常溫低基質(zhì)啟動(dòng)AAOB顆粒污泥性能分析

李 冬，曹正美，張 杰,2，高雪健，張?jiān)婎?/p>

(1.水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京工業(yè)大學(xué))，北京 100124；2.城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150090)

目前，厭氧氨氧化工藝在城市污水處理應(yīng)用中越來越受到關(guān)注，其具有不消耗碳源、污泥產(chǎn)量小、不需要曝氣等優(yōu)點(diǎn)[1]，同時(shí)存在啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、不易穩(wěn)定等缺點(diǎn).厭氧氨氧化菌適合在高溫高基質(zhì)條件下生長(zhǎng)，但其生長(zhǎng)緩慢，尤其是在常溫低氨氮下城市生活污水中難以富集.有研究[2-3]表明，通過低基質(zhì)高流量(縮短實(shí)驗(yàn)周期)啟動(dòng)厭氧氨氧化工藝，其系統(tǒng)內(nèi)培養(yǎng)生物種群更豐富，同時(shí)，低基質(zhì)濃度可防止系統(tǒng)出現(xiàn)自抑制現(xiàn)象.動(dòng)力學(xué)模型可描述模擬生物反應(yīng)過程.Grau P等的研究表明Grau second-orders模型可適用于厭氧氨氧化工藝啟動(dòng)過程的動(dòng)力學(xué)行為[4-5]，其可以反映微生物的脫氮性能，文獻(xiàn)[6-8]將其應(yīng)用于厭氧氨氧化絮狀污泥、生物膜，本研究將其運(yùn)用于啟動(dòng)AAOB顆粒污泥的過程分析.

本研究在常溫條件下采用低基質(zhì)濃度逐漸縮短實(shí)驗(yàn)周期來啟動(dòng)AAOB顆粒污泥工藝，結(jié)合動(dòng)力學(xué)公式分析反應(yīng)器不同階段的脫氮性能及顆粒污泥特性變化，以期為實(shí)際工程提供技術(shù)支持和理論指導(dǎo).

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 接種污泥和實(shí)驗(yàn)用水

研究接種污泥4 L，其組成為90%的北京某污水廠二沉池回流的活性污泥以及10%的實(shí)驗(yàn)室厭氧氨氧化活性良好的絮狀污泥，最初MLSS為2 989 mg/L，MLVSS為2 348 mg/L.

研究前期采用人工配水，(NH4)2SO4提供氨氮，NaNO2提供亞硝態(tài)氮，濃度按需配制.NaHCO3提供進(jìn)水堿度，其堿度與N比為5∶1，KH2PO4為2.5 mg/L， CaCl2為 12. 5 mg/L 以及1. 00 mL/L的微量元素；微量元素成分為: EDTA(15 g/L)，CoCl2·6H2O(0. 25 g/L)，ZnSO4·7H2O(0. 42 g/L)， CuSO4·5H2O(0. 24 g/L)，MnCl2·4H2O(0. 98 g/L)，H3BO4(0. 015 g/L)，NiCl2·2H2O(0. 020 g/L)，NaWO4·2H2O(0. 060 g/L).進(jìn)水不做除氧處理.

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行參數(shù)

采用12 L的SBR反應(yīng)器，直徑15 cm，高65 cm，排水比為50%.在室溫(14～20 ℃)條件下進(jìn)行，pH為7.1～8.6.在室溫條件下低基質(zhì)濃度啟動(dòng)工藝，反應(yīng)器進(jìn)水、攪拌、排水工序由時(shí)控開關(guān)自動(dòng)控制，內(nèi)置攪拌機(jī)使泥水混合.反應(yīng)進(jìn)水時(shí)間5 min，沉淀時(shí)間10 min，排水時(shí)間5 min，反應(yīng)時(shí)間隨周期縮短而變化(見表1).反應(yīng)器裝有pH、DO及溫度在線監(jiān)測(cè)探頭.

表1 反應(yīng)器運(yùn)行工況

1.3 分析方法

EPS處理及測(cè)定方法：取30 mL污泥樣品，配平，4 000g離心(常溫)10 min，去掉上清液，加入緩沖液(常溫)，恢復(fù)體積到30 mL，配平，4 000g離心(常溫)15 min，去掉上清液，將剩余樣品用緩沖液(常溫)恢復(fù)體積至30 mL，渦旋1 min使離心管底部污泥完全散開，60 ℃水浴加熱30 min，同時(shí)令離心機(jī)空轉(zhuǎn)降溫至4 ℃；樣品冷卻至接近室溫時(shí)，配平，20 000g離心20 min，4 ℃，上清液即為待測(cè)樣.采用苯酚硫酸法在490 nm波長(zhǎng)下測(cè)定多糖含量，考馬斯亮藍(lán)法在595 nm波長(zhǎng)下測(cè)定蛋白含量.

三維熒光測(cè)定：Ex(激發(fā)光譜) 掃描范圍為200～900 nm，Em(發(fā)射光譜) 掃描范圍為200～900 nm，掃描步長(zhǎng)均為10 nm，掃描速度15 000 nm/min.其中X軸代表發(fā)射波長(zhǎng)，Y代表激發(fā)波長(zhǎng)，等高線顏色深淺反映樣品的熒光強(qiáng)度.

1.4 模型

1.4.1 Grau second-orders模型

Grau P等[4-5]的研究表明，Grau second-orders模型適用厭氧氨氧化工藝的啟動(dòng)，本文采用Grau second-orders模型對(duì)研究的4個(gè)階段隨機(jī)選取5組數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，并將4個(gè)階段的平均值進(jìn)行t檢驗(yàn).

1.4.2 平行因子模型

利用matlab2018b軟件中的DOMFlour工具箱運(yùn)行PARAFAC分析手段對(duì)厭氧氨氧化顆粒污泥EPS中DOM進(jìn)行成分分析，并且對(duì)其組成以及熒光強(qiáng)度進(jìn)行比較分析.通過一分為二法驗(yàn)證2～7個(gè)組分中的有效組分，經(jīng)比較最終得到4個(gè)組分的位置和熒光強(qiáng)度.

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)器脫氮性能

圖1 常溫低基質(zhì)縮短實(shí)驗(yàn)周期啟動(dòng)AAOB顆粒污泥三氮質(zhì)量濃度及氮去除率變化

圖2 常溫低基質(zhì)縮短實(shí)驗(yàn)周期啟動(dòng)AAOB顆粒污泥氮負(fù)荷及總氮去除率變化

2.2 動(dòng)力學(xué)模型分析

目前，許多研究表明Grau second-orders模型更適用厭氧氨氧化工藝啟動(dòng)的過程[6-7]，但研究對(duì)象多為絮狀污泥和生物膜，對(duì)顆粒污泥研究較少.本文利用Grau second-orders模型對(duì)AAOB顆粒污泥進(jìn)行擬合表征常溫低基質(zhì)啟動(dòng)AAOB顆粒污泥的過程.本研究采取低基質(zhì)啟動(dòng)，不產(chǎn)生基質(zhì)抑制現(xiàn)象.將4個(gè)階段隨機(jī)選取20個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型模擬.模擬結(jié)果見圖3所示.

圖3 研究4個(gè)階段總氮去除率A和相應(yīng)HRT的模型模擬

Grau second-orders動(dòng)力學(xué)模型公式[4-5]為

(1)

通常情況下，n的值為1.公式可化為

(2)

(3)

式中：a和b為常數(shù);A為總氮去除率,%;k2為Grau second-orders模型基質(zhì)去除速率常數(shù),1/d;X為污泥質(zhì)量濃度,g/L.

圖4 研究4個(gè)階段平均總氮去除率與預(yù)測(cè)值比較的t檢驗(yàn)值

將應(yīng)用不同厭氧氨氧化底物去除動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行總結(jié)和比較，結(jié)果見表2.

表2 不同底物去除動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)比較

表3 4個(gè)階段的基質(zhì)去除速率常數(shù)k2

2.3 污泥性能分析

2.3.1 MLSS、MLVSS變化

污泥性能變化見圖5.運(yùn)行初期，反應(yīng)器生物量較高，第5天，由于污泥生存環(huán)境驟變，微生物大量死亡，污泥流失現(xiàn)象嚴(yán)重.反應(yīng)運(yùn)行第14天，MLSS、MLVSS大幅下降，分別為2 499，1 721 mg/L，隨著微生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)，MLSS、MLVSS略微增長(zhǎng)，MLVSS/MLSS增長(zhǎng)，厭氧氨氧化菌活性穩(wěn)定，厭氧氨氧化菌開始增殖[16].在第40天，MLSS、MLVSS略下降，是由于實(shí)驗(yàn)周期的降低程度較大，微生物量略微受到?jīng)_擊，但很快恢復(fù)到穩(wěn)定值2 460，1 776 mg/L左右.第Ⅲ、Ⅳ階段初期，雖然實(shí)驗(yàn)周期降低，反應(yīng)器負(fù)荷提高，但此時(shí)系統(tǒng)中已形成厭氧氨氧化顆粒污泥，可以抵抗一定程度的負(fù)荷沖擊，并且實(shí)驗(yàn)周期的降低幅度較低，系統(tǒng)中MLSS、MLVSS變化程度較低，系統(tǒng)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài).

圖5 污泥的MLSS、MLVSS以及MLSS/MLVSS變化

2.3.2 污泥顆粒特性

污泥粒徑及沉降性能變化見圖6所示，研究初期，由于環(huán)境改變對(duì)系統(tǒng)沖擊，厭氧氨氧化污泥生長(zhǎng)受到抑制，同時(shí)，系統(tǒng)將沉降性能差的污泥排出，污泥形成顆粒速度緩慢，沉降性能差.隨著反應(yīng)運(yùn)行，污泥逐漸適應(yīng)環(huán)境，厭氧氨氧化污泥充分利用基質(zhì)，生長(zhǎng)速度加快，平均粒徑增大，SV30開始降低，污泥沉降性能變好.到第55天，顆粒平均粒徑達(dá)到241 μm，SV30降到7，厭氧氨氧化性能逐漸穩(wěn)定呈上升趨勢(shì).由圖7可以看出，此時(shí)厭氧氨氧化污泥含有細(xì)胞色素C而呈現(xiàn)紅色,厭氧氨氧化活性較好.厭氧氨氧化顆粒污泥是以厭氧氨氧化菌為主，多種菌混合的復(fù)合體[17]，污泥粒徑在基質(zhì)傳遞方面對(duì)AAOB顆粒污泥活性具有重要影響.隨著反應(yīng)進(jìn)行，較大粒徑的顆粒污泥逐漸增多，第125天時(shí)，污泥平均粒徑達(dá)到410 μm.

圖6 污泥平均粒徑及SV30的變化

隨著氮負(fù)荷的提高，反應(yīng)器中觀察到有顆粒污泥上浮現(xiàn)象，這是由于氮負(fù)荷升高使反應(yīng)器中厭氧氨氧化菌的活性越來越高，反應(yīng)產(chǎn)生大量N2無法及時(shí)釋放，在顆粒內(nèi)部形成氣囊或附于污泥表面，使顆粒污泥密度降低引發(fā)上浮[18]，本研究顆粒上浮現(xiàn)象與Chongjian Tang等[19]研究一致.由圖7可看出，顆粒污泥內(nèi)部存在氣囊，Chen等[18]發(fā)現(xiàn)沉淀性能良好的顆粒污泥存在釋放氣體的通道，上浮的顆粒污泥沒有釋放氣體的通道或者氣體通道被大量的胞外聚合物EPS堵塞.

圖7 污泥形態(tài)的變化(4倍物鏡)

2.4 污泥EPS及三維熒光分析

2.4.1 污泥EPS變化

污泥胞外聚合物EPS變化見圖8所示，將污泥進(jìn)行EPS提取，厭氧氨氧化污泥EPS主要成分為PN.研究初期，運(yùn)行條件發(fā)生改變時(shí)，由于外界條件的變化，細(xì)菌產(chǎn)生胞外聚合物以抵抗外界的變化，PN質(zhì)量分?jǐn)?shù)由81 mg/g到160 mg/g呈明顯上升趨勢(shì)，PN與PS比由1.33到2.71明顯升高.AAOB顆粒污泥EPS中PN與PS比與顆粒污泥的穩(wěn)定性有關(guān)[20].文獻(xiàn)[21]表明，PN與PS比較高的顆粒可能具有較差的結(jié)構(gòu)和性能，隨著污泥逐漸適應(yīng)環(huán)境，EPS處于緩慢增長(zhǎng)，PN質(zhì)量分?jǐn)?shù)由170 mg/g降低到137 mg/g，PN與PS比恢復(fù)穩(wěn)定水平.隨著AAOB顆粒污泥逐漸形成，在Ⅱ～Ⅳ階段，PN質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高，PS質(zhì)量分?jǐn)?shù)稍微波動(dòng)，PN與PS比由1.92變化到2.04呈上升趨勢(shì).Yunman Liu等[22]研究發(fā)現(xiàn)EPS中存在AHLs(信號(hào)分子), AHL和EPS在促進(jìn)活性污泥的活性和顆粒污泥形成方面具有一些共同的特征.當(dāng)達(dá)到閾值時(shí)，它可以調(diào)節(jié)微生物的基因表達(dá)，例如，胞外酶、表面活性劑、胞外多糖的產(chǎn)生[23].EPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)和PN與PS比可能受AHLs的影響[24],從而調(diào)節(jié)顆粒污泥的形成.在Ⅱ～Ⅳ階段，EPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高，可解釋污泥上浮現(xiàn)象有可能是與EPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高有關(guān)，PN與PS比變高與楊明明等[25]發(fā)現(xiàn)顆粒粒徑越大，PN與PS比變高的結(jié)果一致.

圖8 污泥胞外聚合物PN、PS以及PN與PS比變化

2.4.2 三維熒光分析

三維熒光光譜技術(shù)是通過在不同的激發(fā)波長(zhǎng)上掃描發(fā)射熒光譜以獲得激發(fā)-發(fā)射矩陣(EEM),基于EEM數(shù)據(jù)構(gòu)建三維立體圖或等高線 (指紋圖) 描繪監(jiān)測(cè)對(duì)象特性.本文取第0，78，125天的污泥進(jìn)行三維熒光分析.

Hou等[26]將有機(jī)物成分分成5個(gè)區(qū)域.酪氨酸蛋白(Ex/Em=200～250/280～330 nm)、色氨酸蛋白(Ex/Em=200～250/330～380 nm)、富里酸(Ex/Em=200～250/>380 nm)、可溶性微生物產(chǎn)物(Ex/Em=>250/<380 nm)、腐殖酸(Ex/Em=>250/>380 nm).

由圖9可知，測(cè)得EPS主要有1～2個(gè)峰.根據(jù)五類分區(qū)可知，其為可溶性微生物產(chǎn)物和腐殖酸.隨著粒徑的增大，AAOB顆粒污泥EPS分泌的物質(zhì)由可溶性微生物產(chǎn)物一種物質(zhì)逐漸變?yōu)榭扇苄晕⑸锂a(chǎn)物和腐殖酸兩種物質(zhì)，且隨著顆粒污泥逐漸形成，可溶性微生物產(chǎn)物峰的熒光值變大，說明可溶性微生物產(chǎn)物的產(chǎn)量變多.文獻(xiàn)[25]也發(fā)現(xiàn)隨著粒徑的增大，EPS中蛋白組分增多，此結(jié)果與2.4.1節(jié)得出在后期厭氧氨氧化分泌的EPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈上升趨勢(shì)的結(jié)論一致.

利用matlab2018b軟件，使用DOMFlour工具箱，采用PARAFAC法對(duì)厭氧氨氧化顆粒污泥的EPS有機(jī)成分進(jìn)行分析，最終確定其有4種成分.

由于第0，78天的厭氧氨氧化污泥中EPS不全含有4種成分，第125天4種成分都有，將第125天AAOB顆粒污泥EPS中的成分進(jìn)行展示，如圖10所示.

根據(jù)有機(jī)成分的5個(gè)分區(qū)，第1種成分(Ex/Em=310/396 nm)、第4種成分(Ex/Em=280～300/360～380 nm)都為腐殖酸.第2種成分(Ex/Em=330～350/386～440 nm)、第3種成分Ex/Em=438/530 nm，這兩種成分與馮瑛等[27]研究大致一致，分別為細(xì)菌代謝物輔酶NADH和核黃素.輔酶NADH和核黃素這兩種成分是微生物代謝的重要電子傳遞體，其熒光程度會(huì)在一定程度上反映厭氧氨氧化的代謝情況，為其運(yùn)行提供參考[27-28].

圖10 AAOB顆粒污泥中EPS的4種有機(jī)物成分

3 結(jié) 論

2)采用Grau second-orders模型較好地表征在不同實(shí)驗(yàn)周期條件下的總氮去除率變化，采用t檢驗(yàn)法t值為1.342 3×10-5<1.637 7，此動(dòng)力學(xué)模型較好地表征AAOB顆粒污泥工藝的啟動(dòng)過程，基質(zhì)去除速率常數(shù)k2由0.24上升為0.38，厭氧氨氧化性能提高并趨于穩(wěn)定.

3)隨著微生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)，MLSS、MLVSS逐漸穩(wěn)定在2 460，1 776 mg/L，沉降性能變好，污泥顏色逐漸趨于紅褐色，最終平均粒徑達(dá)到410 μm.

4)PN質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及PN與PS比呈現(xiàn)先上升后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，且PN質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及PN與PS比隨著粒徑增大而變大，三維熒光峰的熒光值增大，有機(jī)成分變多，利用PARAFAC法分析可得有機(jī)成分由輔酶NADH、核黃素以及腐殖酸組成.