明显的线性关系.根据温度变化对反应器氮去除速率稳定性的影响,提出了厌氧氨氧化反应器快速启动及实现低温高效运行的控温策略.     

低基质CANON中短程硝化稳定性控制研究

为研究主流PN/A（短程硝化/厌氧氨氧化）工艺中短程硝化稳定运行控制策略,采用连续流CANON反应器,以人工模拟低氨氮[ρ（NH₄+-N）为50 mg/L]无机废水为进水,考察了FA（free ammonia,游离氨）、DO等控制参数对低氨氮下连续流CANON反应器短程硝化的影响.结果表明,启动前期提高进水NLR（nitrogen volume loading,氮容积负荷）有利于维持CANON的稳定运行,控制NLR在1.01 kg/（m3·d）,运行至32 d,ΔNO₃--N/ΔNH₄+-N（指NO₃--N产生量与NH₄+-N消耗量的比值）始终维持在（0.11±0.02）.然而随着运行时间的延长,ρ（NO₃--N）逐渐增长,ΔNO₃--N/ΔNH₄+-N从理论值升至0.49,短程硝化受到严重破坏.过程中控制ρ（FA）在2 mg/L以上,NOB（亚硝酸盐氧化菌）受到明显抑制,但抑制周期短暂,并且随着ρ（FA）的降低,ρ（NO₃--N）快速升高,FA抑制失效.限制氧供给,控制ρ（DO） < 0.3 mg/L,ΔNO₃--N/ΔNH₄+-N降至0.16,但NOB并未被完全抑制,ρ（NO₃--N）仍呈上升趋势.微生物活性测定结果表明,运行中功能菌活性均得到增强,并且发现V_AOB > V_AnAOB > V_NOB,在限氧条件下[ρ（DO） < 0.3 mg/L]运行,NOB虽受抑制但仍维持较高活性.研究显示,在低氨氮条件下,采用FA以及限氧的方式对NOB抑制作用有限,对NOB控制条件的选择需结合反应器内微生物种群结构、生长特性进行进一步研究.      

CANON工艺快速启动和运行过程中anammox群落变化研究

利用连续搅拌小试反应器(CSTR),进行颗粒污泥CANON工艺快速启动的条件探索。对反应器启动和运行过程中进出水水质进行连续监测,同时利用分子生物学技术对反应器启动运行过程中的厌氧氨氧化菌(anammox)进行了群落多样性分析及演变追踪研究。结果表明:由于溶解氧不易控制、污泥流失,接种颗粒污泥的CSTR反应器运行过程中稳定性较差,系统脱氮效率约为55%,微生物多样性较低,但运行过程中厌氧氨氧化菌群落结构变化较为明显。     

An autotrophic nitrogen removal process：Short-cut nitrification combined with ANAMMOX for treating diluted effluent from an UASB reactor fed by landfill leachate

A combined process consisting of a short-cut nitrification (SN) reactor and an anaerobic ammonium oxidation upflow anaerobic sludge bed (ANAMMOX) reactor was developed to treat the diluted effluent from an upflow anaerobic sludge bed (UASB) reactor treating high ammonium municipal landfill leachate.The SN process was performed in an aerated upflow sludge bed (AUSB) reactor (working volume 3.05 L),treating about 50% of the diluted raw wastewater.The ammonium removal efficiency and the ratio of NO 2 N to NOx-N in the effluent were both higher than 80%,at a maximum nitrogen loading rate of 1.47 kg/(m 3 ·day).The ANAMMOX process was performed in an UASB reactor (working volume 8.5 L),using the mix of SN reactor effluent and diluted raw wastewater at a ratio of 1:1.The ammonium and nitrite removal efficiency reached over 93% and 95%,respectively,after 70-day continuous operation,at a maximum total nitrogen loading rate of 0.91 kg/(m 3 ·day),suggesting a successful operation of the combined process.The average nitrogen loading rate of the combined system was 0.56 kg/(m 3 ·day),with an average total inorganic nitrogen removal efficiency 87%.The nitrogen in the effluent was mostly nitrate.The results provided important evidence for the possibility of applying SN-ANAMMOX after UASB reactor to treat municipal landfill leachate.     

两级PNDPR耦合Anammox脱氮除磷工艺研究

鉴于厌氧氨氧化工艺进水必须包含NO₂^--N和NH₄⁺-N两种基质,且只能脱氮,为在此基础上进一步实现除磷,提出辅以短程硝化技术,将除磷、脱氮技术相耦合,即短程硝化反硝化除磷串联厌氧氨氧化工艺.生活污水首先进入短程硝化反硝化除磷单元,主要实现NH₄⁺-N转化为NO₂^--N并去除COD,其部分出水与生活污水原水相混合再进入厌氧氨氧化单元,同时短程硝化反硝化除磷单元于缺氧条件下反硝化吸磷,待反应结束后两个处理单元的出水混合排放.实验结果表明,控制进水混合比为4.2可保证Anammox单元中C/N和NO₂^--N/NH₄⁺-N值分别为2和1.5,平均△NO₂^--N/△NH₄⁺-N=1.41,△NO₃^--N/△NH₄⁺-N=0.12,Anammox脱氮平均占比为85.2%,反硝化与Anammox反应耦合良好.整个系统稳定运行后出水COD、P、NH₄⁺-N、NO₂^--N和NO₃^--N浓度分别为15.2,0.85,0.59,5.56,3.33mg/L,TN去除率为89.4%,通过PNDPR-Anammox耦合新工艺成功实现模拟生活污水的高效处理.     

中试MBBR反应器启动CANON工艺及其短程硝化

采用150 L的移动床生物膜(MBBR)反应器,控制温度为28℃,以无机高氨氮(平均浓度350 mg·L-1)废水为原水,启动全程自养脱氮(CANON)工艺,同时,取其中絮状污泥至5L的SBR反应器中,维持进水NH4+-N浓度为90～200 mg·L-1,共同进行短程硝化恢复研究.结果表明,MBBR反应器中,HRT平均...     

动力学调控实现单一反应器内亚硝化与硝化过程的互相转化

通过动力学调控在单一反应器内实现了亚硝化到硝化再到亚硝化过程的转化.在小试曝气上流式污泥床(Aerated Upflow Sludge Bed,AUSB)反应器中,在20℃、DO为2～4mg·L-1的条件下,主要通过调节反应器内的pH值调控氨氧化细菌(AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)比生长速率的相对大小,以无机自配水为进水时,分别在20d和25d内将反应器的亚硝化率(出水中亚硝氮与总硝态氮之比)从95%降低至15%再恢复至95%以上,期间反应器的氨氮去除率基本维持在90%以上;当以实际高氨氮废水为进水时,同样主要通过调节反应器的pH值,分别在30d和23d内实现了反应器的亚硝化率从90%降低至10%再恢复至90%的过程.     

ABR除碳-CANON耦合工艺除碳脱氮特性

CANON工艺如能处理低氨氮城市生活污水,将大幅度降低市政污水处理能耗.故以纤维载体为填料,在CSTR反应器中同时接种亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥启动CANON反应器,且在CANON系统前端添加ABR除碳系统,构建ABR除碳-CANON耦合工艺,研究ABR除碳-CANON耦合工艺除碳脱氮性能,并采用MiSeq高通量测序技术分析污泥中微生物菌群结构的变化情况.结果表明,通过同时接种亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥,控制DO为0. 5～2 mg·L-1、HRT为6h、p H值为8左右等措施,在55 d内成功启动CANON系统,TN去除率为81%～87%,氨氮负荷为0. 195 kg·(m3·d)-1. ABR除碳系统出水有机物浓度(120 mg·L-1)不会对后续CANON系统产生不利影响,一体式ABR除碳-CANON工艺TN去除率在74%～87%,出水COD平均浓度为40 mg·L-1.同时,CANON系统启动后变形菌门(Proteobacteria)得到了显著提升,鞘脂杆菌纲(Sphingobacteria)所占比例下降为6. 8%,CANON系统中亚硝化菌和厌氧氨氧化菌不断淘汰劣势菌群成为反应器内优势菌群,一体化ABR除碳-CANON工艺对城市污水具有良好的脱氮除碳效果.     

主流厌氧氨氧化工艺的运行优化及其微生物的群落变迁

通过高氨氮污水驯化成熟的CANON生物膜反应器处理低氨氮污水,试验分为3个阶段:(1)连续曝气无机配水阶段(0~59 d),曝气量30 m L·min-1,调整氨氮浓度为80 mg·L~(-1),厌氧氨氧化脱氮效率较低,第56 d时,TN去除负荷仅为0. 13kg·(m~3·d)~(-1).(2)连续曝气生活污水阶段(60~110 d),有机碳源的进入使得CANON反应器在79 d时TN去除负荷提升至0. 22 kg·(m~3·d)~(-1).(3)由于DO浓度较低,其氨氮去除率仅为75%,为进一步提高氨氮和TN的去除效果,第110 d时,进入间歇曝气生活污水阶段(110~160 d),提高曝气量为50 m L·min-1,曝气30 min,停曝30 min,第131 d时,氨氮去除率提高至86. 34%,TN去除率和去除负荷分别达到85. 87%和0. 30 kg·(m~3·d)~(-1),这说明间歇曝气策略可以提升CANON反应器的脱氮性能.同时在试验开始前(0d)、连续曝气无机配水阶段(56 d)和间歇曝气生活污水阶段(152 d)时分别取样进行了高通量测序,分析不同阶段的微生物群落变化,结果表明:(1)Candidatus Brocadia相比Candidatus Kuenenia在低氨氮无机配水和生活污水阶段中受影响较小;(2)Nitrosomonas和Nitrospira分别为AOB和NOB的优势菌种,生活污水阶段对Nitrosomonas影响较大,对Nitrospira影响较小;(3)反硝化菌属始终存在CANON反应器中,其中假单胞菌属(Pseudomonas)、副球菌属(Paracoccus)适应性最强,但各阶段相对丰度均不超过0. 5%.     

低溶解氧下SBR内短程硝化影响因素试验研究

为了明确低溶解氧下短程硝化的其它控制因素,文章采用序批式反应器(SBR)系统研究了低溶解氧下实现短程硝化影响因素的控制范围。试验结果表明:SBR内较高的游离氨浓度(0.50～20.73 mg/L)对亚硝酸的积累起到一定促进作用;实现低溶解氧下短程硝化的温度和泥龄范围较大,在温度为21～30℃、泥龄为15～40 d的范围内都可以实现稳定的短程硝化,实验过程中亚硝酸积累率一直维持在80%以上;有机物的存在对氨氧化速率影响不大,但高有机物浓度(COD为900 mg/L)下,SBR内发生了高粘性膨胀。