厌氧氨氧化反应器的启动: 来自鹿特丹第一座全规模厌氧氨氧化反应器的经验外文翻译资料

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厌氧氨氧化反应器的启动: 来自鹿特丹第一座全规模厌氧氨氧化反应器的经验

摘要

世界上第一个全规模厌氧氨氧化反应器在鹿特丹（荷兰）启动。反应器从实验室规模直接扩大到全规模，并且处理率高达750kg-N / d。在启动的初始阶段，厌氧氧化转化不能通过传统方法，但定量PCR被证明是一个可靠的指标增长的厌氧氨氧化种群，表明厌氧氨氧化倍增时间为10-12天。在这第一次启动期间获得经验，结合从这种种泥的可用性反应器，将使得未来更快启动厌氧氨氧化反应器。 厌氧氨氧化在鹿特丹采用的反应器类型与其他厌氧氨氧化反应器类型进行了比较处理。具有高比表面积的反应器，如颗粒污泥反应器在鹿特丹工作，提供最高的容积负荷率。亚硝酸盐的质量传递进入生物膜限制了具有较低比重的那些反应器类型的转化表面积。现在第一个全规模商用厌氧氨反应器正在运行，建议厌氧氨氧化反应器采用一致和描述性的系统术语。

1.引言

厌氧氨氧化工艺是以亚硝酸盐作为电子受体的厌氧氨氧化（Van de Graaf et al，1996）。 该过程由细菌按照浮酶菌门（Strous等人，1999）的顺序进行，并且大概具有11天的倍增时间（Strous等人，1998），其特征在于极其缓慢的生长速率。 自养生长模式（结合高维护需求由于缓慢的生长速率）导致显示相对低的生物量产量的总化学计量（Strous等人，1998）：NH₄ 1.32N〇₂^- 0.066HC〇₃^- 0.13H 1.02N₂ 0.26N〇_3- 0.066CH₂O_0.5N_0.15 2.03H₂底物亚硝酸盐对高于50-150mg-N / L的厌氧生物体有毒性，并且完全停止该过程（Strous等人，1999b）。

首先在自养反硝化反应器中观察到厌氧氧化转化，在反硝化过程中，在氨的存在下（Mulder等人，1995），其具有硫化物限制性负载。自从第一次描述以来，已经开发了基于厌氧氨的废水处理方法（Jetten等人，1997），并且近年来发生了首次应用。 2002年，第一台全规模厌氧氧化反应器已在荷兰鹿特丹的污泥处理厂Sluisjesdijk投入运行。向反应器供应来自调整的硝化过程的部分亚硝化污泥液（Mulder等人，2001; Van Dongen等人，2001）。反应器现已全面运作（Abma等人，2007）。

在本文中，我们描述了反应器启动的过程，其后稳定运行。该操作与先前在实验室规模的研究中报道的厌氧氨氧化相关的参数进行了比较。此外，讨论了现在达到全规模的各种基于厌氧反应的方法，并且讨论了在厌氧反应器配置中可能的限制因素的评价。

2.实验

2.1 厌氧氨氧化反应器

全规模厌氧反应器是Paques BV设计的一个70立方米的反应器（图1）。该反应器结合了高负载速率和高效的生物质保留，厌氧氨氧化过程与厌氧废水处理共有的特征。下部隔室（约40立方米）通过流入和降液管流以及从反应器顶部再循环的气体混合。在下隔室的顶部，收集气体用于气举的立管。液体从下部隔室移动到较少混合且因此分层的上部隔室，主要用于生物质保留和污水抛光。进料从反应器的底部引入，并且（在低于约8m ³ / h或150kg-N / d的负载期间）与来自反应器的流出物的另外的再循环流混合，以保持足够的上升流速度和剪切应力，以有利颗粒形成。设计负荷为500kg-N / d（7.1kg-N / m³ / d），但实际由最大负荷由污泥消解液中氮的量（平均约700kg-N / d）决定。

2.2 污泥处理设施说明

厌氧氨氧化反应器污泥处理场位于Sluisjesdijk（鹿特丹，荷兰，51O53048.8N，4O27013.8“E）。该场址处理城市污水处理厂Dokhaven的污泥（620400人口当量（体育），定义为136g COD /每人，在污泥处理现场，污泥浓缩消化（停留时间约30天，温度32-33℃），离心消解液（含约1200mg / l NH -N）可加热 或冷却并进料至SHARON型的氮化反应器（Mulder等人，2001）。将该氮化反应器的温度保持在33℃，该反应器可以单独进行亚硝化操作，或者进行亚硝化反硝化操作（参见2.3 ：启动策略）通过控制好氧气停留时间避免亚硝酸盐氧化成硝酸盐：通过控制曝气周期，“充气水力停留时间”设定为足够长以使铵氧化剂生长，但足够短以导致（不期望的）亚硝酸盐氧化剂的冲洗（Hellinga等人，1998; Mulder等人，2001）。 亚硝化反应器的流出物（主要）是通过倾斜板沉降器后用作厌氧反应器的流入物。 厌氧反应器的流出物返回主要污水处理厂的流入物。

2.3 启动策略

2.3.1扩展策略

基于10l实验室中Sluisjesdijk的离心污泥消解物的硝化 - 厌氧氨氧化过程的规模实验（Van Dongen等人，2001），反应器直接扩大规模为70,000倍规模的，没有建立一个实验工厂 。然而，预计与新技术相关的一些初始问题（通常将在中试规模上被识别和解决）将仅在该第一全规模安装的启动期间出现。为了检测这些预期的问题，并且遵循启动良好，除了在线监测系统之外，还安装了多个额外的采样点和灵活的测量回路。

2.3.2接种

反应器最初用来自鹿特丹-Dokhaven废水处理厂的硝化污泥进行接种。 接种物具有7天的污泥龄。在启动后，从第622天到1033天，在总量为9.6立方米的29个反应器，在24和500l之间分批加入来自厌氧氧化浓缩反应器的沉降的生物质。 富集反应器是连接到位于Balk（NL）的沉降器的5立方米充分混合的反应器，在35℃下以5kg-N / m ³ / d的转化率运行。 富集反应器的水力停留时间为0.7天，并加入除了与Van de Graaf等人的培养基类似的介质外的合成培养基（1996）-1.8kg-N / m³ NH₄Cl和1.6kg-N / m³NaN0₂。

2.3.2亚硝酸盐浓度和负荷的控制

启动期间亚硝酸盐的浓度对于生长至关重要：太低的量将导致底物限制并因此导致生长较慢，而高于50-150mg-N / l的浓度已经可能导致抑制（Strous等，1999b ; Egli等人，2001; Dapena-Mora等人，2007）。这些抑制值与在污泥消化物（ca 600mg-N / l）上运行的氮化反应器中的亚硝酸盐浓度相比特别低。

启动涉及两个阶段。在前900天，启动状态的特征在于具有低浓度的亚硝酸盐（平均为120mg-N / l）与相对高的流入流速（平均3.6m ³ / h，HRT = 19.4h）。通过交替地通气（用于亚硝化）和非充气时间（用于脱氮）的甲醇剂量，通过操作作为亚硝化 - 脱氮反应器的亚硝化反应器来实现低亚硝酸盐水平。这种操作模式类似于安装厌氧反应器之前的亚硝化反应器的操作模式。在厌氧反应器的启动期间，目的是产生流出物含有无毒水平的亚硝酸盐。 这种操作模式的另外的经济优点是在厌氧反应器启动的这个阶段期间污泥处理的氮去除作为整体保持高。

在启动的第二部分中，在约900天之后，完全停止向硝化反应器的甲醇给料，并且反应器作为亚硝酸盐反应器运行，亚硝酸盐流出物浓度接近600mg-N / l。在该阶段中，通过改变流入物流速，在厌氧反应器中小心地平衡加载速率与可用的转化能力。亚硝酸盐：铵的比例大约1：1 - 这是厌氧氨氧化过程所需的 - 是自动获得的，因为硝化作用受到碱度的限制。 因此，硝化的酸化效应可以平衡约50％污泥消化物中存在的碳酸盐（Van Dongen等人，2001）。

2.4氨、亚硝酸盐和硝酸盐测量

每日测量铵，亚硝酸盐和硝酸盐作为计算氮负荷和转化率的基础。 厌氧反应器中的流入物浓度基于亚硝化的日平均流出物浓度反应器。 使用自动取样装置进行日流量比例取样。 样品在4℃下储存。 对于厌氧氨氧化流出物取样，从厌氧氨氧化反应器的流出物中每日取出样品并立即分析。 使用商业测试试剂盒（品牌：Dr.Lange测试试剂盒，Hach Lange）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 / GmbH，Diisseldorf，DE，试剂盒LCK304，LCK 341和LCK339）。 在指定的分光光度计（LASA 20）上进行分析。

2.5定量聚合酶链反应（Q-PCR）

在启动的前1000天期间每2-5天对取样的样品进行部分16S rDNA基因的Q-PCR。样本取自样本点的两个反应器。

2.5.1DNA提取

如Zhou等人所述进行DNA提取（1996）。然而，在初始离心后和最终离心之前，使用1ml氧化锆/硅胶100mm珠和1ml提取缓冲液（pH8.0，含有100mM Tris-HCl，100mM EDTA，100mM磷酸盐，1.5M NaCl） 。

2.5.2.Q-PCR

用Tris-EDTA缓冲液将提取的DNA稀释10倍。将1ml稀释的DNA提取物与19mL杂交文章（LightCycler DNA主杂交探针大师，来自Roche Diagnostics，F.Hoffmann-La Roche Ltd，Basel，CH）混合用于Q-PCR。使用Light-Cycler 2.0（Roche Diagnostics）进行Q-PCR。使用Pla46F（Neef等人，1998）作为正向引物。设计反向引物（AMX667R）以扩增含有621个碱基对的厌氧氨基酸簇的16S rDNA基因的一部分。设计了三种类型的杂交探针并以1:2:1的摩尔比混合：

（i）AMX361（与所有已知的厌氧细菌杂交），

（ii）AMX381（与所有已知的厌氧细菌杂交）和（iii）AMX382（与Kuenenia和Brocadia杂交）。引物和探针的详细资料和序列可以在表1中找到。通过使用来自卫生间水处理的实验室规模厌氧氨氧化物富集的系列稀释来验证和校准Q-PCR方法。检测的浓缩与浓度线性范围从101 to107cells /毫升10 7细胞/ ml。针对样品中大量的非厌氧性DNA以104个细胞/ ml作为检测限。

用于Q-PCR测定的程序包括在95℃下2分钟变性，随后是50周期的变性（加热至95℃），紧接着是实时检测（55℃下15s）和延伸（72℃27秒）。该过程得出在40和85℃之间的熔体曲线分析结论。

2.6鱼

在启动的前400天中定期进行厌氧细菌群体的荧光原位杂交（FISH）分析以检测厌氧氨酸生长。使用平面菌纲探针Pla46，以及AMX820（Brocadia和Kuenenia）探针法。在第1330天，进行FISH以确定在鹿特丹的反应器和在Balk中的接种反应器的厌氧氨氧化菌群体的属。使用的探针是AMX368（与所有已知的厌氧细菌杂交），AMX820（Kuenenia和Brocadia）和KST-157（Kuenenia）。探针和杂交细节（Schmid等人，2000,2003,2005）可从Probebase获得（Loy等人，2003）。

2.7在线测量

温度，电导率和pH传感器（Endress Hauser，Reinach Ch）位于反应器下隔室中的测量回路中。pH传感器每两个月校准一次。平均值在24小时以上的进行进一步评估。在采样点2，出水亚硝酸盐浓度的分光光度法测定每20分钟使用一个全自动化分析仪（ADI 2019、applikon，斯希丹NL）。

2.8 颗粒大小

将1000ml体积的反应器在具有0.25和0.45毫米网眼的网筛上筛分。收集筛分的颗粒，悬于水中，并在沉降后使用英霍夫漏斗估计体积。

2.9造粒控制

鉴于厌氧细菌的低生长速率和所需的高负载速率，必需要高效的生物质保留。 高上升流速（Beun等人，2000）是形成可以保留在反应器中的良好沉降生物质的关键因素。 液压保持时间随着启动期间的N负载的变化而变化。 因此，不能有效地使用水力停留时间来维持高的上流速度。 因此，从第1130天开始，将来自反应器顶部的流量可调节的再循环流与流入物混合，以在启动阶段保持足够高的上流速率（2-3m / h），流入速率不足以确保足够的造粒。

2.10泥浆回收

在反应器以500kg-N / d的设计容量转化之后，从反应器底部周期性地排出污泥。 从第1341天到第1432天的26次总共除去36立方米的污泥，其量为0.5-2m ³。 将污泥用于接种Lichtenvoorde（NL）中的厌氧反应器和Olburgen（NL）中的一个反应器硝化 - 厌氧反应过程中。

3.结果

3.1.启动说明

通过分析行为或生物量生长和厌氧活性（图2和图3），厌氧反应器的启动期可以分为两个主要阶段。

前800天：生长期，但没有可检测的厌氧活性：反应器主要用来自主处理厂的活性污泥接

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