史 勤,常青龍,謝弘超,張鈴敏,趙宇豪,王亞宜

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吸附-全程自養(yǎng)脫氮(A-CANON)工藝處理實(shí)際市政污水

史 勤,常青龍,謝弘超,張鈴敏,趙宇豪,王亞宜*

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海污染控制與生態(tài)安全研究院,上海 200092)

以上海某污水處理廠市政污水為研究對(duì)象,考察市政污水在常溫(25℃)條件下先經(jīng)吸附段(A段)去除回收部分碳源后利用全程自養(yǎng)脫氮(CANON)工藝處理的脫氮效果.A-CANON工藝穩(wěn)定運(yùn)行175個(gè)周期, A段水力停留時(shí)間(HRT)=20min,DO=2mg/L, COD去除率始終高于60%,出水C/N降至1.5左右;CANON段出水中COD及TN濃度分別低于50mg/L和15mg/L,NH4+-N濃度一般低于5mg/L,基本滿足城市污水廠一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn).16S rDNA高通量測(cè)序結(jié)果顯示,采用A-CANON工藝后,CANON系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)厭氧氨氧化菌屬為_Jettenia和_Brocadia.其中,_Jettenia的豐度由第85周期的1.79%增加到第175周期的13.51%,較同期豐度降低1.4%的_Brocadia表現(xiàn)出更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力.研究結(jié)果表明采用A-CANON工藝可有效處理市政污水并回收其中碳源.為該工藝在市政污水處理中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持,有望實(shí)現(xiàn)市政污水碳、氮處理的可持續(xù)性.

吸附-全程自養(yǎng)脫氮(A-CANON)；市政污水；常溫；高通量測(cè)序

傳統(tǒng)污水處理過程需要大量能耗,因此在有效去除氮素的前提下,高效回收利用污水中的資源也至關(guān)重要,可望實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展.AB法[1]的吸附(A)段作為典型的高效活性污泥(HRAS)段,可通過生物富集污水中的有機(jī)物而后采用厭氧消化技術(shù)實(shí)現(xiàn)能量的回收,實(shí)際應(yīng)用顯示可實(shí)現(xiàn)108%的能源自給率[2].

全程自養(yǎng)脫氮(CANON)工藝由于具有耗氧量低,無需外加碳源等優(yōu)勢(shì),是經(jīng)濟(jì)高效的生物脫氮工藝之一,已成功應(yīng)用于高氨氮廢水的處理,主要處理對(duì)象為污泥消化液和垃圾滲濾液[3-4].然而,市政污水低溫?高碳氮比(C/N)(常在10~12[5])的特點(diǎn)限制了CANON工藝應(yīng)用于主流市政污水的處理[6].例如,市政污水中的有機(jī)物能夠提高污泥中異養(yǎng)菌的活性,但會(huì)導(dǎo)致異養(yǎng)菌和脫氮功能微生物氨氧化菌(AOB)及厭氧氨氧化菌(AnAOB)的底物競爭從而破壞CANON系統(tǒng)的穩(wěn)定性[7-8].另一方面,研究也指出合適的C/N可實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化和反硝化菌的協(xié)同脫氮,獲得更優(yōu)的脫氮效果[9-11].可見,若成功將A段和CANON段偶聯(lián)處理市政污水,既可以通過A段回收污水中的碳源,降低CANON段進(jìn)水C/N,又可發(fā)揮CANON段優(yōu)勢(shì)降低污水處理能耗.然而,目前鮮有關(guān)于A-CANON應(yīng)用于實(shí)際市政污水的研究報(bào)道.因此,研究其應(yīng)用效果具有重要意義.

本研究將A段和經(jīng)常溫(25℃)馴化后的CANON段串聯(lián)處理市政污水以考察A-CANON工藝的可行性.從生物脫氮、COD去除、功能微生物活性變化等方面研究該工藝的處理效果,為A- CANON工藝在城市市政污水處理中的應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)城市污水的低碳化和可持續(xù)發(fā)展.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用2個(gè)序批式反應(yīng)器SBR1(用于A段研究)和SBR2(用于CANON工藝).反應(yīng)器有效容積均為2.5L,充水比0.6,底部設(shè)有曝氣頭,內(nèi)部設(shè)置攪拌槳,轉(zhuǎn)速為130rpm.SBR2設(shè)有水浴層,內(nèi)置加熱棒.

1.2 試驗(yàn)用水與污泥來源

SBR1的試驗(yàn)用水取自上海某污水廠曝氣沉砂池出水,水樣COD濃度為120~380mg/L, pH平均值7.6.接種污泥為該污水廠污泥,污泥濃度為3903mg/L.

SBR2的試驗(yàn)用水為SBR1的出水,接種污泥為本課題組現(xiàn)有CANON污泥.

1.3 反應(yīng)器參數(shù)設(shè)定及運(yùn)行條件

根據(jù)前期吸附實(shí)驗(yàn)的結(jié)果[12],設(shè)定A段水力停留時(shí)間(HRT)為20min,污泥停留時(shí)間(SRT)為7d,溶解氧(DO)為2.0mg/L.

CANON反應(yīng)器進(jìn)水采用A段出水,溫度控制在25℃.每天運(yùn)行6個(gè)周期,每周期4h,其中進(jìn)水5min,預(yù)反應(yīng)10min,反應(yīng)180min,沉淀30min,出水10min,閑置5min.采用間歇曝氣,每周期設(shè)置3個(gè)好氧/缺氧段(15min/30min),曝氣段DO濃度大多控制在0.10mg/L.

1.4 指標(biāo)測(cè)定與計(jì)算方法

每日分別取SBR1及SBR2進(jìn)、出水各10mL,通過快速消解分光光度法檢測(cè)COD含量.SBR2每周至少進(jìn)行一次單周期監(jiān)測(cè),利用WTW在線監(jiān)測(cè)儀測(cè)定pH值及DO.另在SBR2運(yùn)行的特定時(shí)間節(jié)點(diǎn)取水樣10mL,經(jīng)0.45μm的膜頭過濾后利用離子色譜檢測(cè)三氮含量(NH4+-N、NO2--N和NO3--N).各指標(biāo)設(shè)置三組平行樣測(cè)量后取平均值.

按照厭氧氨氧化的理論計(jì)量學(xué)方程式,根據(jù)三氮數(shù)值計(jì)算總氮去除負(fù)荷[TNRR,kgN/(m3×d)]以及分別反映功能微生物AOB和NOB理論原位活性的氨氧化速率[AOR,gN/(m3×h)]和亞硝酸鹽氧化速率[NOR,kgN/(m3×h)].具體計(jì)算方法如下:

式中:ΔTN表示一個(gè)周期內(nèi)總氮濃度的減少量,mg/L; ?TN’表示曝氣過程中總氮濃度總的減少量,mg/L;表示一個(gè)周期的時(shí)間,h;?表示一個(gè)周期內(nèi)總曝氣時(shí)間,h.應(yīng)用Excel 2016及OriginPro 9.1進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖.

1.5 高通量16S rDNA測(cè)序

1.5.1 樣品采集與保存 移液槍取8mL泥水混合液于10mL離心管中,離心去除上清液,于-20℃冰箱保存.

1.5.2 DNA提取與PCR擴(kuò)增 采用E.Z.N.A.?soil試劑盒(Omega Bio-tek, Norcross, GA, U.S.)提取樣品中細(xì)菌基因組DNA;用338F(5’-ACTCCTAC- GGGAGGCAGCAG-3’)和806R(5’-GGACTACH- VGGGTWTCTAAT-3’)引物對(duì)V3~V4可變區(qū)進(jìn)行PCR擴(kuò)增.

1.5.3 Illumina Miseq測(cè)序 使用2%瓊脂糖凝膠回收PCR產(chǎn)物,利用AxyPrep DNA Gel Extraction Kit (Axygen Biosciences, Union City, CA, USA) 進(jìn)行純化,Tris-HCl洗脫,2%瓊脂糖電泳檢測(cè).采用QuantiFluor?-ST (Promega, USA)進(jìn)行檢測(cè)定量.根據(jù)Illumina MiSeq平臺(tái)(Illumina, San Diego,USA)標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程構(gòu)建PE 2*300的文庫.

1.5.4 數(shù)據(jù)分析處理 原始測(cè)序序列使用Trimmomatic軟件質(zhì)控,FLASH軟件拼接.采用UPARSE軟件(version 7.1) 根據(jù)97%的相似度進(jìn)行OTU聚類;使用UCHIME軟件剔除嵌合體.利用RDP classifier對(duì)每條序列進(jìn)行物種分類注釋,比對(duì)Silva數(shù)據(jù)庫(SSU123),設(shè)置比對(duì)閾值為70%.分類完成后,采用I-Sanger生信云平臺(tái)統(tǒng)計(jì)各物種門、屬比例并繪制相關(guān)柱狀圖.

2 結(jié)果與討論

2.1 A段反應(yīng)器的運(yùn)行性能

如表1所示,A段反應(yīng)器共運(yùn)行697個(gè)周期,出水COD在50mg/L左右,最低可達(dá)32mg/L,基本滿足城市污水廠一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)[GB 18918-2002] (COD<60mg/L).運(yùn)行周期中COD的去除率始終高于60%,且隨著運(yùn)行的穩(wěn)定,COD去除率最終維持在78%左右,表明A段吸附碳源效果較佳,該段污泥有利于進(jìn)行后續(xù)的厭氧消化以實(shí)現(xiàn)碳源回收.此外,出水TN濃度相比于進(jìn)水變化不大,表明A段的主要去除對(duì)象為COD.A段出水C/N在1.5左右,最高為2.86,基本滿足CANON工藝的脫氮要求[13].

表1 A段反應(yīng)器運(yùn)行性能

2.2 CANON反應(yīng)器的初始運(yùn)行性能

CANON反應(yīng)器采用人工配水先后經(jīng)歷53d的高溫(33℃)培養(yǎng)及91d的常溫(25℃)馴化,進(jìn)水NH4+-N濃度約在300mg/L,出水NH4+-N濃度約為160mg/L,出水NO3--N濃度約為23mg/L.TNRR最終穩(wěn)定在0.34kg-N(m3·d)左右,與Hendrickx等[14]利用氣提池得到的研究結(jié)果相近.CANON系統(tǒng)中NOR基本為0,ΔNO3--N/ΔNH4+-N穩(wěn)定在0.11左右,表明CANON系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定[15].

2.3 CANON段處理A段出水的運(yùn)行性能

將A段與CANON段串聯(lián)處理市政污水,整個(gè)體系運(yùn)行175個(gè)周期.

如圖1所示,由于CANON反應(yīng)器的進(jìn)水來源于A段出水,起初進(jìn)水基質(zhì)濃度的降低導(dǎo)致氨氧化速率受到限制,AOR降至10g-N/(m3·h)以下;NOB表現(xiàn)出一定活性,NOR維持在1g-N/(m3·h)左右.第85周期,CANON系統(tǒng)的ΔNO3--N/ΔNH4+-N上升到0.30,隨著系統(tǒng)的穩(wěn)定,該值逐漸降低至0.08左右,但仍然偏離理論值0.11較多,這可能是由于市政污水中剩余的COD導(dǎo)致反硝化細(xì)菌的增長,系統(tǒng)中存在反硝化作用.而在反應(yīng)器運(yùn)行后期,出水中NO3--N濃度逐漸由第140周期的10mg/L降至5mg/L,也間接表明了反硝化作用存在的可能性.在整個(gè)運(yùn)行過程中,CANON反應(yīng)器的TNRR隨進(jìn)水NH4+-N濃度的波動(dòng)而波動(dòng),維持在0.05~0.09kg-N/(m3·d).

圖1 A-CANON中CANON反應(yīng)器運(yùn)行性能

如圖2所示,考察一個(gè)典型周期中各要素的變化情況.

圖2 CANON反應(yīng)器典型周期(第49個(gè)周期)內(nèi)氮素、DO和pH值的變化曲線

由于市政污水TN較低,反應(yīng)器曝氣段DO濃度大多控制在0.1mg/L.周期初,TN為26.7mg/L, NO2--N為1.1mg/L,NO3--N為6.9mg/L,NH4+-N僅為18.7mg/L.由于NH4+-N濃度較低,第一個(gè)好氧段末僅積累2.5mg/L的NO2--N.每個(gè)好氧段雖然短程硝化的效果欠佳,但仍有少量NO2--N積累.隨著反應(yīng)進(jìn)行,NH4+-N濃度減少,反應(yīng)器好氧段DO因富余而升高,在第三個(gè)好氧段末時(shí)升高至0.4mg/L,同期pH值也隨之升高,表明該好氧段中的短程硝化效果已經(jīng)很弱.在周期末,反應(yīng)器出水中TN濃度為14.1mg/L,NH4+-N濃度為4.9mg/L,達(dá)到了城市污水廠一級(jí)A的排放標(biāo)準(zhǔn),表明用A-CANON工藝處理市政污水能夠滿足脫氮要求.

從典型周期來看,當(dāng)采用CANON工藝處理A段出水,雖然CANON系統(tǒng)中NOB的活性不能完全被抑制,但出水TN濃度仍然較低,這可能是厭氧氨氧化和反硝化共同作用的結(jié)果[16-17].而前端A段處理降低C/N也有利于適當(dāng)避免AnAOB和反硝化菌的過度競爭.

圖3 CANON段處理市政污水的運(yùn)行效果

此外,CANON段進(jìn)出水NH4+-N、TN、COD和進(jìn)水C/N情況如圖3所示.進(jìn)水池中COD濃度為31.2~70mg/L,進(jìn)水TN濃度為30mg/L左右,進(jìn)水C/N為1.01~2.86,主要集中在1.5左右.CANON段出水COD始終低于50mg/L,可以達(dá)到城市污水廠一級(jí)A的排放標(biāo)準(zhǔn);在運(yùn)行初期,出水TN濃度略高于15mg/L,隨著反應(yīng)器運(yùn)行性能的穩(wěn)定,出水TN逐漸降低,最終穩(wěn)定在10mg/L左右,也可以滿足城市污水廠一級(jí)A的排放標(biāo)準(zhǔn);而出水NH4+-N濃度隨著進(jìn)水NH4+-N的變化而波動(dòng),約為5mg/L,一般能滿足一級(jí)A的出水要求.整個(gè)系統(tǒng)共運(yùn)行175個(gè)周期,出水COD濃度、TN及NH4+-N濃度基本能滿足城市污水廠一級(jí)A的排放標(biāo)準(zhǔn),表明當(dāng)進(jìn)水C/N在1.5左右時(shí),CANON工藝可以穩(wěn)定處理A段出水,A-CANON工藝對(duì)市政污水的處理效果可以達(dá)標(biāo).

2.4 市政污水對(duì)CANON污泥的影響

如圖4,當(dāng)采用A段出水作為CANON反應(yīng)器進(jìn)水后,CANON污泥中的絮體減少,顆粒邊界更為清晰且顏色變暗,這可能是由于反應(yīng)器對(duì)絮體的淘洗導(dǎo)致硝化菌少量減少[18]以及異養(yǎng)菌適量增長.

圖4 CANON段污泥形態(tài)

左圖.階段初;右圖.階段末

2.5 反應(yīng)器運(yùn)行中微生物群落結(jié)構(gòu)變化

在A-CANON串聯(lián)的第1個(gè)周期從A段反應(yīng)器取泥樣命名為A,另在運(yùn)行的第1、第85及第175個(gè)周期分別從CANON反應(yīng)器中取泥樣并命名為C1、C2和C3,進(jìn)行16S rDNA高通量分析,結(jié)果如圖5所示.

從“門”的水平看,共檢測(cè)出15個(gè)菌門.其中,A樣品中的變形菌門(Proteobacteria)相對(duì)豐度達(dá)到36.6%,對(duì)于A段實(shí)現(xiàn)COD降解的貢獻(xiàn)作用不容小覷.CANON系統(tǒng)中涉及到脫氮性能的菌種主要包括Proteobacteria、浮霉菌門(Planctomycetes)和硝化螺旋菌門(Nitrospirae).其中,C1、C2、C3樣品中Proteobacteria(AOB屬于Proteobacteria)的相對(duì)豐度基本保持在20%,表明氨氧化性能較為穩(wěn)定.

然而Planctomycetes(AnAOB屬于Planctomycetes)的豐度波動(dòng)較為明顯,其在C1樣品中的比例高達(dá)21.62%,而在C2樣品中的占比下降到8.94%,這可能是由于A段出水氮負(fù)荷降低對(duì)CANON反應(yīng)器中隸屬于Planctomycetes門的微生物造成了沖擊作用;隨后,在C3樣品中,Planctomycetes的占比回升至19.58%,顯示出其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力.在4個(gè)樣品中,Nitrospirae(亞硝酸鹽氧化菌屬于Nitrospirae)的占比分別為2.22%,0.24%,0.10%和0.08%,表明與A段串聯(lián)后并未導(dǎo)致CANON系統(tǒng)中Nitrospirae的相對(duì)豐度提高,系統(tǒng)仍能維持良好的短程硝化.

從“屬”的水平看,CANON中AnAOB的優(yōu)勢(shì)菌屬有Jettenia和Brocadia, AOB主要有,NOB主要為,反硝化菌主要有.A-CANON串聯(lián)處理市政污水后,A樣品中相對(duì)豐度較高的菌屬在C2和C3樣品中的相對(duì)豐度并沒有明顯提高,說明A段出水中攜帶的該優(yōu)勢(shì)菌屬對(duì)CANON系統(tǒng)中微生物種屬的影響并不明顯.在C1樣品中,Brocadia作為AnAOB的優(yōu)勢(shì)菌種,豐度達(dá)到11.42%,說明常溫更適合Brocadia的生長.Lotti等[19]也研究發(fā)現(xiàn),甚至在6~15℃條件下,Brocadia仍能成為系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)菌種.另一方面,也有研究認(rèn)為,Brocadia在富含有機(jī)質(zhì)的環(huán)境下能表現(xiàn)出較大的競爭優(yōu)勢(shì)[20].然而在本研究中,隨著系統(tǒng)運(yùn)行的延續(xù),在C3樣品中,Jettenia的豐度略高于Brocadia(達(dá)到13.51%)也表現(xiàn)出一定的競爭優(yōu)勢(shì).

圖6顯示了系統(tǒng)中_、_、、和在污泥樣品中相對(duì)豐度的變化.

圖6 污泥樣品中AnAOB、AOB、NOB和denitrifying bacteria菌屬相對(duì)豐度的變化

A:A-CANON運(yùn)行第1個(gè)周期時(shí)A段反應(yīng)器內(nèi)的泥樣;C1~C3:A- CANON運(yùn)行的第1、第85及第175個(gè)周期時(shí)CANON反應(yīng)器內(nèi)的泥樣

當(dāng)CANON段采用A段出水后,在C2樣品中_Jettenia和Brocadia的相對(duì)豐度均下降,這可能是由于氮負(fù)荷降低沖擊造成.在C3樣品中,Brocadia的相對(duì)豐度繼續(xù)下降了1.4%,而Jettenia的相對(duì)豐度由1.79%上升到13.51%,說明Jettenia對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力更強(qiáng).從C1樣品到C3樣品,和的相對(duì)豐度持續(xù)下降,表明處理A段出水并未造成CANON系統(tǒng)中NOB的快速增殖,這也可能與A段出水中基質(zhì)較低有關(guān).

3 結(jié)論

3.1 采用A-CANON工藝處理常溫市政污水,穩(wěn)定運(yùn)行后出水中COD濃度低于50mg/L,TN濃度低于15mg/L,NH4+-N濃度基本低于5mg/L,出水基本滿足城市污水廠一級(jí)A的排放標(biāo)準(zhǔn),表明A-CANON工藝處理市政污水具有可行性.

3.2 16S rDNA高通量測(cè)序結(jié)果表明,AOB菌屬主要為, AnAOB 菌屬主要為_Jettenia和Brocadia, NOB菌屬主要為.當(dāng)采用A-CANON工藝處理常溫市政污水后,A段出水并未導(dǎo)致CANON系統(tǒng)中Nitrospirae的相對(duì)豐度提高,系統(tǒng)仍能維持較好的短程硝化,但起初會(huì)對(duì)AnAOB造成短期沖擊,隨后_Jettenia豐度上升至13.51%,較Brocadia表現(xiàn)出更強(qiáng)的適應(yīng)能力.

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The performance of the adsorption (A)-CANON process treatment municipal wastewater.

SHI Qin, CHANG Qing-long, XIE Hong-chao, ZHANG Ling-min, ZHAO Yu-hao, WANG Ya-yi*

(Shanghai Institute of Pollution Control and Ecological Security, State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse, College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)., 2019,39(2)：598~603

Adsorption (A)-CANON process was proposed to verify the feasibility of using this process to treat municipal wastewater from wastewater treatment plants. The adsorption unit was established for the carbon adsorption and recycling, then the low C/N wastewater (effluent of the A unit) entered the CANON unit for the autotrophic nitrogen removal. This process ran stably for 175 cycles and exhibited robust carbon and nitrogen removals. At HRT=20min and DO=2mg/L, the removal efficiency of COD in the A unit reached more than 60% with effluent C/N declining to about 1.5. In the CANON unit, the effluent COD, TN and NH4+-N were lower than 50mg/L, 15mg/L and 5mg/L, respectively, which basically have met the wastewater discharge standard for A standard, first class. The 16S rDNA high throughput sequencing showed that the dominant anammox bacteria was_Jettenia andBrocadia._Jettenia can adaptable for the low ammonia and normal temperature environment better than_Brocadia while using the A-CANON process, i.e. the abundance of_Jettenia increased from 1.79% in the 85thcycle to 13.51% in the 175thcycle while that ofBrocadia reduced by 1.4%. The results proved that the A-CANON process can treat municipal sewage effectively as well as recycle the carbon, which provides theoretical basis and technical support for its sustainable application on municipal wastewater treatment.

A-CANON；municipal wastewater；room temperature；high-throughput sequencing

X703.1

A

1000-6923(2019)02-0598-06

史 勤(1995-),女,浙江杭州人,同濟(jì)大學(xué)碩士研究生,主要從事污水生物處理理論與應(yīng)用研究.

2018-07-14

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51522809)

* 責(zé)任作者, 教授, yayi.wang@#edu.cn