2017, Vol. 38
2. 蒙大拿州立大学数学科学系, 美国蒙大拿州, 博兹曼 59717
2. Department of Mathematical Sciences, Montana State University, Bozeman, MT, USA 59717, USA
厌氧氨氧化(ANAMMOX)是近20年发展起来的新型脱氮技术[1, 2], 自发现之初就以高效、经济、节能的优势, 迅速吸引了众多研究者[3~6].厌氧氨氧化菌富含细胞色素[7], 使污泥显现红色, 称“红菌”, 因而颜色这一表观特征对ANAMMOX具有特殊的指示作用[8]. ANAMMOX启动耗时长, 运行管理复杂, 亟需一个简单、易行的方法进行表征.赵志宏等[9]提出污泥颜色可反映ANAMMOX的启动进程, 张海芹等[10]、刘晓宇等[11]叙述ANAMMOX特性时也都关注污泥颜色的变化.但目前颜色在ANAMMOX系统中的应用仅涉及黑色、灰色或红色的简单主观判断, 并无定量和详细描述.因此, 定量表征污泥颜色对ANAMMOX系统研究具有一定的意义.
科学上发展出了很多种模型便于人们定量描述颜色, 如RGB、HSV、YUV、CIELAB等[12~14].各种颜色空间在科学界已有相当广泛的应用, 并且已经深入到人们生活的各个方面, 如发展出的肤色检测系统[15]、酿造啤酒[16]、堆肥等[12].但是颜色空间在污水处理领域系统性地应用鲜见报道[17].另外, 图像分析已经是科学界常用的技术手段之一[18, 19].故本文采用数码相机拍照的方式获取污泥图像, 拟利用ANAMMOX污泥的特征红色来探究各颜色空间在污泥系统中的应用, 以期找到一种表征ANAMMOX启动各阶段以及冲击过程的简单方法, 进而对ANAMMOX系统的研究提供一定的理论基础.
1 材料与方法 1.1 试验装置本试验所用装置为有机玻璃制成的UASB反应器, 外加循环水保温层.总有效容积21.3 L, 反应区有效容积11.3 L, 直径120 mm, 高径比8.3.由温控仪维持内部温度稳定在35℃±1℃, 并用锡箔纸包裹, 以防止光照的影响.反应器上部沉淀区设有回流, 回流液与模拟废水一起经蠕动泵由底部进入反应器.
1.2 试验废水采用人工配水方案, 主要由NH4Cl(按需添加), NaNO2(按需添加), KHCO3 1.25 g·L-1, KH2PO4 0.01 g·L-1, MgSO4·7H2O 0.3 g·L-1, CaCl2·2H2O 0.005 6 g·L-1, 微量元素浓缩液Ⅰ、Ⅱ1.25 mL·L-1组成.其中, 微量元素浓缩液Ⅰ：EDTA 5 g·L-1、FeSO4·7H2O 5 g·L-1; 微量元素浓缩液Ⅱ：EDTA 15 g·L-1、H3BO3 0.014 g·L-1、MnCl2·4H2O 0.99 g·L-1、CuSO4·5H2O 0.025 g·L-1、ZnSO4·7H2O 0.43 g·L-1、NiCl2·6H2O 0.19 g·L-1、Na2SeO4·10H2O 0.21g·L-1、Na2MoO4·2H2O 0.22 g·L-1.每次配水都以N2吹脱除氧.
1.3 接种污泥本试验接种污泥选择西安市某垃圾渗滤液处理厂污泥, 该池运行条件为：MLSS 32 440 mg·L-1, 进水COD与NH4+-N分别为15 500 mg·L-1和2 500 mg·L-1, 沉淀性能较差.污泥经多次洗泥后接种于反应器内, 初始MLSS 9 985 mg·L-1, 充分曝N2, 厌氧饥饿13 h左右, 开始进水培养.
1.4 启动条件反应器温度稳定在35℃±1℃; HRT为24 h; 进水pH值用2mol·L-1HCl调节至7.0~7.5;启动初期进水NH4+-N、NO2--N浓度为42 mg·L-1左右, 经过活性迟滞期以后, 间歇性大幅度提高基质浓度.
1.5 颜色空间在RGB颜色空间中, R值表示红色, G值表示绿色, B值表示蓝色, 所有的颜色都可以由该三原色叠加而成; HSV颜色空间也称六角锥体模型, 包含3个指标, 其中, H值表示色调, S值表示饱和度, V值表示明度; CIELAB空间是一个相对比较均匀的颜色系统, 其中, L值表示亮度, a*、b*值表示色度. 3种颜色空间可相互转化.
1.6 监测指标及测定方法 1.6.1 水质指标NH4+-N、NO2--N、NO3--N均采用标准方法测定[20], TIN为三者之和; NH4+-N消耗量:NO2--N消耗量:NO3--N生成量, 称为三氮之比, 理论值为1:1.32:0.26.
1.6.2 颜色指标及分析方法① 定期取反应器中的污泥适量, 取样时, 向反应器内曝适量N2, 使反应器内液体处于完全混合状态, 取样后立即进行过滤, 在滤纸上得到固体污泥; ② 然后立即用数码相机(Nikon COOLPIX P90) 对固体污泥进行拍摄, 同一份样品拍摄不少于20张照片[图 1(a)], 拍摄时注意选择合适的拍摄模式, 使照片尽可能地反映出污泥的真实颜色, 并且使污泥区域占照片面积的2/3左右; 本试验所拍照片并未控制外界光照条件, 增加了实际应用的说服力; ③ 拍摄者根据看到的污泥真实颜色, 从照片中选取至少3张与真实污泥颜色相近的照片, 用图像分析软件(Image-Pro Plus 6.0) 对各张照片中的污泥区域进行RGB值分析; ④ 分析时, 用相同大小的取样框将无杂质的污泥区域分割成若干个分析对象[图 1(b)], 统计分析得到R值、G值、B值; ⑤ 通过公式将得到的R、G、B值转化为HSV、CIELAB等颜色空间[12, 21]中的H、S值以及a*、b*值; ⑥ Hue (Hab)、Chroma (Cab*)是CIELAB空间中利用如下公式[22]得到的两个指标：Hab=tan-1(b*/a*); Cab*=
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图 1 颜色指标分析示例 Fig. 1 Example of color index analysis |
选取接种污泥、培养第76 d以及第213 d的污泥进行高通量测序分析, 方法见文献[23, 24].
2 结果与讨论 2.1 反应器运行特性分析反应器运行水质变化情况如图 2所示, 整个过程可分为4个阶段.
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(a)、(b)、(c)分别为进出水NH4+-N、NO2--N、TIN浓度及去除率的变化 图 2 反应器运行水质变化 Fig. 2 Variation of water quality during the operation |
第Ⅰ阶段：活性迟滞期(第0~74 d), 进出水NH4+-N几乎相等[图 2(a)], 系统对NH4+-N的降解能力较弱; 出水NO2--N浓度在接种后由0 mg·L-1逐渐升高至35 mg·L-1[图 2(b)], 系统对NO2--N的降解能力逐渐减弱; 反应器TIN的去除率和容积去除速率也呈现逐渐降低的趋势, 分别由57%降低至5%左右, 0.061 5 kg·(m3·d)-1降低至0.012 1 kg·(m3·d)-1左右[图 2(c)], 整体脱氮能力逐渐减弱.此阶段, 系统对NH4+-N和NO2--N均有去除, ANAMMOX特征虽已显现[25], 但不明显, 三氮之比也呈现较大的波动(图 3).
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图 3 三氮之比的变化 Fig. 3 Variation of the ratio of three nitrogen forms |
第Ⅱ阶段：活性增强期(第75~102 d), 出水NH4+-N和NO2--N浓度逐渐降低, 二者去除率迅速升高至95%和97%[图 2(a)和2(b)], ANAMMOX特征明显; 同时, TIN去除率和容积去除速率分别升高至80%和0.082 0 kg·(m3·d)-1, 系统脱氮能力迅速增强.此时并未直接提高进水基质浓度(在负荷提高期之前, 进水NH4+-N和NO2--N浓度均在42 mg·L-1左右), 而是让系统继续稳定运行一段时间.
第Ⅲ阶段：负荷提高期(第103~160 d), 从第103 d开始, 间歇性大幅度提高进水基质浓度.此阶段, 出水NH4+-N和NO2--N浓度较低, 三氮之比逐渐接近理论值1:1.32:0.26(图 3), 标志着ANAMMOX的成功启动[2], 此时, TIN去除率稳定在80%左右, TIN容积去除速率逐渐上升, 最后达到最大值0.441 kg·(m3·d)-1, 具有较强的ANAMMOX活性.
第Ⅳ阶段：系统启动成功后, 一直维持稳定运行, 第167~182 d之间未进行监测, 第183 d恢复监测, NH4+-N和NO2--N去除率分别稳定在80%和98%左右, TIN去除率和容积去除速率分别稳定在80%和0.380 kg·(m3·d)-1左右.
2.2 颜色空间、水质及分子生物学的关联性分析由2.1节所述水质特征可知, 本研究中ANAMMOX系统启动的整个过程, TIN容积去除速率, 即脱氮能力, 整体上呈现先降低后升高的趋势, 然后保持稳定.
与此同时, 整个培养阶段的分子生物学特征变化较大(图 4).接种污泥的优势菌群为Ottowia属(6.92%)和Thauera属(2.12%)(图 4), 都具有反硝化功能[26], 因此, 在接种初期系统具有一定的脱氮能力, TIN去除率为57%;培养至第76 d时, 优势菌群变为Armatimonadetes_gp5属(10.63%)(图 4), Ottowia属和Thauera属的比例已分别降至1.09%、1.66%, 因此在活性迟滞期NO2--N的去除率呈现下降的趋势, 致使整体脱氮能力逐渐减弱; 在培养至第213 d时, 系统中则主要以厌氧氨氧化菌群为主：Candidatus anammoxoglobus属(43.92%), Candidatus kuenenia属(1.88%), Candidatus brocadia属(0.91%)(图 4), 具有较高的ANAMMOX活性, TIN容积去除速率维持在0.380 kg·(m3·d)-1左右.水质和分子生物学特征在整个培养过程中具有较高的一致性.同时也表明在人工定向培养的条件下, 微生物菌群发生更替, 接种污泥的原有功能越来越弱甚至消失.
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图 4 高通量测序结果 Fig. 4 High-throughput sequencing results |
与水质和分子生物学特征一样, 整个培养过程的颜色空间指标也具有较大差异(图 5).在第Ⅰ阶段, H、S、b*、Cab*的平均值分别由32°减小为18°、52%减小为32%、3.37减小为1.39、3.42减小为1.68;在第Ⅱ阶段, H、S、a*、b*、Cab*均呈现上升的趋势(图 5), 分别由16°升高为27°、42%升高为52%、1.55升高为1.95、2.00升高为3.08、2.53升高为3.64, 与TIN容积去除速率变化一致[图 2(c)]; 在第Ⅲ阶段, S、a*、b*、Cab*的平均值分别由45%升高为54%、1.28升高为1.88、2.39升高为2.86、2.74升高为3.43, H的平均值虽未升高, 但只是略有降低, 总体上颜色指标与TIN容积去除速率都呈现上升的趋势; 在运行的最后阶段, 各颜色指标也都相对稳定(图 5).
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(a)HSV空间中H和S的变化, (b)CIELAB空间中a*和b*的变化, (c) Hab和Cab*的变化 图 5 反应器运行颜色指标变化 Fig. 5 Variation of color indicators |
综上所述, 培养过程中的颜色各指标变化跟TIN容积去除速率和分子生物学特征保持一致, 即颜色指标也能很好地指示出ANAMMOX启动过程的特征.表明颜色空间指标、出水水质及微生物群落之间具有很好的相关性, 故上述颜色空间可与水质结合, 综合研究ANAMMOX污泥系统的特征.
2.3 培养过程的负荷冲击及颜色的指示作用当反应器运行至约第100 d时, TIN去除率达到最大[图 2(c)], 各颜色指标也增加到最大值, 此时TIN容积去除速率虽处于上升的趋势, 但仅在0.157 kg·(m3·d)-1左右, 还未启动成功, 反应器抵抗冲击的能力较弱.因此在第Ⅲ阶段第一次大幅提高负荷后[图 2(c)], TIN去除率由88%降低至78%, TIN容积去除速率也由0.157 kg·(m3·d)-1微降至0.148 kg·(m3·d)-1, 反应器受到了冲击, 与此同时, 各颜色指标也呈现降低的趋势(图 5).另外, 此次冲击, TIN去除率和容积去除速率波动较小, 但各颜色指标的下降趋势明显, 因此, 相比于水质, 颜色指标能更好地反映系统所受的冲击.尤其是Hab, 出现了较大突变[图 5(c)]：污泥在经过初期培养后, 运行条件稳定的情况下, Hab一直稳定在-0.50~0.50之间, 波动较小.但是在第一次大幅提升负荷引起较大冲击时, Hab突升至8.47, 很好地反映出系统受到了冲击.
第Ⅲ阶段第一次提升负荷稳定后, 反应器的ANAMMOX活性稳步增强[图 2(c)], 随后的两次提升负荷并未影响系统的稳定, TIN去除率几乎无波动, TIN容积去除速率仍处于逐渐上升趋势, 颜色指标也呈上升趋势.
当反应器运行至第130 d提升负荷时, TIN去除率几乎无变化, TIN容积去除速率由0.356 kg·(m3·d)-1降至0.332 kg·(m3·d)-1, 与此同时, 各颜色指标也出现了下降的趋势(图 5).这也再次证明相较于水质, 颜色指标能更灵敏地反映出反应器受到的冲击.因此基于颜色空间的冲击指标体系可准确、灵敏地反映出系统运行条件的变化.
3 结论(1) 提出了基于颜色空间的表征ANAMMOX启动各阶段的方法, 该方法与水质和分子生物学技术具有一致性, 能准确表征ANAMMOX启动特性.
(2) 提出了基于颜色空间的冲击过程指标体系, 该体系可准确、灵敏地反映出系统运行条件的变化.尤其是Hab：当反应器正常运行时, Hab一直维持稳定, 但是当提升负荷造成冲击时, Hab出现突升, 很好地反映出冲击过程.
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