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上流式部分曝气生物滤池用于生活污水脱氮除COD的可行性研究
摘 要
一种上流式部分曝气生物滤池（U-PABF）被用于研究去除合成生活污水中的氮和COD。此过程中的氨氮的去除主要归功于填料为沸石的U-PABF中吸附作用以及填料为陶粒的U-PABF的生化作用。当水力停留时间（HRT）为5.2h时，陶粒U-PABF达到了最佳去除效果，其中，氨氮、总氮和COD的去除率分别达到99.08 plusmn; 8.79%, 72.83 plusmn; 0.68%, 和89.38 plusmn; 1.04%。在滤池不同深度处都测得到氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮以及总氮的指标，证明了在陶粒U-PABF中存在同步的硝化-反硝化以及厌氧氨氧化。焦磷酸测序证明了浮霉菌的存在，也侧面说明了厌氧氨氧化作用。结果表明，U-PABF对氨氮、总氮以及COD的高效去除是因为滤池中同时存在的硝化-反硝化以及厌氧氨氧化作用。
1介绍
氮是一种主要的废水污染物来源，可以引起多种环境和人类健康问题。畜牧业、过量化肥和工业废水排放都会形成含氮废水。氮是水生植物和浮游生物的一种重要的营养物；但是废水中过量的氮也引起了严重的环境变化，例如水体富营养化。另外，研究表明氨的氧化物（亚硝酸盐和硝酸盐）是引起人类多种疾病的原因，例如高铁血红蛋白症。因此，去除废水中的氮已经成为减少经济损失和保护公众健康的重要一步。
同步硝化-反硝化作用已被广泛应用于脱氮，因为它稳定、易于控制并且成本较低。缺氧/好氧池，厌氧/缺氧/好氧池和氧化沟是基于硝化-反硝化理论的传统废水处理工艺。但是，这些工艺在效率、处理能力和占地面积上都有一些缺陷。生物曝气滤池是一种新型的，高效且灵活的生物反应器，并且占地面积相当小，更易于操作并其效率极高，并且在去除有机物和氨氮方面相比于活性污泥法有更高的效率。近几年来，BAF已经被应用于处理多种类型的含氮污水，包括城市污水、垃圾渗滤液和石油废水。尽管，传统的生物曝气滤池已经十分可靠，但是在节能和去除效率方面还有些不足。第一，为了保持好氧环境而持续曝气将产生大量能源消耗。第二，单级BAF不利于创造反硝化所需的厌氧环境，另外，两级生物曝气滤池也需要更大的占地面积。
针对以上存在的问题，为了改进生物滤池，一些研究已经在BAF的结构上做出改进，例如：下行式部分曝气式生物滤池以及两级-芬顿-曝气生物滤池。下行式部分曝气式生物滤池从强化反硝化、节能以及节省占地方面是一种有力的措施。但是下行式部分曝气式生物滤池易引起湍流，因此下行水流易把好氧区的溶解氧带入非好氧区，导致对缺氧区产生不利影响。因此，下行流模式在该滤池中只能起到有限的作用。之前的研究也曾指出过下行式滤池的缺点。Han对比了上行式生物滤池和下行式生物滤池的COD去除效率和微生物群体，观察到上行式生物滤池的COD去除效率比COD去除效率高10%。与此同时，汽水同时存在的上流式滤池工艺也被广泛应用于生物滤池系统中。它比较适用于高水力负荷，并且可以缓解恶臭问题。近年来，上行式生物滤池在脱氮方面都达到了不错的效果。另外，研究者们也更加关注用下行式部分曝气式生物滤池处理低浓度含氮废水。但是很少有研究将部分曝气生物滤池用于生活污水的处理。因此，部分曝气生物滤池的脱氮机制和微生物群落特征值得深入研究。
这个实验的目的是为了评估UPABF去除合成生活污水中氮和COD的能力，并探究其去除氮的机制。实验中运用UPABF模型装置去探究在不同滤池填料（陶粒和沸石）、不同水力停留时间（2.6h，3.5h和5.2h）条件下的脱氮和降解COD效率。在好氧区和非好氧区的脱氮效率可以为脱氮机制提供依据。并对污泥进行焦磷酸测序，来分析UPABF的生物群落结构。
2材料和方法
2.1活性污泥
活性污泥取自二沉池（北京清河污水处理厂）。为了培养好养微生物，活性污泥被放置在一个2L的烧杯中，并加入C6H12O6 (5.00 mM), K2HPO4 (0.18 mM), NH4Cl (2.87 mM), MgSO4(0.04 mM), FeSO4 (0.009 mM), MnSO4 (0.03 mM)和 CaCl2(0.04 mM)，保持在30℃，每天曝气6h。为了培养厌氧微生物，活性污泥被放置在一个密封的2L烧杯中，并加入C6H12O6 (5.00 mM), K2HPO4(0.18 mM), NaNO3 (7.14 mM), MgSO4 (0.04 mM), FeSO4(0.009 mM), MnSO4 (0.03 mM), 和 CaCl2 (0.04 mM)，保持30摄氏度。在接种前，厌氧微生物和好氧微生物都培养一个月，营养液每日更换。
2.2合成污水
U-PABF由合成废水供给，以自来水制取，添加葡萄糖作为碳源，NH4Cl作为氮源，K2HPO4作为磷源，一小部分NO3--N和NO2--N由合成污水带入。合成废水的各个污染指标参考生活污水，其中一些指标列在表1中。
表1 合成污水的指标
|
参数 |
范围 |
平均值 |
|
COD(mg/L) |
398.4-471.7 |
435.746.70 |
|
NH4 -N(mg/L) |
40.01-58.62 |
46.70 |
|
NO3—N(mg/L) |
0.7090-3.1430 |
1.3620 |
|
NO2—N(mg/L) |
0.0166-0.0296 |
0.0254 |
|
pH |
7.45-7.82 |
7.66 |
2.3UPABF系统的描述
反应器原理图如图1所示。U-PABF采用北京丙烯酸厂制造的丙烯酸玻璃柱制成，高度1200mm，直径80mm。填满介质液体后，U-PABF的正常工作容积为1.5L。U-PABF反应器的底部装有100mm的支撑区域以防止介质被冲走。支撑区填充有直径为1-2毫米，高度为100毫米的石英砂。在支撑区之上，U-PABF在不同的实验中填充有直径为3-5mm，高度为900mm的沸石或陶瓷。在填充材料的顶部，安装了多孔板以保持介质浸没在反应器内。在顶层上有一个100mm高度的缓冲区，使部分处理过的水溢出，另一部分处理过的水返回反应器底部。
图1实验室规模的U-PABF系统的实验示意图
六个取样口（P1-P6，直径5毫米）以150毫米的间隔沿着反应器的深度放置。 空气被引入到与空气扩散器，其被安装在400毫米的深度的反应器中。 与传统的BAF相比，本研究中的空气扩散器放置在单个反应器中分别形成曝气（有氧）和非曝气（缺氧）区域。 通气速率使用流量计测定。
为了建立上流系统，使用蠕动泵将合成废水泵入反应器的底部。另一个蠕动泵用于将处理后的水泵回到反应器的底部。再循环比例设定为1：1。合成的废水储存在20L的进水池中，每天更换一次。反应器在室温下进行操作（22plusmn;3℃）。
2.4氨氮吸收实验
对于BAF来说，要达到所需的去除效果，选择正确的填充材料至关重要。 陶瓷和沸石都是BAFs中常用的填充材料。为了分析填充材料对氨去除的吸附效果，因此在U-PBAF中进行了静态吸附试验，研究NH4 -N在陶瓷和沸石上的吸附特性。
首先用去离子水洗涤颗粒状的直径为3-5mm的沸石和陶瓷，然后在去离子水中浸泡24小时。向一系列250mL锥形瓶中加入5.00g培养基和100mL初始浓度为500mg / L的NH4 Cl溶液。将锥形瓶密封并置于170rpm和25℃的恒温振荡器上。经过一定的时间间隔（10 min, 0.5 h, 1 h, 2 h, 3 h, 4 h, 6 h, 8 h,12 h, 16 h, 24 h, and 48 h），采集水样。水样经过0.45um铝膜过滤并测定分析其氨氮水平。
2.5U-PBAF操作
U-PABF的操作由两个阶段组成：使用不同填充材料的分段运行阶段和使用不同HRT的连续操作阶段。首先，向反应器中加入1.5L与接种污泥混合的合成废水，其中在非曝气区为0.5L，在曝气区为1.0L。为了在填充材料上形成初始生物膜，系统在环境温度（22plusmn;3℃）下以分批模式运行三天，曝气量为1L / min。在前三天内，向反应器连续供应合成废水直到出水中的NH 4 -N和COD达到稳态条件。 检测六个采样口出水和样品中的NH4 -N，NO3--N，NO2--N，COD和pH，评价U-PABF的氮和COD去除性能。 这部分实验分别用陶瓷和沸石作为填充材料进行。接下来，根据具有陶瓷和沸石的U-PABF的性能表现，选择一种适当的填充材料来进行随后的实验。 HRT设定为5.2小时和2.6小时，并且气流速率保持在1L / min。
2.6方法
2.6.1化学分析
每24小时从进水池和出水口取出进水和出水样品进行分析; 每48小时收集P1至P6的流出物样品。收集水样后，用pH计测量pH值。在进行其他测量之前，将水样通过0.45um滤纸过滤。根据标准方法，NO3--N，NO2--N和NH4 -N的水平均通过紫外分光光度计分别在220、275，540和420nm下测量。NO3--N的检出限为0.08 mg / L，NO2--N的检出限为0.003 mg / L，NH4 -N的检出限为0.025 mg / L。使用标准重铬酸钾法和快速消解法测量COD。
2.6.2微生物多样性分析
当U-PABF在HRT下稳定运行时，从充填材料的200mm深度（非曝气区域，T3），50mm（曝气区域，T2）和800mm（曝气区域，T1）收集污泥样品 。 使用土壤FastDNA SPIN试剂盒提取DNA。根据制造商的说明书，首先将样品放入含有2mLLysing Matrix E的试管中，所述Lysing Matrix E是二氧化硅和陶瓷颗粒的混合物，用于裂解所有土壤生物。接下来，FastPrep中的均化作用在Lysing Matrix E的仪器中，在MT缓冲液和磷酸钠缓冲液存在下进行，所述缓冲液和磷酸钠缓冲液是细胞裂解时仔细开发的用于保护和增溶核酸和蛋白质的试剂。裂解后，使用离心机（5417R，Eppendorf，德国）将样品离心以沉淀土壤，细胞碎片和裂解基质。用硅胶基GENECLEAN从上清液中纯化DNA
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