环境科学  2017, Vol. 38 Issue (12): 5215-5221   PDF    
引用本文
张泽文, 李冬, 张杰, 郭跃洲, 李帅. 接种单一/混合污泥对厌氧氨氧化反应器快速启动的影响[J]. 环境科学, 2017, 38(12): 5215-5221.
ZHANG Ze-wen, LI Dong, ZHANG Jie, GUO Yue-zhou, LI Shuai. Effect of Seeding Single/Mixed Sludge on Rapid Start-up of an ANAMMOX Reactor[J]. Environmental Science, 2017, 38(12): 5215-5221.
接种单一/混合污泥对厌氧氨氧化反应器快速启动的影响
张泽文1 , 李冬1 , 张杰1,2 , 郭跃洲1 , 李帅1,2     
1. 北京工业大学水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室, 北京 100124;
2. 哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室, 哈尔滨 150090
收稿日期: 2017-05-30; 修订日期: 2017-06-09
基金项目: 北京市优秀青年拔尖团队项目（2014000028833TD02）
作者简介: 张泽文(1992~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为污水处理技术、水环境恢复理论及关键技术, E-mail:1551040167@qq.com
通信作者: 李冬, E-mail:lidong2006@bjut.edu.cn
摘要: 在两组SBR反应器R0、R1中分别接种单一类型反硝化颗粒污泥和反硝化颗粒污泥与好氧硝化污泥的混合污泥（体积比为2：1）来启动厌氧氨氧化，旨在探求不同接种污泥对厌氧氨氧化反应器快速启动的影响.结果表明，R0用时64 d成功启动厌氧氨氧化，总氮去除负荷为0.26 kg·（m3·d）-1，R1用时47 d，总氮去除负荷为0.30 kg·（m3·d）-1，比R0缩短了17 d；在富集培养阶段，R1中红色污泥大量出现，系统厌氧氨氧化特征比R0更加明显；反应器启动成功后，R0的化学计量比为1.20和0.34，R1的化学计量比为1.26和0.21，比R0更接近理论值1.32和0.26，R0中污泥的MLSS和MLVSS分别恢复到初始种泥的51%（4.2 g·L-1）和38%（2.3 g·L-1），R1中污泥的MLSS和MLVSS分别恢复到初始种泥的54%（4.4 g·L-1）和42%（2.6 g·L-1），高于R0，可以推测，R1驯化过程中厌氧氨氧化菌（AnAOB）增殖速率比R0更快.采用混合污泥作为接种污泥能够加速厌氧氨氧化的启动进程，且启动成功之后系统的脱氮性能更加稳定.
关键词: 厌氧氨氧化      快速启动      混合污泥      化学计量比      混合液悬浮固体浓度      混合液挥发性悬浮固体浓度     
Effect of Seeding Single/Mixed Sludge on Rapid Start-up of an ANAMMOX Reactor
ZHANG Ze-wen1 , LI Dong1 , ZHANG Jie1,2 , GUO Yue-zhou1 , LI Shuai1,2     
1. Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;
2. State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China
Abstract: The experiment explored the effect of different seeding sludge on the rapid start-up of an anaerobic ammonium oxidation (ANAMMOX) reactor by seeding a single type of denitrified granular sludge and a mixed sludge composed of denitrified granular sludge and aerobic nitrification sludge (the volume ratio of the mixed sludge was 2:1) in two sequencing batch reactors (SBR), R0 and R1, respectively. The results indicated that R0 was started up successfully on day 64 with a nitrogen removal rate (NRR) of 0.26 kg·(m3·d)-1, while R1 was started up by day 47 with a NRR of 0.30 kg·(m3·d)-1, which was shorter than R0 by 17 d. In the enrichment stage, reddish sludge appeared in R1, and the characteristics of anaerobic ammonium oxidation of the system were more obvious than in R0. After the reactor was started up successfully, the stoichiometric ratio of R0 was 1.20 and 0.34, respectively, and the stoichiometric ratio of R1 was 1.26 and 0.21, which was closer to the theoretical values of 1.32 and 0.26. The mixed liquor suspended solids (MLSS) and mixed liquor volatile suspended solids (MLVSS) of R0 were restored to 51% (4.2 g·L-1) and 38% (2.3 g·L-1)of the initial seeding sludge, respectively, while the MLSS and MLVSS of R1 were restored to 54% (4.4 g·L-1) and 42% (2.6 g·L-1), which was higher than R0. It can be speculated that the proliferation rate of AnAOB in R1 was faster than in R0. Seeding mixed sludge can accelerate the start-up process of anaerobic ammonium oxidation with more stable N-removal performance.
Key words: anaerobic ammonium oxidation (ANAMMOX)      rapid start up      mixed sludge      stoichiometric ratio      MLSS      MLVSS     

厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation, ANAMMOX)是荷兰Delft工业大学于20世纪末开始研究, 并于21世纪初成功开发的一种新型废水生物脱氮工艺[1].相比传统的硝化-反硝化生物脱氮工艺, 厌氧氨氧化工艺具有耗氧量少、污泥产量低、无需外加有机碳源和无二次污染等优势[2].其生物脱氮反应式为[3]：

(1)

然而, 厌氧氨氧化菌生长速率极慢, 世代时间大约为7~20 d, 且对外界环境非常敏感[4], 导致厌氧氨氧化的启动时间较长, 极大地限制了其在实际工程中的应用.优化厌氧氨氧化工艺快速启动策略将加速该工艺的工业化进程.

接种污泥的性质、种类和数量直接影响反应器的启动时间[5~7].丛岩等[8]以好氧硝化生物膜为接种污泥, 在缺氧条件下采用EGSB反应器连续培养90 d后成功启动厌氧氨氧化; 唐崇俭等[9]以硝化污泥作为种泥进行驯化, 在20~25 d出现厌氧氨氧化活性, 并在第90 d成功启动厌氧氨氧化; Tsushima等[10]采用反硝化絮状污泥启动厌氧氨氧化反应器用时60 d.这些研究表明, 采用不同接种污泥均可成功启动厌氧氨氧化, 但启动时间存在较大差异, 探究不同接种污泥对厌氧氨氧化快速启动的影响将有助于最优种泥的选取.鉴于反硝化颗粒污泥与厌氧氨氧化菌同为厌氧菌属, 代谢类型一致[11, 12], 且在系统中持留能力强, 生长较快[13, 14], 是启动厌氧氨氧化的优良种泥; 另外, 好氧硝化污泥作为种泥可以有效去除水中携带的溶解氧, 营造出有利于厌氧氨氧化菌出现和生长的环境[15], 采用上述两种污泥耦合的混合污泥系统作为接种污泥有望进一步加速厌氧氨氧化反应器的启动.

本试验在两组SBR反应器R0、R1中分别接种单一类型反硝化颗粒污泥和反硝化颗粒污泥与好氧硝化污泥的混合污泥进行对比, 探究不同接种污泥对厌氧氨氧化反应器快速启动的影响.

1 材料与方法 1.1 试验装置

本试验在两组相同的SBR反应器中进行, 如图 1所示.反应器由有机玻璃制成, 内径100 mm, 高700 mm, 有效容积10.6 L; 在反应器器壁上垂直设有一排取样口, 外壁用黑色材料进行包裹, 避免反应器中藻类增殖以及阳光对厌氧氨氧化菌的影响, 进水由蠕动泵从反应器底部打入; 水力停留时间控制在8 h, 容积交换率为2/3, 为了保证厌氧氨氧化反应器启动成功之后能够在常温下稳定运行, 驯化期间将反应器运行温度控制在25℃±2℃.

图 1 反应器装置示意 Fig. 1 Experimental reactor

1.2 接种污泥和模拟废水

接种污泥有反硝化颗粒污泥和好氧硝化污泥, 反硝化颗粒污泥取自硝氮质量浓度为80 mg·L-1的人工配水水质条件下稳定运行的SBR反应器, 好氧硝化污泥取自氨氮质量浓度为80 mg·L-1的人工配水水质条件下稳定运行的SBR反应器. R0中接种10.6 L反硝化颗粒污泥, R1中接种含有7.0 L反硝化颗粒污泥和3.6 L好氧硝化污泥的混合污泥; R0和R1初始种泥的MLSS分别为8.05 g·L-1和8.07 g·L-1, 两组反应器中接种污泥的具体参数见表 1.

表 1 接种污泥参数 Table 1 Parameters of the seeding sludge

试验进水为人工模拟废水, NH4+-N和NO2--N质量浓度比为1:1, 起始浓度分别为25 mg·L-1, 根据驯化过程中厌氧氨氧化菌的活性和脱氮效率同步提高NH4+-N和NO2--N浓度, 进行厌氧氨氧化菌的批式富集; 无机碳由NaHCO3提供, C/N为5:1, KH2PO4为2.5 mg·L-1, CaCl2为12.5 mg·L-1以及1.00 mL·L-1的微量元素; 微量元素成分为：EDTA (15 g·L-1), CoCl2·6H2O (0.25 g·L-1), ZnSO4·7H2O (0.42 g·L-1), CuSO4·5H2O (0.24 g·L-1), MnCl2·4H2O (0.98 g·L-1), H3BO4(0.015 g·L-1), NiCl2·2H2O (0.020 g·L-1), NaWO4·2H2O (0.060 g·L-1).

1.3 测定项目及方法

氨氮测定采用纳氏试剂光度法; 亚硝酸盐氮测定采用N-(1萘基)-乙二胺光度法; 硝酸盐氮测定采用紫外分光光度法; pH、溶解氧(DO)以及温度测定采用便携式的WTW pH/Oxi 340i及在线式的WTW pH296 Oxi296测定; MLSS和MLVSS采用质量法进行测定; 污泥性状采用OLYMPUS显微镜进行观察.

1.4 试验内容

试验期间每天对反应器进出水的氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮浓度进行检测, 根据各类氮素的去除率变化以及化学计量比分析反应器中厌氧氨氧化菌的活性以及富集情况; 通过显微镜观察污泥的形态, 并且定期测定污泥的MLSS、MLVSS来分析厌氧氨氧化菌理化特性的变化.

2 结果与讨论

根据两组SBR反应器氨氮、亚硝酸盐氮和总氮的去除率变化, 将厌氧氨氧化的启动过程大致分为4个阶段：细胞裂解期、活性迟滞期、活性提高期和活性稳定期[6].

2.1 反应器脱氮性能

R0、R1进水中初始NH4+-N和NO2--N质量浓度分别为25 mg·L-1, 比例为1:1.如图 2所示, 驯化初期, 由于外部环境的骤变, 导致R0和R1种泥中的微生物大量死亡, 细胞裂解, 胞内有机氮扩散引起出水NH4+-N浓度高于进水; 此外, 由于细胞自溶会释放出大量的COD被反硝化菌当做碳源利用, 所以, 驯化初期, R0和R1中都存在着明显的反硝化作用[14], 加之R0的接种污泥全部为反硝化污泥, 其数量明显多于R1, 导致R0的反硝化效率要高于R1, 其反硝化脱氮效率分别为23.2%和10.6%.随着生物群落对环境的逐渐适应, 溶胞现象减少, 出水NH4+-N浓度降低, 由于碳源的减少, 反硝化菌的异养反硝化作用减弱, 出水NO2--N浓度升高.当反应器运行至第18 d时, 实现了NH4+-N和NO2--N的同步去除, 去除率分别为13.7%和14.4%, 同时出水的NO3--N浓度也开始高于进水, 这是厌氧氨氧化现象发生的重要标志[16, 17]; 由于R1的接种污泥为反硝化颗粒污泥和好氧硝化污泥的混合污泥, 在驯化初期, 好氧硝化污泥可以快速去除进水中携带的溶解氧, 营造出有利于厌氧氨氧化菌出现的厌氧环境, 所以, R1仅历时12 d便出现了厌氧氨氧化现象, NH4+-N和NO2--N的去除率分别达到了14.7%和15.1%.

图 2 启动阶段R0和R1的脱氮性能 Fig. 2 Nitrogen removal performance of R0 and R1 during the start-up stage

进入到活性迟滞期之后, 为了避免NO2--N过剩对厌氧氨氧化菌的抑制作用[18], 以5 mg·L-1的增幅每5 d同步提升一次进水中NH4+-N和NO2--N浓度, 逐步实现对厌氧氨氧化菌的富集培养.如图 2所示, 由于基质浓度提高, 驯化过程不断深入, 所以厌氧氨氧化特征更加明显, R0、R1的NH4+-N和NO2--N同步去除率稳步上升, 厌氧氨氧化菌生物量逐渐增多; 但是由于该阶段厌氧氨氧化菌基数较少, 所以R0和R1的总氮去除率增长较为缓慢, R0在第19 d和第43 d的总氮去除率分别仅有13.1%和32.3%, 平均增长速率仅为0.77%·d-1; R1中由于存在好氧硝化过程, 系统中营造的厌氧环境更有利于厌氧氨氧化菌的增殖, 所以, 活性迟滞期内, R1中厌氧氨氧化菌的活性高于R0, R1在第13 d和第33 d的总氮去除率分别为13.5%和32.6%, 平均增长速率为0.96%·d-1, 是R0的1.25倍.

在活性提高期, 厌氧氨氧化菌以指数级的增长速率快速增殖, 为了满足厌氧氨氧化菌快速增殖所需的营养物质, 以10 mg·L-1的增幅每5 d同步提升一次进水中NH4+-N和NO2--N浓度来提高系统容积负荷, 刺激厌氧氨氧化菌快速增殖.该阶段, 由于基质浓度较高、厌氧氨氧化菌基数较活性迟滞期大, 所以厌氧氨氧化菌快速增殖, 逐渐成为系统的优势菌种, 由于反硝化菌代谢类型与厌氧氨氧化菌一致[11, 12], 所以种泥中的反硝化菌在厌氧氨氧化菌的诱导下更有利于发生转变, 进而提高厌氧氨氧化菌的增殖速率, 如图 2所示, R0和R1总氮去除率的平均增长速率分别增大至1.01%·d-1和1.31%·d-1, 较活性迟滞期有了明显提升. R0运行至第64 d时, 总氮去除率达到了50.7%, 总氮去除负荷为0.26 kg·(m3·d)-1, 厌氧氨氧化反应器启动成功[19], 与R0相比, 由于R1中的厌氧环境更有利于厌氧氨氧化菌的增殖和脱氮, 所以R1仅历时47 d即成功启动厌氧氨氧化, 总氮去除率和总氮去除负荷分别达到了51.1%和0.30 kg·(m3·d)-1, 启动历时比R0缩短了17 d.

厌氧氨氧化启动成功之后, 微生物进入活性相对稳定的时期.在本阶段, 厌氧氨氧化菌趋于成熟, 系统的脱氮负荷基本保持稳定[14]. R0的平均总氮去除负荷为0.41 kg·(m3·d)-1, R1的平均总氮去除负荷高于R0, 为0.45 kg·(m3·d)-1.该试验结果表明, 接种混合污泥不仅有利于缩短厌氧氨氧化启动周期, 而且系统的脱氮效果更加良好.

R0和R1反应器启动厌氧氨氧化过程中, 各个阶段的持续时间如表 2所示.从中可知, R1在细胞裂解期、活性迟滞期和活性提高期阶段的持续时间显著少于R0.其原因在于, 选择反硝化颗粒污泥和好氧硝化污泥的混合污泥作为接种污泥可以有效解决启动过程中厌氧氨氧化菌驯化困难、增殖速率较慢以及溶解氧对厌氧氨氧化菌的抑制等各种问题, 加速反应器的启动; 反硝化颗粒污泥沉降性能较好, 在系统中的持留能力较强[13, 14], 可以避免细胞裂解期和活性迟滞期微生物的大量流失, 保持系统中的微生物量; 另外, 它和厌氧氨氧化菌同为厌氧菌属[11, 12], 更有利于被诱导驯化, 进而加速活性迟滞期和活性提高期厌氧氨氧化菌的出现和增殖; 好氧硝化污泥的存在可以及时去除进水中携带的溶解氧, 营造出有利于厌氧氨氧化菌生长的环境, 同时好氧污泥产率系数较高间接加快了厌氧氨氧化菌的增殖速率[15], 有效缩短活性迟滞期和活性提高期的时间, 进一步加速厌氧氨氧化的启动.

表 2 R0和R1各个阶段持续时间/d Table 2 Duration of R0 and R1 in each stage/d

2.2 化学计量比

化学计量比是衡量厌氧氨氧化生化反应的一个重要指示参数[6].根据式(1)可知[3], Rs(NO2--N与NH4+-N消耗量之比)和Rp(NO3--N的产量与NH4+-N的消耗量之比)的理论值分别为1.32和0.26.反应器R0、R1在各个驯化阶段的Rs和Rp的平均值如表 3所示.

表 3 R0和R1化学计量比平均值 Table 3 Average value of stoichiometry in R0 and R1

据2.1节可知, 在细胞裂解期, 由于系统中发生溶胞现象和反硝化作用[14], Rs和Rp与理论值相差甚远, 甚至Rs出现负值; 经过一段时间的培养驯化后, 厌氧氨氧化菌开始出现, 在活性迟滞期, 由于R1接种污泥中含有好氧硝化污泥, 其中的好氧氨氧化细菌(AOB)能够通过亚硝化作用消耗掉进水中携带的溶解氧, 产生NO2--N[20], 导致Rs降低, 所以, 该阶段内, R1中Rs平均值为1.20, 小于R0的1.24;进入活性提高期之后, R0和R1中的厌氧氨氧化菌快速增殖, 逐渐成为系统中的优势菌群, 总氮去除率快速增大, 但是相比而言, R1中厌氧氨氧化菌增殖速率明显高于R0, 且化学计量比相对R0也更接近理论值, 如图 3所示, 厌氧氨氧化启动成功之后, R0的Rs和Rp分别为1.20和0.34, R1的Rs和Rp分别为1.26和0.21, R1的化学计量比比R0更接近理论值1.32和0.26;进入活性稳定期之后, 系统中的厌氧氨氧化菌趋于成熟, 化学计量比较稳定, R0和R1的化学计量比与理论值接近, 表明厌氧氨氧化已成为系统的主导反应[21], 厌氧氨氧化活性较好, 这也说明, 接种单一类型反硝化颗粒污泥和接种反硝化颗粒污泥与好氧硝化污泥的混合污泥均可成功启动厌氧氨氧化, 但是接种混合污泥启动厌氧氨氧化历时更短, 系统稳定性更高.

图 3 R0和R1化学计量比变化情况 Fig. 3 Variation of stoichiometry in R0 and R1

2.3 MLSS、MLVSS以及污泥性状变化情况

试验过程中对反应器R0和R1中污泥的MLSS和MLVSS进行了定期测量, 以明晰厌氧氨氧化启动过程中微生物量的变化规律[16], 结果如图 4和图 5所示.

图 4 R0生物量变化情况 Fig. 4 Variation of R0 biomass

图 5 R1生物量变化情况 Fig. 5 Variation of R1 biomass

在细胞裂解期内, 由于接种污泥中的微生物难以快速适应新的环境, 大量死亡, 导致系统中的生物量锐减[16], 所以反应器R1中污泥的MLSS和MLVSS急剧降低, 如图 5所示, 细胞裂解期末, 反应器中的MLSS和MLVSS分别降低到初始种泥的52%和32%;进入活性迟滞期后, 细胞死亡现象大量减少, 此外, 由于接种污泥中有大量反硝化颗粒污泥, 沉降性能较好, 能够有效截留微生物, 所以, 活性迟滞期结束时, MLSS和MLVSS仅比细胞裂解期末降低了5%和1%;进入活性提高期之后, 厌氧氨氧化菌大量出现, MLSS和MLVSS开始回升, 第47 d, R1厌氧氨氧化启动成功, MLSS和MLVSS分别为4.4 g·L-1和2.6 g·L-1, 分别恢复到了初始种泥的54%和42%.反应器R0中污泥的MLSS和MLVSS变化趋势与R1相似, 但开始回升历时明显长于R1, 且R0启动成功之后MLSS和MLVSS分别仅恢复到初始种泥的51%和38%, 少于R1, 据此可以推测R1在驯化期间厌氧氨氧化菌增殖速率更高, 接种反硝化颗粒污泥和好氧硝化污泥的混合污泥更有利于快速启动厌氧氨氧化.在活性稳定期, R1系统中的生物量仍然有所上升, 但是, 由于此时的厌氧氨氧化菌趋于成熟, 增殖速率较为稳定, 反应器运行至第86 d时, MLSS和MLVSS分别达到了5.65 g·L-1和3.64 g·L-1, 分别恢复至初始种泥的70%和59%.

本试验对R0和R1厌氧氨氧化启动过程中各阶段的污泥性状进行了观测, 发现反应器启动前后污泥形态以及颜色发生了较大的变化, 结果如图 6和图 7所示.

图 6 R0污泥性状 Fig. 6 Sludge traits in R0

图 7 R1污泥性状 Fig. 7 Sludge traits in R1

启动初期, R0、R1接种污泥的性状如图 6(a)和7(a)所示, 种泥以颗粒污泥的形式存在, 颜色整体呈现棕色; 进入细胞裂解期之后, 由于外界环境和营养物质的突变, 微生物大量死亡, 颗粒污泥发生解体, 生物量锐减, 细胞裂解期结束时, 两组反应器污泥性状如图 6(b)和7(b)所示; 随着微生物对新环境逐渐适应, 厌氧氨氧化菌开始在活性迟滞期出现并在活性提高期快速增殖, 系统中污泥的颜色也发生了显著的变化, 红色污泥逐渐出现, 厌氧氨氧化启动成功后, 污泥性状如图 6(c)和7(c)所示, 相比而言, R1中红色污泥的数量明显多于R0, 且R1中的红色污泥出现了颗粒化的倾向, 这也说明接种反硝化颗粒污泥和好氧硝化污泥的混合污泥启动过程中, 厌氧氨氧化特征更加显著.

3 结论

(1) 采用单一类型反硝化颗粒污泥作为接种污泥用时64 d成功启动厌氧氨氧化, 总氮去除负荷达到0.26 kg·(m3·d)-1; 采用反硝化颗粒污泥与好氧硝化污泥的混合污泥作为接种污泥, 仅用时47 d即可成功启动厌氧氨氧化, 总氮去除负荷可达0.30 kg·(m3·d)-1.

(2) 接种反硝化颗粒污泥和好氧硝化污泥的混合污泥启动过程中, 厌氧氨氧化菌出现时间较早, 增殖速率更快, 反应器启动成功后, 化学计量比更接近理论值, 系统的MLSS和MLVSS能够恢复到较高的水平.

(3) 接种反硝化颗粒污泥和好氧硝化污泥的混合污泥驯化过程中, 污泥颜色由棕色逐渐变为红色, 且有颗粒化的倾向, 厌氧氨氧化特征更加显著.

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