缺氧铵氧化反应器的启动：鹿特丹第一座全规模厌氧反应器的经验外文翻译资料

 2022-08-19 15:40:36

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缺氧铵氧化反应器的启动：鹿特丹第一座全规模厌氧反应器的经验

摘 要

世界上第一个全规模的厌氧氨氧化反应堆在鹿特丹启动。该反应堆直接从实验室规模扩大到全面规模，处理量高达750千克/日。在最初的启动过程中，厌氧氨氧化的转化率不能用传统的方法来识别，但定量PCR被证明是厌氧氨氧化种群增长的可靠指标，表明了厌氧氨氧化的时间为10-12天。在第一次启动过程中获得的经验，加上从这个反应堆获得的种污泥，将导致厌氧氨氧化反应器更快地启动。在未来。鹿特丹采用的厌氧氨氧化反应器类型与厌氧氨氧化工艺的其他反应器类型进行了比较。具有高比表面积的反应器，如颗粒污泥反应器部署在鹿特丹提供最高的体积负荷率。亚硝酸盐向生物膜的传质限制了具有较低比表面积的反应器类型的转换。现在第一个全面的商业厌氧氨氧化反应堆正在运行中，对于采用厌氧氨氧化工艺的反应堆提出了一个一致的描述性命名。

关键词 脱氮；废水处理；厌氧氨氧化；厌氧氨氧化工艺；厌氧氨氧化菌；反应堆规模扩大；定量PCR；实时PCR

1 简介

厌氧氨氧化过程是以亚硝酸盐为电子受体的铵的缺氧氧化（Vande Graaf等人，1996年）。这一过程是由细菌按照浮游菌的顺序进行的（Strou等人），1999年估计翻番时间为11天（Strous等人，1998年）的特点是增长速度极其缓慢。自养生长模式（与高干管结合）由于生长速度缓慢而产生的需求）导致总体化学计量显示出相对较低的生物量产量（Strous等人，1998年）：

底物亚硝酸盐对厌氧氨氧化生物具有毒性，其水平高于50-150mg-N/L，并完全停止了这一过程（Strous等人，1999年）。

首先在自养反硝化反应器中观察到厌氧氨氧化的转化，反硝化过程中有硫化物限制负荷，存在铵（Mulder等人，1995年）。自第一次描述以来，已经开发了基于厌氧氨氧化的废水处理工艺（Jetten等人，1997年），近年来出现了第一批应用。2002年，第一次在污泥处理厂鹿特丹已投入运行。反应器中加入了经过调整的硝化液中部分硝化的污泥液进程（Mulder等人，2001年；Van Dongen等人，2001年）。该反应堆现已全面投入运行（Abma等人，2007年）。本文介绍了反应堆启动过程及其稳定性操作。该手术与以前在实验室规模的研究中报告的厌氧氨氧化相关参数进行了比较。此外，各种基于厌氧氨氧化的进程现在已达到全面规模。讨论了厌氧氨氧化反应堆配置中可能的限制因素的评估。

2 实验

2.1 厌氧氨氧化反应器

全尺寸厌氧氨氧化反应器是Paques BV设计的70m3反应器（图1）。该反应器结合了高负荷率和高效的生物量保持，这是厌氧氨氧化工艺的特点。就像厌氧废水处理一样。下室（钙40m3）由进水流量和下行流量以及从反应器顶部回收的气体混合而成。在较低的上气升机的立管收集气体。液体从较低的舱室移动到较少混合的舱室，从而分层上舱室，主要用于生物量保持污水抛光。进料是从反应器底部引入的，（在负载低于8m3/h或150kg-N/d的情况下）与来自TH出水的额外再循环流混合在一起。反应器保持足够的上流速和剪应力，有利于颗粒的形成。设计荷载为500kg-N/d（7.1kg-N/m3/d），但实际最大荷载由厌氧氨氧化确定污泥消化液中氮的含量（平均约700kg-N/d）。

2.2 污泥处理设施说明

厌氧氨氧化反应器位于污泥处理场（鹿特丹，51。53，48.8，，N，4。27，13.8，，E）。这个地点处理一个城市污水处理厂的污泥（62.04万人口，每人136克COD）。在污泥处理现场，污泥被浓缩和消化（停留时间约30天，温度32-33°C）。消化液（含有钙1200mg/lNH4-N）可以加热或冷却，并被送入SHARON型硝化反应器（Mulder等人，2001年）。硝化反应器的温度保持在33。C和反应器可以单独操作硝化，也可以使用硝化-反硝化（详见2.3：启动策略）。通过控制空气比，避免了亚硝酸盐氧化生成硝酸盐停留时间：通过控制曝气周期，将“曝气水力停留时间”设定得足够长，使氨氧化剂能够生长，但足够短，足以导致（不需要）的冲洗（Hellinga等人，1998年；Mulder等人，2001年）。硝化反应器（很大程度上）的出水-在通过倾斜的平板沉降器之后-作为厌氧氨氧化反应器的进水。厌氧氨氧化反应器的出水返回到进水中。

2.3 启动策略

2.3.1 扩大规模

在10升实验室规模实验的基础上，对离心污泥进行了硝化厌氧氨氧化工艺（Van Dongen等人，2001年），反应器直接放大了7万倍。全面规模，而不首先建造一个试点工厂。然而，预计与新技术有关的一些初期问题----这些问题通常将在试点时确定和解决规模-只会出现在启动这第一次全面安装。为了发现这些预期的问题，并很好地跟踪启动，几个额外的样本点和一个灵活的度量。除了在线监测系统外，还安装了回路。

2.3.2 接种

该反应堆最初接种了鹿特丹-多克哈文废水处理厂的硝化污泥。接种物有污泥龄7天。启动后，从第622天到第1033天，在29次共计9.6m3的情况下，从厌氧氨氧化浓缩反应堆中加入了24至500升的固定生物量。浓缩反应堆是一个5m3混合良好的反应堆连接。向位于Balk（N/ L）的定居者提供教育，在35°C运行，转换为5kg-N/m3/d。浓缩反应器的水力停留时间为0.7天，并以含有合成介质的方式进料-除去类似Van de Graaf等人培养基的营养物质。（1996年）-1.8千克-N/m3NH4Cl和1.6千克-N/m3NaNO2。

2.3.3.控制亚硝酸盐的浓度和负载

在启动过程中亚硝酸盐的浓度对生长至关重要：过低的量会导致底物限制，从而导致底物限制生长较慢，而高于50-150mg-N/l的浓度已经会导致抑制（Strous等人，Dapena-Mora等人，2007年）。这些抑制值特别低在污泥消化液（钙600mg-N/L）上运行的硝化反应器中的亚硝酸盐浓度。

该启动涉及两个阶段。在头900天，启动机制的特点是相对较高的进水流量（平均3.6m3/h，HRT19.4h），浓度较低。亚硝酸盐（平均120mg-N/L）。通过交替曝气周期（用于硝化）将硝化反应器作为硝化-反硝化反应器来实现低亚硝酸盐水平与非曝气期与甲醇投加（用于反硝化）。这种操作方式与厌氧氨氧化反应器安装前的硝化反应器相似。在创业期间厌氧氨氧化反应堆的目的是产生一种污水含有无毒水平的亚硝酸盐。这种运行方式的另一个经济优势是，在第一阶段，污泥处理的整体脱氮率仍然很高厌氧氨氧化反应器的启动。

在启动的第二部分，大约900天后，甲醇投加到硝化反应器中完全停止，反应器作为亚硝酸盐流出物c的硝化反应器运行。浓度接近600mg-N/L。在此阶段，通过改变进水流量，在厌氧氨氧化反应器中仔细平衡负载率与可用的转换能力。亚硝酸盐：铵嗯，大约1：1这是需要的厌氧氨氧化过程-是自动获得的，因为硝化是受碱度的限制。因此，硝酸的酸化作用通过污泥消化液中存在的碳酸盐，阳离子可以平衡约50%（Van Dongen等人，2001年）。

2.4 亚硝酸盐和硝酸盐测定

铵、亚硝酸盐和硝酸盐的日常测量作为计算氮负荷和转化率的依据。厌氧氨氧化反应堆的进水浓度是根据每日平均值计算的硝化作用的出水浓度。采用自动采样装置进行日常流量比例采样..样品在41°C保存。对于厌氧氨氧化流出物样品，每天从立即对厌氧氨氧化反应堆进行了分析。使用商用检测试剂盒（品牌：Lange博士检测试剂盒）检测铵（47-130mg-N/l）、亚硝酸盐（0.6-6mg-N/l）和硝酸盐（0.23-13.5mg-N/l），Hach Lange GmbH、Duuuml;sseldorf、DE、套件LCK304、LCK341和LCK339。分析是在指定的分光度计（LASA20）上进行的。

图1-鹿特丹的全（70m3）规模厌氧氨氧化反应堆，用于处理500公斤-N/d。这张照片显示了上层隔间（深灰色），以及下层隔间（浅灰色）。示意图显示了内部气举，气体循环，六个样本点以及厌氧氨氧化反应器前的倾斜平板沉降器（TPS）。

2.5 定量聚合酶链反应（Q-PCR）

在启动的前1000天，每隔2-5天对部分16SrDNA基因进行Q-PCR。样品取自反应器的样品点2（图1）。

2.5.1 DNA提取

DNA提取按照周等人的描述进行。然而，在初始离心和最终离心之前，使用1ml氧化锆/硅引入了一个步骤加入100mm珠子和1ml萃取缓冲液（pH8.0，含100mmLHCl，100mm EDTA，100mm磷酸盐，1.5M NaCl）。

2.5.2 Q-PCR

提取的DNA用Tris-EDTA缓冲液稀释10倍。将1ml稀释后的DNA提取物与19mL杂交论文（LightCycler DNA主杂交探针，来自罗氏诊断学）混合，使用LightCycler2.0（Roche诊断学）进行Q-PCR。使用Pla46F（Neef等人，1998年）作为前引物。反向引物（AMX667R）设计用于扩增含有621个碱基对的厌氧氨氧化簇的16SrDNA基因的一部分。设计了三种杂交探针，并以1：2：1的摩尔比混合：（1）AMX361（杂交）与所有已知的厌氧氨氧化细菌杂交）、（2）AMX381（与所有已知的厌氧氨氧化细菌杂交）和（3）AMX382（与Kuenia和Brocdia杂交）。引物和探针的细节和序列可以是见表1。通过连续稀释厕所-水处理中的实验室规模厌氧氨氧化富集，对Q-PCR方法进行了验证和校准。富集过程中的检测与t为线性关系浓度在101到107个细胞/毫升之间。鉴于样品中大量的非厌氧氨氧化DNA，104个细胞/ml作为检测限。Q-PCR检测程序的缺点在951°C下进行2min变性，然后50次变性（加热至951°C），然后立即退火，并结合实时检测（55°C下15s）和延伸率（27sa）不是721C）。该程序是在40至85°C之间的熔体曲线分析结束的。

2.6 FISH

在启动的前400天定期对厌氧氨氧化群体进行荧光原位杂交（FISH）分析，以检测厌氧氨氧化的生长，采用AMX820（Brocdia和Kuennia）探针。第1330天，对鹿特丹反应堆的厌氧氨氧化种群进行FISH测定，接种反应或者在巴尔克。使用的探针是AMX368（与所有已知的厌氧氨氧化细菌杂交）、AMX820（Kuenia和Brocadia）和KST-157（Kuenia）。探针和杂交细节（Schmid等人，2000年，2003年）（Loy等人，2003年）。

2.7 在线测量

温度、电导率和pH传感器位于反应器下室的一个测量回路中。对pH传感器进行校准每两个月一次。数值平均超过24小时，以供进一步评估。样品点2和出水中的亚硝酸盐浓度每20min用af分光光度法测定一次全自动分析仪（ADI2019，Applikon，SchiedamN/ L）。

2.8 粒径

将粒度为1000ml的反应器体积用0.25mm和0.45mm的筛网进行筛分。收集过筛的颗粒，重新悬浮在水中，用漏斗沉淀后估计体积。

2.9 控制粒型

鉴于厌氧菌的低生长速率，以及所需的高负荷率，需要高效的生物量保持..很高的上流速度（Beun等人，2000年）是形成良好沉降生物量的一个关键因素，可以留在反应器中。水力停留时间随启动过程中N-载荷的变化而变化..因此，水力资源不能有效地利用时间来保持较高的上升速度。因此，从第1130天起，反应堆顶部的一条可调节的循环水流与进水混合，以保持在启动阶段，当进水率不足以确保足够的造粒时，足够高的上流（2-3m/h）。

2.10 清理污泥

反应堆运转完毕后，污泥被清除在设计容量为500kg-N/d的情况下，污泥被定期从反应器底部去除。从第1341天至第1432天，在上午26次清除了36立方米的污泥宽度从0.5到2m3不等。该污泥用于接种Lichtenvoorde（N/ L）的厌氧氨氧化反应器和Olburgen（N/ L）的一个反应器硝化-厌氧氨氧化工艺。

3 结果

3.1 启动描述

通过分析行为或生物量生长和厌氧氨氧化活性（图2、3），厌氧氨氧化反应器的启动周期可分为两个主要阶段。

头800天：生长期，但没有检测到厌氧氨氧化活性，反应器接种了来自主处理厂的活性污泥

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