2020, Vol. 41
2. 哈尔滨工业大学环境学院, 城市水资源与水环境国家重点实验室, 哈尔滨 150090
2. State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, School of Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China
同步短程硝化、厌氧氨氧化耦合反硝化(simultaneous partial nitrification, ANAMMOX, and denitrification, SNAD)工艺是将亚硝化、厌氧氨氧化和反硝化结合起来的新型脱氮工艺, 具有能耗低、污泥产量低等优点[1], 因此成为近年来生物脱氮的研究重点.但该工艺面临的主要问题之一是亚硝酸盐氧化菌(nitrite oxidizing bacteria, NOB)易增殖, 使亚硝化不稳定.在过去的研究中, 通常使用高温[2, 3]、高游离氨[4, 5]和低溶解氧[6, 7]等策略来抑制NOB, 但上述策略存在或能耗高、或不适用于城市污水、或抑制不彻底等问题, 因此有必要探索其他亚硝化策略.
有研究表明, 硝化系统在闲置饥饿一段时间后, 再次启动时会产生亚硝酸盐积累[8~10], 这就为利用饥饿期促进亚硝化提供了可能性.陈佼等[11]将生物膜硝化系统饥饿20 d后恢复运行, 亚硝酸盐积累率最终能达到80%左右；Ye等[12]对混合活性污泥进行1 d的好氧/厌氧交替饥饿, 再经过13 d运行, 亚硝酸盐积累率达到71%.但前者采用的饥饿时间较长, 而其结果表明, 长期饥饿使氨氧化菌(ammonia oxidizing bacteria, AOB)活性亦无法完全恢复、氨氮去除率随之降低[11]；后者结合了曝气进行好氧饥饿, 而有研究表明, ANAMMOX菌在好氧条件下衰减十分剧烈[13], 因此好氧饥饿较难应用于亚硝化与厌氧氨氧化的耦合工艺.
目前, 不结合曝气的短期饥饿策略则鲜有研究, 其主要原因是单独短期饥饿策略下NOB抑制效果相对减弱, 被抑制的NOB能在运行一段时间后恢复活性, 难以长期抑制, 亚硝化不稳定.基于此, 本研究提出了间歇饥饿的思路, 即设计“X天(短期)饥饿+Y天恢复”的模式循环运行, 对NOB进行反复抑制, 在减少主要功能菌AOB及ANAMMOX菌活性损失的基础上, 将NOB逐步淘汰出系统.
本研究采用序批式反应器(sequencing batch reactor, SBR)运行SNAD工艺, 通过定期延长系统水力停留时间(hydraulic retention time, HRT), 营造间歇饥饿环境, 探讨间歇饥饿对SNAD工艺亚硝化性能、整体脱氮性能及功能菌活性等方面的影响.
1 材料与方法 1.1 实验装置和接种污泥本实验采用SBR反应器, 反应器由有机玻璃制成, 有效容积为6.5 L.采用机械搅拌, 反应器底部安装曝气盘进行微孔曝气, 通过气体流量计控制曝气量.反应器的运行通过时控开关进行控制, 容积交换率为75%.反应器接种1.5 L已启动的SNAD污泥, 污泥浓度为4000~5000 mg·L-1左右, 总氮去除率在70%~75%.
1.2 实验用水和运行工况采用人工配水, 在进水中添加(NH4)2SO4和丙酸钠分别提供100mg·L-1的氨氮和50mg·L-1的COD, 添加NaHCO3提供无机碳源及调整碱度, 保持pH在7.0~7.5. MgSO4·7H2O 40 mg·L-1, K2HPO4 40 mg·L-1, CaCl2·2H2O 30 mg·L-1, 微量元素浓缩液Ⅰ、Ⅱ 1.0 mL·L-1.微量元素浓缩液Ⅰ的组成(g·L-1)：EDTA 5, FeSO4 5；微量元素浓缩液Ⅱ的组成(g·L-1)：EDTA 15, H3BO40.014, MnCl2·4H2O 0.99, CuSO4·5H2O 0.25, ZnSO4·7H2O 0.43, NaSeO4·10H2O 0.21, NaMoO4·2H2O 0.22, CoC12·6H2O 0.24, NiCl2·6H2O 0.19.
本实验分为3个阶段, 各阶段具体运行情况如表 1所示.反应器正常SBR运行时各周期包括进水(5 min)、搅拌(360 min)、沉淀(30 min)和排水(5 min), 搅拌期间包括60 min的曝气和300 min的停曝, 曝气速率为60mL·min-1.
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表 1 各阶段运行情况 Table 1 Operating parameters in each stage |
1.3 分析方法
DO、温度、pH值均采用WTW在线测定仪测定；水样分析中NH4+-N的测定采用纳氏试剂光度法, NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法, NO3--N采用紫外分光光度法, COD采用有机物快速测定仪测定；粒径采用Mastersize2000型激光粒度仪测定；混合液悬浮固体浓度(MLSS)和挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)采用标准重量法测定；其余水质指标的分析方法均采用国标方法[14].
亚硝酸盐积累率(nitrite accumulation percent, NAP), 氨氮去除率(ammonium nitrogen removal rate, ARR), 总氮去除率(nitrogen removal rate, NRR)分别按以下公式计算：
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(1) |
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(2) |
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(3) |
式中, NH4+inf表示进水氨氮浓度(mg·L-1), TNinf和TNeff分别表示进出水的总氮浓度(mg·L-1), NH4+Aer-eff、NO2-Aer-eff和NO3-Aer-eff分别表示好氧阶段结束后的氨氮、亚氮和硝氮浓度(mg·L-1).
1.4 批次实验在饥饿和活性恢复阶段, 从反应器中取出100 mL混合液进行批次实验, 测定AOB、NOB、ANAMMOX菌及反硝化菌的活性, AOB和NOB活性分别用比氨氧化速率(specific ammonia nitrogen oxidation rate, SAOR)和比亚硝酸盐氧化速率(specific nitrite oxidation rate, SNOR)来表征, ANAMMOX菌和反硝化菌活性分别用比厌氧氨氧化速率/活性(specific ANAMMOX activity, SAA)和比反硝化速率/活性(specific denitrification activity, SDA)来表征, 测定方法参照文献[15~17], 配水组分见表 2.硝化菌活性具体测定步骤如下：①将100 mL污泥用配水稀释至400 mL, 置于500 mL烧杯内, pH控制在7.5左右；②启动磁力搅拌器, 转速为500r·min-1, 辅以曝气, DO控制在(4.00±0.05) mg·L-1.先向体系中加入NO2--N, 每隔10 min取一次样, 测定亚氮浓度；③当亚氮不再变化时, 再向系统中加入NH4+-N, 每隔10 min取一次样, 测定氨氮浓度, 直至其不再变化.ANAMMOX菌及反硝化菌活性的测定方法类似, 但不进行曝气、且用保鲜膜密封反应.
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表 2 测定活性时的主要配水组分/mg·L-1 Table 2 Synthetic wastewater of batch tests/mg·L-1 |
对测定的硝化菌活性拟合指数函数, 确定其衰减及活化速率, 拟合方程由式(4)和式(5)给出[17].
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(4) |
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(5) |
式中, R0和Rt分别是硝化菌在饥饿前和饥饿后的底物氧化速率, F0和Ft分别是硝化菌在恢复前和恢复后的底物氧化速率, tsd是饥饿时间, trd是恢复时间, b是活性衰减速率(d-1), r是活性恢复速率(d-1).
2 结果与讨论 2.1 SNAD工艺亚硝化性能SBR系统曝气(好氧)阶段结束时的氮浓度、亚硝酸盐积累率(NAP)及氨氧化率(ARR)如图 1所示.阶段A中, 系统正常SBR运行, 处理性能相对稳定, 好氧阶段末的平均NO2--N和NH4+-N浓度分别达到30.01 mg·L-1和31.23 mg·L-1, 两者比例为0.96, 小于厌氧氨氧化过程的理论比值1.32[18], 表明好氧阶段亚氮积累量不足.分析其原因主要是NOB过度增殖, 亚硝酸盐氧化过程较活跃, 降低了亚硝酸盐积累率(平均仅达到53.21%), 系统亚硝化性能有待提高.
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图 1 好氧阶段末氮素变化 Fig. 1 Variations of nitrogen at the end of the aerobic stage |
阶段B分为B1和B2两个阶段, 分别包括2 d和4 d的饥饿期及其后续重新恢复稳定的运行期.在B1阶段, 饥饿期结束后, 好氧阶段末的NH4+-N浓度略有提高、NO3--N浓度则略有下降, 分析其原因可能是饥饿期间外界提供的营养基质不能满足硝化菌生长, 其新陈代谢逐渐减弱后进入内源呼吸期[19], 期间由于自身氧化而发生衰减[20], 使得硝化菌活性下降, 因此AOB消耗的氨氮底物和NOB产生的硝氮产物随之减少.随着反应器运行, 上述参数在运行第3 d均基本回到饥饿前水平, 表明硝化菌活性得到迅速恢复.在B2阶段, 饥饿期后好氧阶段末的NH4+-N和NO3--N浓度发生了与上一阶段类似、但更显著的变化, 可能是由于饥饿期的延长使硝化菌活性下降更剧烈.随后, 好氧阶段末的NH4+-N与NO3--N浓度分别经过4 d和8 d运行基本恢复饥饿前水平, NOB活性恢复滞后于AOB, 表明NOB的活性恢复速率小于AOB的活性恢复速率.与此同时, 运行前期系统亚硝酸盐积累率明显提高, 且前6 d保持在55%以上, 表明AOB与NOB活性恢复速率的差异能促进亚硝化性能的提高和维持.待NOB活性完全恢复后, 亚硝酸盐积累率重新回到饥饿前水平.综上所述, 与2 d饥饿期相比, SNAD系统经过4 d饥饿后亚硝化性能提高更显著, 且持续时间更长, 但两者均无法淘汰NOB、维持良好的亚硝化性能.因此本研究基于上述结果, 设计了“4 d饥饿+6 d恢复”的间歇饥饿模式, 对NOB进行反复抑制.
C1~C4阶段SNAD系统以间歇饥饿模式运行.其中, 各阶段末氨氮浓度均能基本稳定、恢复饥饿前水平, 表明6 d运行期内AOB活性得到恢复, 间歇饥饿未对其造成较大影响.而各阶段末的硝氮浓度相比恢复前略有增长、但未达到饥饿前水平, 表明6 d运行期内NOB活性难以完全恢复、出现一定损失.在如此反复胁迫下, 硝氮浓度整体呈逐渐下降趋势.至C5阶段, 反应器恢复正常运行, 好氧阶段末的NO3--N浓度平均降至8.72 mg·L-1, 表明NOB活性得到有效控制, 亚硝酸盐积累率随之达到83.18%, 实现了亚硝化性能的显著提高.
2.2 SNAD工艺脱氮性能SBR的出水氮浓度及总氮去除率(NRR)如图 2所示.阶段A出水中硝氮含量较高, 平均达到19.88 mg·L-1, 表明NOB活性较高.同时, 出水中几乎不含亚氮、含少量氨氮, 分析是由于NOB过度增殖降低了亚氮积累量, 使基质比例偏离厌氧氨氧化理论值, 进而造成氨氮不能全部消耗.总氮去除率受上述制约, 仅达到70%~75%.
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图 2 出水氮素变化 Fig. 2 Variations of nitrogen in the effluent |
在B1阶段中, 饥饿期结束后出水氮素没有明显变化, 表明2 d饥饿期未对系统造成显著影响.在B2阶段中, 饥饿期结束后, 经过短暂运行, 出水氨氮逐步实现全部去除, 可能是由于亚硝化性能的提高使亚氮与氨氮基质的比例得到调整, 更能满足后续反应的需求, 实现两者的同步去除.与此同时, 运行前期出水硝氮浓度明显降低, 进一步证明饥饿胁迫下NOB活性遭受抑制.基于上述氮素变化, 系统总氮去除率有较大提高, 峰值达到81.40%.但后期可能由于功能菌活性的逐渐恢复, 出水氮素重新达到稳定、恢复至饥饿前水平.
在C1~C4阶段, 出水硝氮变化与好氧阶段末的相似, 随系统间歇饥饿运行, 硝氮浓度整体逐渐下降.同时可以看出, 从C3阶段开始, 出水中氨氮残留的现象消失.至C5阶段, 系统恢复正常运行, 出水水质较稳定, 总氮平均浓度降至6.75 mg·L-1, 总氮去除率平均达到92.07%, 表明SNAD工艺的处理性能得到显著提升.综上可知, 亚硝化性能的改善能使亚硝化过程与厌氧氨氧化过程实现更好地耦合, 提高氮去除效果.
2.3 短期饥饿对功能菌活性的影响图 3表示硝化菌在B2阶段饥饿期的活性变化.经过4 d饥饿期后, AOB的底物降解速率(以N/VSS计)由1.13 mg·(g·min)-1降至0.74mg·(g·min)-1, 氨氧化活性降低了34.5%, NOB的底物降解速率(以N/MLSS计)由0.89 mg·(g·min)-1降至0.51 mg·(g·min)-1, 亚硝酸盐氧化活性降低了42.7%, AOB和NOB的活性衰减速率分别为(0.108±0.003)d-1和(0.134±0.002)d-1.分析认为, 硝化菌活性下降是由于微生物处在饥饿状态时, 因基质匮乏而进行自体氧化、获取能量、以供细胞维持活动[21], 从而造成细胞衰减、活性降低.且比较上述结果可知, 缺氧饥饿下NOB的衰减速率高于AOB的衰减速率, NOB对饥饿的敏感性比AOB更强, 这与Salem等[22]和Kornaros等[23]的研究结果一致.B2阶段中饥饿期后的亚氮积累率由饥饿前的51.96%增长至61.51%, 表明饥饿期AOB与NOB衰减速率的差异是促进亚硝化性能短暂提高的原因之一.
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图 3 饥饿期AOB和NOB的活性变化 Fig. 3 Variations of the activity of AOB and NOB during the starvation period |
表 3比较了本研究和已有报道中AOB和NOB的活性衰减速率.根据以往研究可知缺氧饥饿下硝化菌的衰减速率为0.08~0.17 d-1, 而本研究得到的bAOB和bNOB值均在上述数据范围内, 且处于区间偏上的位置. Munz等[28]的研究发现衰减速率依赖于具体饥饿条件, 如pH、温度和DO浓度等, 这些都是AOB和NOB动力学模型中的动态参数, 其中, 高温[26]、高溶解氧[24, 29]和低pH[28]均能提高硝化细菌的衰减速率.而比较发现, 本研究与其他研究的差别主要表现在pH上, 本研究采用延长HRT的方式营造饥饿期, 而经周期实验测定, 经过一个SBR周期后pH值会降至7.1左右, 因此后续饥饿期pH值水平较低, 可能加快硝化菌衰减.另外, 本文以SNAD污泥为研究对象, 亚硝化菌群结构可能存在一定差异, 也会对衰减速率产生影响.
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表 3 本研究和已有报道中AOB和NOB的衰减速率 Table 3 Decay rates of AOB and NOB under anoxic starvation in other studies and in this study |
图 4表示硝化菌在B2阶段恢复期的活性变化(其中的拟合曲线是将前4 d的数据拟合得到), 表 4表示在B2阶段恢复期第4 d和第7 d的AOB和NOB的活性恢复速率.从中可知, 恢复期的前4 d, AOB的活性恢复速率(0.110±0.004) d-1明显高于NOB的活性恢复速率(0.052±0.007) d-1, 分析其原因是AOB独特的饥饿应对策略能使细胞随时处于预备状态、停止细胞分化等行为, 一旦饥饿期结束、底物出现, 就能迅速做出反应、并提供细胞生长所需的酶, 进而使细胞得到激活, 但NOB因无法快速适应环境变化, 其活性恢复滞后于AOB[30, 31].在恢复期第4 d, AOB活性已基本恢复, 此时NOB活性仍不高, 从而使得前4 d系统亚硝酸盐积累率达到60%以上.随后NOB活性开始逐渐恢复, 至恢复期第7 d时, NOB活性已基本恢复至饥饿前的水平, 其活性恢复速率也提高至(0.071±0.005) d-1, 更接近于AOB的活性恢复速率(0.073±0.008) d-1.而随着NOB活性的恢复, 系统亚硝酸盐积累率下降, 由第4 d的63.62%降至第7 d的53.25%.综上可知, 恢复期AOB与NOB活性恢复速率的差异促进了亚硝化性能的短暂提高.
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图 4 恢复期AOB和NOB的活性变化 Fig. 4 Variations of the activity of AOB and NOB during the recovery period |
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表 4 恢复期AOB和NOB的活性恢复速率 Table 4 Activity recovery rates of AOB and NOB during the recovery period |
图 5反映了ANAMMOX菌和反硝化菌在B2阶段饥饿期及恢复期的活性变化.经过4 d饥饿期, SAA(以TIN/VSS计)由0.213 kg·(kg·d)-1降至0.203 kg·(kg·d)-1, 厌氧氨氧化活性降低了4.7%.由此可见, 厌氧氨氧化活性在短期饥饿内衰减量极小, ANAMMOX菌对饥饿的敏感性较低.陈健伟[32]的研究发现, 短期内常温下厌氧氨氧化微生物衰减较慢, 其衰减速率远小于硝化菌, 黄佳路等[33]也提到常温饥饿下, 厌氧氨氧化污泥的损伤小, 颗粒保持完整, 菌体无大量死亡, 均与本研究的结果较为符合.饥饿期结束后, 在恢复期第1d厌氧氨氧化活性即已恢复至饥饿前的水平.将其与NOB对比可知, ANAMMOX菌活性受饥饿影响较小, 且能迅速恢复, 而NOB在饥饿期活性下降幅度较大, 且恢复较缓慢.又由于ANAMMOX菌与NOB存在基于底物和生存空间的竞争关系, 因此饥饿期结束后活性保持良好的ANAMMOX菌易对NOB造成竞争性抑制, 这可能是饥饿期后亚硝化性能提高的另一个重要原因.与此同时, 经过4 d饥饿期, SDA(以N/VSS计)由0.101 kg·(kg·d)-1降至0.058 kg·(kg·d)-1, 反硝化菌活性下降了43.6%.反硝化菌活性在饥饿期下降较为显著, 但结合前文的分析可知, 其活性改变未对SNAD工艺性能表现出明显影响, 分析其原因是本实验配水中COD浓度较低、C/N仅为0.5, 反硝化过程的脱氮贡献率较小, 且反硝化菌在恢复基质供应后活性能得到较快恢复.由于有研究表明[17, 34, 35], 短期饥饿下微生物的活性下降主要是由于细菌衰减, 而非细菌死亡, 因此本研究主要探讨了各功能菌的比活性变化.但微生物组成和丰度的变化同样值得详细研究, 因此此后还需结合FISH(fluorescence in situ hybridization)等分子生物学方法作进一步探讨.
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图 5 饥饿期-恢复期内ANAMMOX菌及反硝化菌的活性变化 Fig. 5 Variations of ANAMMOX and denitrifying bacteria during the starvation and recovery periods |
(1) 系统经过间歇饥饿运行后, 好氧阶段末的NO3--N浓度降至8.72mg·L-1, 亚硝酸盐积累率达到83.18%, 表明NOB活性得到了有效抑制, 实现了亚硝化性能的提高.
(2) 系统经过间歇饥饿运行后, 好氧阶段末的亚氮与氨氮基质的比例得到调整, 为后续厌氧氨氧化过程提供了合适底物, 使出水氨氮浓度降至1.0 mg·L-1以下, 同时由于出水硝氮浓度降低, 总氮去除率达到了92.07%左右, 系统处理性能提高.
(3) 通过测定功能菌活性, 发现饥饿后亚硝化性能提高的主要原因是饥饿期AOB活性衰减速率低于NOB、及恢复期前期AOB活性恢复速率显著高于NOB.
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