厌氧生物处理低浓度污水研究进展

厌氧生物处理技术具有节能降耗及回收资源的优点,但在处理低浓度污水(COD<1000mg/L)时,污泥活性较差、处理效率偏低等问题使其应用受到严重限制。为促进厌氧生物处理低浓度污水技术的发展,本文在介绍微生物间电子传递类型和厌氧功能菌的基础上,阐明厌氧生物处理的作用机理;随后基于厌氧消化原理,探讨了温度、pH、挥发性脂肪酸(VFA)和氨氮等因素对厌氧生物处理的影响;接着从厌氧膜生物反应器、厌氧微生物活性及直接种间电子传递三个层面出发,对强化低浓度污水厌氧生物处理的方法进行归纳总结;最后从“耐饥饿”菌种的筛选和微生物活性强化途径角度展望了厌氧生物处理低浓度污水的发展趋势和研究方向,旨在为推广厌氧生物处理低浓度污水、加快污水中有机物的资源化利用提供参考。

声能密度对短程硝化启动及氨氮去除动力学的影响

为探究不同声能密度对短程硝化快速启动的影响,在序批式生物反应器(SBR)中采用不同声能密度超声波辐照污泥进行短程硝化启动性能研究,考察了启动时间、氮素转化、污泥性能、氨氧化菌(AOB)活性的差异,并研究了启动短程硝化过程中氨氮去除动力学参数的变化。结果表明,超声组(0.10W/mL、0.15W/mL、0.20W/mL、0.25W/mL、0.30W/mL)运行25天后,NO2--N浓度达到37.56mg/L,NO3--N浓度维持在10mg/L以下,亚硝酸盐积累率均高于90%,SVI维持在200mL/g左右,氨氧化菌活性(SOURAOB)分别为5.69mgO2/(gMLSS·h)、7.91mgO2/(gMLSS·h)、 10.66mgO2/(gMLSS·h)、 12.80mgO2/(gMLSS·h)、 9.69mgO2/(gMLSS·h),显著高于对照组[3.93mgO2/(gMLSS·h)],成功启动短程硝化。通过双倒数法拟合得到AOB的氨氮半饱和常数(KSN)分别为75.25mg/L、23.15mg/L、24.53mg/L、9.78mg/L和24.79mg/L,当声能密度为0.10W/mL时略大于对照组(74.21mg/L),其他超声组均显著小于对照组,超声波辐照可使AOB优先获得基质并实现增殖,从而快速启动短程硝化。

不同曝气量下超声波对污泥沉降性能的影响

研究了在曝气量分别为3.0、2.5、2.0、1.5 L/min条件下超声波辐照对污泥性能的变化规律。在较高曝气量条件(3.0、2.5 L/min)下,超声组(声功率密度50 W/L)的污泥容积指数(SVI)略高于对照组(对照组、超声组SVI分别维持在250、300 m L/g),出水NH_4^+-N的质量浓度均维持在10 mg/L左右,COD的去除率均维持在90%以上。较低曝气量(2.0、1.5 L/min)条件下,超声组(声功率密度100 W/L)的污泥SVI保持在150 m L/g左右,而对照组SVI最高达到700 m L/g。对照组蛋白质和多糖含量分别为5.9、9.26 mg/(L·g),明显高于超声组的0.6、6.41 mg/(L·g)),对照组出水NH_4^+-N的质量浓度由20 mg/L持续上升到60 mg/L。因此,适宜强度的超声波辐照改善了污泥的沉降性能。

低强度超声波启动短程硝化及NOB抑制动力学

在序批式生物反应器中探究低强度超声波对短程硝化启动性能的影响,考察了亚硝酸盐积累率(NAR)、亚硝酸盐氧化菌(NOB)活性、NOB动力学参数的差异。结果表明,超声组(声功率密度0.20、0.25、0.30 W/mL)在30 d时NOB活性分别为5.01、3.57、3.29 mg/(g·h),显著低于非超声波辐照的对照组(8.01 mg/(g·h)),超声组NAR均高于90%,成功实现短程硝化。NOB的底物半饱和常数(KS)分别为310.4、134.6、241.4 mg/L,显著大于对照组的25.31 mg/L。因此,低强度超声波辐照污泥,减小了NOB增殖速率的同时抑制其活性,将硝化作用控制在亚硝化阶段,从而保证短程硝化启动。

超声波声能密度对SNEDPR的影响

用不同声能密度(0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.3 W/mL)的超声波对同步硝化内源反硝化除磷(SNEDPR)系统进行周期性辐照,通过考察系统的脱氮除磷效果、污泥性能、微生物活性和胞内物质转化,研究超声波声能密度对SNEDPR系统的影响.结果表明,声能密度为0.1 W/mL时除磷效果最好,出水PO43--P浓度平均为0.27 mg/L.超声组反应器的污泥浓度较对照组低29%~38%,出现污泥减量现象.以亚硝酸盐作为电子受体的比吸磷速率在0.10 W/mL时达到最大为5.47 mg PO43--P/g MLSS·h.声能密度为0.10 W/mL的厌氧阶段ΔPoly-P/ΔHAc在各组中最大为0.57,表现出超声波对PAO的强化.厌氧阶段的Poly-P和释磷量的变化显示超声波能够有效降低无效释磷及“溶磷”现象.

低强度超声波对短程硝化污泥的影响

以周期性超声辐照的污泥为研究对象,在序批式反应器(SBR)中开展超声波对短程硝化效果的研究,并进一步研究超声波对酶活性、脱氮速率、胞外聚合物的影响。结果表明,0.1~0.7W/mL的超声波均可促进短程硝化,最高亚硝酸盐积累率(NAR)达98.21%。超声波通过强化氨单加氧酶(AMO)活性,抑制亚硝酸盐氧化酶(NXR)活性促进短程硝化,AMO活性最高同比增长63.84%,NXR活性最高下降89.03%。比脱氮速率、反应器脱氮速率并不完全与酶活性变化趋势一致,AOB关键酶活性仅与比氨氧化速率(SAOR)变化一致,而NOB关键酶活性与反应器亚硝酸盐氧化速率(NOR)一致,超声波引起的污泥减少对AOB菌群数量的负面影响大于NOB。周期性超声后,污泥EPS的总量随声能密度先增加后减少,超声波对LB-EPS的剥离大于TB-EPS,对多糖的剥离大于蛋白质,较高的声能密度会造成蛋白质的积累。

运行模式及C/N对强化AGS短程硝化反硝化的影响

为了强化好氧颗粒污泥(AGS)的短程硝化反硝化,对序批式反应器(SBR)的运行模式和进水C/N进行了优化。结果表明:R2(厌氧/好氧+厌氧/好氧)中的AGS培养至第56天时,丝状菌膨胀严重导致反应器暂停运行;而R1(厌氧/好氧)的污泥性能及污染物去除效果均优于R2。R1在C/N为6、7.5时短暂出现短程硝化反硝化现象,继续提高C/N至10,NO2--N出现明显积累,亚硝态氮积累率(NAR)达到100%,成功实现了强化AGS短程硝化反硝化脱氮的目的,系统对COD、TIN、TP的去除率分别达到95%、75%、70%以上。高通量测序结果表明,颗粒化后R1系统内的微生物群落结构与接种污泥差别较大。在属水平上,接种污泥中Candidatus_Competibacter(0.28%)、Flavobacterium(0.03%)的相对丰度较低,R1在实现污泥颗粒化后,多种反硝化细菌如Candidatus_Competibacter(13.53%)、Thauera(3.25%)等得到了明显富集,此外,Flavobacterium(13.66%)、Comamonas(2.23%)是优势积累的氨氧化细菌(AOB),推测这些细菌相互合作,共同实现了AGS系统的高效短程硝化反硝化脱氮。

温度冲击对低强度超声波促进短程硝化的影响

采用低强度超声波辐照污泥,考察了 SBR内亚硝酸盐积累率(NAR)、氮素转化、比耗氧速率(SOUR)、污泥性能的变化,探究温度冲击对低强度超声波促进短程硝化的影响。结果表明,温度由18℃升高至28℃后,对照组的短程硝化消失,超声组的NAR仍保持在90%以上,实现了稳定的短程硝化。对照组和超声组的SOURmb分别为3.76,3.80 mgO2/(gMLSS·h),但超声组的SOURnob为3.95 mgO2/(gMLSS·h),显著低于对照组的7.90 mgO2/(gMLSS·h)。对照组的污泥容积指数(SVI)由200 mL/g持续升高至500 ml/g以上,发生了污泥膨胀,而超声组的SVI值一直保持在200 mL/g左右。通过扫描电镜发现,超声波辐照增加了污泥中的短杆菌和球菌数量,促进了氨氧化菌(AOB)活性,同时有效抑制了亚硝酸盐氧化菌(NOB)活性。因此,可通过低强度超声波辐照提高短程硝化的抗温度冲击性能,以保证短程硝化的稳定运行。