2019, Vol. 40
2. 北京市污水脱氮除磷理论与过程控制技术研究中心, 北京 100124
2. Engineering Research Center of Beijing, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
市政污水处理厂在处理污水过程中会产生恶臭, 对污水厂工作人员、周边居民造成危害和困扰, 已成为现在市政污水处理厂面临的又一大难题[1].已有的研究显示, 市政污水处理厂的恶臭源头主要在前处理阶段(粗格栅、细格栅等)以及污泥处理阶段(浓缩池、脱水间等), 主要恶臭物质包括硫化氢(H2S)、氨气(NH3)、可挥发性含硫有机物(VOSC)以及其他可挥发性有机物(VOC)等.Gostelow等[2]曾报道, 某污水处理厂的恶臭稀释倍数(OU)与H2S浓度呈明显的幂律关系, 相关性系数R2为0.69.这说明, H2S是污水处理厂恶臭气体中的重要组成成分.
生物滴滤塔是一种针对H2S恶臭问题的生物处理技术, 具有反应条件(pH值、滴滤速度等)易于控制、去除效率稳定、环境友好和适合去除低浓度气体污染物的特点[3].近年来, 生物滴滤塔成为国内外的一个研究热点[4, 5], 已有的研究普遍针对生物滴滤塔不同的填料[6~9]、反应参数优化[10]、反应机制[11, 12]和微生物菌种[13~15]等方向.填料是生物滴滤塔的核心部件, 一种理想的填料应该具有为微生物提供稳定附着场所、足够的持水性、较大的空隙率、较大的比表面以及机械强度[16].Vikrant等[17]总结了9种常见的H2S降解微生物, 最适pH为3~8之间, 因此循环液pH成为了生物滴滤塔的一个重要参数.而Ramírez等[7]通过接种纯菌T. thioparus并以聚氨酯泡沫(PUF)为填料启动生物滴滤塔处理H2S气体, 在进气负荷为11.5 g·(m3·h)-1、空床停留时间为90 s、pH控制为6.0~8.2的条件下实现了99%的去除率.同时, 国外已经有较多产业化应用的研究, Gabriel等[18]早在2002年即将水厂内的化学洗涤除臭塔改造为生物滴滤塔并取得了针对H2S稳定高效的去除率.然而, 制约生物滴滤塔发展的另一大矛盾是由过量微生物引起的压降过高问题, 当压降过高时会影响去除负荷, 并对进气风机造成过高的压力[19~22].针对过量微生物生长的问题, 国内外研究者做了大量的研究.Cox等[23]发明了一种在滴滤塔内培养部分原生动物控制生物量的方法, 实现了稳定的生物量. Farmer等[24]在实际运行生物滴滤塔时, 通过外部搅动填料, 也同样实现了防止过量微生物的目的. Won等[25]发明了一种环境友好的方式, 即利用苍蝇幼虫去除过量微生物.但这些方法存在着不利于操作、并且可能造成新的污染源等问题, 在大规模地工业化应用中不具有优势.本试验以聚丙烯环作为填料, 以AAO剩余污泥为种泥驯化, 探究其在非稳态试验条件下去除实际市政污水厂细格栅集水池H2S的性能以及长期运行时压降的变化规律.生物滴滤塔运行247 d, 探究了其启动、稳定阶段的运行模式, 监测了压降和生物量变化, 并运用高通量技术探究了其接种前后的微生物群落变化, 以期为生物滴滤塔的工程应用提供有效的借鉴和经验.
1 材料与方法 1.1 试验装置生物滴滤塔去除实际市政污水厂H2S的试验装置如图 1所示.生物滴滤塔由直径为D=0.2 m的有机玻璃柱制成, 有效高度为H=0.8 m, 则有效体积为25.12 L.在垂直高度0.26 m和0.52 m上平均设置2个取气口, 将有效高度等分为3个部分：底段、中段和高段.气体来源为北京市某市政污水厂一期细格栅加盖集水池, H2S气体由一台轴流离心气泵打入反应器底部, 气体流量由气泵后转子流量计控制在6.5 m3·h-1(对应的空床停留时间为14 s), 气体由下而上流出.生物滴滤塔设置循环液水箱, 循环液由蠕动泵(BT100N-YZ1515x, 中国申辰, 保定)打入反应器顶部滴漏装置, 由上至下滴滤, 沥出液由底部液封装置排入循环液水箱.由此, 形成气液逆流方式运行生物滴滤塔.在反应器启动初期循环液为种泥, 驯化成功后循环液为营养液, 营养液成分为：KH2PO4, 4 g·L-1; NH4Cl, 0.4 g·L-1; MgCl2·6H2O, 0.2 g·L-1; CaCl2, 0.2 g·L-1; FeSO4·7H2O, 0.01 g·L-1; 微量元素液SL-6[6].循环液中积累的H2S降解产物会影响降解速率[26], 本试验中采取每4 d更换循环液的方式排除不利影响, 循环液流速设置为400 mL·h-1.循环液由pH/DO计(WTW 3420, WTW公司, 德国)测定其溶液的pH和DO值.
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1.离心气泵; 2.流量计; 3.进气口; 4.填料; 5.滴漏装置; 6.出气口; 7.底段取填料口; 8.中段取填料口; 9底段取填料口; 10.循环液水箱; 11.蠕动泵; 12.pH/DO计 图 1 生物滴滤塔装置示意 Fig. 1 Schematic representation of the biotrickling filter |
聚丙烯环(polypropylene ring)作为一种塑料填料, 具有良好的挂膜特性, 可以维持较合适的生物量, 在污水处理行业已被广泛利用[27].本试验以聚丙烯环作为填料, 其物理性能参数见表 1.
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表 1 聚丙烯环填料的物理特性 Table 1 Physical characteristics of the packing meterial |
在试验开始前, 25.12 L空白填料放入50 L反应器内, 加入AAO-BAF中试[28]二沉池剩余污泥进行挂膜, 反应器进水为污水厂进水, 并按照厌氧/缺氧/好氧(1:4:8)的SBR模式运行.14 d后, 填料上明显可以看到生物膜, 将填料移入生物滴滤塔内.
本试验从2016年4月19日开始, 至2016年12月22日结束, 共计运行247 d.在此运行时间内, 按照不同运行模式、进气浓度和运行温度等因素分为5个阶段, 具体运行模式见表 2.
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表 2 生物滴滤塔的运行模式 Table 2 Operation of the BTF in different phases |
1.3 分析及计算方法
硫化氢浓度依照GB/T 11742-1989 《居住区大气中硫化氢卫生检验标准方法亚甲蓝分光光度法》测定.
测定压降时, 调整进气流量为1.0、3.2、6.5、8.0、10.0和12.0 m3·h-1, 使用压降仪(AS510, 希玛, 中国)测定进气、出气口之间压力差值, 压降仪读数为压降.在试验第1、20、40、80、120、180和240 d测定压降, 每次测定压降3次, 取平均数为最终值.同时, 在相同的天数, 由反应器底段、中段、高段分别取出10个填料, 由标准方法[29]测定其VSS生物量.
在挂膜成功第1 d, 以及稳定运行阶段的第100 d分别取反应器内5个聚丙烯填料, 用刀片刮取生物膜后, 采用冷冻干燥机(FreeZone 1L, Labconco公司, 美国)冻干48 h.采用FastDNA(FastDNA SPIN Kit for Soil, QBiogene公司, 美国)提取DNA, 并在超微量分光光度计(NanoDrop1000, Thermo Scientific公司, 美国)检测OD260/280为1.82, 冷冻样品至-20℃冰箱.设计PCR扩增引物及tag序列如下：515F (5′-GTGCCAGCMGCCGCGG-3′); 907R (5′-CCGTCAATTCMTTTRAGTTT-3′).PCR采用ABI GeneAmp 9700 PCR系统完成, 并使用2%琼脂糖凝胶电泳检测其扩增结果.之后, 扩增产物利用Illumina MiSeq PE250平台测定其微生物群落组成[27].MiSeq测定得到的PE reads根据overlap关系将成对的reads拼接成一条序列, 根据Barcode与引物序列区分各样品, 并分别出不同的OTU.选择97%相似度的OTU, 利用mothur计算不同随机抽样下的Alpha多样性指数.同时, 为了得到每个OTU对应的物种分类信息, 采用RDP classifier贝叶斯算法对97%相似水平的OTU代表序列进行分类学分析, 与Silva数据库比对, 并在属(genus)水平上统计各样本的群落组成.
在生物滴滤塔实际运行中, 采用负荷[load rate, LR, g·(m3·h)-1]、去除率(removal efficiency, RE, %)和去除负荷[elimination capacity, EC, g·(m3·h)-1]来反映处理能力, 以单位高度压降(pressure drop, Δp, Pa·m-1)来表征压降变化.其计算方法如下：
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(1) |
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式中, Q为进气流量, mg·m-3; V为反应器有效体积, m3; cin和cout分别为进气和出气H2S浓度, mg·m-3; Δp为进出口间压降, Pa; H为反应器有效高度, m.
2 结果及讨论 2.1 启动及高负荷冲击如图 2所示, 1~9 d为生物滴滤塔的启动阶段.在进气浓度为4.02~50.98 mg·m-3[对应进气负荷1.03~13.11 g·(m3·h)-1]条件下, 反应器内生物膜逐渐适应环境, 从第1 d去除率为74.3%上升至第5 d时85%以上, 并在第9 d达到99%去除率, 实现成功挂膜.
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图 2 生物滴滤塔的启动阶段及负荷冲击表现 Fig. 2 Start-up process of the BTF and its performance during load shock |
在9 d的启动时间内, 生物滴滤塔运行进气负荷为非稳定状态, 在较大范围内(变化幅度最大12.7倍)浮动, 尤其生物滴滤塔所在的外部环境昼夜存在较大温度差, 这些工业化应用条件为生物滴滤塔的启动制造了难度.结果说明, 9 d内以AAO剩余污泥为种泥, 也可以实现去除H2S功能菌的驯化和富集.
阶段Ⅱ为第10~55 d, 生物滴滤塔进入稳定运行阶段, 在进气浓度为12.19~96.23 mg·m-3[对应进气负荷3.13~24.75 g·(m3·h)-1]条件下, 生物滴滤塔的平均去除率为95.5%.Kim等发现[10], 在将H2S进气负荷从0.1~6.0 g·(m3·h)-1不断提高的过程中, 反应器均能在5 d内实现去除率高于90%, 这证明了在一定范围内, 硫氧化细菌(sulfur oxidation bacteria, SOB)具有较快的适应能力.
在阶段Ⅲ内, 第56 d进气浓度为153.73 mg·m-3[进气负荷39.53 g·(m3·h)-1], 这一数值相较于前1 d(78.56 mg·m-3)提高2倍, 生物滴滤塔去除率降低至58.3%.在第71 d, H2S浓度升高至363.71 mg·m-3[进气负荷93.53 g·(m3·h)-1], 去除率降低至35.1%.这一现象在Kim等[10]的研究中同样出现, 当负荷突然由0.1 g·(m3·h)-1升至10 g·(m3·h)-1时, 反应器去除率由100%降低至64%, 最终升高至76%, 在降低负荷至0.1 g·(m3·h)-1后恢复到90%以上.同样的现象在文献[30, 31]中均有报道, 这说明了硫氧化细菌在面临突然提高的负荷冲击时, 难以快速适应并恢复, 小试研究中只能以降低负荷实现提高去除率的目标.然而, 这在工业化实际应用中, 负荷突然提高至较高值并保持较长时间为生物滴滤塔的运行提出了较大的难题.
本研究在第72 d采取应对高负荷冲击策略, 首先提高空床停留时间至28 s, 开始重新向循环液水箱内打入AAO剩余污泥, 并用NaOH调整循环液pH至8.5±0.5.从第72至76 d, 生物滴滤塔去除率从57.6%提高至96.0%, 恢复活性.
2.2 稳定运行如图 3所示, 生物滴滤塔在第91~196 d为稳定运行阶段, 在进气浓度为2.02~208.56 mg·m-3[进气负荷0.52~53.63 g·(m3·h)-1]范围内, 实现了平均去除率95.4%.这一阶段相较于阶段Ⅱ的稳定运行, 在进气浓度由96.23提高至208.56 mg·m-3的情况下, 仍然实现了较高的去除率.可见, 在长期去除H2S的生物滴滤塔内, 富集的微生物去除能力得到了提高.Tu等发现[32], 在反应器内的微生物群落, 在长期低pH及高H2S负荷条件下会导致反应器内微生物群落复杂程度降低, 但同时拥有更高的去除负荷.
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图 3 稳定运行时生物滴滤塔的性能及抵抗冲击负荷策略的表现 Fig. 3 Performance of the BTF under steady state and load shock resistance strategies |
在第197 d, 进气浓度再次升高至229.22 mg·m-3, 此时开始按照2.1节的调整生物滴滤塔运行模式, 即向循环液水箱内打入AAO剩余污泥, 并用NaOH调整循环液pH至8.5±0.5.在阶段Ⅴ内, 进气浓度8.64~319.19 mg·m-3[进气负荷2.22~82.08 g·(m3·h)-1], 生物滴滤塔去除率平均为92.8%.这证明了此方法适用于负荷变化幅度较大的实际工程应用中, 可以有效减弱高浓度、高负荷H2S的毒性和抑制作用.
在生物滴滤塔的运行中, 循环液的pH做实时监测(数据未列出), 结果显示, 循环液pH在更新时为7.2, 而在4 d运行周期中变化范围为3.6~5.1.
综上, 在4月19日至12月22日共计247 d的运行中, 生物滴滤塔在进气H2S浓度2.02~319.19 mg·m-3, 外部环境7.8~32.5℃, 循环液pH为3.6~5.1的条件下, 实现了平均出气浓度13.08 mg·m-3, 平均去除率91.8%, 最大去除负荷为78.37 g·(m3·h)-1.
2.3 压降及微生物量变化在工业化的应用中, 生物滴滤塔的压降过高会影响去除率, 并造成进气泵的压力过大、功率过大、使用寿命变短等问题, 因而压降成为评价生物滴滤塔稳定性的因素之一[33].
普遍认为, 生物滴滤塔的单位高度压降Δp与气体表观流速V的关系符合Forcheimer方程：
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(5) |
式中, a和b为常数; V是气体表观流速[V= 
由图 4可知, 本研究中生物滴滤塔的Δp与气体表观流速的关系符合Forcheimer方程.在第1 d, 当表观气体流速由31.8 m·h-1升高至382.2 m·h-1时, Δp由13.8 Pa·m-1升高至177.5 Pa·m-1. Yang等[34]的报道指出, 利用堆肥做填料的生物滤塔在启动时, Δp为500~1000 Pa·m-1(V为72~1000 m·h-1). Dumont等[35]利用松树皮作填料的生物滤塔启动时, Δp为15~370 Pa·m-1(V为72~504 m·h-1). Ben Jaber等[36]利用膨胀片岩和UP20作混合填料的生物滴滤塔启动时, Δp为3~94 Pa·m-1(V为56~565 m·h-1).可以看到, 本研究以聚丙烯环为填料的生物滴滤塔, 在启动时的压降明显低于以有机质作为填料的生物滤塔, 而与其他无机质做填料的生物滴滤塔相当.
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图 4 生物滴滤塔Δp与表观气体流速V的关系曲线 Fig. 4 The Δp-V observed across the BTF |
Andreasen等发现[21], Δp与生物滴滤塔内DBM(dust and biomass, 粉尘和微生物量)呈正相关关系, DBM的增长会导致Δp增长, 且Δp与DBM占据填料的空隙比例成正比.这一发现解释了生物滴滤塔长期运行时压降不断提高的本质原因.在本试验中, 监测循环液发现其DO均在1 mg·L-1以上, 因此H2S的氧化产物以硫酸根为主, 单质硫可以忽略不计[37], 即Δp与微生物量占据填料的孔隙比例成正比.在本试验中, 由于反应器内不断供应营养液, 微生物量生长不受营养物不足的制约; 再加上进气负荷较大, 为生物滴滤塔内的微生物提供了充足的底物, 微生物生长较快.由图 5可知, 反应器内生物量由第1 d时29.3 mg·L-1增长至第120 d时103.2 mg·L-1.由于生物滴滤塔底段靠近进气口, 获得的底物最充足[38], 因而底段生物量67.1 mg·L-1远高于中段、高段生物量.其结果是, 底段填料空隙被微生物过多占据而逐渐变小, 导致了此处的压力和气体表观流速逐渐变大.由于聚丙烯环附着生物膜的外部结构较为松散, 在第120 d时, 过高的压力及过快的气体使得附着在聚丙烯环上的微生物膜松散部分脱落, 导致了生物滴滤塔内底段微生物量逐渐减少, 在第180 d时减少至60.7 mg·L-1.进一步地, 压降由114.2 Pa·m-1降低至96.7 Pa·m-1.其后, 此状态维持了稳定, 当生物滴滤塔底段微生物过多生长, 压力即增大; 当压力过大时即会导致生物膜松散部分脱落, 压降恢复正常.至240 d时, 压降依然维持在96.3 Pa·m-1.
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图 5 生物滴滤塔压降及微生物量的变化 Fig. 5 Variations in pressure drops and biomass density in the BTF |
由上可知, 聚丙烯环作为填料, 得益于其较大的空隙率和附着生物膜的稳定性, 可以在生物滴滤塔内保持稳定的压降, 这为生物滴滤塔的长期稳定运行提供了帮助.
2.4 微生物群落结构变化实验室中生物滴滤塔的研究一般以富集的菌群作为种泥, 这样的模式在大规模的工业化应用中较难实现.本试验以二沉池剩余污泥为种泥, 实现了H2S功能菌的驯化和富集.为观察AAO剩余污泥到生物滴滤塔的种群结构变化, 利用高通量测序对微生物群落进行检测.由表 3可知, AAO剩余污泥和生物滴滤塔两个样品分别测出13078和22012序列, 且覆盖度指数分别为0.998和1.000, 证明测样序列足够, 可以表征微生物群落的真实情况[39].
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表 3 群落丰富性及多样性 Table 3 Richness and diversity of the microbial community |
AAO剩余污泥测得OTU为460组, Shannon指数为4.99, 而生物滴滤塔OTU则只有187组, Shannon指数为3.75.这说明AAO二沉池剩余污泥在适应生物滴滤塔后, 群落多样性出现了明显的降低.Tu等[40]的研究认为, 长期的低pH和高负荷H2S环境会对生物群落进行筛选, 其多样性会减小.
由图 6可知, 微生物群落由AAO剩余污泥至生物滴滤塔驯化100 d后发生了巨大的变化.其中, 在AAO剩余污泥微生物群落中丰度最高的Comamonadaceae一般被认为是反硝化菌[41], 它由8.5%下降到1.6%.Dechloromonas由6.82%下降到 < 0.5%; Nitrospira由6.57%下降到 < 0.5%.这3种菌属是AAO剩余污泥中的主要菌属, 当在生物滴滤塔驯化100 d后均成为了次要菌属.
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图 6 群落结构的分类组成(属) Fig. 6 Taxonomic composition of the microbial community structure at the genus level |
在生物滴滤塔微生物群落中, 丰度最高的3种菌属是Lactococcus、Geobacillus和Bacteroides, 这3种菌属的共同点是他们均拥有抵抗外部极端条件的生存方式[42].在已有的报道中, 多数认为H2S的降解主要由专性自养型微生物完成, 例如Thiobacillus, 其碳源由空气中CO2溶解至循环液中的HCO3-提供.然而在本试验中, 即使营养液中未提供有机碳源, 生物滴滤塔内微生物的种类依然非常丰富, 存在着大量异养菌.这说明, 细格栅恶臭气体中除H2S外同时存在着其他VOC.另外, 生物滴滤塔内长泥龄的生物膜为一些厌氧及发酵类的微生物提供了生存空间, 这也解释了生物滴滤塔内部分厌氧型微生物的存在.生物滴滤塔的微生物种群中发现了Pseudomonas[15, 43](4.2%)、Thiobacillus[13, 44, 45](1.2%)和Xanthomonadoles[14](0.5%)菌属, 他们均被证明可以参与H2S降解.这些菌种的出现和富集, 解释了生物滴滤塔去除负荷的提高.
以上均说明, AAO剩余污泥可以驯化出去除H2S的生物群落.虽然微生物的多样性在驯化后减小, 但微生物群落体现出对H2S更高的去除负荷.这证明, 由AAO剩余污泥作为种泥启动生物滴滤塔是可行的, 这为大规模的工业化应用提出了新的思路.
3 结论(1) 在工业化应用非稳态、无纯菌培养的条件下, 以AAO剩余污泥为种泥的生物滴滤塔可以驯化成为具有H2S降解能力的生物种群, 驯化周期9 d.微生物群落复杂性降低, 但去除性能在长期驯化中可以得到提高.
(2) 当出现较高浓度的H2S负荷冲击, 导致生物滴滤塔微生物遭受不可逆损害时, 采用重新打入AAO剩余污泥、调整循环液pH至8.5的方法可以实现快速恢复, 实现工业化应用中的稳定过渡.
(3) 以聚丙烯环为填料的生物滴滤塔, 在长期的运行中可以维持压降稳定在96 Pa·m-1, 有效避免工业化应用中因生物滴滤塔压降过大造成的去除负荷下降、进气风机压力过大等问题.
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