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厌氧-缺氧-好氧 (anaerobic-anoxic-oxic,AAO) 工艺作为传统活性污泥法的典型工艺,因其工艺成熟、流程简单、运行灵活、水力停留时间短、建造和运行成本低[1]等优点广泛应用于我国城镇污水处理体系中。然而,我国北方地区温度差异大,寒冷季节长,生化处理过程受影响较大,小规模污水处理难以稳定达标[2]。低温使硝化和反硝化菌属活性降低[3-4],导致系统脱氮效能恶化,为系统稳定运行带来极大挑战[5]。因此,提高AAO系统的脱氮性能,以保证冬季低温条件下污水处理系统的稳定运行效果,是目前研究重点与难点。
已有研究结果表明,温度对AAO系统的脱氮效能有很大影响。RANDALL等[6]发现,当温度由20 ℃降至10 ℃时,相应的污泥龄需要从2.7 d延长至5 d才可保证AAO系统的硝化效果。梁嘉斌等[7]利用Sumo软件对冬季某污水厂运行情况进行动态模拟和优化,结果表明:硝化液回流比从50%提升到400%时,系统脱氮效果有所增加而COD去除率变化不大,将硝化液回流比优化为300%、DO为1.95 g·m−3(每立方米污水中的氧气质量) 后TN明显降低;雒海潮等[8]对分流式测流-AAO系统在12~15 ℃下污染物去除性能进行研究,发现改良AAO系统对COD、[NH4+-N]和TN的去除率分别为88.56%、83.12%和71.60%,且可实现良好的污泥减量效果;WANG等[9]发现将AAO与曝气生物滤池(biological aerated filter,BAF)耦合可有效增强系统低温条件下的脱氮除磷效果;金羽[10]对AAO系统的研究表明,在11 ℃下,系统出水TP、COD仍能满足一级A标准,而14 ℃时AAO系统就对NH4+-N和TN的去除效果明显下降,难以达到排放标准。
在不增设工艺单元的低温条件下,常规AAO系统难以满足排放要求,因此应探究低温条件下AAO系统微生物特性,并通过工况调整等非工程措施来提高脱氮性能,尤其是提升NH4+-N和TN的去除效果。为保证低温条件下系统的稳定运行,多采用对构筑物保温、降低污泥负荷、延长水力停留时间 (HRT) 或结合物化方法等措施来提高脱氮效能[11]。但上述方法不仅难以实现稳定的出水效果,还极大地增加污水处理设施的基建和维护运行费用,因此,对AAO工艺的改良应在充分发挥AAO工艺本身功能的基础上有针对性地进行。硝化液回流比和污泥回流比是AAO工艺最典型的2个内部参数。相较于增加工艺单元或采用保温措施、降低污泥负荷等工程措施,内部参数的调整不会大幅增加基建和运行费用,但会直接影响系统硝化性能和污泥浓度,进而影响各指标处理效果。
基于此,本研究以小试规模的AAO污水处理系统为研究对象,通过调整硝化液回流比、污泥回流比和碳源等条件,获取低温条件下AAO系统最佳运行工况,并结合胞外聚合物 (EPS) 和微生物群落结构,探究低温条件下AAO系统的脱氮机理、微生物群落与脱氮除碳之间的关系,以期为低温状况下污水处理效能的提升提供参考。
低温条件下AAO污水处理系统脱氮效能分析及微生物群落特性
Nitrogen removal efficiency analysis and microbial community characteristics of AAO sewage treatment system at low temperature
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摘要: 温度是限制污水处理微生物活性的关键因子,直接影响污水处理效能的高低。选取AAO污水处理系统,研究了在低温条件下其除污效能及微生物群落结构特征,探明了不同硝化液回流比、碳源种类和污泥回流比对系统脱氮性能的影响,以得到胞外聚合物 (EPS) 的分泌与处理工况的耦合关系。结果表明:在12 ℃时,采用复合碳源、200%的硝化液回流比、75%的污泥回流比时系统可达最佳处理效果, COD、NH4+-N、TN的平均去除率分别为87.26%、99.87%、69.97%,出水远超一级A标准;同时发现TB层、PN分别为EPS的主要结构和组成,且EPS总量和PS/PN与污泥回流比呈负相关趋势;低温下Pseudomonas和Flavobacterium为系统优势菌群,典型的硝化菌Nitrospira被抑制,短程硝化耦合异养硝化-好氧反硝化过程明显,系统脱氮性能大幅提升。该研究结果可为低温条件下的污水处理系统效能提升提供参考。
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关键词:
- 低温 /
- 脱氮性能 /
- 微生物种群 /
- 胞外聚合物(EPS) /
- 短程硝化 /
- 异养硝化-好氧反硝化
Abstract: Temperature is the key factor to limit the microbial activity of sewage biological treatment, which will directly affect the efficiency of sewage treatment. For studying the pollution removal efficiency at low temperature conditions, this paper selected the AAO sewage treatment, which identifies the characteristics of microbial community structure at low temperature, explores the effects of different nitrification reflux ratio, carbon source type and sludge reflux ratio on the nitrogen removal performance of the system, and masters the coupling relationship between Extracellular Polymeric Substances (EPS) secretion and treatment conditions. The results show that the optimal treatment effect can be achieved by using complex carbon source, 200% nitrification reflux ratio and 75% sludge reflux ratio at 12 ℃, which the average removal rates of COD, NH4+-N and TN can reach 87.26%, 99.87% and 69.97%, respectively. And the effluent is far beyond the standard of grade I-A. In addition, PN is the largest contribution component of EPS which is mainly composed of TB layer, and the total amount of EPS and PS/PN are negatively correlated with the sludge reflux ratio. Using 16S rRNA gene amplicon sequencing analysis, the study found that Pseudomonas and Flavobacterium were the dominant bacteria in the system at low temperature. As a typical nitrite oxidizing bacteria, Nitrospira is inhibited. The process of partial nitrification coupled with heterotrophic nitrification and aerobic denitrification is obvious, resulting in greatly improved nitrogen removal performance. -
表 1 微量元素浓缩液成分
Table 1. Composition of Trace element concentrate
物质名称 质量浓度/ (g·L−1) 物质名称 质量浓度/ (g·L−1) FeCl3·7H2O 1.50 Na2MoO4·2H2O 0.06 H3BO4 0.15 ZnSO4·7H2O 0.12 CuSO4·5H2O 0.03 CoCl2·7H2O 0.15 KI 1.18 EDTA 10.00 MnCl2·4H2O 0.12 表 2 反应器不同工况运行周期一览表
Table 2. List of operating periods under different working conditions
启动期 阶段I 阶段II 阶段III 硝化液回流比 碳源 污泥回流比 300% 200% 100% 葡萄糖 葡萄糖+乙酸钠 50% 75% 100% 1~25 d 26~48 d 50~72 d 74~96 d 74~96 d 98~120 d 98~120 d 122~144 d 146~168 d -
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