張 晶,張林華,姜冬冬,李 軍*,李 蕓,張彥灼 (.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程北京市重點(diǎn)試驗(yàn)室,北京 004；.廣東韶鋼工程技術(shù)有限公司,廣東 韶關(guān) 53)

厭氧氨氧化(ANAMMOX)作為一種新型生物脫氮工藝,具有能耗低、運(yùn)行成本低、脫氮效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-3].但是ANAMMOX菌增值緩慢,難以持留,這限制了ANAMMOX技術(shù)在實(shí)際廢水處理中的應(yīng)用與發(fā)展[2-5].ANAMMOX顆粒污泥沉降性能良好,可有效持留生物量[2,4-6],可是在高負(fù)荷反應(yīng)器中,ANAMMOX污泥顆粒易上浮流失,導(dǎo)致反應(yīng)器運(yùn)行不穩(wěn)定[2-3].部分學(xué)者進(jìn)行過相關(guān)研究并提出相應(yīng)的控制策略,如打碎上浮污泥顆粒再投加至反應(yīng)器中[2],或控制合適的水力剪切速率等[3].然而這些方法并不能從根本上調(diào)控ANAMMOX微生物的生理行為使其自發(fā)凝聚成更密實(shí),沉降性能更好的顆粒.

細(xì)菌之間存在群體感應(yīng)現(xiàn)象(QS),它們通過信號(hào)分子進(jìn)行交流[8-12].已有研究表明ANAMMOX污泥受群體感應(yīng)系統(tǒng)調(diào)控[7,12-13].趙等[7]研究表明低負(fù)荷下抑制AHLs類信號(hào)分子合成會(huì)引起ANAMMOX顆粒EPS含量降低、PN/PS升高,致使顆粒解體、沉降性能變差,并導(dǎo)致污泥活性降低.唐等[12]研究表明ANAMMOX菌能夠分泌 3種AHLs類信號(hào)分子C6-HSL、C8-HSL和C12-HSL,其中C6-HSL、C8-HSL能提高ANAMMOX菌的活性.這些研究表明AHLs對(duì)ANAMMOX污泥沉降性能及活性有重要影響.趙然[14]考察了以ANAMMOX顆粒污泥反應(yīng)器(AGSR)上清液制備反應(yīng)器進(jìn)水對(duì)低負(fù)荷ANAMMOX啟動(dòng)進(jìn)程的影響.結(jié)果表明,由于AGSR上清液中含有AHLs,所以添加AGSR上清液能夠促進(jìn)ANAMMOX菌體分泌較多的EPS,強(qiáng)化了菌體附著生長,進(jìn)而加速了低負(fù)荷ANAMMOX啟動(dòng)過程.該研究表明低負(fù)荷條件下,添加AHLs能夠促進(jìn)ANAMMOX污泥分泌較多的EPS,但是高負(fù)荷條件下,外源添加AHLs對(duì)ANAMMOX污泥釋放EPS的影響并不清楚.

當(dāng)前關(guān)于信號(hào)分子對(duì)ANAMMOX污泥的影響研究較少,均是在低負(fù)荷條件下,且無關(guān)于外源添加信號(hào)分子對(duì)ANAMMOX顆粒污泥沉降性能影響的報(bào)道.本文首次進(jìn)行了外源添加信號(hào)分子對(duì)高負(fù)荷UASB反應(yīng)器中ANAMMOX顆粒特性影響的長期實(shí)驗(yàn)(100d),考察實(shí)驗(yàn)初期(0～20d)添加信號(hào)分子是否會(huì)對(duì)高負(fù)荷UASB中ANAMMOX顆粒沉降性能產(chǎn)生長期影響,以及是否有合適類型的信號(hào)分子能夠提高高負(fù)荷UASB中ANAMMOX顆粒的沉降性能.本研究從一個(gè)全新的角度—微生物群體感應(yīng),進(jìn)行控制高負(fù)荷下ANAMMOX顆粒污泥上浮的研究,以期為解決高負(fù)荷ANAMMOX系統(tǒng)中污泥上浮流失導(dǎo)致系統(tǒng)脫氮性能不穩(wěn)定的問題提供新的視角.

1 材料與方法

1.1 信號(hào)分子

因?yàn)锳NAMMOX菌能夠釋放C6-HSL、C8-HSL及C12-HSL 3種AHLs信號(hào)分子[12],所以外源添加這3種信號(hào)分子最有可能通過ANAMMOX污泥的群體感應(yīng)系統(tǒng)影響污泥特性.故實(shí)驗(yàn)所用的AHLs類信號(hào)分子為C6-HSL、C8-HSL和C12-HSL,均購自美國Sigma-Aldrich公司.

1.2 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水采用人工配水,配水水質(zhì)如下(g/L):0.06KH2PO4, 36.42KHCO3, 0.37MgSO4·7H2O,0.07CaCl2·2H2O, NH4Cl及NaNO2按需添加.

微量元素Ⅰ,Ⅰ各1mL/L,其中微量元素Ⅰ(g/L): 5.00EDTA, 5.00FeSO4;微量元素Ⅰ(g/L):15.00EDTA, 0.43ZnSO4·4H2O, 0.99MnCl2·4H2O,0.014H3BO4, 0.25CuSO4·5H2O, 0.22Na2MoO4·2H2O,0.21Na2SeO4·10H2O, 0.19NiCl2·6H2O.進(jìn)水使用95% N2和5% CO2混合氣體沖刷去除O2.

1.3 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行

采用4個(gè)同樣的UASB反應(yīng)器,反應(yīng)器裝置如圖1所示.各反應(yīng)器有效容積均為1.65L,內(nèi)徑50mm,使用黑色軟性材料包裹以避光.4個(gè)反應(yīng)器分別為對(duì)照組R1(未添加信號(hào)分子組),R2(添加C8-HSL組),R3(添加C6-HSL組),R4(添加C12-HSL組).各反應(yīng)器運(yùn)行溫度為(35±2)℃,進(jìn)水pH值為6.8～7.0,進(jìn)水溶解氧在0.5mg/L以下.各反應(yīng)器內(nèi)接種污泥為實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定運(yùn)行1a的UASB反應(yīng)器中的ANAMMOX顆粒污泥,接種污泥特性如表1所示,實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定運(yùn)行1a的UASB反應(yīng)器的運(yùn)行參數(shù)如表2所示.取等量接種污泥至R1、R2、R3及R4 4個(gè)反應(yīng)器中.相關(guān)研究[12,16]表明,外源添加合適類型的信號(hào)分子能夠誘發(fā)ANAMMOX污泥持續(xù)內(nèi)源釋放相應(yīng)的信號(hào)分子,因此推測在實(shí)驗(yàn)初期外源添加信號(hào)分子有可能對(duì)ANAMMOX顆粒污泥特性產(chǎn)生長期影響.本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為僅在實(shí)驗(yàn)初期(0～20d)向各組反應(yīng)器進(jìn)水中添加30mg/L相應(yīng)AHLs信號(hào)分子,之后不再向進(jìn)水中添加信號(hào)分子.

圖1 UASB反應(yīng)器示意Fig.1 Schematic diagram of UASB reator

表1 接種污泥特性Table 1 The characteristics of the inoculated sludge

表2 接種污泥反應(yīng)器的運(yùn)行參數(shù)Table 2 The operation parameters of inoculated sludge reactors

信號(hào)分子添加濃度參考文獻(xiàn)[12],由于C12-HSL溶解度限制,添加濃度為30mg/L.

1.4 測試及分析方法

氨氮測定采用納氏試劑分光光度法,亞硝氮測定采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法,硝氮測定采用麝香草酚分光光度法,總氮測定使用總氮測定儀(Shimadzu,Japan),MLSS 和MLVSS測定采用重量法.

污泥密度測定方法根據(jù)參考文獻(xiàn)[6],使用蔗糖或乙醇配成一系列不同密度的溶液,分別裝入各50mL量筒內(nèi),最后將污泥顆粒樣品添加到每個(gè)量筒內(nèi),在靜置條件下顆粒污泥隨著溶液密度的不同上浮或下沉.污泥容積指數(shù)SVI30使用100mL量筒測量.污泥粒徑測量采用激光粒度分析系統(tǒng)(Malvern Mastersizer,Singapore).沉降速度測定方法參考文獻(xiàn)[22],使污泥顆粒自由通過高度為410mm的量筒,測其速度.污泥相對(duì)疏水性采用萃取—比濁法測定,具體方法詳見參考文獻(xiàn)[15].上述指標(biāo)均是取3個(gè)平行樣進(jìn)行測定.DO和溫度使用WTW/Multi3420測定儀測定,pH值測定采用pHs-3cpH計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司).

EPS提取采用熱處理方法[23],首先取25mL污泥樣品3200r/min離心30min,上清液作為溶解性EPS(S-EPS).離心后的沉淀污泥使用25mL 0.9%NaCl溶液重新混勻,混勻后的溶液在100℃下熱處理1h,然后3200r/min離心30min,產(chǎn)生的上清液為結(jié)合性EPS(B-EPS).各類EPS中胞外多糖(PS)使用蒽酮比色法測定,蛋白質(zhì)(PN)采用考馬斯亮藍(lán)比色法測定[8],PS和PN濃度之和即為EPS濃度.為確?？煽啃?取5個(gè)平行樣進(jìn)行EPS提取及分析.

ANAMMOX活性的測定參照文獻(xiàn)[22,27],使用500mL帶塞血清瓶進(jìn)行批試實(shí)驗(yàn),進(jìn)行污泥顆粒ANAMMOX活性的測試.具體操作步驟如下:(1)配置泥水混合液;(2)血清瓶進(jìn)氣口通高純氮?dú)?0min吹脫水中溶解氧,恒溫磁力攪拌器轉(zhuǎn)速為200r/min;(3)停止通氮?dú)?將血清瓶連同磁力攪拌器放入35℃的恒溫培養(yǎng)箱中,每隔一定時(shí)間取樣測定、、及TN濃度.取3個(gè)平行樣進(jìn)行活性測定.污泥活性計(jì)算根據(jù)公式(1).

式中:濃度單位為mg/L;計(jì)時(shí)終點(diǎn)單位為min;揮發(fā)性物質(zhì)質(zhì)量單位為g;計(jì)時(shí)終點(diǎn)的確定:若在取樣的時(shí)間內(nèi),批試裝置內(nèi)的NH4+-N或NO2--N濃度低于10mg/L,則以NH4+-N或NO2--N濃度剛低于10mg/L的取樣時(shí)刻為計(jì)時(shí)終點(diǎn);若在取樣的時(shí)間內(nèi),批試裝置內(nèi)的NH4+-N或NO2--N濃度始終高于10mg/L,則以取樣結(jié)束的時(shí)刻為計(jì)時(shí)終點(diǎn),污泥活性單位為:kg-N/(kgVSS·d).公式(1)中起始濃度和計(jì)時(shí)終點(diǎn)濃度均為TN濃度.

2 結(jié)果與討論

2.1 信號(hào)分子對(duì)高負(fù)荷ANAMMOX-UASB系統(tǒng)脫氮性能的影響

為了馴化顆粒污泥適應(yīng)高負(fù)荷環(huán)境,采用遞增負(fù)荷的方式.如表3、圖2所示,在0～25d運(yùn)行期間,NLR由0.4kg-TN/(m3·d)提高至3.5kg-TN/(m3·d).該階段4組反應(yīng)器NRR均在0.3kg-TN/(m3·d)～3.0kg-TN/(m3·d)之間,氮去除率均在80%～94%之間.然而25d～75d期間,隨著NLR由3.8kg-TN/(m3·d)逐步提高至9.7kg-TN/(m3·d),在第28d反應(yīng)器R1、R3和R4均出現(xiàn)了顆粒污泥上浮現(xiàn)象,浮于液面的紅色顆粒不斷增多,只有R2中沒有污泥上浮.反應(yīng)器運(yùn)行至75d,R1、R3和R4 3組反應(yīng)器內(nèi)污泥量相對(duì)于初始時(shí)減少了約42%(0.25L左右),反應(yīng)器R2中污泥量略有增加(圖2b).25d～75d運(yùn)行期間, R1和R4中NRR由3.3kg-TN/(m3·d)提高至5.2kg-TN/(m3·d)左右,氮去除率在45%～87%之間;而R2中NRR則由3.2kg-TN/(m3·d)提高至7.3kg-TN/(m3·d),較對(duì)照組R1高34%,氮去除率為84%～95%.R3中NRR由3.5kg-TN/(m3·d)提高至6.9kg-TN/(m3·d),較對(duì)照組R1高17%,氮去除率在71%～92%之間(表3,圖2).

表3 4個(gè)UASB反應(yīng)器的運(yùn)行參數(shù)Table 3 The operation parameters of the four UASB reactors

75d～100d,NLR由7.1kg-TN/(m3·d)繼續(xù)逐步提高至12.9kg-TN/(m3·d).在NLR進(jìn)一步提高的條件下, R1、R3和R4中污泥顆粒繼續(xù)不斷上浮,100d時(shí)3組反應(yīng)器中污泥量減少了0.36L左右,減少了60%(圖2b).此時(shí)R1、R4中NRR僅為6.4kg-TN/(m3·d),氮去除率下降至50%左右.而R2在77d時(shí)才出現(xiàn)輕微污泥上浮現(xiàn)象,100d時(shí)反應(yīng)器內(nèi)污泥量僅減少了7%(圖2b),NRR較對(duì)照組R1高77%,氮去除率較對(duì)照組R1高76%. R3中NRR較對(duì)照組R1高11%,氮去除率較對(duì)照組R1高26%(圖2a).各組反應(yīng)器內(nèi)氨氮、亞硝氮消耗量及硝氮生成量之比與理論值接近(表3),各組反應(yīng)器內(nèi)以厭氧氨氧化反應(yīng)為主.

以上結(jié)果表明添加C8-HSL有效控制了顆粒污泥上浮,使反應(yīng)器R2能夠持留較多的顆粒污泥,保持穩(wěn)定且較高的脫氮效能;而C6-HSL有可能提高了污泥活性,因此反應(yīng)器R3雖然同樣存在顆粒污泥上浮現(xiàn)象,脫氮能力卻高于對(duì)照組R1;C12-HSL則對(duì)ANAMMOX-UASB系統(tǒng)的脫氮效能沒有影響.

圖2 R1,R2,R3,R4中顆粒污泥去除總氮的性能及各反應(yīng)器中污泥量的變化Fig.2 The total nitrogen removal performance of granular sludge and the change of sludge volume in R1,R2,R3,R4

2.2 信號(hào)分子對(duì)ANAMMOX顆粒污泥沉降性

能及活性的影響

2.2.1 信號(hào)分子對(duì)ANAMMOX顆粒污泥沉降性能的影響 如圖3a,b,c所示,100d時(shí)反應(yīng)器R2中污泥密度和污泥容積指數(shù)SVI30分別為1.15g/mL和14.3mL/g,相比對(duì)照組R1,污泥密度高24%,SVI30低47%.R2中顆粒污泥沉速為95m/h,是對(duì)照組R1的1.9倍.說明添加信號(hào)分子C8-HSL后反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥的沉降性能明顯提高,進(jìn)而控制了污泥顆粒上浮(77d才有少量污泥上浮,100d時(shí)上浮污泥量僅為0.04L),使ANAMMOX-UASB系統(tǒng)在高氮負(fù)荷下保持了較高的NRR (NLR為12.9kg-TN/(m3·d)時(shí),NRR高達(dá)11.3kg-TN/(m3·d)).污泥沉降性能下降是導(dǎo)致污泥上浮的直接原因,污泥上浮流失對(duì)ANAMMOX系統(tǒng)的處理效果及穩(wěn)定性有嚴(yán)重的負(fù)面影響[19].外源添加信號(hào)分子C8-HSL使污泥顆粒沉降性能大幅提高,實(shí)現(xiàn)了對(duì)高負(fù)荷條件下ANAMMOX污泥顆粒上浮的有效控制,提高了系統(tǒng)的脫氮性能及運(yùn)行穩(wěn)定性.反應(yīng)器R3中污泥密度略高于對(duì)照組R1,SVI30值略低于R1,污泥顆粒沉速與R1相比基本沒有變化.反應(yīng)器R4中污泥密度、SVI30值和沉速與R1基本一致,說明外源添加信號(hào)分子C6-HSL、C12-HSL對(duì)高負(fù)荷UASB反應(yīng)器中ANAMMOX顆粒污泥的沉降性能沒有明顯影響.

反應(yīng)器運(yùn)行至100d時(shí),反應(yīng)器R1、R2、R3和R4 中顆粒污泥的平均直徑分別為3.8mm、2.3mm、4.0mm和4.1mm(圖3d),R1、R3和R4 3組反應(yīng)器中有相當(dāng)一部分污泥顆粒發(fā)生了解體現(xiàn)象(圖4).相關(guān)報(bào)道[6]研究結(jié)果表明ANAMMOX顆粒粒徑大于4.0mm時(shí)由于其結(jié)構(gòu)松散容易上浮,本研究結(jié)果與上述結(jié)論基本一致.這說明高負(fù)荷條件下外源添加C8-HSL后顆粒污泥粒徑較小,沉降性能更好.趙等[7]研究了添加AHLs信號(hào)分子合成抑制劑香蘭素和豬腎?；D(zhuǎn)移酶對(duì)ANAMMOX顆?；钚院头€(wěn)定性的影響,結(jié)果表明抑制AHLs合成會(huì)導(dǎo)致顆粒污泥解體,說明ANAMMOX顆粒污泥內(nèi)源AHLs信號(hào)分子對(duì)顆粒穩(wěn)定性及沉降性能有重要影響.而本研究結(jié)果表明外源添加C8-HSL能夠?qū)Ω哓?fù)荷UASB反應(yīng)器中ANAMMOX顆粒沉降性能產(chǎn)生顯著的長期影響,僅在實(shí)驗(yàn)初期(0～20d)外源添加C8-HSL即能夠使反應(yīng)器R2中顆粒污泥在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至100d時(shí)依然能夠保持穩(wěn)定良好的沉降性能.這說明外源添加合適類型的信號(hào)分子同樣會(huì)對(duì)ANAMMOX顆粒污泥沉降性能產(chǎn)生顯著影響.

圖3 反應(yīng)器運(yùn)行至100d時(shí)R1,R2,R3,R4中顆粒污泥的密度,SVI30,沉速及平均粒徑Fig.3 The density, SVI30, settleability and average particle size of granular sludge in R1, R2, R3, R4 on day 100

圖4 反應(yīng)器運(yùn)行至100d時(shí)R1, R2, R3, R4中顆粒污泥照片F(xiàn)ig.4 The photos of granular sludge in R1, R2, R3, R4 on day 100

2.2.2 信號(hào)分子對(duì)ANAMMOX顆粒污泥活性的影響 如圖5所示,反應(yīng)器R3中顆粒污泥比厭氧氨氧化活性為1.04kg-N/(kgVSS·d),較對(duì)照組R1提高了12% (R1中顆粒污泥比厭氧氨氧化活性為0.93kg-N/(kgVSS·d)),說明信號(hào)分子C6-HSL能夠使高負(fù)荷UASB中ANAMMOX顆粒污泥的活性有所提高.這是R3中NRR及氮去除率高于對(duì)照組R1的主要原因,驗(yàn)證了2.1的結(jié)論.反應(yīng)器R2、R4中顆粒污泥活性相比對(duì)照組R1基本沒有變化,其比厭氧氨氧化活性分別為0.89kg-N/(kgVSS·d)和0.91kg-N/(kgVSS·d),說明信號(hào)分子C8-HSL、C12-HSL均不能提高高負(fù)荷UASB中ANAMMOX顆粒污泥的活性.Haydée等[13]研究指出低負(fù)荷(總氮負(fù)荷小于0.2kg-N/(m3·d))下外源添加信號(hào)分子C12-HSL能顯著提高OLAND生物膜的比厭氧氨氧化活性,C6-HSL卻不能提高其活性.Tang等[12]研究表明低負(fù)荷條件下(總氮負(fù)荷小于0.2kg-N/(m3·d))外源添加C6-HSL或C8-HSL均能夠明顯提高ANAMMOX菌的活性.而本研究結(jié)果表明在高負(fù)荷UASB反應(yīng)器中外源添加信號(hào)分子 C6-HSL能使ANAMMOX顆粒污泥活性有所提高,C8-HSL對(duì)其活性沒有影響,卻可以大幅提高其沉降性能,C12-HSL則對(duì)ANAMMOX顆粒污泥的活性和沉降性能均沒有影響.這說明不同信號(hào)分子對(duì)ANAMMOX污泥的影響可能與氮負(fù)荷,污泥形態(tài)等環(huán)境因素有關(guān).

圖5 反應(yīng)器運(yùn)行至100d時(shí)R1,R2,R3,R4中顆粒污泥的活性Fig.5 The specific anammox activities of granular sludge in R1, R2, R3, R4 on day 100

2.3 信號(hào)分子影響ANAMMOX顆粒污泥沉降性能的機(jī)理研究

2.3.1 信號(hào)分子對(duì)顆粒污泥中EPS及PN/PS的影響 ANAMMOX顆粒污泥的EPS由B-EPS和S-EPS構(gòu)成[3].EPS的含量及組分等在ANAMMOX顆粒的穩(wěn)定性及沉降性能方面起重要作用[3,24-26].本研究中,100d時(shí)4組反應(yīng)器中污泥顆粒EPS含量相比接種污泥明顯提高(圖6a,表1),這是因?yàn)楦叩?fù)荷會(huì)刺激ANAMMOX顆粒污泥釋放大量EPS[25].然而反應(yīng)器R2中B-EPS含量較對(duì)照組R1低15%(53.25mg/g VSS),其中PN含量較R1低29%(80.14mg/g VSS),PS含量較R1高41%(26.89mg/g VSS)(圖6a).S-EPS含量由1.20mg/g VSS提高至1.35mg/g VSS.EPS總量較對(duì)照組下降了53.10mg/g VSS,PN/PS由4.22下降至2.14(圖6a,b).Yang等[24]研究指出過量EPS對(duì)污泥沉降性能有負(fù)面影響,因?yàn)檫^量的EPS將結(jié)合水帶入污泥聚集體中導(dǎo)致低密度多孔絮體的產(chǎn)生.Zhang等[25]研究結(jié)果表明污泥EPS中B-EPS含量是影響污泥顆粒沉降性能的重要因素,高氮負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致過量B-EPS產(chǎn)生及污泥密度的降低,致使污泥顆粒沉降性能下降,而適量的B-EPS則能促進(jìn)污泥顆粒化和凝聚過程.本研究中R1,R3,R4中污泥顆粒EPS含量,尤其是B-EPS含量較高,污泥顆粒沉降性能差,而R2中污泥顆粒B-EPS含量較R1降低了15%,因此污泥顆粒沉降性能優(yōu)于R1.

此外,蛋白質(zhì)與多糖的比例(PN/PS)通常用來評(píng)估顆粒的強(qiáng)度和沉降性能[17,20-21].Zhang等[25]研究結(jié)果指出PN/PS在ANAMMOX顆粒沉降性能、剪切強(qiáng)度等方面起著重要作用,較高的PN/PS導(dǎo)致污泥顆粒剪切強(qiáng)度較低,流體粘度較高,因此顆粒沉降性能下降.污泥顆粒PN/PS較高意味著較低的強(qiáng)度和較差的沉降性能[20],較低PN/PS的顆粒更穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)更緊密,沉降性能更優(yōu)良[17].本研究中R2中顆粒污泥的PN/PS值相比R1明顯降低(由4.22下降至2.14),這是R2中顆粒污泥的沉降性能明顯提高的又一重要原因.R3和R4中顆粒污泥的EPS含量及PN/PS值相比R1基本沒有發(fā)生變化,R3和R4中顆粒污泥的沉降性能較R1也沒有發(fā)生變化.

AHLs能夠調(diào)控ANAMMOX菌體EPS的合成已得到證實(shí)[14].趙然等[14]向低負(fù)荷ANAMMOX顆粒污泥反應(yīng)器(AGSR)中添加含有AHLs的AGSR上清液,加速了ANAMMOX啟動(dòng)進(jìn)程.由于AGSR上清液中含有AHLs,所以反應(yīng)器進(jìn)水中添加AGSR上清液能夠促進(jìn)ANAMMOX菌體分泌較多的EPS,調(diào)控菌體附著生長,強(qiáng)化了菌體持留能力,進(jìn)而加速了低負(fù)荷ANAMMOX啟動(dòng)過程.而本研究結(jié)果表明高負(fù)荷條件下外源添加C8-HSL組R2中的顆粒污泥釋放的EPS較對(duì)照組R1低15%,這說明AHLs對(duì)ANAMMOX污泥釋放EPS的調(diào)控作用與氮負(fù)荷相關(guān).低負(fù)荷條件下外源添加AHLs能夠促進(jìn)ANAMMOX污泥釋放更多的EPS以增強(qiáng)污泥的附著性能[14].而高負(fù)荷條件下,高氮負(fù)荷會(huì)刺激污泥釋放過量的EPS導(dǎo)致污泥結(jié)構(gòu)松散,沉降性能變差[25],本研究結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn).本研究的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是高負(fù)荷條件下,外源添加合適類型的AHLs可以控制ANAMMOX顆粒污泥過量釋放EPS,以維持污泥顆粒的穩(wěn)定性及沉降性能.

外源添加的C8-HSL即是通過ANAMMOX顆粒污泥的群體感應(yīng)系統(tǒng)使高負(fù)荷條件下顆粒污泥釋放的B-EPS含量較對(duì)照組明顯降低,其中主要控制了B-EPS中PN的過量釋放(PN較對(duì)照組低29%),PS含量較對(duì)照組R1有所提高,因此PN/PS值明顯降低.

圖6 反應(yīng)器運(yùn)行至100d時(shí)R1,R2,R3,R4中顆粒污泥EPS含量及PN/PS大小Fig.6 The content of EPS and value of PN/PS of granular sludge in R1, R2, R3, R4 on day 100

2.3.2 信號(hào)分子對(duì)顆粒污泥表面疏水性的影響如圖7所示,外源添加C8-HSL能夠使ANAMMOX顆粒污泥的疏水性明顯提高.相比對(duì)照組R1,反應(yīng)器R2中污泥顆粒的相對(duì)疏水性提高了26%(由30.75%提高至38.61%).疏水作用是決定ANAMMOX污泥凝聚的重要驅(qū)動(dòng)力[18],外源添加C8-HSL后,顆粒污泥疏水性明顯提高,這是R2中顆粒污泥沉降性能提高的原因之三.而R3和R4中污泥顆粒的相對(duì)疏水性較對(duì)照組R1則基本沒有變化(其相對(duì)疏水性分別為31.13%和30.67%).本研究結(jié)果表明外源添加C8-HSL能夠通過ANAMMOX污泥群體感應(yīng)系統(tǒng)提高高負(fù)荷UASB反應(yīng)器中ANAMMOX顆粒污泥的表面疏水性.C6-HSL和C12-HSL則不能通過ANAMMOX污泥群體感應(yīng)系統(tǒng)來影響ANAMMOX顆粒污泥的表面疏水性.

圖7 反應(yīng)器運(yùn)行至100d時(shí)R1,R2,R3,R4中顆粒污泥相對(duì)疏水性的大小Fig.7 Relative hydrophobicity of granular sludge in R1,R2, R3, R4 on day 100

以上研究結(jié)果表明外源添加C8-HSL能夠?qū)Ω哓?fù)荷UASB反應(yīng)器中ANAMMOX顆粒污泥EPS的含量和組分、PN/PS值及表面疏水性產(chǎn)生長期影響,因此能夠?qū)NAMMOX顆粒污泥的沉降性能產(chǎn)生長期影響.僅在實(shí)驗(yàn)初期(0～20d)添加C8-HSL,之后不再添加,而實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至100d時(shí)反應(yīng)器R2中顆粒污泥的B-EPS含量及PN/PS值相比R1明顯降低,污泥顆粒表面疏水性顯著提高.所以實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至100d,反應(yīng)器R2未發(fā)生較嚴(yán)重污泥上浮現(xiàn)象,顆粒污泥能夠保持穩(wěn)定良好的沉降性能.這可能是因?yàn)橥庠刺砑覣HLs類信號(hào)分子誘發(fā)了污泥顆粒持續(xù)內(nèi)源釋放AHLs類信號(hào)分子[12,16],從而對(duì)污泥特性產(chǎn)生長期影響.這一發(fā)現(xiàn)具有較大地實(shí)際意義,僅在初期添加合適類型的信號(hào)分子,即可對(duì)污泥顆粒的沉降性能產(chǎn)生長期影響,因此不必長期添加信號(hào)分子,可極大地節(jié)約添加信號(hào)分子的成本,提高了該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值.

3 結(jié)論

3.1 外源添加信號(hào)分子C8-HSL能夠有效控制高負(fù)荷UASB反應(yīng)器中ANAMMOX顆粒污泥上浮,使反應(yīng)器保持穩(wěn)定且較高的脫氮效能,反應(yīng)器運(yùn)行至100d時(shí),NLR為12.9kg-TN/(m3·d),NRR達(dá)11.3kg-TN/(m3·d).

3.2 添加C8-HSL能夠大幅提高ANAMMOX顆粒污泥的沉降性能,并在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至100d時(shí)依然能夠使顆粒污泥保持穩(wěn)定良好的沉降性能.100d時(shí)R2中污泥密度、沉速較對(duì)照組R1分別提高了24%、90%,SVI30降低47%.C6-HSL雖然不能提高污泥顆粒的沉降性能,但可使污泥比厭氧氨氧化活性提高12%.C12-HSL則對(duì)高負(fù)荷反應(yīng)器中顆粒污泥特性沒有影響.

3.3 添加C8-HSL能夠控制高負(fù)荷反應(yīng)器中ANAMMOX顆粒污泥B-EPS的過量釋放,使其B-EPS含量較對(duì)照組降低15%,PN/PS值由4.22下降至2.14,同時(shí)還使顆粒污泥表面疏水性提高26%,所以C8-HSL能夠顯著提高顆粒污泥的沉降性能.C6-HSL和C12-HSL則對(duì)顆粒污泥EPS,PN/PS及疏水性沒有明顯影響,因此對(duì)污泥顆粒沉降性能沒有影響.

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