2017, Vol. 38
2. 中山市春兴建筑科技有限公司, 中山 528400
2. Zhongshan Chunxing Construction Technology Co., Ltd., Zhongshan 528400, China
城市污水处理厂中污泥水(包括污泥厌氧消化池上清液、浓缩池上清液和脱水滤液)的氮负荷占进水氮负荷的15%~25%, 国内外大多数污水处理厂采用将其回流至进水口进行再处理的方法, 使得污水处理系统的实际氮负荷高于设计负荷, 而城市污水生物脱氮系统常因活性污泥中硝化菌含量低而导致低温硝化效果差[1, 2].许多学者提出在污泥水回流前增设一个侧流系统将其中的氨氮完全硝化, 一方面可以降低污水处理系统氮负荷, 另一方面, 可以将侧流系统富集的硝化菌(其实质是侧流系统剩余污泥)添加至污水处理系统, 增加污水处理系统硝化菌的份额.因此, 这种生物添加强化硝化工艺对强化低温地区生物脱氮系统性能有着较大的潜力, 美国宾夕法尼亚州Harrisburg污水处理厂[3](2015年)与瑞典Slottshagen污水处理厂[4](2016年)的现场实验表明, 温度越低, 强化硝化效果越明显, 在低温时段, 硝化速率可提高41%以上.但是由于两个系统的温度、碱度、氨氮浓度、pH以及硝化菌种群结构等存在差异, 富集的硝化菌添加至污水处理系统后可能存在适应性问题, 目前尚未明确, 导致该工艺在实际应用中仍然进展缓慢.
污水处理系统的流态会直接影响氨氮、亚硝酸盐的时空分布, 从而影响其中硝化菌的性能和种群结构. Chudoba等[5]和Still等[6]发现推流式硝化速率是完全混合式的1.53~1.6倍, 文献[7~9]发现流态对硝化菌种群有明显的选择特性, 推流式更有利于基质亲和力弱、快生长型的r-决策者(Nitrosomonas europaea、Nitrobacter)生存, 完全混合式更有利于基质亲和力强, 慢生长型的K-决策者(Nitrosospira、Nitrospira)生存.因此, 富集的硝化菌添加至不同流态的系统后, 由于流态对硝化菌的选择作用, 添加强化硝化效果可能也会存在差异.
实验对相同负荷下运行的SBR(推流式)和CSTR(完全混合式)进行硝化菌添加强化硝化实验, 采用耗氧速率法(OUR)和荧光原位杂交方法(FISH)对添加前、持续添加期间和添加停止后3个阶段SBR和CSTR中活性污泥硝化性能、硝化菌群落结构的变化情况进行对比分析, 以考察污水处理系统流态对硝化菌添加强化硝化效果的影响.
1 材料与方法 1.1 实验装置SBR：采用有机玻璃制成, 有效容积为4 L, 运行参数：温度为(15±1)℃, HRT为8 h, SRT为7 d, 每天循环6个周期, 每周期进水2 L, 每个循环4 h, 包括：进水6 min, 曝气搅拌3 h, 沉淀40 min, 出水8 min, 静置6 min.
CSTR：采用有机玻璃制成, 包括方形曝气池和二沉池, 曝气池有效容积为4 L, 运行参数：温度为(15±1)℃, HRT为8 h, SRT为7 d.氨氮连续流入方形曝气池中, 为抑制CSTR丝状菌过度繁殖, 碳源及其它营养物等间歇进入方形曝气池中, 每30 min进水1次, 每次进水2 min, 每天总进水量为12 L.
1.2 实验启动及运行接种污泥取自西安市第二污水处理厂.反应器进水均为人工配水, 组分为：尿素91.74 mg·L-1; NH4Cl 30.00 mg·L-1; CH3COONa 79.37 mg·L-1; 蛋白胨17.41 mg·L-1; 酵母52.24 mg·L-1; KH2PO4 23.40 mg·L-1; FeSO4·7H2O 5.80 mg·L-1; 淀粉122.00 mg·L-1; 奶粉116.19 mg·L-1及微量元素[9].进水氨氮负荷为0.15 kg·(m3·d)-1, 有机负荷为1.2 kg·(m3·d)-1.溶解氧维持在2~3 mg·L-1, 通过NaHCO3调节进水pH值在7.0~8.0之间.
反应器在运行至第144 d开始添加, 第185 d停止添加, 添加使用的硝化菌为实验室在25℃、高氨氮条件下采用序批式反应器培养所得, 添加期间每天取20 mL分别添加至SBR和CSTR.第212 d停止运行.
1.3 分析项目及方法COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、MLSS、MLVSS、SV、SS采用标准方法测定. DO、pH采用溶解氧仪(梅特勒Seven2Go S9)、pH计测定.
氨氧化速率(AUR)和亚硝酸盐氧化速率(NUR)采用OUR法进行测定[10], 测定温度均为20℃.
硝化菌群落结构分析采用荧光原位杂交方法[11, 12], 实验中使用的探针：EUBmix(检测总细菌)、NSO1225(AOB)、Nsm156(Nitrosomonas europaea)、Nsv 443(Nitrosospira)、Ntspa662+Comp Ntspa662(Nitrospira)和NIT3+Comp NIT3(Nitrobacter).其中总细菌所用探针采用CY5标记, AOB所用探针采用FITC标记, NOB所用探针采用CY3标记, Comp Ntspa662、Comp NIT3无荧光标记.
2 结果与讨论 2.1 富集硝化菌性能用于添加的硝化菌是在实验室条件下采用模拟污泥水富集培养所得, 污泥水水质参数参考西安市邓家村污水处理厂消化池上清液水质配制而成[1].富集硝化菌的AUR和NUR分别为(74.51±9.78) mg·(L·h)-1和(111.06±10.30) mg·(L·h)-1.硝化菌个数为(41.66±14.50)%, 其中AOB/EUBmix为(28.02±8.46)%, NOB/EUBmix为(13.64±4.94)%, AOB优势菌为Nitrosomonas europaea, 占总细菌数的(26.24±2.19)%, NOB中Nitrobacter和Nitrospira共存, 分别占总细菌数的(6.89±1.13)%和(6.75±2.83)%.这与以往研究结果一致[13~16].
2.2 反应器运行状况 2.2.1 COD实验期间SBR和CSTR进、出水COD及COD去除率历时变化分别如图 1和图 2所示.为防止CSTR中丝状菌膨胀, 实验进水中COD由复杂有机物配制而成, 如：蛋白胨、酵母、淀粉和奶粉, 这些物质溶解度不稳定, 造成进水中COD在303.03~413.70 mg·L-1之间波动.两个反应器启动稳定后, SBR和CSTR出水COD平均浓度分别为(20.73±5.89) mg·L-1和(19.47±7.44) mg·L-1, 这与Chen等[17]的研究结果一致.整个实验期间, 两个反应器出水COD变化无明显差异.
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图 1 SBR的COD历时变化 Fig. 1 COD profiles of the SBR |
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图 2 CSTR的COD历时变化 Fig. 2 COD profiles of the CSTR |
实验期间SBR和CSTR的出水氮浓度历时变化分别如图 3和图 4所示.两个反应器在刚启动运行时, 氨氮和亚硝氮浓度波动较大.在运行第25 d开始及添加过程中, SBR氨氮和亚硝氮基本维持在1 mg·L-1以下, 而CSTR在添加前出水氨氮和亚硝氮浓度分别在0.03~6.21 mg·L-1与0.16~5.31 mg·L-1之间波动; 在添加期间及添加停止后出水氨氮浓度低于1.28 mg·L-1, 出水亚硝氮浓度低于2.36 mg·L-1.
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图 3 SBR的氮浓度历时变化 Fig. 3 Nitrogen concentration profiles of the SBR |
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图 4 CSTR的氮浓度历时变化 Fig. 4 Nitrogen concentration profiles of the CSTR |
表 1为SBR和CSTR在添加前、添加期间以及添加停止后3个阶段稳定条件下的氨氧化速率和亚硝酸盐氧化速率.从中可以看出, 第一, 3个阶段的SBR反应器硝化活性均明显高于CSTR的硝化活性, 这与以往研究结果类似[5, 6].第二, 添加可以明显提高反应器的硝化性能, 添加期间, SBR中AUR由(11.90±0.15) mg·(L·h)-1增加至(27.88±5.20) mg·(L·h)-1, NUR由(11.67±1.19) mg·(L·h)-1增加至(28.00±4.17) mg·(L·h)-1, 分别为添加前的2.34倍和2.39倍; CSTR中AUR由(7.00±0.24) mg·(L·h)-1增加至(18.43±1.05) mg·(L·h)-1, NUR由(7.21±0.60) mg·(L·h)-1增加至(17.64±2.58) mg·(L·h)-1, 分别为添加前的2.63倍和2.44倍.从硝化速率的增加比例来看, SBR和CSTR的添加效率接近.第三, 添加停止后, SBR中AUR和NUR分别降为(24.02±1.50) mg·(L·h)-1和(20.78±0.59) mg·(L·h)-1, 分别为添加前的2.01倍和1.78倍; CSTR中AUR和NUR分别降为(10.37±1.46) mg·(L·h)-1和(9.48±1.34) mg·(L·h)-1, 分别为添加前的1.48倍和1.31倍, 由此可以看出, CSTR与SBR相比, 硝化速率在停止添加后下降幅度大, 但是仍高于添加前的硝化速率.
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表 1 SBR和CSTR在添加前、添加期间以及添加停止后的硝化性能(稳定阶段) /mg·(L·h)-1 Table 1 Nitrification activity of the SBR and CSTR during three stages under stable conditions/mg·(L·h)-1 |
2.4 硝化菌群落结构
图 5为SBR和CSTR在添加前、添加期间以及添加停止后3个阶段稳定运行期间的FISH照片.蓝色为EUBmix探针(CY5标记), 绿色为AOBmix探针(FITC标记), 红色为NOBmix探针(CY3标记), Bar=25 μm.
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图 5 实验过程中SBR和CSTR的FISH照片 Fig. 5 FISH images of SBR and CSTR during experiments |
从图 5可以观察到, 在SBR和CSTR中, AOB菌落比NOB的大, 并且NOB菌落形态不规则.此外, 添加期间两个反应器硝化菌的份额明显增加, 但在添加停止后, 硝化菌的份额又减少.
对反应器活性污泥样品分别采用单个特异性探针与EUBmix的荧光原位杂交结果进行分析, 得到Nitrosomonas europaea、Nitrosospira、Nitrospira和Nitrobacter占总细菌数的个数百分比, 分析结果如图 6~9所示的AOB和NOB的群落结构.
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图 6 SBR的AOB群落结构变化 Fig. 6 AOB community structure changes in the SBR |
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图 7 SBR的NOB群落结构变化 Fig. 7 NOB community structure changes in the SBR |
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图 8 CSTR的AOB群落结构变化 Fig. 8 AOB community structure changes in the CSTR |
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图 9 CSTR的NOB群落结构变化 Fig. 9 NOB community structure changes in the CSTR |
SBR中, 添加前、添加期间和添加停止后AOB/EUBmix的比值分别为(1.52±0.17)%、(4.06±0.69)%和(3.25±1.09)%, 添加期间和添加停止后AOB个数百分比分别为添加前的2.67和2.14倍; NOB/EUBmix分别为(1.30±0.41)%、(3.52±0.38)%和(2.54±0.94)%, 添加期间和添加停止后NOB个数百分比分别为添加前的2.71和1.95倍. 3个阶段中, AOB优势菌均为Nitrosomonas europaea, 占AOB的个数百分比依次为74%、72%和86%; NOB优势菌均为Nitrobacter, 占NOB的个数百分比依次为77%、68%和88%.这与以往结果一致[18~21].由图 6和图 7可以看出, 添加期间, Nitrosomonas europaea、Nitrosospira、Nitrobacter以及Nitrospira的份额均显著增加, 但在添加停止后, 又不同程度地下降, 其中K-决策者(Nitrosospira和Nitrospira)下降更为明显.这说明添加停止后, 添加的硝化菌将不同程度地从系统流失, 相比于在SBR中具有选择优势的r-决策者而言, K-决策者更容易被系统淘汰.
CSTR中, 添加前、添加期间和添加停止后AOB/EUBmix的比值分别为(1.75±0.86)%、(5.09±0.69)%和(2.18±0.85)%, 添加期间和添加停止后AOB个数百分比分别为添加前的2.91和1.25倍; NOB/EUBmix的比值分别为(0.94±0.39)%、(1.66±0.31)%和(1.41±0.67)%, 添加期间和添加停止后NOB个数百分比分别为添加前的1.77和1.50倍.其中AOB优势菌在添加前为Nitrosospira, 占总细菌数的百分比为(1.12±0.34)%, 在添加期间AOB优势菌由Nitrosospira(占AOB的64%)演替为Nitrosomonas europaea(占AOB的72%), 在添加停止后, AOB优势菌又由Nitrosomonas europaea演替为Nitrosospira(占AOB的64%).添加期间AOB优势菌的改变是因为添加的AOB中Nitrosomonas europaea占绝对优势(占AOB的94%)所致[22]. NOB的优势菌在3个阶段均为Nitrospira, 占NOB个数百分比依次为63%、66%和65%.与以往研究结果一致[8, 23].由图 8和图 9可以看出, 添加期间, CSTR中Nitrosomonas europaea、Nitrosospira、Nitrobacter以及Nitrospira的份额均显著增加, 在添加停止后, 又不同程度地下降, 说明添加停止后, 添加的硝化菌将不同程度地从系统流失, 这一规律与SBR系统类似.但是CSTR中r-决策者尤其是Nitrosomonas europaea在添加停止后明显下降, 这说明相比于在CSTR中具有选择优势的K-决策者而言, r-决策者在添加停止后更容易被系统淘汰.
比较SBR(间歇流)和CSTR(连续流)两个系统, 由于添加的AOB中, Nitrosomonas europaea(r-决策者)占AOB的94%, NOB中Nitrobacter(r-决策者)与Nitrospira(K-决策者)份额相当, 但是快生长型的Nitrobacter的硝化速率要比Nitrospira大得多[24~26], 因此添加所引起的NUR增加主要依赖于Nitrobacter(r-决策者).因此, 尽管添加期间不同流态系统的硝化菌份额和硝化速率的增加幅度相似, 但是由于r-决策者在SBR中具有竞争优势, 而在CSTR中处于竞争劣势, 导致在添加停止后CSTR中因前期添加所带入的硝化菌快速流失, 硝化性能大幅下降.
3 结论(1) 硝化菌添加可以有效增加两种典型流态系统的硝化菌份额从而强化系统的硝化性能, 添加期间SBR和CSTR中硝化菌份额分别增至添加前的1.95~2.71倍, 硝化速率增加至添加前的2.34~2.63倍.
(2) 添加停止后, SBR中因添加所增加的K-决策者比r-决策者容易被系统淘汰, CSTR则相反.由于本实验中添加所用的AOB中r-决策者占绝对优势, NOB中r、K-决策者数量相当, 但NUR主要由r-决策者贡献, 因此本实验在添加停止后, CSTR中硝化菌份额和硝化性能的减少幅度明显大于SBR系统.
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