張志強,關 笑,呂 鋒,夏四清

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懸浮填料對厭氧氨氧化MBR運行的影響特性及機理

張志強1,2*,關 笑1,2,呂 鋒1,2,夏四清1,2

(1.同濟大學環(huán)境科學與工程學院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,長江水環(huán)境教育部重點實驗室,上海 200092；2.上海污染控制與生態(tài)安全研究院,上海 200092)

向厭氧氨氧化(anammox)膜生物反應器(MBR)投加懸浮填料,考察其對反應器脫氮性能和膜污染的影響特性,并探究了相關機理.試驗結(jié)果表明,投加填料后,反應器脫氮性能良好.當進水氨氮(NH4+-N)160mg/L、亞硝態(tài)氮(NO2--N)180mg/L時,出水NH4+-N和NO2--N均在15mg/L以下,硝態(tài)氮(NO3--N)在30mg/L以下,總氮去除率可達90%.投加填料顯著減輕了膜污染,跨膜壓差(TMP)穩(wěn)定在8kPa左右.混合液中溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)和胞外聚合物(EPS)成分分析結(jié)果表明,在第67~149d,蛋白質(zhì)總量、多糖總量和總有機碳總量分別下降了49%、43%和61%,它們濃度的下降有利于延緩膜污染;此外,懸浮填料對膜組件的機械碰撞也起到了物理清洗作用.高通量測序結(jié)果顯示,懸浮填料生物膜在anammox菌相對豐度方面顯著高于混合液污泥,說明anammox菌更適宜于附著生長,投加填料可以為其提供更加穩(wěn)定的生長環(huán)境.

厭氧氨氧化；MBR；懸浮填料；脫氮；膜污染

厭氧氨氧化(anammox)是一種新型生物脫氮技術,具有無需曝氣、無需投加碳源、投堿量低及剩余污泥量少等優(yōu)勢,在未來污水脫氮的實際應用中潛力巨大[1-2].然而, anammox菌存在生長速度緩慢、倍增時間長(8~11d)、對環(huán)境非常敏感等不足,導致菌種富集培養(yǎng)緩慢且工藝啟動周期長,極大制約了該工藝的推廣應用[3-4].提高反應器的細菌截留能力和延長污泥停留時間均有利于anammox菌的富集[5].近年來,許多研究者利用膜生物反應器(MBR)實現(xiàn)了anammox的較快啟動和穩(wěn)定運行[6-7].然而,膜污染是MBR不可忽視的問題.目前,控制膜污染的方法包括對膜材料進行改性、增大污泥粒徑、利用曝氣或水流沖刷和投加填料等[8-10].向反應器中投加填料不僅可以降低膜污染,還可以提高系統(tǒng)的抗沖擊負荷能力,使反應器的脫氮效果更加穩(wěn)定[11].有研究者比較了投加不同填料時anammox菌掛膜性能,并考察了反應器脫氮性能[2].也有研究者對投加填料后反應器的膜污染情況進行了研究,并分析了膜表面造成膜污染的物質(zhì)[10].這些研究主要集中在投加填料后反應器的性能和膜污染的結(jié)果上,而填料對反應器運行的影響機理有待明確.本文在考察懸浮填料對厭氧氨氧化MBR脫氮性能和膜污染影響的基礎上,從反應器混合液中溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)和胞外聚合物(EPS)的濃度變化以及微生物群落結(jié)構(gòu)(混合液污泥、懸浮填料生物膜)等多角度探究了懸浮填料對反應器運行的影響機理.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及其運行條件

厭氧氨氧化MBR實驗裝置主體(圖1)由有機玻璃制成,呈圓柱體,內(nèi)徑為12cm,高為30cm,總體積為3.4L,有效容積為3.0L,上方設有膜組件,依靠抽吸泵達到連續(xù)式膜出水.膜組件由40根孔徑為0.02μm的聚偏氟乙烯中空纖維超濾膜組成.該實驗裝置外層設有夾層,利用水浴加熱裝置使反應器的溫度穩(wěn)定在(35±1)℃.進水瓶和反應器上方設有氣袋,用來平衡整個實驗裝置內(nèi)外氣壓,保證體系處于嚴格厭氧環(huán)境.反應器下方設有磁力攪拌器,保證反應器內(nèi)混合均勻.控制系統(tǒng)用來控制進水泵和出水泵的運行情況,保證液位處于正常水平.真空表用來檢測跨膜壓差(TMP)的變化,反映反應器中膜污染的情況.整個實驗裝置用錫箔紙包裹,避光.啟動之前,反應器內(nèi)曝半小時N2以保持厭氧環(huán)境.試驗中投加的填料為高密度聚乙烯材質(zhì),規(guī)格為F10×8,比重為(0.96± 0.02)g/cm3,填料填充比為20%(填料堆積體積/反應器有效容積).當生物膜附著在表面后,其比重與水相近,在水體中呈懸浮狀態(tài).投加填料后,通過內(nèi)循環(huán)的方式對反應器進行攪拌,以保證反應器內(nèi)混合均勻.

圖1 厭氧氨氧化MBR反應器示意

1.進水瓶;2.膜組件;3.氣袋;4.進水泵;5.控制系統(tǒng);6.液位器;7.水浴加熱層;8.磁力攪拌器;9.真空表;10.出水泵;11.循環(huán)泵;12.出水瓶

1.2 進水水質(zhì)和接種污泥

采用人工模擬廢水作為反應器的進水,以氨氮(NH4+-N)和亞硝態(tài)氮(NO2--N)共同作為微生物生長的氮源,分別由NH4Cl和NaNO2提供,濃度隨實驗進程而改變.其它成分如下:KH2PO4為50mg/L,MgSO4·7H2O為150mg/L,KHCO3為500mg/L,CaCl2為136mg/L,Fe-EDTA溶液為1.25ml/L,微量元素溶液為1ml/L.其中,Fe-EDTA溶液組成如下:EDTA為300mg/L,FeSO4·7H2O為500mg/L,H2SO4為0.05ml/L;微量元素溶液組成如下:EDTA為15000mg/L,H3BO4為14mg/L, MnCl2·4H2O為990mg/L,ZnSO4·7H2O為430mg/L, (NH4)6Mo7O24·4H2O為177mg/L, CoCl2·6H2O為240mg/L, CuSO4·5H2O為250mg/L,NiCl2·6H2O為199mg/L,NaSeO3·5H2O為152mg/L, Na2WO4·2H2O為50mg/L.接種污泥來自課題組運行一個月的反應器中的anammox污泥約1200mL和某公司中試實驗中處理垃圾滲濾液的anammox污泥500mL,接種后反應器內(nèi)混合液的SS約為4.69g/L,VSS約為3.95g/L.

1.3 分析方法

反應器進、出水水質(zhì)檢測方法如下:NH4+-N用納氏試劑分光光度法測定(Shimadzu, UV- 2700), NO2--N用N-(1萘基)-乙二胺分光光度法法測定(Shimadzu, UV-2700),NO3—N用離子色譜法測定(Dionex, ICS-1000),TN濃度以NH4+- N、NO2--N和NO3--N濃度之和表示, pH值利用便攜式多參數(shù)分析儀測定(Hach, HQ40d).

將反應器混合液在6000g離心5min,取上清液經(jīng)0.45μm濾膜過濾得到SMP,采用改進的熱提取法依次提取松散結(jié)合態(tài)胞外聚合物(LB- EPS)和緊密附著態(tài)胞外聚合物(TB-EPS).測定SMP、EPS的蛋白質(zhì)、多糖和總有機碳濃度[12].蛋白質(zhì)用穩(wěn)定型Lowry法蛋白濃度測定試劑盒測定(Sangon biotech, NO.C504051),多糖用苯酚-硫酸法測定[13],總有機碳利用總有機碳分析儀測定(Shimadzu, TOC-LCPH).

在反應進行了200多天時,分別從反應器混合液污泥和懸浮填料生物膜取微生物樣本.利用試劑盒(Omega, E.Z.N.ATM Mag-Bind Soil DNA Kit)按照其說明書上的操作步驟提取微生物樣本DNA.利用Qubit2.0DNA檢測試劑盒對基因組DNA精確定量后,用V3-V4通用引物進行第一輪擴增,隨后引入Illumina橋式PCR兼容引物進行第二輪擴增,最后利用Illumina MiSeq平臺對擴增產(chǎn)物進行高通量測序研究.

2 結(jié)果與討論

2.1 懸浮填料對厭氧氨氧化MBR運行的影響特性

2.1.1 厭氧氨氧化性能 考察了反應器運行162d的脫氮性能(圖2),在整個過程中,系統(tǒng)未進行排泥,pH值基本在7.5~8.5之間.在接種污泥的初期,反應器未投加填料,污泥以懸浮態(tài)生長,HRT設置為24h.采用較低的總氮濃度和總氮負荷啟動反應器,之后逐步提高.在第1~42d,反應器表現(xiàn)出良好的脫氮性能.出水NH4+-N和NO2--N濃度都在15mg/L以下.當進水NH4+-N由110mg/L提升至160mg/L左右、進水NO2--N由120mg/L提升至180mg/L左右時,出水硝態(tài)氮濃度升高,但仍保持在30mg/L以下.運行至第43d時向反應器中投加填料,進水總氮濃度保持不變,微生物開始在填料上掛膜生長.反應器出水NH4+-N和NO2--N濃度依然在15mg/L以下,硝態(tài)氮濃度也在30mg/L以下,說明投加填料之后,隨著生物膜形成,反應器脫氮性能總體穩(wěn)定.根據(jù)文獻報道,固定生長的anammox菌具有更高的耐沖擊負荷的能力[10,14],因此在第48d進一步提高進水總氮濃度.將進水NH4+-N濃度提升至210mg/L, NO2--N濃度提升至240mg/L,出水NH4+-N濃度和NO2--N濃度隨之升高.從第53d開始,通過逐步延長水力停留時間來降低進水總氮負荷,最長延長至135h,出水NH4+-N濃度和NO2--N濃度相應降低.隨著反應器的穩(wěn)定,后期將HRT縮短至48h.

圖2 懸浮填料對厭氧氨氧化MBR出水氮素濃度的影響

懸浮填料對厭氧氨氧化MBR氮素負荷和氮素去除率的影響如圖3所示.在投加填料前,總氮去除率基本保持在85%以上,NH4+-N和NO2--N的去除率分別保持在85%和90%以上.在運行過程中進水的總氮負荷(NLR)不斷提高,由開始啟動時的0.18kg TN/(m3·d)增加到了0.35kg TN/(m3·d).相應地,總氮去除負荷(NRR)也不斷增大,由開始啟動時的0.16kg TN/(m3·d)增加到了0.30kg TN/(m3·d).投加填料后,在進水NH4+-N濃度和NO2--N濃度保持不變的情況下,NH4+-N和NO2--N的去除率均在95%左右,總氮去除率為85%~90%.當進水NH4+-N提升至210mg/L,NO2--N提升至240mg/L時,NH4+-N和NO2--N的去除率下降.保持進水總氮濃度不變,當總氮負荷降低至0.19kg TN/(m3·d)以下時,NH4+-N和NO2--N的去除率仍可達到95%以上,總氮去除率可達90%.

圖3 懸浮填料對厭氧氨氧化MBR氮素去除率的影響

2.1.2 膜污染 在膜系統(tǒng)運行過程中,膜污染是一個不可避免的問題.隨著TMP的逐漸升高,系統(tǒng)出水量急劇減少,會嚴重影響膜分離效率[15].由圖4可知,在未投加填料的階段,TMP呈直線上升趨勢;經(jīng)過5d的運行,TMP便達到了10kPa以上.在第30d,TMP已達到20kPa,反應器此時已經(jīng)發(fā)生了較嚴重的膜污染.在運行第43d時,對膜組件進行物理和化學清洗,并在組裝膜組件的同時向反應器中投加填料.許新迪等[16]通過自循環(huán)曝氣控制厭氧氨氧化MBR的膜污染,將膜的使用周期由4d延長到38d.而由圖4可知,在投加填料后近120d的運行過程中,未對膜進行清洗,TMP始終在8kPa上下波動,沒有進一步地升高,這表明懸浮填料的投加可以有效地控制膜污染,為反應器的穩(wěn)定運行提供一定的保障[10].吳鵬等[17]的研究也表明添加顆粒填料比間歇曝氣更有效地延緩了膜污染.

2.2 懸浮填料對厭氧氨氧化MBR運行的影響機理

2.2.1 混合液中SMP和EPS濃度 微生物的生長代謝過程中分泌的SMP及EPS是由蛋白質(zhì)、多糖、腐殖質(zhì)、核酸等物質(zhì)構(gòu)成的復雜混合物,能夠在膜表面形成一種高含水性的膠狀體[18-19].較高濃度的SMP和EPS會使反應器混合液粘度增加,溶解性物質(zhì)增多,造成膜通量下降,進而影響MBR的運行[16].由于厭氧MBR中污泥濃度更高、污泥停留時間更長,膜污染問題更為嚴重[20].此外,厭氧MBR中由于沒有曝氣的沖刷作用,更容易形成泥餅層,這也加速了膜污染[8].

為了探究懸浮填料有效控制厭氧氨氧化MBR膜污染的機理,考察了投加填料后不同時間混合液中SMP和EPS蛋白質(zhì)、多糖及總有機碳的含量.在第67d、第89d和第149d采集混合液,分別對其SMP、LB-EPS和TB-EPS成分進行分析,結(jié)果如表1所示.在投加填料之后,反應器污泥混合液中SMP和EPS的濃度整體上都呈現(xiàn)下降趨勢.在第67~149d,蛋白質(zhì)總量下降了49%,多糖總量下降了43%,總有機碳的含量下降了61%.由此可以得出,填料的投加降低了反應器混合液中SMP和EPS的濃度,從而將TMP控制在一定范圍,有效控制了反應器的膜污染情況.

另外,在內(nèi)循環(huán)的攪拌作用下,填料在反應器內(nèi)不斷運動,其對膜組件的機械碰撞也起到了物理清洗的效果,使得造成膜污染的物質(zhì)不易附著在膜絲表面,難以形成濾餅層.因此,在反應器投加填料后,即使由于水質(zhì)波動等原因造成了跨膜壓差的短暫上升,也會由于填料的沖刷作用去除部分濾餅層,從而將跨膜壓差控制在一定范圍內(nèi).

表1 厭氧氨氧化MBR混合液中SMP和EPS的成分分析

2.2.2 微生物群落結(jié)構(gòu) 為了探究投加填料對反應器中微生物群落結(jié)構(gòu)的影響,在厭氧氨氧化MBR運行200多天后,對混合液污泥和懸浮填料生物膜的微生物進行測序研究,以分析其微生物群落組成的差異.

混合液污泥和懸浮填料生物膜的微生物在門水平上的組成及相對豐度如圖5所示,其主要菌群種類類似,各菌群的相對豐度存在一定的差異.在2種樣品中擬桿菌門(Bacteroidetes)都是優(yōu)勢菌種,基于16S rRNA基因的系統(tǒng)發(fā)育分析表明anammox菌共有5個屬9個菌種,都屬于浮霉菌門(Planctomycetes)[4],其相對豐度均排第2位,分別為15.90%和24.19%,可以看出懸浮填料生物膜上浮霉菌門微生物的相對豐度明顯高于混合液污泥.

為了進一步確定混合液污泥和懸浮填料生物膜的微生物菌種的差異性,考察了它們在屬水平上的組成及相對豐度,結(jié)果如圖6所示.厭氧氨氧化常見的菌屬包括、和等,其中是厭氧氨氧化MBR中的主要功能菌屬.由圖6可知,在混合液污泥和懸浮填料生物膜中的相對豐度分別為14.73%和22.50%.與門水平上的分析結(jié)果一致,在懸浮填料生物膜中的相對豐度高于在混合液污泥中的相對豐度,這與其他研究者的結(jié)論也是一致的.劉思彤等[21]利用定量PCR和熒光雜交技術對運行一段時間的SBR反應器中微生物進行分析,發(fā)現(xiàn)器壁生物膜中的anammox菌含量明顯高于混合液污泥.另外,污泥樣品中也檢測出少量和,它們在混合液污泥中的相對豐度分別為0.22%和0.09%,在懸浮填料生物膜中的相對豐度分別為0.27%和0.25%.可以看出,這2種菌屬在懸浮填料生物膜中的相對豐度也高于混合液污泥中的相對豐度.綜合來看, anammox菌傾向于聚集生長.向反應器中投加填料可以為anammox菌提供更好的生長環(huán)境,有利于anammox菌的富集.

圖5 微生物群落在門水平上的組成及相對豐度

圖6 微生物群落在屬水平上的組成及相對豐度

3 結(jié)論

3.1 投加懸浮填料至厭氧氨氧化MBR后,反應器保持了良好的脫氮性能.當進水NH4+-N為160mg/L、進水NO2--N為180mg/L時,出水NH4+-N和NO2--N濃度均在15mg/L以下,硝態(tài)氮濃度在30mg/L以下,總氮去除率為85%~90%.將進水NH4+-N濃度提高至210mg/L,NO2--N濃度提高至240mg/L,反應器在進水總氮負荷低于0.19kg TN/(m3·d)時,總氮去除率可達90%.

3.2 投加懸浮填料顯著減輕了厭氧氨氧化MBR的膜污染.反應器在投加填料后運行的近120d中,TMP穩(wěn)定在8kPa左右.懸浮填料作為微生物載體降低了混合液中SMP和EPS濃度,在第67~149d,蛋白質(zhì)總量下降了49%,多糖總量下降了43%,總有機碳下降了61%.填料對膜的機械碰撞也有效緩解了膜污染.

3.3在懸浮填料生物膜中的相對豐度明顯高于其在混合液污泥中的相對豐度,說明anammox菌傾向于聚集生長,投加填料可以為anammox菌提供一個更加穩(wěn)定的生長環(huán)境,有利于anammox菌的富集.

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Influencing characteristics and mechanisms of suspended carriers on anammox MBR performance.

ZHANG Zhi-qiang1,2*, GUAN Xiao1,2, Lü Feng1,2, XIA Si-qing1,2

(1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, Key Laboratory of Yangtze River Water Environment, Ministry of Education, College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China；2.Shanghai Institute of Pollution Control and Ecological Security, Shanghai 200092, China)., 2018,38(3)：929~934

The influencing characteristics and mechanisms of suspended carriers on nitrogen removal and membrane fouling were investigated by adding the carriers into a membrane bioreactor (MBR) inoculated with anaerobic ammonia oxidation (anammox) bacteria. The results showed that the reactor was of good nitrogen removal performance after adding the carriers. Both ammonia nitrogen (NH4+-N) and nitrite nitrogen (NO2--N) in the effluent were under 15mg/L, nitrate nitrogen (NO3--N) in the effluent was under 30mg/L, and total nitrogen removal efficiency reached 90%. Adding the carriers into the reactor effectively mitigated membrane fouling, and the transmembrane pressure (TMP) was stabilized at about 8kPa. The analyses results of soluble microbial products (SMP) and extracellular polymeric substances (EPS) in the mixed liquid showed that total amounts of proteins, polysaccharides and total organic carbon decreased by 49%, 43% and 61%, respectively from day 67 to day 149, which was beneficial to mitigate membrane fouling. Besides, mechanical collision of the carriers onto the membrane modules also played a physical cleaning role. The high-throughput sequencing results showed that the relative abundance of anammox bacteria in the carrier biofilm was significantly higher than that in the mixed sludge, indicating that the anammox bacteria were more suitable for attachment growth, and the suspended carriers could provide a more stable growth environment for the community.

anammox；MBR；suspended carriers；nitrogen removal；membrane fouling

X703.1

A

1000-6923(2018)03-0929-06

張志強(1980-),男,江西南昌人,副教授,博士,研究方向為水污染控制與資源化.發(fā)表論文70余篇.

2017-08-10

國家重點研發(fā)計劃資助(2017YFC0403400);污染控制與資源化研究國家重點實驗室自主課題資助(PCRRE16019);中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目

* 責任作者, 副教授, zhiqiang@#edu.cn