厭氧消化與兩級串聯SNAD-IFAS組合工藝處理垃圾滲濾液研究

徐 曉 晨， 馮 驍， 楊 蒙， 牛 明 澤， 陳 捷， 楊 鳳 林， 靳 文 堯

( 1.大連理工大學 環境學院 工業生態與環境工程教育部重點實驗室， 遼寧 大連 116024；2.大連東泰有機廢物處理有限公司， 遼寧 大連 116000；3.大連大學 環境與化學工程學院， 遼寧 大連 116622 )

0 引 言

SNAD工藝雖然具有經濟、高效的優勢，但是由于難以控制亞硝化階段以及AnAOB增殖時間較長(10～14 d)[7]，該工藝仍未廣泛應用于實際工程中.目前很多學者已經對SNAD工藝的反應機理和影響因素進行研究，但大多數停留在模擬廢水階段[8-9]，對垃圾滲濾液實際廢水的研究較少.此外，目前常見的SNAD反應器類型如厭氧反應器(UASB)、SBR、CSTR等可以用來培養懸浮污泥絮體，但均存在污泥流失的現象，不易于AnAOB的富集.固定生物膜-懸浮污泥(IFAS)反應器中同時存在懸浮污泥與生物膜，利用填料作為生長載體，有效保護了AnAOB的生長環境.同時利用懸浮污泥與生物膜中具有不同傳質阻力的特點，可以滿足功能菌群對不同反應條件的需求，有效提高微生物的降解能力.相比于傳統活性污泥法，SNAD-IFAS工藝具有生物停留時間長、處理負荷高、抗沖擊負荷強等優點[10].

本次實驗旨在探究厭氧消化與兩級串聯SNAD-IFAS組合工藝對垃圾滲濾液的處理能力；對各工藝單元的運行參數進行調控與優化；對SNAD系統內微生物群落結構進行分析，期望為該工藝處理垃圾滲濾液的實際應用提供理論基礎和技術支持.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，由UASB與兩級串聯SNAD-IFAS組合而成，反應器材質均為樹脂玻璃.UASB有效容積為10 L，反應器頂部設有機械攪拌裝置，轉速控制在10 r/min.SNAD1池與SNAD2池的有效容積均為15 L，后續分別設有容積為5 L的二沉池；內部設有長26 cm的四葉攪拌器，轉速控制在30 r/min；外部覆蓋水浴層，通過水浴加熱使溫度穩定在32 ℃；底部布有微孔曝氣頭，通過空氣壓縮機曝氣，利用轉子流量計調節氣量；為了防止強光照射對AnAOB的生長產生抑制作用，反應器均用遮光布進行避光.

1 厭氧進水桶；2 蠕動泵；3 UASB反應器；4 攪拌器；5 厭氧出水桶；6 SNAD1池；7 pH計；8 DO儀；9 二沉池；10 SNAD2池；11 K1型填料；12 SNAD出水桶

1.2 實驗用水及污泥接種

垃圾滲濾液的主要水質指標如表1所示，受季節及工廠運行效果的影響，不同批次的實驗用水水質略有不同.在進水之前，實驗用水均保存在4 ℃的冰箱中以防止有機物自然降解.

UASB中接種的厭氧污泥以及IFAS反應器中接種的活性污泥和微生物填料均取自大連東泰夏家河污泥處理廠.UASB、SNAD1池、SNAD2池內污泥接種比分別為30%、15%、15%，接種后反應器內污泥濃度(MLSS)分別為13 082.3、1 578.1、1 520.4 mg·L-1.SNAD1池、SNAD2池內投加K1型填料，其內徑、厚度、比表面積分別為10 mm、8 mm、700～750 m2/m3.

1.3 檢測項目與分析方法

表1 垃圾滲濾液水質指標

1.4 高通量測序

實驗第50 d和第96 d分別取SNAD1池及SNAD2池中的活性污泥和生物膜進行高通量測序分析，分別記為s1、s2、b1、b2(第50 d 1池污泥、2池污泥、1池生物膜、2池生物膜)，S1、S2、B1、B2(第96 d 1池污泥、2池污泥、1池生物膜、2池生物膜).所有微生物樣品均在8 000 r/min的條件下離心20 min，封裝于10 mL離心管，貯存于-20 ℃冰箱中.微生物的16S rRNA中V3～V4基因片段(329 bp)利用338F和806R引物進行擴增.

2 結果與討論

2.1 厭氧消化運行效果分析

厭氧消化作為前端處理工藝，主要作用是去除滲濾液中的COD，同時降低出水中的碳氮比以防止高濃度有機物對SNAD中AnAOB的活性產生抑制作用.首先通過調節進水流量，確定了UASB反應器最佳水力停留時間(HRT).實驗階段控制UASB內溫度為32 ℃，pH為8.0～8.3，攪拌轉速約為10 r/min，設置HRT分別為12、24、36、50 h，運行結果如圖2所示.4個階段反應器內COD去除率分別為16.7%、44.9%、45.2%、44.9%，說明HRT達到24 h后，延長HRT不會進一步提高COD去除效果.因此在后續實驗中，反應器的HRT設置為24 h.在該條件下UASB內進出水氨氮濃度變化不大，說明有機氮轉化為氨氮效果不明顯.這是因為老齡垃圾滲濾液在填埋過程中絕大部分有機氮已經轉化為氨氮，剩余的難降解有機物可生化性較差[13].在穩定運行階段UASB內進水COD濃度為(3 680.2±203.4) mg·L-1，出水COD濃度為(2 028.3±85.6) mg·L-1；進出水氨氮、總氮濃度幾乎沒有變化，分別為(1 452.7±70.3) mg·L-1和(1 503.7±33.6) mg·L-1，此時出水碳氮比在1.3∶1左右.作為SNAD工藝的進水，嚴格控制UASB中出水的碳氮比十分關鍵，因為高濃度有機物會導致異養菌大量繁殖，影響AnAOB的主體地位[14].研究表明，當碳氮比為0.8時具有良好的反硝化-厭氧氨氧化協同作用；若持續高于1.6則可對AnAOB的活性產生抑制作用[15].但同樣有研究發現，可生物利用的COD對SNAD系統會產生較大影響，而難降解有機物的存在不會對AnAOB的活性產生明顯抑制作用[16].實驗中UASB的出水絕大部分為難降解有機物，實際碳氮比遠小于1.3∶1，因此完全可以滿足后續SNAD工藝的進水需求.

圖2 不同HRT下UASB內進出水COD濃度及去除率

2.2 SNAD-IFAS反應器啟動與調控策略

SNAD-IFAS反應器共運行96 d，進水量為10 L·d-1，SNAD1池與SNAD2池的HRT均為36 h.實驗過程中均以UASB出水作為SNAD反應器的進水，通過調整稀釋倍數以滿足進水負荷的需求.

為了提高菌群的適應能力，以低負荷的方式啟動反應器，使SNAD進水氨氮和COD濃度分別為200.3 mg·L-1和281.7 mg·L-1.控制SNAD1池與SNAD2池的溫度、回流比分別為32 ℃、1∶1.在兩級串聯SNAD-IFAS 反應體系中，SNAD1池內氨氮濃度和pH明顯高于SNAD2池.為了防止SNAD1池內游離銨(FA)濃度過高對AnAOB的活性產生抑制作用，反應器內需要更多DO以完成亞硝化作用；而SNAD2池進水為SNAD1池處理后的出水，氨氮濃度較低并且含有剩余的亞硝氮，因此控制其處于低DO水平以充分進行厭氧氨氧化過程.獨立調節曝氣量使兩池DO濃度分別為0.10～0.12 mg·L-1和0.05～0.07 mg·L-1，運行結果如圖3所示.第1～5 d菌群仍處于適應期，一部分細菌未能適應滲濾液水質而被淘汰，導致SNAD1池和SNAD2池均出現出水COD濃度略高于進水的情況(圖3(e)).在此期間SNAD1池的TN去除率可以達到60%以上，而SNAD2池的微生物活性明顯受到抑制，出水TN甚至會高于進水(圖3(d)).原因是SNAD2池內DO濃度過低，AOB等好氧菌因缺氧而進行內源呼吸致細胞死亡，同時AnAOB也因為缺乏亞硝氮無法進行厭氧氨氧化作用.為解決此問題，提高SNAD2池內DO濃度至0.1 mg/L，隨即該池內TN去除率顯著增加.至第7 d時SNAD1池和SNAD2池的TN去除率分別可達到64.3%和62.3%(圖3(d)).

第20 d時，SNAD反應器進水氨氮和COD濃度分別提高至400.1 mg·L-1和536.3 mg·L-1.此時SNAD1池和SNAD2池的pH分別為7.98和7.73，FA濃度分別為13.2 mg·L-1和1.3 mg·L-1.調節兩池DO濃度分別為0.17 mg·L-1和0.11 mg·L-1，TN去除率分別可達到61.9%和77.3%(圖3(d)).第21～23 d時，進水氨氮濃度提高至534.2 mg·L-1，進水負荷提高過快導致系統崩潰，兩池的TN去除率均明顯下降.為了解除高濃度氨氮對微生物活性的抑制作用，逐級降低進水負荷考察反應器恢復情況.至第41 d時進水氨氮濃度降低為210.3 mg·L-1，兩池的運行效果逐漸恢復，開始緩慢提高進水負荷.第48 d系統恢復穩定運行，此時進水氨氮和COD濃度分別為340.1 mg·L-1和455.7 mg·L-1，SNAD1池和SNAD2池的pH分別為7.79和7.52，DO濃度為0.10 mg·L-1和0.08 mg·L-1，TN去除率分別可達到44.9%和73.0%(圖3(d)).系統經過25 d才能恢復穩定運行，分析原因主要有以下3個方面：進水負荷和pH驟然提高導致反應器內FA濃度超過35.0 mg·L-1，研究表明FA濃度超過30.0 mg·L-1時便可能對AnAOB的活性產生抑制作用[17]；垃圾滲濾液中含有復雜的重金屬離子和有毒有害物質，可以破壞微生物酶結構，影響其生化功能[18]；驟然減少稀釋倍數導致反應器進水中鹽度達到7 000～8 000 mg·L-1，有些微生物未能及時適應高鹽環境，細胞可能脫水死亡.以上影響因素中，短期FA抑制可以通過降低負荷解除，但是毒害物質和高鹽環境則可能導致微生物群落結構產生不可逆的破壞.因此在處理垃圾滲濾液時，更適宜采取緩慢提高負荷的方式，使微生物充分適應水質.后續實驗采取該方式運行，處理效率逐漸提高，微生物未表現出敏感性.第93～96 d時進出水TN濃度分別為602.3 mg·L-1和100.6 mg·L-1，COD濃度分別為878.1 mg·L-1和532.1 mg·L-1，兩級串聯SNAD-IFAS系統對氨氮、TN和COD的去除率分別達到97.8%、83.3%和39.4%(圖3(a)、(d)、(e)).

2.3 SNAD-IFAS系統微生物群落結構分析

為了考察系統內微生物的群落結構，分別對SNAD1池及SNAD2池的活性污泥和生物膜在門級(Phylum)和屬級(Genus)進行分析.如表2、3所示，活性污泥和生物膜均以SNAD系統中常見的Chloroflexi、Proteobacteria、Bacteroidetes作為主要優勢菌種.Proteobacteria和Bacteroidetes常見于有機廢水處理中，尤其Bacteroidetes可以處理一些高分子羰基化合物[19].異養反硝化菌Chloroflexi可以起到骨架支撐的作用[20].活性污泥和生物膜的門級微生物最主要區別在于Planctomycetes 的分布情況.如表3所示，與AnAOB有關的Planctomycetes只存在于生物膜上而幾乎不存在于活性污泥中，其豐度分別從22.63%(b1)和16.73%(b2)提高至31.02%(B1)和36.11%(B2).說明SNAD-IFAS系統中形成的生物膜可以高效富集Planctomycetes，使其成為優勢菌種.

(d) TN

(e) COD

表2 SNAD反應器活性污泥門級微生物豐度

表3 SNAD反應器生物膜門級微生物豐度

屬級分析結果如圖4所示，SNAD系統中常見的AOB(Nitrosomonas)與NOB(Nitrospira)主要存在于活性污泥中，AnAOB(Candidatus-Kuenenia，Candidatus-Brocadia)與DNB(Denitratisoma)則主要存在于生物膜上.這種空間分布主要是受傳質阻力的影響，活性污泥中傳質阻力較小，有利于好氧菌如AOB和NOB獲得充足的DO和COD；而AnAOB傾向于生長在生物膜的里層，是因為較大傳質阻力可以有效保護其免受外界環境的抑制作用[21].如圖4(a)所示，從活性污泥角度分析，SNAD1池中的AOB在第96 d的豐度(5.91%)明顯高于第50 d(1.66%)，并且兩階段NOB豐度均低于檢測限(<0.01%)，說明AOB有效富集的同時NOB生長被有效控制.而SNAD2池由于以微氧的方式運行導致s2與S2中AOB豐度偏低，分別為0.21%和1.24%.該池中NOB豐度從1.60%提高至6.28%，說明NOB活性未得到有效抑制.研究表明，FA濃度在0.1～1.0 mg·L-1時開始對NOB的活性產生抑制作用，在超過6.0 mg·L-1時可以完全抑制[22].而本次實驗中由于SNAD2池內氨氮濃度經常處于較低水平(10.0～20.0 mg·L-1)，pH為7.5～7.8，使得FA濃度低于1.0 mg·L-1，因此無法對NOB起到完全抑制作用.如圖4(b)所示，從生物膜角度分析，SNAD1池與SNAD2池均以AnAOB作為優勢菌種，第50 d時其豐度分別為21.18%和13.71%，第96 d時分別達到26.21%和30.82%，說明采用IFAS的方式有利于AnAOB生長.此外，B1與B2中DNB的豐度分別為9.11%和1.99%，這個結果表明DNB可以和AnAOB共生于生物膜.研究表明，DNB通常生長在AnAOB外部，不僅可以分解利用COD，保護AnAOB的生長環境，同時可以去除厭氧氨氧化過程產生的硝態氮，因此適當濃度的DNB有利于AnAOB的富集[23].以上結果表明，利用IFAS反應器膜泥混合的特點，可以滿足功能菌群對不同生長環境的需求，使其得到高效穩定富集.

(a) 活性污泥

(b) 生物膜

由于時間原因，本實驗兩級串聯SNAD-IFAS 工藝未能實現處理不經稀釋的垃圾滲濾液厭氧出水，在以后的實驗中可以通過延長SNAD-IFAS反應器的反應停留時間或者增加污泥濃度來進一步提高其進水COD和TN的濃度，實現厭氧消化與兩級串聯SNAD-IFAS組合工藝聯用，為垃圾滲濾液的處理提供更有效的工藝方案.

3 結 論

(1)利用UASB對垃圾滲濾液進行厭氧消化.控制溫度、pH、攪拌速度分別為32 ℃、8.0～8.3、10 r/min，在HRT為24 h時達到最佳去除效率，此時進出水COD濃度分別為(3 680.2±203.4) mg·L-1和(2 028.3±85.6) mg·L-1，去除率在44.9%左右，出水碳氮比在1.3∶1左右，完全可以滿足后續SNAD工藝的進水需求.

(2)SNAD-IFAS反應器共運行96 d，稀釋UASB出水作為系統的進水.SNAD1池與SNAD2池的pH分別為7.8～8.0、7.5～7.8，DO濃度分別為0.1～0.2 mg·L-1、0.08～0.14 mg·L-1，控制兩池溫度、HRT、回流比分別為32 ℃、36 h、1∶1.穩定運行階段系統進水TN和COD濃度分別為602.3 mg·L-1和878.1 mg·L-1，去除率分別可達83.3%和39.4%.

(3)SNAD-IFAS反應器高效富集了AOB、AnAOB、DNB等功能菌群.AOB主要存在于活性污泥中，AnAOB和DNB主要存在生物膜上.SNAD1池與SNAD2池的生物膜均以AnAOB作為優勢菌種，豐度分別達到26.21%和30.82%.