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1、书书书 第 47 卷第 8 期 2 0 1 5 年 8 月 哈尔滨工业大学学报 JOUNAL OF HABIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY Vol. 47No. 8 Aug 2015 doi:1011918/jissn0367- 6234201508017 MB-SNAD 工艺处理生活污水效能及微生物特征 张肖静 1 ， 李 冬 2， 梁瑜海2 ， 张 杰 2， 3 ( 1环境污染治理与生态修复河南省协同创新中心 ( 郑州轻工业学院) ， 450001 郑州; 2 水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室( 北京工业大学) ， 100124 北京; 3 城市水资源与水环境国
2、家重点实验室( 哈尔滨工业大学) ， 150090 哈尔滨) 摘要:为考察基于膜生物反应器( MB) 的同步亚硝化厌氧氨氧化反硝化( SNAD) 工艺处理生活污水的可行性， 在 SNAD 工艺稳定 运行的 MB 中逐步加入生活污水， 同时微调曝气量及 HT 等参数， 考察生活污水中污染物的去除效果， 通过物料衡算计算不同阶段 反应器内的脱氮路径， 同时通过克隆测序技术分析了微生物种群特征结果表明， MB- SNAD 工艺可以实现生活污水中 C、 N 及 SS 的同时高效去除， 总氮去除负荷达065 kg/( m3 d) ， 出水氨氮小于 5 mg/L; COD 去除率达 87%， 出水 COD
3、 小于 50 mg/L; 浊度去除率 达99%， 出水浊度在1 NTU 以下， SS 在10 mg/L 以下， 达到城镇污水处理厂污染物排放标准( GB189182002) 的一级 A 排放标准反 应器中存在约12%的反硝化脱氮和88%的全程自养脱氮( CANON) ， 实现了异养脱氮和自养脱氮的协同合作好氧氨氧化菌、 厌氧氨 氧化菌和反硝化菌共存于系统内MB- SNAD 是处理生活污水的适宜工艺 关键词:膜生物反应器; 同步亚硝化厌氧氨氧化反硝化; 全程自养脱氮工艺; 生活污水; 脱氮; 化学需氧量 中图分类号:X7031文献标志码:A 文章编号:03676234( 2015) 080087
4、05 Performance and microbial characteristic of SNAD process for treating domestic sewage in a membrane bioreactor ZHANG Xiaojing1，LI Dong2，LIANG Yuhai2，ZHANG Jie2， 3 ( 1Collaborative Innovation Center of Environmental Pollution Control and Ecological estoration，Zhengzhou University of Light Industry
5、，Henan Province，450001 Zhengzhou，China;2 Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment ecovery Engineering( Beijing University of Technology) ，100124 Beijing，China;3 State Key Laboratory of Urban Water esource and Environment( Harbin Institute of Technology) ，150090 Harbi
6、n，China) Abstract:Simultaneously partial nitrification，anammox and denitrification ( SNAD)process was used for treating domestic sewage in a membrane bioreactor ( MB) Domestic sewage was gradually pumped into the system， removal trend of the pollutants were evaluated via the changing of operational
7、HT and air flow The nitrogen removal pathway was analyzed via the mass balance analyze studying，and microbial characteristics via clone- sequencing detection esults suggested that a simultaneous removal of C，N and SS was achieved in the system， with the nitrogen removal rate to 065 kg/( m3 d) ，efflu
8、ent ammonia below 10 mg/L;COD removal efficiency to 87%，effluent COD below 50 mg/L;turbidity removal to 99%，effluent turbidity below 1 NTU，and SS below 10 mg/L，which met the demand of the first grade A standards of Urban Sewage Disposal Plant Contamination Integrated Discharge Standard ( GB18918 200
9、2) Denitrification contributed to 12% nitrogen removal while ( completely autotrophic nitrogen removal over nitrite，CANON)contributed to 88%，and AOB，anammox and denitrifiers coexisted in the reactor Keywords:MB; SNAD; CANON; domestic sewage;nitrogen removal;COD 收稿日期:20140729 基金项目:国家自然科学基金( 50878003)
10、 ; 郑州轻工业学院博士科 研基金( 2014BSJJ055) 作者简介:张肖静( 1986) ， 女， 讲师; 李冬( 1976) ， 女， 教授， 博士生导师; 张杰( 1938) ， 男， 博士生导师， 中国工程院院士 通信作者:李冬， bjut_lidong 163com 全程自养脱氮工艺( completely nitrogen removal over nitrite， CANON) 是近年来在厌氧氨氧化反应的 基础上发展起来的， 该工艺将亚硝化反应和厌氧氨 氧化反应结合在同一个反应器中， 在单一系统内完 成总氮的去除 12 ， 其反应式3 1NH3+085O 2 011NO 3+
11、0445N2+014H +143H 2O ( 1) 然而， 该工艺的最大总氮去除率仅为 89%， 无法 实现完全脱氮此外， 该工艺完全不消耗 COD， 而不含 任何 COD 的废水几乎是没有的因此， 在 CANON 工 艺的基础上， 提出了同步亚硝化厌氧氨氧化反硝化 (simultaneouspartialnitrification，anammoxand denitrification， SNAD) 工艺 45 该工艺将反硝化反应 5C+2H2O+4NO3 2N2+4OH+5CO2( 2) 耦合进 CANON 工艺， 即将式( 2) 与式( 1) 两种反应 结合， 去除 CANON 反应生成的
12、硝氮， 同时消耗一部 分 COD， 实现碳氮的同时去除 4，6 SNAD 工艺已经 在几个处理高温高氨氮废水的实验室系统中得到成 功应用 5，710 ， 目前关于低氨氮废水的研究还较少， 尤其是生活污水的研究未见报道 本文在 MB 内首先启动了 CANON 工艺， 之后 通过逐渐加入 COD 转变为 SNAD 工艺， 在其稳定运 行后逐步引入生活污水， 考察了常温下 MBSNAD 工艺应用于实际生活污水处理的可行性及系统内的 脱氮路径， 利用克隆测序技术分析了处理生活污 水的 MB 系统内的微生物特征， 以期为该工艺的应 用提供技术指导 1实验 11实验装置 以 SNAD 工艺稳定运行的 MB
13、 用于处理生活污 水， 考察污染物去除效果及相应的微生物特征， MB 反 应器装置见图1反应器高 40 cm， 内径13 cm， 有效体积 3 L内部放置聚偏氟乙烯中空纤维膜组件( 厦门， 鲲 扬) ， 膜孔径 01 m， 有效面积02 m2， 膜清水通量 36 L/h反应器底部设曝气环供氧， 内部设机械搅拌器 混合泥水连续进水的同时， 通过蠕动泵经由膜丝连续 抽吸出水整个反应器置于直径 30 cm 的水浴中， 保证 恒温25 运行实验过程中曝气量为 04 L/min 左右， DO 为015 mg/L， HT 为3031 h !# $ # # # # % NO2 N: N( 1萘基) 乙二胺分
14、光光度法; NO 3 N: 紫外分光 光度法; COD: 5B3B 型 COD 快速测定仪; 碱度: ZDJ2D电位滴定仪; DO、 pH、 T: WTW 多电极测定仪 14DNA 提取和克隆测序 在实验的最后 1 d 从反应器中取污泥， 利用 DNA 提取试剂盒( 上海生工) 根据说明书步骤提取基因组 DNA， 提取出的 DNA 在 08%的琼脂糖凝胶中电泳检 测， 以检查纯度及长度是否正确之后利用纯化试剂 盒对 DNA 进行纯化， 以去除蛋白质等杂质 对纯化后的 DNA 采用正义引物 27 F (5 AGAGTTTGATCCTGGCTCAG 3 ) 和 反 义 引 物 1492 ( 5 G
15、GTTACCTTGTTACGACTT3 ) 进行基 因组 16SrNA 的扩增PC 扩增条件如下:94 ， 5 min; 35 个循环( 94 ， 30 s; 55 ， 40 s; 72 ， 90 s) ; 72 ， 8 min之后利用纯化试剂盒( 上海生工) 将 PC 产物纯化回收， 采用 pMD19T 克隆系统进行 克隆， 克隆子送至上海生工公司在 ABI3730 系统上进 行测序共测得 22 个有效序列， 有效序列采用 BLAST 工具与 GenBank 数据库中的注册序列进行比对 2结果与讨论 21生活污水中污染物的同时高效去除 在稳定运行的 MB- SNAD 系统， 第 1 阶段(
16、第 637 天) 首先加入 1/2 的生活污水及 1/2 的人工配 水， 第 2 阶段( 第 3896 天) 则改为全部生活污水， 总氮去除效果如图 2 所示在反应器引入 1/2 生活 污水后， 出水氨氮最初有几天升高， 这可能是由于生 活污水中存在的有机物、 表面活性剂等， 使得微生物 不能很快适应水质的变化同时， 总氮去除率和总氮 去除负荷( N) 也有一定程度的下降然而， 生活污 水的引入并没有对该系统造成太大的冲击， N很快 88哈尔滨工业大学学报第 47 卷 开始升高， 而且一直呈现升高的趋势运行 1 个月时 N基本稳定， 出水亚氮和硝氮几乎均检测不到这 些结果表明， 反应器里亚硝化
17、、 厌氧氨氧化和反硝化 很好地完成了相互适应的过程， 在同一个系统内协同 合作， 实现了异养脱氮与自养脱氮的耦合1 个月后， 将进水改为全部生活污水， 进水氨氮质量浓度波动较 大， 然而在两个月的运行期间， 反应器均能够保持较 高的N， 基本稳定在065 kg/( m3 d) ， 总氮去除率稳 定在 933%， 出水氨氮小于 5 mg/L， 能够达到城市污 水一级 A 排放标准可见， 总氮去除率远远高于 CANON 工艺的理论最高去除率， 这说明将生活污水 引入 CANON 工艺， 实现了反硝化与 CANON 工艺的 耦合， 即 SNAD 工艺， 能够提高总氮去除率， 进一步增 强脱氮效果 !
18、 # $ % 根据式( 1) ， CANON 反应去除的总氮为8108 089=7216 mg/L; 生成的硝氮为 0118108= 892 mg/L; 因此， 反硝化消耗的硝氮为 892+03609 = 838 mg/L; 根据式( 2) ， 反硝化1 g 硝氮需消耗286 g COD， 因 此， 反硝化消耗的 COD 为74286=2116 mg/L; COD 总去除量为294943982=25512 mg/L; 其余的 COD 去除则由异养菌氧化完成， 即 255122116=23396 mg/L; 总氮去除量为 进水( NH4 + ) + 进水( NO2 ) + 进水 ( NO3 )
19、( 出水( NH4 + ) + 出水( NO2 ) + 出水( NO3 ) ) = 9462+036+036( 1312+078+09) = 8054 mg/L 所以， 反硝化占总氮去除的比例为838/8054= 104%; 厌氧氨氧化所占的比例为7216/8054=896% 在阶段 2， 出水中亚氮和硝氮均为 0进水中的 亚氮由 CANON 反应转化， CANON 反应生成的硝氮 及进水中的硝氮则均由反硝化反应转化 因此， 参与 CANON 反应的氨氮和亚氮总和为 进水( NH4 + ) 出水( NH4 +) ( 进水( NO2 ) 出水( NO2 ) ) = 8496341+0110=81
20、66 mg/L 根据式( 1) ， CANON 反应去除的总氮为8166 089=7268 mg/L; 生成的硝氮为 0118166=898 mg/L 因此， 反硝化消耗的硝氮为 898+106006= 998 mg/L; 反硝化消耗的 COD 为 998286=2855 mg/L; COD 总去除量为 262433288=22955 mg/L; 其余的 COD 去除则由异养菌氧化， 即22955 2855=201 mg/L; 总氮 去 除 量 为 进水( NH4 + )+ 进水( NO2 )+ 进水( NO3 ) ( 出水( NH4 + ) + 出水( NO2 ) + 出水( NO3 ) )
21、 = 8496+011+106( 341+0+006) = 8266 mg/L 所以， 反 硝 化 占 总 氮 去 除 的 比 例 为 9 98/ 8266=1207%; 厌氧氨氧化所占的比例为 7268/ 8266=8793% 由上述结果可知， 在处理全部生活污水阶段， 反 应器中反硝化比例高达 1244%， 而 SNAD 工艺中反 硝化的理论最大比例仅为 11%出现该差异的原因 是进水中含有少量硝氮， 而这部分硝氮也被反硝化 转化， 因此增加了反硝化比例同时， 该阶段的结果 说明， 系统内的 COD 大多通过好氧氧化去除， 经反 硝化去除的 COD 不足 30 mg因此， 在实际应用中，
22、可以首先前接厌氧产能工艺， 将生活污水中大部分 COD 转化为能源， 出水进入 MB- SNAD 系统进行氨 氮去除和 COD 的进一步去除， 从而实现能源回收和 低耗脱氮 23生活污水处理系统中的微生物特征 该生活污水处理系统运行稳定后， 取泥样进行 微生物群落组成分析， 克隆测序结果见表 3可以看 出，克 隆1、2、3均 属 于 亚 硝 化 单 胞 菌 ( Nitrosomonas) ， 属于 AOB， 在该系统内主要负责氨 氮的好氧氧化 而克隆 4 为厌氧氨氧化库氏菌 ( Candidatus Kuenenia stuttgartiensis) ， 属于 anammox 菌 14 ， 主
23、要负责将 AOB 生成的亚氮和剩余的氨氮 转化为氮气排放克隆 5 和 6 属于反硝化菌， 同时克 隆 7 也具有反硝化功能15 ， 负责将 anammox 生成的 硝氮转化为氮气， 实现 TN 的进一步去除由此可见， 在测得的 22 个有效序列中包含有 1/3 的脱氮功能 菌， 因此， 脱氮菌仍然是系统内的优势微生物， 该系 统是以脱氮为主体的反应系统， 这与反应器表现出 高效的脱氮性能一致另一方面， 3 个 AOB 的序列均 属于亚硝化单胞菌， 说明 AOB 群落较单一， 从侧面 也证明了是自养脱氮为主体的工艺， 因为自养脱氮 系统对于亚硝化单胞菌具有优先选择性同时， 3 种 脱氮菌的共存也
24、证明了反硝化与 CANON 工艺的成 功耦合， 即 SNAD 工艺的成功实现3 种微生物在该 系统内协同作用， 完成了 COD 和 TN 的同时去除 反应器内 COD 的去除主要是由好氧异养菌和 厌氧反硝化菌两类细菌完成由 22 节的计算过程 可知， 通过反硝化去除的 COD 很少， COD 的去除大 部分由好氧异养菌完成好氧异养菌的分类很多， 且 很多细菌均具有该能力， 因此， 目前没有很好的微生 物学方法对其进行鉴定或者划分在这 22 个序列 中， 有 12 个序列属于变形菌门， 证明了变形菌门的 优势地位， 此外还包含一些与未培养的序列相似度 较高的序列克隆 22 为菌胶团， 证明反应器
25、内主要 是以活性污泥法为主体的生态系统 09哈尔滨工业大学学报第 47 卷 表 3 16S rNA 的克隆测序结果 克隆最相似种属相似度/%登录号所属细菌类群 1Nitrosomonas europaea99N_074774proteobacteria 2Nitrosomonas sp99HF678378proteobacteria 3Nitrosomonas sp99HF678378proteobacteria 4Candidatus Kuenenia stuttgartiensis97KF429801Planctomycetia 5Thiobacillus denitrificans91N
26、_025358proteobacteria 6Thiobacillus denitrificans94N_074417proteobacteria 7Hydrogenophaga sp99AB636293proteobacteria 8Derxia gummosa89KC428629proteobacteria 9Azoarcus sp87AB241406proteobacteria 10Thauera sp92N_074711proteobacteria 11Lysobacter sp92JX964994proteobacteria 12aoultella ornithinolytica99
27、N_102983proteobacteria 13Polyangium sorediatum96GU207880proteobacteria 17Thermanaerothrix daxensis91HM596746Anaerolineae 21Acidobacteria bacterium95GU1870321Acidobacteriales 14uncultured bacterium99HQ640560Bacteria 15uncultured bacterium99JX875902Bacteria 16uncultured bacterium99JX875902Bacteria 18O
28、rnatilinea apprima99AB445105Bacteria 19Caldilinea tarbellica96HQ640588Bacteria 20Litorilinea aerophila99AB445105Bacteria 22filamentous symbiotic bacterium of Methylobacterium sp92AB112774Bacteria 3结论 1) MB- SNAD 工艺适宜处理生活污水， 可实现 C、 N 及 SS 的同时高效去除 总氮去除负荷达到 065 kg/( m3 d) ， 出水氨氮小于 5 mg/L; COD 去除 率达 87%
29、， 出水 COD 小于 50 mg/L; 浊度去除率达 99%， 出水浊度小于 1 NTU 2) 处理生活污水的 MB- SNAD 工艺中主要存 在好氧氨氧化、 厌氧氨氧化和反硝化多种脱氮路径， 其中自养脱氮比例为 88%， 异养反硝化比例为 12% 3) 系统内脱氮微生物为亚硝化单胞菌、 厌氧氨 氧化库氏菌和反硝化菌， 3 种微生物协同作用完成了 COD 和 TN 的同时去除 参考文献 1 THID K A， SLIEKES A O， KUENEN J G， et al The CANON system ( completely autotrophic nitrogen- removal o
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