齊桂滿,王小龍,高大文(哈爾濱工業(yè)大學城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150090)

不同污泥接種方式一段式自養(yǎng)脫氮工藝的啟動特征

齊桂滿,王小龍,高大文*(哈爾濱工業(yè)大學城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150090)

采用人工模擬無機高氨氮廢水(100～130mg/L),以亞硝化絮狀污泥和厭氧氨氧化顆粒污泥為接種污泥,采用兩套相同的膨脹顆粒污泥床反應器系統(tǒng),分別以同步接種和分步接種方式啟動一段式自養(yǎng)脫氮工藝.結果表明,與同步接種反應器相比,分步接種反應器在初期適應性及反應器快速啟動時間及脫氮能力方面更具優(yōu)勢.同步接種反應器的活性抑制期運行時間是分步接種反應器的 2倍多,TN去除率更低;在活性提高期,分步接種反應器啟動時間為40d,比同步接種反應器少8d;與同步接種反應器相比,分步接種反應器可更早進入穩(wěn)定運行期且脫氮效果更好,NH4+-N和TN的去除率最高達到84.1%和68%,高于同步接種反應器的79.1%和65.1%.同時,分步接種反應器TN最大去除負荷為0.49KgN/(m3·d),比同步接種反應器的0.45KgN/(m3·d)略高.FISH結果進一步表明,一段式自養(yǎng)脫氮工藝啟動成功后,AOB和AnAOB都是系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌種,而主要干擾菌群NOB被成功抑制.

自養(yǎng)脫氮；污泥接種方式；啟動；膨脹顆粒污泥床

全程自養(yǎng)脫氮(CANON)工藝是新型脫氮工藝,在處理低碳高氨氮廢水時,相比傳統(tǒng)生物脫氮工藝,具有能源消耗低、不需外加碳源、污泥產(chǎn)量少等優(yōu)點[1].CANON工藝脫氮效能的發(fā)揮是基于同一個反應器中短程硝化和厭氧氨氧化(Anammox)的共同作用,與 SHARON-Anammox工藝(由兩個反應器組成)相比,具有占地面積小及傳質效率高的優(yōu)勢[2-4].

CANON工藝的實現(xiàn)是好氧氨氧化菌(AOB)和厭氧氨氧化菌(AnAOB)共同作用的結果,與AOB相比,AnAOB是厭氧菌生長緩慢,倍增時間較長(11d),難以維持較高生物濃度,鑒于這一生理特性,能否獲得較高活性的AnAOB成為CANON工藝啟動的關鍵因素[5].目前CANON工藝的啟動方式主要有兩種方式,一種是僅接種普通污泥,從富集培養(yǎng)好氧氨氧化菌或厭氧氨氧化菌著手,通過調整培養(yǎng)條件進行反應器的啟動.另一種是將培養(yǎng)成熟的污泥接種到反應器,保持適宜的培養(yǎng)條件進行工藝的啟動.付昆明等[6]以海綿為填料接種普通活性污泥來啟動反應器,前期不斷曝氣逐漸實現(xiàn)亞硝酸鹽氮的積累,60d后獲得穩(wěn)定的亞硝酸鹽氮積累,然后降低曝氣量及改變進水基質(僅含NH4+-N),逐漸培養(yǎng)出厭氧氨氧化菌,最終經(jīng)過 210d連續(xù)運行實現(xiàn)了穩(wěn)定的CANON反應,總氮(TN)去除率在70%左右,總氮去除負荷達到 1.22kgN/(m3·d). Liang等[7]采用BAF反應器,采取先后富集培養(yǎng)厭氧氨氧化菌和氨氧化菌的方式,最終經(jīng)過 114d成功啟動CANON工藝,平均氮去除負荷為3.4kgN/(m3·d). Liu等[8]在NaCl條件下啟動反應器,第一階段以NH4+-N和NO3--N為基質進行厭氧氨氧化反應,第二階段接種亞硝化污泥,調整進水基質(僅含NH4+-N),經(jīng)過60d實現(xiàn)穩(wěn)定的CANON反應,在NaCl濃度為15g/L下,反應器TN最高去除負荷為0.637mgN/(L·d),TN最高去除率為78%. Zhang等[9]通過接種脫水剩余活性污泥啟動 SBBR反應器,分別在第7d和第29d檢測到短程硝化和厭氧氨氧化反應,運行132d后實現(xiàn)一段式自養(yǎng)脫氮工藝,總氮去除負荷達到 0.54kgN/(m3·d). Vázquez-Padín等[10]利用活性污泥采用脈沖氣式SBR反應器,在常溫(18～24℃)下,以硝化反應為起點,通過調節(jié)溶解氧濃度逐步實現(xiàn)亞硝化,再接種厭氧氨氧化污泥,179d后實現(xiàn) CANON反應,氮的去除負荷達到 0.45kgN/(m3·d).可見,不同研究者在不同反應器中得到的結論差異較大,且大部分啟動實驗用時過長,不利于實際工程應用,故CANON工藝的最佳啟動方式仍需進一步研究.本研究采用前期培養(yǎng)成熟的亞硝化污泥和厭氧氨氧化顆粒污泥,通過同步接種和分步接種的污泥接種方式,考察2個反應器的啟動時間、生物脫氮性能及微生物種群結構變化,探尋更快的CANON工藝啟動方式,以期為縮短一段式自養(yǎng)脫氮工藝的啟動時間等提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗采用的膨脹顆粒污泥床(EGSB)反應器,主體結構采用透明有機玻璃制成.反應器總容積為1.38L,有效容積為1L,反應器壁設3個取樣口、進出水口及上清液回流系統(tǒng).配水由蠕動泵從反應器底部引入,經(jīng)頂部三相分離并出水.頂端設置回流,以底部上升流的形式循環(huán).底部設置微孔曝氣頭,空氣泵供氣,玻璃轉子流量計控制曝氣量.整個反應裝置用黑色遮光材料包裹,避光運行.反應器由加熱套及溫控儀(XMTD-2002)控制溫度,反應器運行過程中控制溫度為(32±1)℃.

圖1 實驗裝置示意Fig.1 Theschematicof EGSB system

1.2 接種污泥與試驗用水

采用2種污泥,均取自實驗室前期富集培養(yǎng)成熟的污泥.污泥 1:亞硝化(絮狀)污泥,成熟的亞硝化污泥的生物活性很高,NH4+-N去除率達到95%以上,NO2--N積累率穩(wěn)定在 98%以上,氨氮去除負荷達到2.5kgN/(m3·d).污泥2:厭氧氨氧化(顆粒)污泥,成熟厭氧氨氧化污泥具有較高的脫氮能力,NH4+-N和NO2--N的去除率均達到90%,總氮去除負荷達到3.1kgN/(m3·d).

實驗中采用人工模擬配水,主要成分如下ρ(NH4Cl)為100～130mg/L,ρ(KHCO3)為500mg/L, ρ(KH2PO4)為50mg/L,ρ(MgSO4·7H2O)為200mg/L, ρ(CaCl2·2H2O)為151mg/L,ρ(FeSO4)為6.25mg/L.維生素0.25ml/L,微量元素0.31ml/L[11].

1.3 運行方式及控制條件

研究中采用2個相同的EGSB反應器,1#反應器同時接種兩種污泥,即將一定量污泥1和污泥2同時加入以啟動反應器,稱為同步接種.2#反應器先后接種兩種污泥,即先將一定量污泥1加入反應器,培養(yǎng)19d后再加入污泥2進行培養(yǎng),稱為分步接種.根據(jù)2種污泥的脫氮能力和反應器有效體積,計算得亞硝化污泥和厭氧氨氧化污泥的投加量分別為 150mL和 100mL.1#反應器,在啟動之初(1～3d),為了降低新環(huán)境對AnAOB的影響,缺氧運行.隨后進行曝氣并逐步降低反應器中溶解氧(DO)濃度,同時控制適宜 pH值、溫度等條件,為微生物提供適宜生存環(huán)境.2#反應器, AOB的培養(yǎng)階段,在保證較高 NH4+-N去除和NO2--N積累的基礎上逐步降低體系中DO濃度,厭氧氨氧化污泥接種后,對DO和pH值進行相應調整.為了適應不同微生物的需求,對2個反應器在不同運行階段的控制條件加以調整(表1).

表1 1#和2#反應器運行階段和控制條件Table 1 The operation phases and control parameters in 1# and 2# reactor

1.4 分析項目及測試方法

ρ(NH4+-N)采用納氏試劑分光光度法測定,ρ(NO2--N)采用 N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法測定,ρ(NO3--N)采用麝香草酚分光光度法測定,pH值和DO利用德國WTW (pH/Oxi340i)手提式多參數(shù)測試儀進行測定[12].

熒光原位雜交(FISH)技術:研究分別采用編號為AMX820(AAAACCCCTCTACTTAGTGCCC)、NIT3(CCTGTGCTCCATGCTCCG)、Nsol90(CGATCCCCTGCTTTTCTCC)的探針進行FISH試驗.生物樣品(約 1.5mL)經(jīng)戊二醛固定、冷凍切片以及乙醇梯度脫水后,分別與CY5、ROX以及 FAM 熒光基團標記的探針雜交,最后用DAPI進行全菌染色.處理完成的載玻片分別在633nm、543nm、488nm和405nm的激發(fā)波長下使用 LSM700激光共聚焦顯微鏡進行觀察.其中,紫色熒光為Anammox菌,綠色熒光為氨氧化細菌,紅色熒光為亞硝酸鹽氧化細菌,藍色為全菌[13].

2 結果與討論

2.1 不同接種方式下反應器的啟動

在1#和2#反應器中均成功啟動了一段式自養(yǎng)脫氮工藝,啟動耗時分別為48d和40d.1#和2#反應器的啟動規(guī)律相似,從整體運行效果上看,可將兩個反應器的啟動過程可以劃分為3個階段,分別為活性抑制期(出水 ρ(NO2--N)積累過高,出水ρ(NO3--N)過低),活性提高期(出水 ρ(NO2--N)濃度逐漸降低,出水 ρ(NO3--N)升高)和穩(wěn)定運行期(出水ρ(NO2--N)、出水ρ(NO3--N)與理論值較接近,總氮去除率較高).反應器運行過程中進出水NH4+-N、NO2--N和NO3--N的質量濃度及去除率隨時間的變化如圖2所示.

2.1.1 AOB適應期 1#反應器采用同步接種方式,所以沒有AOB適應期.2#反應器的AOB適應期為19d(1～19d),運行過程中NH4+-N逐步升高,并保持在68%左右,同時出水NO2--N積累率平均值達到 99%,說明亞消化效果較好,AOB對環(huán)境的適應性很好,為反應器后續(xù)啟動運行創(chuàng)造了適宜條件.

2.1.2 活性抑制期 1#反應器活性抑制期為20d(1～20d),初始進水 ρ(NH4+-N)為 100mg/L,前3d反應器缺氧運行(投加NH4+-N和NO2--N),第4～23d,NH4+-N和TN(包括NH4+-N、NO2--N和NO3--N)去除率波動性較大.同時,NO2--N積累較多,出水ρ(NO2--N)為12～18.4mg/L, 與此相反,出水NO3--N過低,ρ(NO3--N)平均值為5.4mg/L.2#反應活性抑制期持續(xù)了8d(20～28d),接種AnAOB后2d, NH4+-N和TN的去除率高,然而第22～28d,兩者均有不同程度的降低,同時伴隨 NO2--N 大量積累,TN去除率降低.

在活性抑制期,新接種的菌種尤其是AnAOB,因為溶解氧的存在其生物活性受到抑制,表現(xiàn)為NO2--N的積累較多及TN去除率較低.同時注意到,1#反應器出水中 ρ(NO3--N)過低,大大低于一段式自養(yǎng)脫氮理論值(見2.1),推測是反應器中發(fā)生反硝化作用.Chamchoi等[14]認為主要是環(huán)境的巨大變化導致一些菌體死亡,發(fā)生溶酶及裂解等作用,產(chǎn)生的有機物以及細胞分泌的胞外多聚物可作為電子供體,反硝化還原NO3--N,促進NO3--N被轉化.另外,1#反應器的活性抑制期是2#反應器的2倍多,而且NO2--N積累更高,反硝化作用的持續(xù)時間更長.以上現(xiàn)場都說明污泥接種初期較高的DO對體系中AnAOB活性影響巨大.究其原因,2#反應器在接種AnAOB前,首先進行 AOB的培養(yǎng),在保證較高NO2--N積累率的條件下,逐步降低 DO濃度至0.15mg/L,以減小溶解氧對AnAOB的抑制.而1#反應器在接種污泥后,其自養(yǎng)脫氮效果明顯降低,較2#反應器更差,表明1#反應器受DO影響較大,說明 AOB適應期存在的重要性,同時說明分步接種相比于同步接種可以提供充足的基質和更為緩和的生態(tài)環(huán)境.

2.1.3 活性提高期 1#反應器活性提高期為25d(21～48d),第21-35d,NH4+-N和TN的去除率逐步提高,在第 35d達到最高,第 36d調整進水ρ(NH4+-N)為130mg/L,NH4+-N和TN的去除率明顯下降且恢復高效運行狀態(tài)所需時間較長,運行至第48d逐漸恢復.2#反應器活性提高期持續(xù)時間為12d(28～40d),出水ρ(NO2--N)積累大幅減少為4.3mg/L,運行至第35d,NH4+-N和TN的去除率大幅提高.第 36d調整進水 ρ(NH4+-N)為130mg/L,NH4+-N和TN的去除率有明顯降低,但很快便恢復到高效運行狀態(tài),運行至第40d實現(xiàn)恢復.與同時期的 1#反應器相比,2#反應器受基質濃度沖擊影響較小且恢復速度更快.

表2 自養(yǎng)脫氮工藝啟動對比Table 2 Overview of the start-up of the autotrophic nitrogen removal process in various rectors

在活性提高期,體系中 AnAOB逐漸適應好氧環(huán)境,自養(yǎng)脫氮工藝在1#和2#反應器中構建成功,啟動時間分別為48和40d,表明分步接種比同步接種方式可以更快實現(xiàn)一段式自養(yǎng)脫氮工藝的啟動,同時與目前國內外普遍報道的 CANON工藝的啟動時間相比較短(表2).從表2可以看出,接種普通活性污泥到反應器,逐步富集培養(yǎng)氨氧化菌或厭氧氨氧化菌來啟動自養(yǎng)脫氮工藝的方式耗時較長,與此形成鮮明對比的是,接種氨氧化污泥和厭氧氨氧化污泥的方式,啟動耗時更短.值得一提的是,付昆明等采用接種普通活性污泥啟動SBR,先實現(xiàn)穩(wěn)定的亞硝積累,控制不同曝氣量,再逐步富集出厭氧氨氧化菌,至 210d實現(xiàn)了CANON反應.而付昆明等[15]在另一項研究中,通過接種已啟動成功的CANON反應器的污泥,采用與之前研究不同的填料作微生物的附著載體,經(jīng)過60d培養(yǎng)就啟動成功,這一研究結果印證了接種成熟氨氧化污泥和厭氧氨氧化污泥可以大大縮短自養(yǎng)脫氮工藝啟動時間.

圖2 1#和2#反應器脫氮情況Fig.2 The nitrogen removal performance in 1# and 2# reactor

2.1.4 穩(wěn)定運行期反應器啟動成功后,與 1#反應器相比,2#反應器進入穩(wěn)定運行期更早且脫氮效果更好,NH4+-N和 TN的去除率穩(wěn)中有升,高于1#反應器.同時,1#和2#反應器TN最大去除負荷分別為0.45kgN/(m3·d)和0.49kgN/(m3·d),與表2中大部分通過富集菌種啟動反應器的研究相比略低,這可能與接種的污泥、反應器構型及其他不可復制的環(huán)境因素相關.

穩(wěn)定運行期,受到進水 ρ(NH4+-N)增加和回流流速上升的影響,出現(xiàn)少量污泥流失現(xiàn)象,導致反應器脫氮效果沒能恢復到提高 NH4+-N負荷之前的狀態(tài),1#反應器受到影響較2#反應器更大,說明2#反應器比1#反應器在抗水力和基質濃度沖擊方面的能力更強.

圖3 培養(yǎng)過程ΔNO3-/ΔNH4+與ΔTN/ΔNH4+變化Fig.3 Variation of stoichiometric ratio of ΔNO3-/ΔNH4+and ΔTN/ΔNH4+in 1# and 2#reactor

2.2 反應器的自養(yǎng)脫氮評價綜合短程硝化和厭氧氨氧化兩個反應,可得到CANON工藝的整體反應方程,如式(1)[20]所示.

在無機高氨氮廢水條件下,忽略內源反硝化而導致的TN損失,則進出水TN的變化與厭氧氨氧化反應產(chǎn)生的氮損失量相等[21].在整個自養(yǎng)脫氮過程中,根據(jù) CANON工藝的反應方程式計算其理論值,ΔNO3-/ΔNH4+為 0.11, ΔTN/ΔNH4+為0.88.通過計算 ΔNO3-/ΔNH4+和 ΔTN/ΔNH4+的數(shù)值,可以初步判定反應是否滿足自養(yǎng)脫氮關系.

圖4 不同時期FISH照片F(xiàn)ig.4 FISH images in different periods in 1# and 2# reactor

由圖 3可知,在整個啟動過程中,1#反應器ΔNO3-/ΔNH4+呈現(xiàn)出先升高再降低最終趨近理論值的變化趨勢,而2#反應器該數(shù)值波動性較小,始終穩(wěn)定在理論值上下.需要指出的是,1#反應器在活性抑制期(4～20d),出水 ρ(NO3--N)濃度較低,ΔNO3-/ΔNH4+平均值為 0.045,相比之下 2#反應器該值平均為0.10,與理論值接近.2個反應器中ΔTN/ΔNH4+沒有明顯規(guī)律,分別在35d和45d逐漸接近理論值.反應器啟動成功后,1#反應器ΔNO3-/ΔNH4+平均值為 0.12±0.018,ΔTN/ΔNH4+的平均值為 0.78±0.041,2#反應器 ΔNO3-/ΔNH4+平均值為0.13±0.028,ΔTN/ΔNH4+平均值為0.77± 0.051.2個反應器穩(wěn)定運行后,ΔNO3-/ΔNH4+和ΔTN/ΔNH4+平均值為 0.12、0.10和 0.84、0.85,與理論值相近,說明一段式自養(yǎng)脫氮反應是脫氮的主導反應.

2.3 微生物種群結構變化

研究采用FISH技術來檢測1#和2#反應器啟動成功前后AOB和AnAOB的存在和分布情況,如圖4所示.圖(a)中A和B分別表示1#反應器污泥接種第1d和第48d微生物分布情況,(b)中C和D分別是2#反應器接種厭氧氨氧化污泥第1d(整體運行的第20d)和第40d微生物分布情況.

一段式自養(yǎng)脫氮工藝的實現(xiàn)是 AOB和AnAOB共同作用的結果,AOB和AnAOB對新環(huán)境的適應性及相互合作的程度決定了該工藝啟動的快慢.為了獲得更高的傳質效率,反應器中絮狀的AOB在菌體胞外聚合物(ESP)的黏附作用下會更多地分布于顆粒狀的 AnAOB表面.2個反應器運行后期大量 AOB分布于AnAOB顆粒表面,與已報道的研究結果相符

[20-22].FISH結果顯示,接種第 1d,1#和 2#反應器所接種的污泥均含有AOB和AnAOB,且都是各自體系中的優(yōu)勢菌種(圖4,A和C所示).2個反應器各自經(jīng)過48d和40d培養(yǎng),反應器中AOB和AnAOB仍是各自體系中的優(yōu)勢菌種,但是受到啟動過程中多種因素(包括溶解氧、pH值、水力沖擊等)的影響,AnAOB在顆粒大小及菌種數(shù)量方面都有損失(圖4,B和D所示),且與2#反應器相比,1#反應器中AnAOB受到的影響更大(活性抑制期發(fā)生菌體死亡).然而,相比污泥接種初期,反應器啟動成功后 2個反應器中 AOB和AnAOB之間結合更加緊密,這與反應器脫氮表現(xiàn)相一致.

3 結論

3.1 采用人工模擬無機高氨氮廢水(100～130mg/L),以亞硝化絮狀污泥和厭氧氨氧化顆粒污泥為接種污泥,采用兩套相同的膨脹顆粒污泥床反應器系統(tǒng),分別以同步接種和分步接種方式啟動一段式自養(yǎng)脫氮工藝.通過調節(jié)DO、pH及回流流速等條件,在兩個反應器中成功構建一段式自養(yǎng)脫氮體系,每組滋養(yǎng)脫氮化學計量比值均與理論比值相近.實驗結果表明,采用分部接種方式比同步接種方式啟動用時更短.同時,分步接種反應器TN最大去除負荷為0.49kgN/(m3·d),比同步接種反應器的0.45kgN/(m3·d)略高.

3.2 FISH結果進一步表明,一段式自養(yǎng)脫氮工藝啟動成功后,AOB和AnAOB都是系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌種,而主要干擾菌群NOB被成功抑制.

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Start-up performance of one-stage autotrophic nitrogen removal with different sludge inoculation methods.

QI Gui-man, WANG Xiao-long, GAO Da-wen*
(State Key Laboratory of Urban Water Resources and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China). China Environmental science, 2017,37(1)：154～161

One-stage autotrophic nitrogen removal process was started up in two identical EGSB (expanded granular sludge bed) reactors feed with synthetic wastewater with NH4+-N of 100～130mg/L, which were inoculated with flocculent nitrification sludge and anammox (anaerobic ammonium oxidation) granular simultaneously or in sequence, respectively. As the result showed, the reactor inoculated in sequence (reactor 2) had obviously more advantages than that inoculated simultaneously (reactor 1) on the start-up duration and nitrogen removal performance. The duration of activity inhibiting phase in reactor 1was almost twice than that in reactor 2, and the TN (total nitrogen) removal rate was also lower in reactor 1. As to the activity increasing phase, the start-up duration of reactor 2 was only 40 days, which was 8 days shorter than that in reactor 1. So the steady phase was achieved easier in reactor 2 than in reactor 1, meanwhile, the highest removal rates of NH4+-N, TN and nitrogen loading removal (NLR) in the steady phase reached 84.1%, 68% and 0.49kgN/(m3·d) in reactor 2, respectively, which were higher than those of 79.1%, 65.1% and 0.45kgN/(m3·d) in reactor 1, respectively. FISH result showed that AOB (ammonia oxidizing bacteria) and Anammox bacteria dominated both reactors, while the main undesirable community, NOB (nitrite oxidizing bacteria), and was suppressed successfully.

autotrophic nitrogen removal；sludge inoculation methods；start-up；expanded granular sludge bed

X703

A

1000-6923(2017)01-0154-08

齊桂滿(1989-),男,吉林敦化人,哈爾濱工業(yè)大學碩士研究生,主要從事廢水污染控制方面的研究.

2016-05-11

黑龍江省自然科學基金重點項目(ZD201412) * 責任作者, 教授, gaodw@hit.edu.cn