利用序批式生物膜反應器啟動厭氧氨氧化研究

于英翠,高大文,陶 彧,陳春宏 (.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱50090；2.西北農林科技大學資源環境學院,陜西 楊凌 7200)

厭氧氨氧化菌以 NO2--N作為電子受體,直接將氨氮氧化為氮氣.厭氧氨氧化與傳統的硝化反硝化相比,是一種更為高效且經濟的脫氮方式,不僅能夠節省50%以上能源和100%的有機碳源,還可以減少溫室氣體的排放[1-2].近幾年來厭氧氨氧化菌富集培養成為國內外研究熱點.然而絕大多數厭氧氨氧化菌屬是嚴格自養生長菌,其生長速度很緩慢,同時對氧分子等外界環境因子比較敏感,富集培養比較困難.

為有效保護厭氧氨氧化菌不受有害環境因子的影響,可以借助其他脫氮菌群(如好氧氨氧化菌,反硝化菌等)實現多個微生物種群之間互利共生.目前實現該目標最常見的手段是形成生物膜或培養顆粒污泥[3-4].已有研究[5-10]證實好氧氨氧化菌、反硝化菌和厭氧氨氧化菌可以共存,厭氧氨氧化菌存在于顆粒污泥或生物膜的內層,而其他菌群則分布在外層.本試驗采用序批式生物膜反應器(SBBR),通過引入填料形成多菌群共存的生態系統.加入的填料易掛膜,系統內產生的大量的氮氣同時對填料進行反沖洗,不容易堵塞,成功的啟動了SBBR反應器.

1 材料方法

1.1 試驗裝置和運行條件

試驗裝置采用序批式生物膜反應器(圖1),反應器主體由有機玻璃制成,有效容積 1L,內置改性微生物膜載體(大連宇都環境工程技術有限公司),其主要成分為高密度聚乙烯和生物酶的增強成分.填料用的纖維網裝好,便于拆卸.填料單元料粒為環形,環形的外徑為 10mm,比重為0.965～0.968,比表面積為 3m2/g,載膜后比重為0.98,填充比為33%左右.由時間繼電器配合2臺蠕動泵控制進水和出水.SBBR運行策略為:進水10min,反應680min,靜沉20min,排水10min.水浴加熱保持SBBR內溫度35℃左右,控制進水pH值在 7.8左右.為了防止光合細菌和藻類的生長影響氨氮去除,反應器外部用遮光布包裹.

圖1 反應器裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the SBBR used in this study.

1.2 接種污泥和人工廢水

SBBR采用本試驗室升流式厭氧固定床(UAFB)反應器內的掛膜填料(附著厭氧生物膜污泥)作為接種污泥[11].在接種前,UAFB反應器已在室溫下靜置14個月.啟動初期人工廢水的主要成分如下:NH4Cl為133.7～374.5mg/L, NaNO2為 35～483mg/L,KHCO3為 500mg/L,KH2PO4為10mg/L ,MgSO4·7H2O為60mg/L,CaCl2·2H2O為5mg/L, FeSO4為6.25mg/L,EDTA為6.25 mg/L,微量元素為 1.25mL/L.微量元素的成分如下: ZnSO4·7H2O為 430mg/L,CuSO4·5H2O為 250 mg/L,MnCl2·4H2O 為 990mg/L,NiCl2·6H2O 為190mg/L,CoCl2·6H2O 為 240mg/L,H3BO4為414mg/L,NaSeO4·10H2O為210mg/L, NaSeO4·10H2O為220mg/L[12-14].

1.3 試驗項目和測定方法

氨氮采用納氏試劑分光光度法測定;亞硝酸鹽氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法進行的測定;硝酸鹽氮采用硝酸根電極法進行測定;pH值和DO用德國WTW(pH/Oxi 340i)手提式多參數測試儀進行測定;總氮采用具備 TN測定附件的TOC-VCPN-6000進行測定.

1.4 微生物群落分析的方法

定期取微生物樣品存放于-25℃冰箱中保存,利用上海生工公司提供的小劑量細菌提取試劑盒進行DNA提取,選取的引物為針對16SrRNA基因的引物 8F與 1492R,PCR產物經試劑盒法(上海生工)純化后,進行連接轉化.篩選后的克隆文庫送測序公司(上海生工)進行測序.在每個T-RFLP圖譜中,計算每個峰(T-RF)的峰面積與所有峰總面積的比率來表征每個 T-RF的含量.由于存在一定誤差,對于小于50 bp的片段舍去不進行分析,舍去相對數量小于 1% 的 T-RF.建立克隆文庫,并對陽性克隆進行測序與 T-RFLP分析,識別T-RFLP中不同峰(T-RF)對應的微生物種類.

2 試驗結果

2.1 SBBR的脫氮效果

SBBR反應器從啟動開始共運行 107d,圖 2反映了該期間反應器的脫氮情況可以看到, SBBR的啟動期主要分為3個階段:

第 I階段:脫氮不穩定期.該階段從啟動日開始持續約 27d.在不穩定期,氨氮和亞硝酸鹽氮的含量按照理論值 1:1.32加入,氨氮起始濃度為70mg/L,亞硝酸鹽氮濃度為93mg/L.試驗發現在此期間氨氮和亞硝酸鹽氮的去除不穩定,亞硝酸鹽氮的去除率幾乎達到100%,但是出水氨氮濃度不降反升.在此階段出水幾乎檢測不到硝酸鹽氮.

第II階段:脫氮過渡期.第28～55d,由于不穩定期底物的去除效果不佳,氨氮和亞硝酸鹽氮進水濃度同時降低到 49mg/L.氨氮開始少量去除,亞硝酸鹽氮的平均去除率和初期相比降低50%左右.此時總氮濃度在 98mg-N/L,其平均去除率僅為20%左右.從第56～90d,氨氮和亞硝酸鹽氮濃度進一步降低到 35mg/L,二者去除效果仍然不明顯.平均去除率均在 10%左右,其中出水氨氮在30mg/L以上,亞硝酸鹽氮的出水濃度略低于氨氮濃度.總氮去除率約為 20%.反應器在運行80d以后在此階段出水硝酸鹽氮的濃度同樣幾乎為零.

第III階段:高效脫氮期.從第90d開始,氨氮和亞硝酸鹽氮的進水濃度仍然為35mg/L,反應器的出水氨氮和亞硝酸鹽氮含量快速下降,出水氨氮低于10mg/L,最低達到7.1mg/L,出水亞硝酸鹽氮含量為零.和前一階段相比,總氮去除率大幅提高,氨氮的去除率達到 87.3%,亞硝酸鹽氮幾乎全部去除,而產生的硝酸鹽氮含量較前兩個階段有明顯提高.從95d開始逐漸提高底物濃度,此時反應器最高總氮負荷為0.67kg-N/m3·d略高于文獻報道的氮的負荷[2,15-17].

圖2 反應器氮和HRT變化Fig.2 The variation of nitrogen concentration and HRT in SBBR

2.2 厭氧氨氧化現象

圖3 去除亞硝酸鹽氮和降解的氨氮及產生的硝酸鹽氮和降解氨氮的比值Fig.3 Stoichiometric ratio of utilized nitrite/utilized ammonia and generated nitrate/utilized ammonia

根據其化學反應方程(1),亞硝酸鹽氮與氨氮的去除比為 1.32:1,產生的硝酸鹽氮和去除的氨氮之間的比值為 0.26:1.通過測定反應器去除氨氮、亞硝酸鹽氮和產生的硝酸鹽氮之間的關系可以初步判定反應器是否出現厭氧氨氧化現象. 研究發現SBBR前期氨氮和亞硝酸鹽氮的去除沒有明顯的規律,反應器運行60d后,氨氮和亞硝酸鹽氮已接近理論值 1:1.32,產生的硝酸鹽氮和氨氮的比值接近零.但是從第90d以后,降解的亞硝酸鹽氮和氨氮的比值仍然接近理論值1.32,產生的硝酸鹽氮和去除的氨氮之間比值接近0.26(圖3).

2.3 生物膜的變化

反應器運行期間,定期從反應器中取不同時間的填料進行比較觀察(圖4).從填料的掛膜情況來看,第20d填料內部開始有少量微生物沉積;第51d,內部和外部有成層的生物膜;在運行到第81d后,生物膜較厚,生物膜呈現黃褐色.將生物膜刮下置于40倍光學顯微鏡下觀察,發現污泥顏色有明顯的變化.第51d及其之前污泥大多呈棕黑色,但是在第81d以后,污泥顏色逐漸變淺(圖5).T-RFLP圖譜(圖6)表明,污泥接種20d時T-RF峰多而雜,物種多樣性最大.T-RF為72bp、100bp和420bp的三類峰相對明顯.51d時,主要T-RF為111bp、421bp、438bp、452bp和 469 bp.81d時,主要的 T-RF為67bp、437bp、452bp和468bp.

圖4 填料的變化情況:第20d、51d和81d的生物膜情況Fig.4 Figures of the carriers used in this study and the biofilms that grew on the surface carriers on day 20, 51 and 81

圖5 反應器第51d和81d時污泥的顯微照片Fig.5 Micrographs of the SBBR sludge on day 51 and 81

圖6 生物膜T-RFLP測定結果Fig.6 Microbial communities of the biofilms sampled on day 20、51 and 81 based on the T-RFLP results

3 討論

3.1 SBBR的啟動過程

在脫氮不穩定期氨氮出水濃度高于進水濃度.亞硝酸鹽氮去除率較高,出水幾乎不含硝酸鹽氮.主要原因是反應器接種初期某些微生物死亡,造成細胞分解產生有機氮,進而轉變成氨氮,同時系統中的反硝化菌利用有機碳源進行反硝化[19],導致亞硝酸鹽氮的去除率較高,出水中幾乎不含硝酸鹽氮.反硝化利用的有機碳源可能來源于某些微生物死亡釋放的有機碳,也有可能是接種污泥中帶入的有機碳(接種時是掛膜的填料,為避免種泥從填料上沖洗下來,沒有進行清洗).在前兩階段的運行過程中有機碳的含量在20mg/L左右,進出水濃度變化不大.

進入過渡期,氨氮和亞硝酸鹽氮有少量成比例去除,說明底物主要是被厭氧氨氧化菌利用,但是厭氧氨氧化菌的數量較少,活性較低,利用的底物較少,產生的硝酸鹽的量也較少.不適應 SBBR環境的微生物種群逐漸被淘汰出系統,但是由于所剩少量的反硝化菌活性較強,出水硝酸鹽氮濃度仍較低.此時厭氧氨氧化菌可能成為系統內優勢菌種,底物利用率較低.

進入高效脫氮期后,氨氮和亞硝酸鹽氮的出水濃度明顯下降且開始成比例去除,硝酸鹽氮的濃度和前2個時期相比有一定提高.同時監測反應器內TOC含量有明顯的變化,由前兩階段的大于20mg/L降低到10mg/L以下,反硝化的作用由于缺少有機碳源而減弱.厭氧氨氧化作用逐漸增強,此時厭氧氨氧化菌達到了一定的數量,底物的利用率有明顯的上升,厭氧氨氧化菌開始成為系統的優勢菌(圖7)[20].

3.2 SBBR的優勢

厭氧氨氧化菌的世代時間長,對環境(如氧分子)敏感.袁怡等[21]發現進水不除溶解氧的反應器會使厭氧氨氧化現象滯后.另外,厭氧氨氧化菌培養過程中污泥的流失是造成厭氧氨氧化菌富集培養失敗的重要原因.

本試驗研究表明 SBBR反應器具有獨特的優勢:

SBBR填料為厭氧氨氧化菌提供了良好的生長微環境.盡管厭氧氨氧化菌嚴格厭氧,但是由于外層生物膜(主要是好氧菌或兼性菌)的保護作用[22],在生物膜內層的厭氧氨氧化菌并未因反應器無蓋而受到影響.經過一段時間的運行,厭氧氨氧化現象逐漸明顯,亞硝酸鹽氮和氨氮的比值開始接近理論值1.32(圖3),這與以往的研究結果非常接近[23].從污泥形態上來看,污泥逐漸從黑棕色變成黃褐色(圖5),也表明厭氧氨氧化菌的濃度逐漸增大[24].

SBBR填料承載污泥效果明顯.由于磁力攪拌作用不強,污泥幾乎全部附著在填料層,為形成生物膜提供了良好的基礎.試驗發現反應器底部水質澄清,減少了出水時污泥沉淀時間.

SBBR具備較強的抗沖擊負荷能力和對環境的適應能力.厭氧氨氧化菌生長的適宜溫度在35℃左右,但是本試驗采用常溫進水,冬季哈爾濱自來水溫度甚至低至 4～5℃.盡管如此,進入高效脫氮期后并沒有發現脫氮速率波動的情況.另外,進水溶解氧始終大于 1.0mg/L,反應器與空氣接觸(敞口運行),進入反應器20min后,溶解氧的濃度低于 0.5mg/L.因此,低溫進水和較高溶解氧對反應器的影響不大.

SBBR啟動速度快,效率高,不易堵塞,反應器啟動時間相對較短.SBBR反應器僅用3個月即實現厭氧氨氧化過程,與同類研究[2,25-26]相比,啟動時間大大縮短.IKUO[27]研究證實縮短HRT和加大氨氮和亞硝酸鹽氮的摩爾比有利于提高總氮負荷,但是氨氮和亞硝酸鹽氮的轉化率較低,而SBBR系統通過縮短HRT,提高氮的負荷.HRT從72h縮短至 12h后,氨氮和亞硝酸鹽氮的轉化率沒有受到影響.同時,從反應器外壁可以觀察到大量得氣泡,由于底部攪拌的作用,從反應器底部向上溢出,可能對填料有一定的清洗作用,避免堵塞,造成短流.

3.3 微生物群落結構

T-RFLP圖譜上每一個末端限制性酶切片段(T-RF)至少代表一種微生物(如圖7).每個峰面積和總峰面積的比值(Pi)反映出該物種的相對數量.反應器運行前20d的微生物種類較多,物種相對含量相差不大.51d時,微生物種類逐漸減少.81d時,菌種變得比較單一.從20d到81d,1號菌種因不適應反應器環境而逐漸被淘汰(相對數量由 8.28%減少到 2.47%).3號菌種是淡水環境中較常見的厭氧氨氧化菌 Anammoxoglobus propionicus[28],其相對含量由11.61%(51d)增加到40.06%(81d).反應器運行到后期, Anammoxoglobus propionicus成為系統的優勢菌種.2號菌種從小于1%增加到9.13%,4號菌種的數量從2.99%增加到 14.08%,關于其功能和屬性還有待進一步研究.微生物相對含量的變化體現了微生物群落演替的過程.這個變化過程影響了系統脫氮能力,同時為 3個脫氮時期的劃分提供了理論依據.

4 結論

4.1 反應器的啟動期主要經歷3個階段:脫氮不穩定期,脫氮過渡期和高效脫氮期.脫氮過渡期開始出現厭氧氨氧化現象,達到高效脫氮期后,反應器內厭氧氨氧化現象明顯,總氮去除率較高,達到87.3%.

4.2 SBBR反應器因內置填料并形成生物膜,具有較強抗沖擊能力,較低進水溫度和少量溶解氧對SBBR系統的影響很小,厭氧氨氧化脫氮系統穩定且高效.

4.3 系統中微生物群落出現較為明顯的動態演替現象.厭氧氨氧化菌 Anammoxoglobus propionicus在后期逐漸成為優勢菌種.

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