基于不同污泥量間歇饑餓的CANON工藝啟動

李 冬,劉名揚,任紀元,張 杰,2,曾輝平 (.北京工業大學城市建設學部,水質科學與水環境恢復工程北京市重點實驗室,北京 0024；2.哈爾濱工業大學環境學院,城市水資源與水環境國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 50090)

全程自養脫氮(CANON)工藝與傳統硝化-反硝化工藝相比,該工藝在理論上可節省大約 60%的氧氣消耗,減少 90%的污泥產量,同時無需外加有機碳源[1],是近年來生物脫氮領域研究的熱點之一.

CANON工藝啟動的關鍵是使好氧氨氧化菌(AOB)和厭氧氨氧化菌(ANAMMOX)獲得優勢,同時抑制亞硝酸鹽氧化菌(NOB)的生長[2].有研究[3]指出,硝化系統在饑餓一段時間后,再次啟動時會產生亞硝酸鹽積累現象,這就為利用饑餓實現 CANON工藝的啟動提供了可能性.相關研究[4]在不加基質的情況下對混合活性污泥進行1d的好氧/厭氧交替饑餓后,經過13d運行,啟動了亞硝化,亞硝酸鹽積累率達到了71%.

Lackner等[5]和 Rosso等[6]基于實驗數據提出,在部分亞硝化-厭氧氨氧化(PNA)工藝中,顆粒污泥與絮狀污泥均存在,ANAMMOX細菌作為厭氧細菌主要位于顆粒污泥中,而NOB則更多地富集在絮狀污泥上.基于顆粒污泥和絮狀污泥的微生物菌種不同這一結論,有研究[7-8]指出可以選擇性地排出絮狀污泥來平衡特定微生物.結果表明,該方法雖然可以將厭氧細菌保留在顆粒中并洗掉 NOB,但不適合維持AOB的活性,導致AOB活性和豐度降低,影響了系統的穩定性.

可以看出,直接排掉絮狀污泥的方式在抑制NOB活性的同時也會對 CANON工藝的相關功能菌造成負面影響,基于此,本文提出水力篩分間歇饑餓運行方式,旨在更精細化地利用饑餓策略,有針對性地抑制NOB活性,并且減少主要功能菌AOB及ANAMMOX的活性損失,更快地啟動CANON顆粒污泥工藝.

本文采用序批式反應器(SBR)啟動 CANON工藝,R1、R2和 R3反應器分別采用水力篩分間歇饑餓、部分污泥間歇饑餓和全部污泥間歇饑餓的運行方式,探究3種間歇饑餓模式對CANON工藝啟動過程脫氮性能、胞外聚合物(EPS)及污泥粒徑、相關功能菌活性等方面的影響.

1 材料與方法

1.1 接種污泥

反應器接種成熟的厭氧氨氧化污泥和污水處理廠A2/O工藝二沉池回流污泥的混合污泥.厭氧氨氧化污泥來自實驗室穩定運行的 SBR反應器,平均總氮去除率在 80%以上.A2/O工藝污泥取自北京某污水處理廠,兩種污泥以1:1比例混合,平均分至3個反應器中,初始污泥濃度為2784mg/L.

1.2 實驗用水

實驗采用人工配水,在進水中添加(NH4)2SO4提供80mg/L的氨氮,投加NaHCO3提供無機碳源及調整堿度,保持 pH 值在 7.0～8.0.MgSO4·7H2O 25mg/L,K2HPO420mg/L,CaCl2·2H2O 20mg/L,微量元素濃縮液Ⅰ和Ⅱ為1mg/L.微量元素濃縮液Ⅰ的組成:EDTA 5g/L,FeSO45g/L;微量元素濃縮液Ⅱ的組成:EDTA 15g/L,H3BO40.014g/L,MnCl2·4H2O 0.99g/L,CuSO4·5H2O 0.25g/L,ZnSO4·7H2O 0.43g/L,NaSeO4·10H2O 0.21g/L,NaMoO4·2H2O 0.22g/L,CoC12·6H2O 0.24g/L,NiCl2·6H2O 0.19g/L.

1.3 實驗裝置

采用的 SBR反應器由有機玻璃制成,有效容積為2.0L,反應器壁的垂直方向每隔5cm設置一個取樣口,采用機械攪拌,反應器底部安裝曝氣盤進行微孔曝氣,通過氣體流量計控制曝氣量.反應器的運行通過時控開關進行控制,容積交換率為70%.

R1和R2反應器在間歇饑餓階段排出反應器的污泥儲存在厭氧瓶中,放置于常溫下進行厭氧饑餓.

1.4 運行方法

實驗分為S1和S2兩個階段,S1階段反應器連續運行,S2階段采用饑餓2d,恢復3d的模式運行.R1反應器停止攪拌后靜沉 1min,將粒徑較小的絮狀污泥隨出水排出反應器進行饑餓;R2反應器均勻排出50%污泥進行饑餓;R3反應器進行整體間歇饑餓,停止運行 2d,饑餓期間不測定反應器氮素情況.R1和R2反應器在饑餓期間仍正常運行,每日測定反應器進出水氮素變化,2d饑餓期之后,將污泥回流各自反應器中.

反應器運行溫度為28～31℃,采用間歇曝氣方式,曝氣速率為30mL/min.各階段運行情況如表1所示.

表1 各階段運行情況Table 1 Operation status of each stage

1.5 分析方法

NH4+-N采用納氏試劑光度法測定;NO2--N采用 N-(1-萘基)-乙二胺光度法測定;NO3--N采用紫外分光光度法;pH值、DO及溫度測定采用便攜式WTWpH/Oxi 340i 測定儀測定;胞外聚合物(EPS)中多糖(PS)采用蒽酮硫酸法測定,蛋白質(PN)采用lowry法測定;顆粒污泥的粒徑分布采用激光粒度儀(Malvern Mastersizer2000)測定;混合液懸浮固體含量(MLSS)和揮發性懸浮固體含量(MLVSS)采用標準重量法測定;其余水質指標的分析方法均采用國標方法.

在列車運行的過程中，ATP(列車自動保護)系統實時檢測列車能量，確保列車的制動能力大于列車的動能和勢能總和，以保證列車的運行安全。

比氨氧化速率(SAOR)、比亞硝酸鹽氧化速率(SNOR)和比厭氧氨氧化速率(SAA)的測定方法參照文獻[9],配水組分見表 2.對氮素濃度隨時間的變化進行函數擬合,由基質濃度降解曲線可得出相應功能菌的活性,每個樣品設置 3個平行樣,取其平均值.

表2 活性測定配水組分(mg/L)Table 2 Synthetic wastewater of batch tests(mg/L)

2 結果與分析

2.1 脫氮性能

S1階段(0～15d)采用較低的氮負荷,HRT設定為1.43d,3個反應器在短暫的適應之后就達到了較為穩定的處理效果,如圖1所示,R1、R2和R3反應器的出水氨氮較低,氨氮去除率分別達到了 74.37%、71.33%和76.09%左右.但出水硝氮含量很高,導致總氮去除率分別只有 6.47%、4.48%和 6.65%,表明此時反應器中NOB菌大量存在,這對于啟動CANON工藝造成了很大困難.

圖1 反應器出水氮濃度Fig.1 Reactor effluent nitrogen concentration

S2階段(16～70d),開始進行間歇饑餓操作,同時將HRT調整為0.71d,有研究指出[10],CANON反應器中短程硝化的穩定性能隨著HRT縮短而增強.在進行第1次饑餓(16～17d)之后,R1、R2和R3反應器的氨氮去除率分別降低到了 48.55%、42.69%和34.25%左右,分析原因,首先因為 HRT的調整,總氮容積負荷由上一階段的 0.056kgN/(m3·d)增加到了0.113kgN/(m3·d),導致出水氨氮增加,其次也因為饑餓抑制了一部分功能菌的活性,有研究表明[4],短時饑餓對微生物的氮轉化產生了負面影響,且對于硝化作用的影響程度要高于亞硝化作用.可以看到,在3個反應器中,R3反應器氨氮去除率降幅最大,原因在于R3反應器所采取的間歇饑餓方式是在饑餓階段停止反應器的運行,這樣對所有存在于反應器中的微生物均產生了抑制作用.

R1和R2反應器在間歇饑餓期間仍可正常運行,但反應器中污泥濃度降低.如圖 2所示,氮去除效果隨之下降.就R1和R2的排泥方式而言,R2在饑餓期間所排出的污泥要多于 R1反應器,這也解釋了 R2反應器在饑餓期間的出水氮濃度波動程度更大的原因.根據之前的研究[11],在SNAD工藝中使用了間歇饑餓策略抑制NOB,亞硝化性能顯著提高,取得了良好的效果.按照這一實驗結果,R1反應器在饑餓期排出反應器的污泥量僅為 R2反應器排泥的20%～30%,R2反應器相比于 R1反應器針對更多污泥進行了饑餓,NOB抑制效果也應當優于R1反應器,但實驗結果顯示,除第 2次間歇饑餓(16～17d)后,R2反應器的總氮去除率提升程度高于R1外,之后的歷次間歇饑餓操作后,R1反應器的總氮去除率提升程度均高于R2,分析原因,根據不同微生物黏附特性的差異[5],NOB更傾向于附著在直徑較小的絮狀污泥上[12],R1反應器所采取的水力篩分排泥可以將大部分絮狀污泥排出反應器進行饑餓,也就對于大部分NOB進行了抑制,而R2反應器雖然進行饑餓的污泥數量多于R1反應器,但仍有相當數量的NOB菌留在反應器中未能通過饑餓抑制其活性.其次,因為R1反應器所采用的水力篩分間歇饑餓并未對系統中的粒徑較大的顆粒污泥產生不利影響,而R2反應器有相當多的AOB和ANAMMOX被排出反應器經歷了間歇饑餓,重新回流至反應器中時,活性恢復需要一定的時間,因此脫氮性能的提升較為緩慢.

圖2 反應器脫氮性能Fig.2 Denitrification performance in the reactor

隨著反應器的運行,3個反應器的脫氮性能總體均呈現上升趨勢,第44d時,R1反應器已符合典型的CANON工藝,之后停止間歇饑餓觀察其運行穩定性,在反應進行到第70d時,R1反應器的氨氮去除率和總氮去除率分別為89.31%和73.63%.而R2和R3反應器的氨氮去除率則分別達到了83.72%和79.38%,總氮去除率分別為 71.56%和 67.40%,可以看出,R1反應器采用的水力篩分間歇饑餓策略啟動CANON工藝耗時更短,脫氮性能更加穩定;R2反應器采取的部分污泥間歇饑餓方式脫氮性能波動較大,啟動時間較長;R3反應器的整體間歇饑餓策略使得反應器脫氮性能呈現穩定上升的趨勢,但在饑餓階段反應器停止運行,對于實際污水處理工藝來說,處理效率有所下降.

2.2 粒徑及EPS分析

對于3個反應器啟動CANON工藝過程中顆粒粒徑的變化進行了研究,如圖3所示.

圖3 反應器中污泥粒徑變化Fig.3 Particle size of sludge in reactor

在反應器運行初期,接種的污泥是成熟的厭氧氨氧化顆粒污泥和取自污水處理廠二沉池的回流污泥,初始粒徑為189μm,在第15d時,3個反應器的粒徑均有小幅度的下降.反應器接種的二沉池回流污泥以絮狀污泥為主,此時平均體積粒徑的下降推測與厭氧氨氧化顆粒污泥的粒徑減少有關.在之前的研究中,曾發現較大尺寸厭氧氨氧化顆粒污泥是由多個小顆粒污泥與EPS結合形成的,而在運行初期的適應階段,接種的二沉池回流污泥可能帶來部分異養菌,在碳源缺乏的情況下,顆粒污泥中的EPS被利用,導致較大尺寸的顆粒污泥發生了解體,粒徑有所下降.

進入S2階段,隨著反應的進行,3個反應器的粒徑均呈現總體上升的趨勢.溶解氧的空間分布決定了AOB和ANAMMOX在CANON顆粒污泥中的生長位置,因為AOB好氧、ANAMMOX厭氧,所以成熟CANON顆粒污泥邊緣為AOB,內部缺氧核心為 ANAMMOX. Vlaeminck等[13]指出,由于微生物的生長,小顆粒會生長成大顆粒,而由于與剪切有關的表面侵蝕,絮狀污泥可能起源于顆粒污泥.Larsen等[12]指出,大多數 NOB微菌落的結構更不規則,與AOB微球形的結構相比,它們更容易受到整體液相剪切力的作用.這說明附著在 CANON顆粒污泥上的 NOB菌更容易被外力條件作用,使其更多的存在于絮狀污泥中.最終在第70d時,R1、R2和R3反應器的粒徑分別達到了 404,359和 306μm.同時通過計算各反應器中污泥粒徑平均增長速率可知,R1、R2和R3的平均增長速率分別為3.08,2.44和1.68μm/d,R1和R2在間歇饑餓期間仍正常運行,相比于 R3來說,受到了更多的水力剪切力,因此粒徑更大,粒徑增長速率也較高.之前的研究也表明[13],到目前為止,雖然不清楚CANON顆粒污泥形成的確切物理或化學誘因,但很可能需要足夠的水力剪切力.

實驗還對于R1和R2反應器正常運行狀態和排出反應器進行饑餓的污泥進行了對比研究.表 3為一個典型饑餓周期(43～47d)的粒徑及分布情況.d10表示存在于反應器中的顆粒污泥中有 10%的直徑小于或等于該數值,d50和 d90同理.可以明顯看出,R2反應器在正常運行階段和饑餓階段排出反應器的污泥粒徑基本相同,饑餓污泥的d90為820μm,稍大于正常運行階段 R2反應器 d90的數值 768μm,可能的原因是排出污泥時對于大粒徑污泥難以做到完全均勻.而R1反應器所采取的水力篩分排泥則可以明顯看出兩種污泥狀態所對應的粒徑及分布有較大的差異,R1反應器正常運行階段的平均體積粒徑為321μm,而饑餓污泥的該數值僅為 164μm,與之相同的是,R1反應器饑餓污泥的d50和d90數值分別為89和 358μm,僅為該反應器正常運行階段的 68.79%和36.60%,可見R1反應器所采取的水力篩分排泥方式可以選擇性地排出粒徑較小的絮狀污泥,將粒徑較大的顆粒污泥留存在反應器中,而粒徑更大的污泥更多是較為成熟的 CANON顆粒污泥,留存在反應器中,避免饑餓對其產生不利影響.

表3 典型間歇饑餓周期粒徑對比(μm)Table 3 Comparison of typical intermittent starvation period(μm)

EPS是微生物新陳代謝分泌的高分子聚合物,聚集在細胞外部形成凝膠狀物質,這種聚合物聚集在細胞外部形成保護層以抵制外界環境的壓力[14].如圖4所示,本文對CANON工藝啟動期間EPS含量的變化進行了研究.

圖4 反應器中EPS含量變化Fig.4 Variations of the EPS contents in the reactor

在啟動初期,污泥的PN和PS都處于較低水平,分別為56.88和7.65mg/g.S1階段作為適應期,此時微生物逐漸適應外界環境,EPS增長速度緩慢[15].進入S2階段后,PN的含量有了較大的提升,R1反應器的增長速度高于R2和R3反應器,有研究指出[16],底物基質對 EPS的產生和組成有重大影響,當基質短缺時,EPS可以被微生物降解,從而被利用,相比于R1反應器,R2反應器參與饑餓的污泥量更多,R3反應器更是如此,處于饑餓階段的污泥對于產生 EPS的貢獻是微弱甚至是負面的,反應器內的 EPS含量是產生與消耗的綜合表征[17],因此在這一階段,R2和R3反應器的EPS含量相比于R1較低.在CANON顆粒污泥中,EPS的存在量不可忽略[13],且有研究指出[18],這些 EPS對于維持顆粒污泥的結構強度非常重要.實驗進行到后期,R1反應器的 EPS含量在第45～63d基本保持穩定,而R2和R3反應器則總體呈現上升趨勢,有報道稱[19],EPS含量與細菌生長期密切相關.在指數生長期,EPS含量隨培養時間增加而增加,而在穩定期,EPS含量隨培養時間增加而減少.因此,說明在這一時期,R1反應器中的相關功能菌進入了穩定生長的階段.

2.3 相關功能菌活性分析

根據 CANON工藝反應方程式[20][式(1)],CANON反應生成的NO3--N與消耗的NH4+-N之間的比例應為 0.11:1,稱為化學計量比或特征值.如圖 5所示,本實驗對于各階段的化學計量比進行了計算.

在S1階段,3個反應器的化學計量比分別達到了0.88,0.92和0.89,均不是典型的CANON反應.有研究指出[21],若特征值大于 0.11,是 NOB 活性較強的表現.此時反應器中NOB大量繁殖,CANON工藝的啟動遇到了阻礙.

S2階段,開始進行間歇饑餓操作,3個反應器的化學計量比總體均呈現下降趨勢.R1反應器的化學計量比下降速度最快,而后逐漸放緩趨于穩定.R2反應器則出現了較為明顯的波動情況,從圖 5可以看出,在每周期間歇饑餓之后,反應器恢復運行的第1d,R2反應器的化學計量比均有一個明顯的下降,隨后又有一個提升,例如第29d時,R2反應器的化學計量比為 0.53,甚至超過了間歇饑餓之前的 0.48,此時反應器中NOB的活性仍然較高.R3反應器的下降趨勢相比于R2反應器較為平緩,也未明顯看到波動和反復的情況.

圖5 反應器化學計量比變化Fig.5 Change of the stoichiometry in the reactor

有研究指出[22-23],化學計量比接近理論值且逐漸趨于穩定,可視為 CANON反應器成功啟動的標志.R1反應器在實驗的第44d時,化學計量比達到并穩定在0.12左右,成功啟動,并且在啟動成功后,反應器運行情況穩定.R3反應器在第58d時,化學計量比逐漸穩定在0.13左右,相比于R2反應器多進行了兩個周期的間歇饑餓.而R2反應器最終在第66d成功啟動.

為了驗證反應各階段相關功能菌的活性,實驗測定了不同時期各反應器中的 SAA、SAOR和SNOR.在 S1階段前測定混合污泥的菌群活性和豐度,如圖 6所示,此時混合污泥的 SAA、SAOR 和SNOR(以 N/VSS計,下同)分別為 0.237,0.145和0.585g/(g·d).此時 AOB菌的活性較低,NOB菌的活性較高,ANAMMOX菌活性適中.第15d時,3個反應器的 SAA 均有所下降,推測原因,在這一時期,混合污泥尚未形成成熟的 CANON顆粒污泥,厭氧氨氧化顆粒污泥直接暴露于曝氣環境中,導致溶解氧滲透至ANAMMOX菌,抑制了其活性[24].

圖6 相關功能菌活性Fig.6 Related functional bacteria activity

進入S2階段,在第30d時,R1、R2和R3反應器的SNOR分別下降到0.326,0.385和0.314g/(g·d),R3反應器的NOB活性最低,但同時其AOB的活性也為3個反應器中最低,可見整體間歇饑餓的策略有效抑制NOB活性的同時,也對于 AOB產生了不利影響.反應進行到第 60d時,R1反應器的 AOB菌和ANAMMOX菌活性均有可觀的增長,NOB活性較啟動初期有了明顯下降;R2反應器AOB菌的活性處于較高水平,但因NOB活性較高,不僅使CANON工藝啟動進展減緩,也與ANAMMOX形成競爭,抑制了部分ANAMMOX的活性;R3反應器對于NOB有了良好的抑制效果,但CANON工藝相關功能菌的活性較R1反應器也稍有遜色.有研究者指出[25],CANON顆粒污泥存在明顯的分層現象,外層以 AOB為主,而ANAMMOX則主要分布在顆粒內部.形成這樣的分層結構有利于避免 ANAMMOX菌受到溶解氧的沖擊,張姚等[26]也指出,在這樣的結構中,AOB會消耗大部分 DO,從而使顆粒內部的 ANAMMOX菌處于缺氧狀態,保證了相關功能菌的活性.這說明,形成成熟的CANON顆粒污泥是保證ANAMMOX菌和AOB菌活性的前提,而R1反應器AOB和ANAMMOX的活性較高,也就說明了水力篩分間歇饑餓模式有利于成熟CANON顆粒污泥的形成.

3 結論

3.1 采用水力篩分間歇饑餓策略啟動 CANON工藝耗時最短,在第44d成功啟動,脫氮性能更加穩定;采用部分污泥間歇饑餓方式脫氮性能波動較大,啟動時間較長,最終在第 66d啟動成功;采用整體間歇饑餓策略使得反應器脫氮性能呈現穩定上升的趨勢,但在饑餓階段反應器停止運行,對于實際污水處理工藝來說,處理效率有所下降.第70d時,采用3種策略反應器的總氮去除率分別達到73.63%、71.56%和67.40%左右.

3.2 R1反應器可以選擇性地排出粒徑較小的絮狀污泥,針對這部分污泥進行饑餓,而將粒徑較大的成熟 CANON顆粒污泥則留存在反應器中,避免間歇饑餓對于污泥 EPS及粒徑的負面影響.第 70d時,3個反應器的粒徑分別達到了404,359和306μm,采用水力篩分間歇饑餓模式啟動的CANON工藝粒徑更大,粒徑增長速率也處于較高水平.

3.3 水力篩分間歇饑餓策略易于形成 AOB在外層、ANAMMOX位于內部的顆粒污泥結構,有利于保持相關功能菌的活性;采用部分污泥間歇饑餓的方式在一定程度上避免了AOB和ANAMMOX活性的衰減,但同時NOB的抑制效果也較差;采用整體間歇饑餓策略對于NOB的抑制效果最好,但同時也不利于CANON工藝相關功能菌的活性保持.