2019, Vol. 40
目前, CANON工艺在处理污泥消化液等高氨氮废水方面具有广泛的应用前景[1], 其温度主要采用中温条件[2, 3].此外, 在城市污水处理厂应用主流厌氧氨氧化工艺时, 运行温度仍采用中温条件[(30±1)℃][4].可见, 温度为中温条件时, CANON工艺较容易实现稳定的短程硝化, 进而获得良好的脱氮效果.因此, 在处理水温呈季节性变化较大的废水时, 例如污水厂主流工艺的污水[5]或垃圾渗滤液[6], CANON工艺将面临短程硝化效果不稳定的困境.尤其是在处理污水厂主流工艺的污水时, NH4+-N浓度一般较低, 水温在冬季时也较低(5~20℃), CANON工艺中NOB的生长代谢不仅受游离氨(free ammonia, FA)的影响较小, 而且也不受温度的限制[7].
温度影响细菌的具体方式表现为, 影响酶催化反应速率和基质扩散速率[8].对于CANON工艺中主要脱氮功能菌来说：一方面, 温度达到25~35℃时, 氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria, AOB)的生长速率较亚硝酸盐氧化细菌(nitrite-oxidizing bacteria, NOB)高, 且可实现NOB的“自然淘洗”[9]; 另一方面, 就ANAMMOX菌的最适温度范围而言, 研究者普遍接受的是30~35℃[10].此外, 不同研究者的试验结果均表明, ANAMMOX菌受低温的影响较大[11].例如, Laureni等[12]的研究发现, 12.5℃时, ANAMMOX菌的活性相比29℃时下降了90%;周同等[13]的研究表明, 25~35℃时海洋厌氧氨氧化反应的活化能为26 kJ·mol-1, 而温度下降至10~25℃时, 海洋厌氧氨氧化反应的活化能升高了50 kJ·mol-1.因此, 低温环境下, AOB氧化NH4+-N产生的NO2--N可能不会被ANAMMOX菌及时消耗掉, NO2--N出现积累, 而这会对CANON工艺中短程硝化的稳定性构成威胁.
如果要将CANON工艺应用于处理低温废水, 应探究长期低温环境下CANON反应器中短程硝化和脱氮性能的稳定性与高效性.本文以低温高氨氮废水为着眼点, 以生物膜CANON污泥为接种污泥, 通过不断地调节进水负荷、曝气量、温度等运行工况, 探讨降温过程中生物膜CANON反应器的运行特征, 以探索出低温环境下进水NH4+-N浓度较高时, CANON反应器获得稳定短程硝化和良好脱氮效果的方法.
1 材料与方法 1.1 试验装置本试验采用的反应器由有机玻璃制成, 内径为7 cm, 高度为1 m, 有效容积为3.5 L, 如图 1所示.反应器填料为内部有支撑的圆柱形改性聚乙烯填料, 侧边沿不同径向伸展许多尾翅用于增加填料的比表面积, 直径约10 mm, 高度约8 mm, 密度约为0.96 g·cm-3[14].反应器采用升流式进水方式, 通过水浴控制反应器内部温度, 控制反应器内pH为7.80~8.12.反应器底部安装圆柱形曝气头, 采用空气泵进行曝气并通过玻璃转子流量计控制流量.
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1.进水箱；2.进水泵；3.空气泵；4.恒温加热棒；5.出水口；6.水浴箱；7.生物膜CANON反应器；8.生物膜CANON污泥 图 1 生物膜CANON反应器试验装置及工艺流程示意 Fig. 1 Experimental apparatus and process diagram of the biofilm CANON reactor |
接种的生物膜CANON污泥来自于实验室已稳定运行的改性聚乙烯填料CANON反应器, 该反应器的TN去除负荷最高可达2.52 kg·(m3·d)-1[14].
本试验用水采用人工配制的无机进水, 由自来水添加适量的NH4Cl、NaHCO3、NaH2PO4和1 mL·L-1微量元素浓缩液Ⅰ、1 mL·L-1微量元素浓缩液Ⅱ[15]组成, 反应器无机进水水质如表 1所示.
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表 1 生物膜CANON反应器无机进水水质 Table 1 Inorganic water quality of the influent for the biofilm CANON reactor |
1.3 分析项目及检测方法
各项氮素指标的监测方法参考文献[16]. NH4+-N：纳氏试剂比色法; NO2--N：N-(1-萘基)-乙二胺光度法; NO3--N：紫外分光光度法; TN按下式计算：TN＝NH4+-N+NO2--N+NO3--N; FA浓度：参考文献[17]中的计算方法, 具体见式(1); pH值：Mettler Toledo Fivego F2 pH计; DO：Multi 3620 IDS溶解氧仪; 温度：水银温度计.
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(1) |
式中, c(NH4+-N)为污水中NH4+-N的浓度, mg·L-1; t为反应温度, ℃.
2 结果与分析本试验开始前, 生物膜CANON反应器的温度始终保持在(30±1)℃.试验可主要分为直接低温驯化(1~15 d)、逐步降温驯化(17~41 d)、长期低温运行(42~70 d)这3个阶段.首先, 直接低温驯化时, 将温度维持在约19℃, 反应器的脱氮效果因低温影响急剧恶化后, 为恢复反应器内脱氮功能菌的活性, 7~15 d时温度恢复至中温条件[(30±1)℃].其次, 为实现ANAMMOX菌最终适应低温环境的目的, 试验采用逐步降温的驯化方式, 温度首先经11 d由26℃左右逐步下降至20℃左右后, 在27~41 d期间微幅升高至24℃左右.逐步降温的同时, 辅以适当工况的调节, 试验过程中主要的运行工况如图 2所示.最后, 温度再次下降至19℃左右, 18 d后温度又继续下降至15℃左右, 探究低温时CANON反应器短程硝化和脱氮性能的稳定性与高效性.
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图 2 降温过程中生物膜CANON反应器进水流量、曝气量与温度的变化 Fig. 2 Variation of the influent inflow, aeration rate and temperature in the biofilm CANON reactor during the temperature reduction process |
1~4 d, 温度维持在约19℃, 平均进水负荷为2.11kg·(m3·d)-1.降温过程中生物膜CANON反应器各氮素指标的变化, 如图 3所示. 1~4 d, NH4+-N和TN的最高去除率分别为28.17%、4.52%, TN去除负荷最高仅为0.14 kg·(m3·d)-1.这表明AOB和ANAMMOX菌均受到了严重的抑制.
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图 3 降温过程中生物膜CANON反应器内各氮素指标的变化 Fig. 3 Variation of each nitrogen species index in the biofilm CANON reactor during the temperature reduction process |
此外, 1~4 d时, NO2--N出现积累现象, 最高达到59.81mg·L-1.这说明AOB受低温的冲击性影响较ANAMMOX菌小.这与Lotti等[18]的试验结果一致.分析其原因可能是, ANAMMOX菌对温度的敏感性较AOB强[19].刘文如等[20]的研究也发现, 在温度由20℃下降至10℃时, ANAMMOX污泥的活性下降至原来的18%, 而短程硝化颗粒污泥的活性只下降至原来的53%.
为恢复CANON反应器内脱氮功能菌的活性, 7~15 d时温度恢复至试验开始前的水平[(30±1)℃], 同时将TN平均进水负荷由2.11kg·(m3·d)-1调低至1.17kg·(m3·d)-1.由图 3可知, 恢复中温条件后, NH4+-N和TN去除率分别稳定在80%、60%以上, TN去除负荷逐渐稳定在1.00kg·(m3·d)-1左右, 这说明反应器的脱氮性能转好. δ(NO3--N)/δ(TN)平均值为0.116, 接近于理论值0.127[21].表明CANON反应器中短程硝化效果较为稳定.可见, 1~4 d时的低温冲击并未对反应器造成明显影响.
2.2 逐步降温驯化阶段由1~4 d的试验结果可知, 如直接从低温开始驯化生物膜CANON污泥, 反应器的脱氮效果较差.因此, 在17~41 d期间, 试验尝试采用逐步降温的驯化方式, 同时配合运行工况的调节, 以使反应器内的脱氮功能菌逐渐适应低温环境.其中, 17~20 d时温度下降至26℃左右, 平均进水负荷为1.80kg·(m3·d)-1; 21~23 d时温度继续下降至20℃左右, 平均进水负荷为1.88kg·(m3·d)-1. 27~41 d, 降温的幅度减小, 温度升高至24℃左右, 平均进水负荷下调至1.76kg·(m3·d)-1.
由图 3可知, 在逐渐降温的过程中, NH4+-N和TN去除率均主要呈下降趋势, 23 d时分别降低至69.64%、17.02%.此外, NO2--N在逐渐降温的过程中迅速大量积累, 23 d时达到最大值216.09mg·L-1, 说明ANAMMOX菌的活性大幅下降, 无法高效地完成脱氮过程.就NO3--N而言, 在逐渐降温的过程中, NO3--N的变化呈先上升后下降的趋势, 21 d时达到峰值35.38mg·L-1, 23 d时降低至9.77mg·L-1.另一方面, δ(NO3--N)/δ(TN)在逐渐降温的过程中也主要呈下降趋势, 且均小于理论值0.127.可见, 反应器尽管存在脱氮效果不佳的问题, 但其短程硝化性能较稳定, ANAMMOX菌仍然占据竞争NO2--N的优势地位.
温度升高至24℃左右后, NH4+-N和TN去除率尽管稍有波动, 但总体趋势相较直接低温驯化时有了根本性的好转, 27~41 d期间NH4+-N和TN平均去除率分别为81.47%、60.46%.此外, NO2--N积累量明显减小, 平均值为44.47mg·L-1.由此也可看出, 温度升高后, ANAMMOX菌的活性有所恢复. NO3--N浓度在温度小幅升高后呈波动性变化趋势, 且相较之前有了较大的提升, 平均值为33.31mg·L-1.另一方面, 温度升高后, δ(NO3--N)/δ(TN)逐渐稳定在0.127以上.由此可见, 减小降温的幅度后, NOB的活性得到增强.
2.3 长期低温运行阶段基于前两个阶段的试验结果, 在长期低温运行阶段, 温度首先在42~59 d期间再次下降至19℃左右, 平均进水负荷为1.67kg·(m3·d)-1. 60~70 d, 温度继续下降至15℃左右, 平均进水负荷下调至1.27kg·(m3·d)-1.
如图 3所示, 在长期低温运行阶段, NH4+-N和TN去除率分别逐渐稳定在90%、70%以上, 甚至当温度在67 d下降至12℃时, TN去除率与去除负荷仍能分别达到72.52%、0.78kg·(m3·d)-1.显然, 温度再次下降至低值时, ANAMMOX菌仍能高效地完成脱氮过程, 这与直接低温驯化时有着明显的不同.有研究表明, 这种“不同”源于ANAMMOX菌对低温环境已具备了一定的适应能力, 而非ANAMMOX菌数量的增多所致.例如, Laureni等[12]的研究发现, 12.5℃时, ANAMMOX菌的最小世代时间较29℃时延长了61 d. Reino等[22]的试验结果表明, 在没有排泥的前提下, 温度由22℃经过420 d逐步下降最后稳定在11℃后, 厌氧氨氧化UASB反应器内ANAMMOX菌种属的总相对丰度逐渐下降, 而在分别处理低浓度合成废水及投加NO2--N后的实际市政污水时, 反应器均能取得较好的脱氮效果.
此外, 相较前两个阶段而言, NO2--N积累量在长期低温运行阶段有所降低, 平均浓度为36.88mg·L-1.就NO3--N而言, 长期低温运行阶段的NO3--N浓度呈快速升高趋势, 最高达63.79mg·L-1.可见, 在长期低温运行阶段, 除CANON反应产生少量NO3--N[23]外, 大部分NO3--N是由NOB利用NO2--N转化而来的.
另一方面, 42~55 d时δ(NO3--N)/δ(TN)的平均值为0.126, 非常接近于理论值0.127.而60~70 d时δ(NO3--N)/δ(TN)处于较高水平, 平均值为0.152.这与NOB的活性在长期低温运行阶段逐渐增强相符.说明CANON反应器中短程硝化有持续恶化的趋势.
3 讨论对比分析直接低温驯化、逐步降温驯化、长期低温运行3个阶段的试验结果可知：第一, 温度直接由(30±1)℃降低至19℃时, 反应器内脱氮功能菌受到了严重的抑制, NO2--N出现积累; 第二, 在逐步降温的过程中(30℃±1℃→26℃±1℃→22℃±1℃), 尽管NO2--N出现大量积累, 但CANON反应器的短程硝化性能较稳定; 第三, 将降温的幅度减小后(24±2)℃, 反应器的脱氮效果相较直接低温驯化时有了根本性的好转, NO2--N的积累量明显减小; 第四, 温度继续下降后(约19℃→约15℃), NO2--N积累量进一步减小, 反应器取得了本次试验中最好的脱氮效果, 而短程硝化面临恶化的风险.由此可见, 驯化生物膜CANON污泥的温度条件直接由中温转变为低温时, 不利于反应器在低温环境下取得较好的脱氮效果.而通过逐步降温的驯化方式, 每次较小幅度地降温, 同时配合运行工况的调节, 可实现ANAMMOX菌逐渐适应低温环境的目的.
值得注意的是, ANAMMOX菌的部分种属本身就具备在低温环境下生长的潜力.有研究表明[24], 北极海洋沉积污泥中, ANAMMOX菌的最适温度低于15℃, 甚至在-1.3℃的温度条件下仍保持着一定的活性. Hendrickx等[24]直接在10℃环境下培养ANAMMOX污泥, 反应器内主要种属为 Candidatus Brocadia fulgida.另外, 有研究者发现, 驯化的温度条件由中温转变为低温时, ANAMMOX菌的主要种属发生了变化.例如, De等[25]的研究表明, 进水NH4+-N浓度为25.9mg·L-1, 持续维持温度为30℃的ANAMMOX反应器内, 主要种属始终为 Candidatus Brocadia, 而温度经293 d由30℃逐渐下降至10℃的ANAMMOX反应器, 主要种属从 Candidatus Brocadia 转移至 Candidatus Kuenenia. Yang等[26, 27]的研究发现, 进水NH4+-N浓度为44.5mg·L-1左右, 当CANON反应器的温度条件由(32±3)℃转变为(25±1)℃, 120 d后, ANAMMOX菌的含量由6.6×1011 copies·L-1下降至3.2×1011 copies·L-1, 主要种属也从 Candidatus Brocadia 转移至 Candidatus Kuenenia.由此可见, ANAMMOX菌的部分种属对低温环境具有一定的倾向性, 但这仍需进一步的研究.
此外, 在整个驯化的过程中, 除7~15 d时温度恢复至中温条件(30±1)℃外, 低温条件下NO2--N的积累量随ANAMMOX菌活性的高低而波动变化.文献也报道了类似情况.例如, Persson等[28]的研究结果表明, 16℃和13℃时, 移动床式生物膜CANON反应器的TN去除负荷分别为0.81kg·(m3·d)-1和0.55kg·(m3·d)-1, 而10℃时TN去除负荷不稳定, 平均值仅为0.17kg·(m3·d)-1, NO2--N积累峰值为200mg·L-1.李祥等[29]的试验结果表明, 温度降低至15℃以下时, 厌氧氨氧化反应器的TN去除负荷最低降至0.55kg·(m3·d)-1, 并伴随NO2--N大量积累, NO2--N积累峰值为150mg·L-1.宋成康等[30]的研究发现, 温度为(26±7)℃时, 厌氧氨氧化反应器的TN去除负荷稳定在0.40kg·(m3·d)-1左右, 温度降低至15℃时出现了NO2--N大量积累, 最高达到107.49mg·L-1, 温度继续下降至10℃时反应器面临崩溃的风险.可见, 在ANAMMOX菌适应低温环境的过程中, NO2--N易发生积累, 积累的高浓度NO2--N又将进一步抑制ANAMMOX菌的活性, 从而延长ANAMMOX菌适应低温环境的过程.
就NO3--N而言, 整个试验过程中NO3--N浓度总体上一直呈升高趋势, 尤其是在长期低温运行阶段, NO3--N浓度的升高明显较前2个阶段要快.其他研究者也发现了类似情况.例如, Liu等[31]的研究发现, 相较30℃条件下培养的CANON污泥而言, (20±3)℃条件下培养的CANON污泥中, NOB两个主要种属的含量均有所升高. Gonzalez-Martinez等[32]也注意到(20±5)℃条件下培养CANON污泥时, NOB的相对丰度会增大. Liu等[33]在长期处于(23±3)℃的CANON反应器内检测到了Nitrobacter, 而在长期处于(30±2)℃的CANON反应器内并未发现.可见, 低温环境有利于CANON反应器中NOB的生长代谢活动.
另一方面, 在逐步降温阶段和长期低温运行阶段中, δ(NO3--N)/δ(TN)均出现了高于理论值0.127的情况, 表明CANON反应器中短程硝化有持续恶化的趋势.由此可见, 降温过程中驯化生物膜CANON污泥时, 应优先考虑短程硝化控制.
降温过程中生物膜CANON反应器内FA浓度及DO的变化, 如图 4所示.可以看出, 在直接低温驯化时, 由于AOB受到了严重的抑制, 大量的NH4+-N未得到去除, 从而形成了高浓度的FA, 平均值为15.62mg·L-1.在逐步降温驯化阶段, FA浓度随AOB活性的增强而减小.例如21 d时, NH4+-N去除率达到95.23%, FA浓度仅为0.23mg·L-1, 而在39 d时, NH4+-N去除率仅为57.85%, FA浓度高达9.53mg·L-1.在长期低温运行阶段, NH4+-N去除率稳定在90%以上, FA浓度处于较低水平, 平均值仅为0.34mg·L-1.就FA对NOB抑制的浓度范围而言, Anthonisen等[17]的结论最为经典, 其研究表明抑制NOB的FA浓度范围为0.1~1mg·L-1.因此, 引起降温过程中NOB活性逐渐增强的主要原因是, 脱氮功能菌逐渐适应低温环境后, NH4+-N被大量消耗, 加之低温影响, 致使FA浓度下降, NOB受FA的抑制得到有效缓解.由此可见, 低温环境下, CANON反应器实现较好脱氮性能的同时, 应维持一定浓度的剩余NH4+-N, 以抑制NOB的活性.
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图 4 降温过程中生物膜CANON反应器内FA浓度及DO的变化 Fig. 4 Variation of the FA concentrations and DO in the biofilm CANON reactor during the temperature reduction process |
除FA外, NOB活性的增强还与DO有关.例如, 付昆明等[34]在探讨主流厌氧氨氧化工艺的运行优化时发现, NH4+-N浓度低于100mg·L-1, 如仍然维持NH4+-N浓度较高时的DO水平, 导致NOB活性得到增强的同时, 还将部分抑制生物膜内ANAMMOX菌的活性.由图 4可知, 整个试验过程中, DO处于较高水平.其中, 直接低温驯化和逐步降温驯化两个阶段的DO基本保持在3mg·L-1以上, 长期低温运行阶段的DO稳定在3.00mg·L-1左右.而有研究表明[35], AOB、NOB氧的半饱和常数分别为0.3mg·L-1、1.1mg·L-1.因此, 低温环境下, 除维持一定浓度的剩余NH4+-N外, 还应严格控制DO浓度以抑制NOB的活性.
4 结论(1) 驯化生物膜CANON污泥的温度条件直接由中温转变为低温(30℃±1℃→19℃)时, 不利于反应器在低温环境下取得较好的脱氮效果.而通过逐步降温的驯化方式, 同时配合运行工况的调节, 可实现CANON反应器中脱氮功能菌逐渐适应低温环境的目的.
(2) 温度经25 d逐步降低至19℃左右, 18 d后又继续降至15℃左右, NH4+-N和TN去除率均能分别长期稳定在90%、70%以上, 甚至当温度下降至12℃时, TN去除率与去除负荷仍能分别达到72.52%、0.78kg·(m3·d)-1.
(3) 降温过程中驯化生物膜CANON污泥时, 应优先考虑短程硝化控制.
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