ABR-MBR耦合工艺中短程硝化调控及反硝化除磷效能研究

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采用ABR-MBR耦合工艺对实际的生活污水进行处理,工艺前端厌氧折流板反应器(ABR)能够将生活污水中的有机物分解,有效去碳的同时为反硝化除磷菌提供优质碳源。后端膜生物反应器(MBR)进行硝化反应,产生的硝化液回流到ABR反硝化除磷隔室进行反硝化除磷。相较于全程硝化,短程反硝化除磷进一步节省了碳源和能源的需求。目前短程硝化的实现方法大多是控制反应器运行条件,包括低DO、高FA、高FNA、高温等。但在主流废水中,废水中存在的有机碳源及低氨氮浓度不利于AOB生长繁殖,且主流废水温度还随环境温度变化,温度较低,也不利于AOB的富集及对NOB的抑制。因此主流废水短程硝化的应用还在研究中。本研究采用ABR-MBR耦合工艺处理生活污水,实现短程反硝化除磷的同时,对反应器中碳、氮、磷去除特性、微生物种群变化进行研究,得出以下主要结论:(1)向MBR中投加多孔凝胶填料,进行填料挂膜。反应器内DO维持在1~4mg·L-1,通过缩短反应器水力停留时间(HRT)的方式,提高氨氮容积负荷,从而控制反应器中剩余氨氮浓度及低的DO/NH4+值,实现MBR短程硝化。运行阶段Ⅲ,反应器中DO/NH4+比值在0.05~0.2之间,亚硝酸盐积累率(NAR)不断增加,维持在70%左右,实现短程硝化。反应器中高浓度剩余氨氮保证了DO/NH4+-N值在较小的范围内,同时因生物膜的分层结构(AOB位于外表面,NOB位于较内层)外部的AOB利用溶解氧,使生物膜表面形成一层耗氧屏障,内部NOB所能利用的溶解氧有限,达到抑制NOB的目的,实现短程硝化。不同HRT下,ABR出水COD浓度为31.08、44.67、34.57 mg·L-1,系统COD去除率在90%以上。当ABR和MBR反应器的HRT分别为8 h和3.39 h时,ABR-MBR耦合系统获得最佳除磷效果,系统平均除磷效率在47.25%。(2)保持HRT不变,提高进水基质浓度,研究其对系统碳、氮、磷去除效果的影响。结果表明:进水基质提高,A1隔室去除有机物的量增加,处理能力提升,但ABR出水COD浓度不断增加,出水COD平均浓度分别为34.35、58.13、68.28mg·L-1。尽管MBR反应器中DO/NH4+-N比值较小,短程硝化仍遭到破坏。但MBR反应器中总氮去除率增加。不同工况下系统总氮和磷的去除率分别为63.51%、74.87%、78.06%和26.55%、35.50%、49.35%,即随进水基质浓度增加,系统整体的脱氮除磷效能也随之增加。(3)采用高通量测序技术对反应器运行过程中的生物膜及A2隔室反硝化除磷污泥进行分析,结果表明:门分类水平上,生物膜的优势微生物种群为Proteobacteria(变形菌门)、Chloroflexi(绿弯菌门)、Actinobacteriota(放线菌门)、Bacteroidota(拟杆菌门),其中Proteobacteria(变形菌门)丰度增加,最大为44.78%。在属分类水平上,AOB及NOB丰度较小。Acinetobacter为优势微生物,进行异养硝化和除磷,在生物膜中丰度分别为17.04%、22%。此外生物膜中还存在较多的脱氮菌群,包括Denitratisoma和Candidatus_Brocadia,脱氮菌群丰度随反应器进水浓度增加而增加。ABR反硝化除磷隔室中优势微生物种群为Proteobacteria(变形菌门)、Chloroflexi(绿弯菌门)、Firmicutes(厚壁菌门)。具有反硝化除磷功能的菌属主要为Thauera(陶厄氏菌属)和Dechloromonas。随反应进行,DPAOs占总生物量的比值达到5.53%。
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