同步硝化反硝化SBBR處理低C/N比生活污水的啟動與穩(wěn)定運行

張建華，彭永臻，張淼，孫雅雯，王淑瑩，王聰

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同步硝化反硝化SBBR處理低C/N比生活污水的啟動與穩(wěn)定運行

張建華，彭永臻，張淼，孫雅雯，王淑瑩，王聰

（北京工業(yè)大學(xué)城鎮(zhèn)污水深度處理與資源化利用技術(shù)國家工程實驗室，北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點實驗室，北京 100124）

以低C/N比實際生活污水為處理對象，聚氨酯海綿填料為生物載體（填料填充率25%），采用逐步提高氮負(fù)荷的方式，在較短的時間內(nèi)（98 d）成功啟動了同步硝化反硝化（simultaneous nitrification and denitrification，SND）的序批式生物膜反應(yīng)器（sequencing batch biofilm reactor，SBBR）。實時定量PCR（real-time qualitative polymerase chain reaction，real-time qPCR）結(jié)果表明系統(tǒng)內(nèi)硝化菌得到富集。在穩(wěn)定運行期間，系統(tǒng)對有機物及氮的去除效果良好，平均出水COD、、TN分別為38.28 mg·L-1、1.23 mg·L-1、 8.23 mg·L-1。微生物將大部分碳源以聚羥基脂肪酸酯（poly--hydroxyalkanoate，PHA）的形式儲存至體內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)的去除主要通過內(nèi)源反硝化作用，且反硝化過程基本無積累，平均SND率為70.57%，TN去除率高達(dá)82.95%。由于硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)在同一反應(yīng)器內(nèi)同時進(jìn)行，反硝化過程產(chǎn)生的堿度可補充硝化過程消耗的堿度，維持系統(tǒng)內(nèi)pH的相對穩(wěn)定。此外，可以通過DO和pH的變化判斷SND的進(jìn)行狀態(tài)，有效地控制反應(yīng)時間，節(jié)省動力消耗。

低C/N比；SND；生物膜；real-time qPCR；PHA

引 言

同步硝化反硝化（simultaneous nitrification and denitrification，SND）工藝是在一定的操作條件下，在同一個反應(yīng)器內(nèi)同時完成硝化和反硝化作用而達(dá)到生物脫氮目的。近年來，國內(nèi)外對于活性污泥法SND工藝的研究已取得較好效果[1-6]，而對于生物膜SND工藝的研究報道較少，其中以實際生活污水為處理對象的更鮮見報道。

與活性污泥相比，生物膜具有微生物活性高[7]、微生物相多樣化、耐沖擊負(fù)荷能力強等[8]特點，而且隨著生物膜厚度的增加其傳質(zhì)阻力相應(yīng)增加，沿傳質(zhì)方向逐漸形成外層為好氧層、內(nèi)層為缺/厭氧層的微環(huán)境。好氧層主要進(jìn)行硝化反應(yīng)、缺氧層主要進(jìn)行反硝化反應(yīng)，缺氧層的形成有利于加強生物反硝化能力，可在好氧反應(yīng)器內(nèi)同時進(jìn)行硝化和反硝化過程，強化系統(tǒng)整體的脫氮能力。因此，對于生物膜SND工藝的深入研究很有必要。

本文將序批式生物膜反應(yīng)器（sequencing batch biofilm reactor，SBBR）與SND技術(shù)的優(yōu)勢相結(jié)合，在單一系統(tǒng)中實現(xiàn)了低C/N比（C/N2.6～4.1）生活污水的深度脫氮，并對其脫氮特性進(jìn)行了進(jìn)一步研究，對實際工程有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置與接種污泥

試驗裝置如圖1所示。反應(yīng)器由有機玻璃制成，直徑18.5 cm，高45 cm，總?cè)莘e為12 L，采用空氣泵供氧，曝氣盤曝氣，并用氣體流量計控制曝氣量為0.4 L·min-1，由蠕動泵控制進(jìn)水流量。反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有填料支架，填料均勻分布在支架上為微生物生長提供載體。

試驗所用填料為立方體海綿塊，材質(zhì)為聚氨酯，邊長1.5 cm，比表面積20～23 m2·g-1，孔隙率大于90%，填充率25%。接種污泥取自實驗室A2/O-生物接觸氧化（biological contact oxidation，BCO）系統(tǒng)中A2/O反應(yīng)器后順次連接的沉淀池，接種污泥3 L，接種污泥濃度約為10000 mg·L-1。

圖1 SBBR實驗裝置示意圖

1—feed tank; 2—SBR; 3—feed pump; 4—bracket; 5—biofilm; 6—air pump; 7—gas flowmeter; 8—micro-porous aeration diffusors; 9—drain valve; 10—mud valve; 11—DO meter; 12—pH meter

1.2 試驗用水與運行方式

試驗用水取自北京市某家屬區(qū)化糞池生活污水，具體水質(zhì)：COD為106.5～272 mg·L-1，濃度為39.6～77.2 mg·L-1（平均約為55 mg·L-1），與均小于1.0 mg·L-1，為3.6～7.1 mg·L-1，pH為7.3～7.6，C/N比為2.6～4.1。

反應(yīng)器每周期進(jìn)水5 L，排水比為0.5，啟動期間每天運行2或3個周期，穩(wěn)定運行期間每天運行3個周期，每周期包括15 min進(jìn)水，15 min排水，其余為厭氧或好氧反應(yīng)時間，無沉淀和閑置時間。反應(yīng)器從啟動至穩(wěn)定運行共分為4個階段（運行方式見表1），氣水比分別為55.2、36、26.4、26.4，階段I的水力停留時間為23 h，其余幾個階段為15 h。在運行過程中及時排出脫落的生物膜，反應(yīng)器污泥停留時間為80～120 d，未控制水溫。

表1 反應(yīng)器不同階段的運行方式

為使微生物掛膜過程較快進(jìn)行，并快速實現(xiàn)同步硝化反硝化，在反應(yīng)器啟動期間，采用逐步提高氮負(fù)荷的方式，按階段用自來水將生活污水進(jìn)行一定量的稀釋，并逐漸減少其用量。階段Ⅰ、Ⅱ分別將生活污水稀釋40%與20%，進(jìn)水濃度平均為37.5、45 mg·L-1，氮負(fù)荷分別為37.5、67.5 g·(m3·d)-1；階段Ⅲ、Ⅳ進(jìn)水全部為生活污水，濃度平均為54.7 mg·L-1，氮負(fù)荷增加至82.0 g·(m3·d)-1。這有利于系統(tǒng)逐漸適應(yīng)低C/N比的實際生活污水；同時，啟動初期較低的碳負(fù)荷會減少自養(yǎng)菌與異養(yǎng)菌間的競爭，而階段Ⅰ、Ⅱ較長的好氧時間利于硝化菌的富集，使得硝化過程與反硝化過程達(dá)到一定的平衡[9-11]。

1.3 檢測指標(biāo)及分析方法

所取水樣均采用0.45 μm中速濾紙過濾，COD采用蘭州連華5B-1型COD快速測定儀測定；、、采用Lachat Quikchem 8500型流動注射儀測定（Lachat Instrument，Milwaukee，Wiscosin）；混合液揮發(fā)性懸浮固體（mixed liquor volatile suspended solids，MLVSS）與懸浮物（suspended solids，SS）采用標(biāo)準(zhǔn)方法測定[12]；聚羥基脂肪酸酯（poly--hydroxyalkanoate，PHA）采用氣相色譜法測定[13]；DO、pH采用WTW Multi 3420 DO/pH儀在線監(jiān)測；泥樣DNA采用DNA快速提取試劑盒提?。˙io 101，Vista，CA，USA）；實時定量PCR（real-time qualitative polymerase chain reaction，real-time qPCR）采用MX3000P Real-Time PCR系統(tǒng)檢測（Stratagene，La Jolla，CA），所用引物及其核苷酸序列見表2。

表2 real-time qPCR所用引物及其核苷酸序列

1.4 SND率的計算方法

對Third等[18]提出的 SND 率計算方法進(jìn)行簡化，忽略反應(yīng)過程中微生物的同化作用和細(xì)胞死亡對含量的影響，簡化的計算公式如下

2 結(jié)果與討論

2.1 系統(tǒng)的啟動與穩(wěn)定運行

為使微生物掛膜過程較快進(jìn)行，采用投加種泥的方式進(jìn)行掛膜，且不設(shè)置沉淀與閑置時間。由于所用填料具有較強的吸附作用，部分污泥被截留在填料上，懸浮污泥則隨出水排出，至第10天已觀察不到懸浮污泥，而填料上已附著有較多的污泥，且生物活性也在逐漸提高，運行至第23 d即掛膜成功，至第98天，SND系統(tǒng)成功啟動。

2.1.1 不同階段下氮的去除情況 系統(tǒng)的啟動共分為4個階段，其中階段Ⅰ至階段Ⅲ為啟動期，階段Ⅳ為穩(wěn)定運行期。不同階段下氮的去除情況如圖2所示。

圖2 不同階段下氮的去除情況

經(jīng)近2個月的運行，系統(tǒng)的硝化效果趨于穩(wěn)定，反硝化作用不足，為改善系統(tǒng)的反硝化效果，在階段Ⅲ，設(shè)置了一定時長的厭氧反應(yīng)階段，以充分發(fā)揮生物膜的吸附儲碳功能，利用內(nèi)碳源進(jìn)行反硝化作用。在試驗中發(fā)現(xiàn)，厭氧反應(yīng)時間為120 min時，微生物幾乎將可利用的外碳源全部以PHA的形式儲存起來，厭氧時間過長則會造成PHA的無效損失，類似的研究也有相同的結(jié)論[21]，因此，將厭氧反應(yīng)時間設(shè)為120 min。由于好氧反應(yīng)時間進(jìn)一步縮短，氮負(fù)荷進(jìn)一步提高，運行初期，系統(tǒng)硝化效果受到一定影響，但恢復(fù)較快。此外，系統(tǒng)的反硝化效果明顯改善，出水逐漸降低。這是由于系統(tǒng)長期的運行，生物膜厚度有所增加，在生物膜內(nèi)部形成了較好的缺氧環(huán)境，利于SND的進(jìn)行[22]。此外，Zhang 等[23]的研究表明，由于缺/好氧交替運行的方式可以充分利用碳源，其SND效果與氮去除率均優(yōu)于好氧運行方式。

2.1.2 系統(tǒng)內(nèi)硝化菌的富集情況 在系統(tǒng)運行期間每隔20 d保存一個泥樣，進(jìn)行real-time qPCR檢測，考察硝化菌的富集情況。結(jié)果見圖3。

圖3 系統(tǒng)內(nèi)硝化菌的富集

可以看出，接種污泥中硝化菌的量較少，隨著系統(tǒng)的運行，硝化菌逐漸增長。至第20天時，氨氧化細(xì)菌（ammonia oxidizing bacteria，AOB）、Nitrobacter與Nitrospira菌屬的基因拷貝數(shù)分別由初始的每克干污泥6.8×107、1.25×108、2.31×109增加至1.77×108、2.53×108、4.40×109，硝化菌得到初步富集。結(jié)合2.1.1節(jié)可知，此時系統(tǒng)硝化效果良好，出水基本不含，并以此作為掛膜成功的標(biāo)志。

系統(tǒng)運行至100 d時，AOB、Nitrobacter與Nitrospira菌屬的基因拷貝數(shù)分別增加至每克干污泥1.04×109、4.26×108、6.11×109，與接種污泥相比，硝化菌的增長較為明顯，此后，硝化菌增長緩慢。此時間點與2.1.1節(jié)中系統(tǒng)啟動期與穩(wěn)定運行期的劃分相吻合，即98 d前為啟動期，系統(tǒng)內(nèi)硝化菌增長較快，但含量較少，硝化效果不穩(wěn)定；98 d后，硝化菌得到富集，其含量基本穩(wěn)定，系統(tǒng)硝化效果良好，結(jié)合反硝化效果的改善，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運行階段。

至160 d時，系統(tǒng)內(nèi)AOB、Nitrobacter與Nitrospira菌屬的基因拷貝數(shù)較接種污泥均增長數(shù)十倍。其中，AOB倍增數(shù)最大，Nitrospira菌屬在數(shù)量上處于優(yōu)勢地位，且它們在系統(tǒng)啟動期間增長較為明顯。此外，全菌也有一定量的增長。

2.1.3 不同階段下系統(tǒng)的SND率與TN去除 由2.1.1節(jié)可知，隨著系統(tǒng)運行時間的延長，的減少量明顯大于的生成量。在系統(tǒng)啟動初期（階段Ⅰ、Ⅱ），的去除量雖較大，但由于形成的生物膜較薄，缺氧微環(huán)境較差，且碳源利用不充分，導(dǎo)致反硝化效果不理想，TN去除量較少。設(shè)置厭氧反應(yīng)（階段Ⅲ、Ⅳ）后，系統(tǒng)反硝化效果增強，在去除量增加的同時，的生成量也逐漸降低，TN去除量大大提高。

除系統(tǒng)本身的稀釋作用外，這里的TN損失來自于兩方面：一是微生物的同化作用，二是SND現(xiàn)象的發(fā)生，而微生物的同化作用一般很微弱，因此，TN損失主要來自于SND作用的貢獻(xiàn)[25]。

圖4為不同階段下系統(tǒng)的SND率與TN去除情況。在階段Ⅰ，SND率由最初的85%逐漸降低至30%左右，結(jié)合圖2與圖3可知，這是由于在系統(tǒng)啟動初期，硝化菌含量較少，硝化效果差，少量被氧化后，即被反硝化去除，表現(xiàn)出較高的SND率，但TN去除率較低，出水含較多的。隨著硝化菌的不斷增長，系統(tǒng)硝化效果增強，去除量逐漸增加，但由于反硝化作用的限制，導(dǎo)致較多的積累，因此，SND率逐漸降低，TN去除率變化不大。

圖4 不同階段下的SND率與TN去除情況

由于好氧反應(yīng)時間的縮短及氮負(fù)荷的增加，在階段Ⅱ，系統(tǒng)出水TN有所增加，TN去除率降至40%左右；SND率的變化與階段Ⅰ類似，由于系統(tǒng)硝化作用的改善與反硝化作用的限制，整體呈下降的趨勢。

至階段Ⅲ，為改善系統(tǒng)的反硝化效果，設(shè)置了120 min的厭氧反應(yīng)時間。由于生物膜的表面具有高度的活性與截留吸附能力，在反應(yīng)初期可將部分有機物吸附、輸送到生物膜內(nèi)部，為反硝化儲存碳源[26]。結(jié)合圖2可發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)反硝化效果顯著改善，出水逐漸減少，SND率與TN去除率明顯升高，至運行末期，系統(tǒng)即啟動成功。

進(jìn)入穩(wěn)定運行期后，雖然進(jìn)水有一定的波動，但系統(tǒng)較耐沖擊負(fù)荷，平均TN去除率與SND率分別高達(dá)82.95%與70.57%，出水TN平均為8.23 mg·L-1，且其中主要為（平均為6.80 mg·L-1），這是由于生活污水中碳源不足，導(dǎo)致系統(tǒng)反硝化不徹底。

此外，由圖4(a) 可以發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)運行期間，由于生活污水稀釋率的逐步降低，進(jìn)水COD呈上升趨勢，但出水COD均小于50 mg·L-1，平均僅為38.28 mg·L-1，碳源得到了充分利用，剩下的主要為不可生物降解的有機物。結(jié)合圖4(b)可知，試驗所用生活污水C/N比較低，但系統(tǒng)卻有良好的脫氮效果，這是由于SND能夠充分利用有機物，所以反硝化作用可在相對低的C/N比下完成[27]。

2.2 穩(wěn)定運行期間系統(tǒng)的SND特性

為考察系統(tǒng)的SND特性，在穩(wěn)定運行階段，隨機抽取若干個周期，并就其中的一個典型周期進(jìn)行分析。

2.2.1 碳源的轉(zhuǎn)化利用與氮去除情況 圖5為系統(tǒng)穩(wěn)定運行期間，一個典型周期中碳源的轉(zhuǎn)化利用與氮去除情況。以系統(tǒng)進(jìn)水混合后為周期的起點，可以看出，經(jīng)120 min的厭氧反應(yīng)，已去除了大量的COD，而這些碳源主要以PHA的形式儲存至微生物體內(nèi)；同時，可以發(fā)現(xiàn)，上周期殘存的很快被反硝化作用去除。此外，由于微生物的同化作用，系統(tǒng)內(nèi)存在少量的損失。

圖5 典型周期中碳源的利用與氮去除情況

在好氧反應(yīng)初期，剩余可生物降解的碳源繼續(xù)被微生物所利用，PHA含量進(jìn)一步增加。曝氣60 min，COD已降至38.65 mg·L-1，可利用的外碳源基本消耗殆盡，PHA含量達(dá)到最大。同時，逐漸被氧化，而由于SND作用，生成的立即被反硝化去除，因此，TN含量逐漸降低。

2.2.2 典型周期內(nèi)DO與pH的變化 DO是影響SND的重要因素。一方面，需要充足的DO用于硝化反應(yīng)；另一方面，為形成DO濃度梯度，以創(chuàng)造缺氧微環(huán)境進(jìn)行反硝化作用，DO濃度又不能太高，同時，為不影響反硝化過程對碳源的需求，應(yīng)防止有機物的過度消耗[33-34]。此外，大量研究表明，氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌的適宜pH分別為7.0～8.0和6.0～7.5，當(dāng)pH低于6.0或高于9.6時，硝化反應(yīng)停止；反硝化菌最適的pH為7.0～8.5，此時，其反硝化速率最高，因此，SND的最適pH應(yīng)在7.5左右[35-36]。

圖6為系統(tǒng)穩(wěn)定運行期間，一個典型周期內(nèi)DO與pH的變化曲線。進(jìn)水混合后，DO為0，系統(tǒng)維持良好的缺/厭氧狀態(tài)，利于上一周期反應(yīng)器內(nèi)殘留的去除與碳源的儲存，而反硝化作用產(chǎn)生的堿度，使得pH在反應(yīng)前30 min快速上升。

圖6 典型周期內(nèi)DO與pH的變化曲線

至好氧階段，DO在前60 min迅速上升，結(jié)合圖5可知，此時COD大多被生物膜所吸收或已降解至難降解階段，異養(yǎng)菌無大量有機物可攝取，導(dǎo)致供氧大于好氧，故DO值驟增。隨著硝化反應(yīng)的進(jìn)行，濃度逐漸降低，而供氣量不變，所以DO濃度一直呈上升趨勢，但基本在2.5 mg·L-1左右。至曝氣300 min時，氧化完全，硝化菌不再耗氧，而自養(yǎng)菌與異養(yǎng)菌的內(nèi)源呼吸速率遠(yuǎn)小于供氧速率，因此，DO出現(xiàn)第2次突躍，指示硝化反應(yīng)的結(jié)束。

與DO曲線相對應(yīng)，pH曲線在好氧階段也出現(xiàn)兩次突躍。第1次是曝氣初期，pH在有機物水解酸化和CO2吹脫的雙重作用下迅速上升。結(jié)合圖5，好氧反應(yīng)60 min后，有機物基本降解完全，由于硝化反應(yīng)的進(jìn)行，消耗堿度，而反硝化過程產(chǎn)生的堿度只能補充部分硝化過程消耗的堿度，因此，pH逐漸降低。至曝氣300 min時，氧化完全，不再消耗堿度，而系統(tǒng)中的剩余堿度使得pH再次升高，發(fā)生第2次突躍[37]，同樣可以指示硝化反應(yīng)的結(jié)束。此外，整個反應(yīng)過程中，系統(tǒng)的pH均在7.2～7.45之間，利于SND的進(jìn)行。

綜上，可以通過DO和pH的變化趨勢判斷SND的進(jìn)行狀態(tài)，有效控制反應(yīng)時間，節(jié)省動力消耗。

SND工藝將硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)置于同一反應(yīng)器中進(jìn)行，簡化了操作過程，反硝化反應(yīng)產(chǎn)生的堿度將隨時補充硝化反應(yīng)消耗的堿度，從堿度和pH兩個參數(shù)上來說具有一定的互補和緩沖作用。因此，采用SND工藝進(jìn)行脫氮是較為理想的選擇。

此外，生物膜具有微生物活性高、微生物相多樣化、耐沖擊負(fù)荷能力強等特點，還可為SND提供適宜的環(huán)境，若將二者相結(jié)合，將其應(yīng)用到實際工程中，則可以在深度脫氮的同時顯著減少工藝運行費用。

3 結(jié) 論

（1）以聚氨酯填料為載體，低C/N比生活污水為處理對象，采用逐步提高氮負(fù)荷的方式，在較短的時間內(nèi)（98 d）成功啟動了SND的生物膜系統(tǒng)，real-time qPCR結(jié)果證實系統(tǒng)內(nèi)硝化菌得到富集，AOB、Nitrobacter與Nitrospira均增長數(shù)十倍，其中Nitrospira在數(shù)量上占據(jù)明顯的優(yōu)勢地位。

（3）厭氧階段微生物可將大部分碳源以PHA的形式儲存至體內(nèi)，作為SND的電子供體，系統(tǒng)出水COD平均僅為38.28 mg·L-1，SND率高達(dá)70.57%，且系統(tǒng)內(nèi)的去除主要通過內(nèi)源反硝化作用。

（4）反硝化過程產(chǎn)生的堿度能夠補充硝化過程消耗的堿度，使系統(tǒng)的pH維持在7.2～7.45之間，利于SND的進(jìn)行；此外，通過DO和pH曲線在曝氣300 min處的突躍，可以指示SND作用的完成，有效控制反應(yīng)時間，節(jié)省動力消耗。

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Start-up and steady operation of simultaneous nitrification and denitrification in SBBR treating low C/N ratio domestic wastewater

ZHANG Jianhua, PENG Yongzhen, ZHANG Miao, SUN Yawen, WANG Shuying, WANG Cong

(National Engineering Laboratory for Advanced Municipal Wastewater Treatment and Reuse Technology, Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Taking actual domestic wastewater (C/N2.6—4.1) as influent substrate and polyurethane filler as biological carrier (filling rate was 25%), the simultaneous nitrification and denitrification (SND) was achieved in sequencing batch biofilm reactor (SBBR) in a short period of time (98 d) with gradually increased nitrogen loading. The results of real-time qualitative polymerase chain reaction (qPCR) confirmed the enrichment of nitrifying bacteria in the reactor. The system had a good effect of organic matter and nitrogen removal in the formal running period. The concentration of COD,and TN of the effluentwaterwas 38.28 mg·L-1, 1.23 mg·L-1and 8.23 mg·L-1, respectively. Most of COD was taken up and converted to polyhydroxyalkanoate (PHA), and the storage products were used for denitrification, which removed a large amount of nitrate. The removal efficiency of TN and SND was calculated as 82.95% and 70.57%, respectively, and theconcentration always kept low level. Since the nitrification and denitrification reactions took place in the same reactor and conditions, the system could maintain pH in a steady conditions by that the increasing basicity in the denitrification process can complement the consuming basicity in the nitrification process. Furthermore, the reaction time can be effectively controlled and the power consumption can be decreased through the curve change of DO and pH to judge the operation status of SND.

low C/N ratio; SND; biofilm; real-time qPCR; PHA

2016-05-19.

Prof.PENG Yongzhen, pyz@bjut.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20160691

X 703

A

0438—1157（2016）11—4817—08

張建華（1992—），男，碩士研究生。

國家自然科學(xué)基金項目（51478013）；北京市教委資助項目。

2016-05-19收到初稿，2016-07-10收到修改稿。

聯(lián)系人：彭永臻。

supported by the National Natural Science Foundation of China (51478013) and the Funding Projects of Beijing Municipal Commission of Education.