基于不同污泥量间歇饥饿的CANON工艺启动

李 冬,刘名扬,任纪元,张 杰,2,曾辉平 (.北京工业大学城市建设学部,水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室,北京 0024；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,黑龙江 哈尔滨 50090)

全程自养脱氮(CANON)工艺与传统硝化-反硝化工艺相比,该工艺在理论上可节省大约 60%的氧气消耗,减少 90%的污泥产量,同时无需外加有机碳源[1],是近年来生物脱氮领域研究的热点之一.

CANON工艺启动的关键是使好氧氨氧化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌(ANAMMOX)获得优势,同时抑制亚硝酸盐氧化菌(NOB)的生长[2].有研究[3]指出,硝化系统在饥饿一段时间后,再次启动时会产生亚硝酸盐积累现象,这就为利用饥饿实现 CANON工艺的启动提供了可能性.相关研究[4]在不加基质的情况下对混合活性污泥进行1d的好氧/厌氧交替饥饿后,经过13d运行,启动了亚硝化,亚硝酸盐积累率达到了71%.

Lackner等[5]和 Rosso等[6]基于实验数据提出,在部分亚硝化-厌氧氨氧化(PNA)工艺中,颗粒污泥与絮状污泥均存在,ANAMMOX细菌作为厌氧细菌主要位于颗粒污泥中,而NOB则更多地富集在絮状污泥上.基于颗粒污泥和絮状污泥的微生物菌种不同这一结论,有研究[7-8]指出可以选择性地排出絮状污泥来平衡特定微生物.结果表明,该方法虽然可以将厌氧细菌保留在颗粒中并洗掉 NOB,但不适合维持AOB的活性,导致AOB活性和丰度降低,影响了系统的稳定性.

可以看出,直接排掉絮状污泥的方式在抑制NOB活性的同时也会对 CANON工艺的相关功能菌造成负面影响,基于此,本文提出水力筛分间歇饥饿运行方式,旨在更精细化地利用饥饿策略,有针对性地抑制NOB活性,并且减少主要功能菌AOB及ANAMMOX的活性损失,更快地启动CANON颗粒污泥工艺.

本文采用序批式反应器(SBR)启动 CANON工艺,R1、R2和 R3反应器分别采用水力筛分间歇饥饿、部分污泥间歇饥饿和全部污泥间歇饥饿的运行方式,探究3种间歇饥饿模式对CANON工艺启动过程脱氮性能、胞外聚合物(EPS)及污泥粒径、相关功能菌活性等方面的影响.

1 材料与方法

1.1 接种污泥

反应器接种成熟的厌氧氨氧化污泥和污水处理厂A2/O工艺二沉池回流污泥的混合污泥.厌氧氨氧化污泥来自实验室稳定运行的 SBR反应器,平均总氮去除率在 80%以上.A2/O工艺污泥取自北京某污水处理厂,两种污泥以1:1比例混合,平均分至3个反应器中,初始污泥浓度为2784mg/L.

1.2 实验用水

实验采用人工配水,在进水中添加(NH4)2SO4提供80mg/L的氨氮,投加NaHCO3提供无机碳源及调整碱度,保持 pH 值在 7.0～8.0.MgSO4·7H2O 25mg/L,K2HPO420mg/L,CaCl2·2H2O 20mg/L,微量元素浓缩液Ⅰ和Ⅱ为1mg/L.微量元素浓缩液Ⅰ的组成:EDTA 5g/L,FeSO45g/L;微量元素浓缩液Ⅱ的组成:EDTA 15g/L,H3BO40.014g/L,MnCl2·4H2O 0.99g/L,CuSO4·5H2O 0.25g/L,ZnSO4·7H2O 0.43g/L,NaSeO4·10H2O 0.21g/L,NaMoO4·2H2O 0.22g/L,CoC12·6H2O 0.24g/L,NiCl2·6H2O 0.19g/L.

1.3 实验装置

采用的 SBR反应器由有机玻璃制成,有效容积为2.0L,反应器壁的垂直方向每隔5cm设置一个取样口,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70%.

R1和R2反应器在间歇饥饿阶段排出反应器的污泥储存在厌氧瓶中,放置于常温下进行厌氧饥饿.

1.4 运行方法

实验分为S1和S2两个阶段,S1阶段反应器连续运行,S2阶段采用饥饿2d,恢复3d的模式运行.R1反应器停止搅拌后静沉 1min,将粒径较小的絮状污泥随出水排出反应器进行饥饿;R2反应器均匀排出50%污泥进行饥饿;R3反应器进行整体间歇饥饿,停止运行 2d,饥饿期间不测定反应器氮素情况.R1和R2反应器在饥饿期间仍正常运行,每日测定反应器进出水氮素变化,2d饥饿期之后,将污泥回流各自反应器中.

反应器运行温度为28～31℃,采用间歇曝气方式,曝气速率为30mL/min.各阶段运行情况如表1所示.

表1 各阶段运行情况Table 1 Operation status of each stage

1.5 分析方法

NH4+-N采用纳氏试剂光度法测定;NO2--N采用 N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定;NO3--N采用紫外分光光度法;pH值、DO及温度测定采用便携式WTWpH/Oxi 340i 测定仪测定;胞外聚合物(EPS)中多糖(PS)采用蒽酮硫酸法测定,蛋白质(PN)采用lowry法测定;颗粒污泥的粒径分布采用激光粒度仪(Malvern Mastersizer2000)测定;混合液悬浮固体含量(MLSS)和挥发性悬浮固体含量(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.

在列车运行的过程中，ATP(列车自动保护)系统实时检测列车能量，确保列车的制动能力大于列车的动能和势能总和，以保证列车的运行安全。

比氨氧化速率(SAOR)、比亚硝酸盐氧化速率(SNOR)和比厌氧氨氧化速率(SAA)的测定方法参照文献[9],配水组分见表 2.对氮素浓度随时间的变化进行函数拟合,由基质浓度降解曲线可得出相应功能菌的活性,每个样品设置 3个平行样,取其平均值.

表2 活性测定配水组分(mg/L)Table 2 Synthetic wastewater of batch tests(mg/L)

2 结果与分析

2.1 脱氮性能

S1阶段(0～15d)采用较低的氮负荷,HRT设定为1.43d,3个反应器在短暂的适应之后就达到了较为稳定的处理效果,如图1所示,R1、R2和R3反应器的出水氨氮较低,氨氮去除率分别达到了 74.37%、71.33%和76.09%左右.但出水硝氮含量很高,导致总氮去除率分别只有 6.47%、4.48%和 6.65%,表明此时反应器中NOB菌大量存在,这对于启动CANON工艺造成了很大困难.

图1 反应器出水氮浓度Fig.1 Reactor effluent nitrogen concentration

S2阶段(16～70d),开始进行间歇饥饿操作,同时将HRT调整为0.71d,有研究指出[10],CANON反应器中短程硝化的稳定性能随着HRT缩短而增强.在进行第1次饥饿(16～17d)之后,R1、R2和R3反应器的氨氮去除率分别降低到了 48.55%、42.69%和34.25%左右,分析原因,首先因为 HRT的调整,总氮容积负荷由上一阶段的 0.056kgN/(m3·d)增加到了0.113kgN/(m3·d),导致出水氨氮增加,其次也因为饥饿抑制了一部分功能菌的活性,有研究表明[4],短时饥饿对微生物的氮转化产生了负面影响,且对于硝化作用的影响程度要高于亚硝化作用.可以看到,在3个反应器中,R3反应器氨氮去除率降幅最大,原因在于R3反应器所采取的间歇饥饿方式是在饥饿阶段停止反应器的运行,这样对所有存在于反应器中的微生物均产生了抑制作用.

R1和R2反应器在间歇饥饿期间仍可正常运行,但反应器中污泥浓度降低.如图 2所示,氮去除效果随之下降.就R1和R2的排泥方式而言,R2在饥饿期间所排出的污泥要多于 R1反应器,这也解释了 R2反应器在饥饿期间的出水氮浓度波动程度更大的原因.根据之前的研究[11],在SNAD工艺中使用了间歇饥饿策略抑制NOB,亚硝化性能显著提高,取得了良好的效果.按照这一实验结果,R1反应器在饥饿期排出反应器的污泥量仅为 R2反应器排泥的20%～30%,R2反应器相比于 R1反应器针对更多污泥进行了饥饿,NOB抑制效果也应当优于R1反应器,但实验结果显示,除第 2次间歇饥饿(16～17d)后,R2反应器的总氮去除率提升程度高于R1外,之后的历次间歇饥饿操作后,R1反应器的总氮去除率提升程度均高于R2,分析原因,根据不同微生物黏附特性的差异[5],NOB更倾向于附着在直径较小的絮状污泥上[12],R1反应器所采取的水力筛分排泥可以将大部分絮状污泥排出反应器进行饥饿,也就对于大部分NOB进行了抑制,而R2反应器虽然进行饥饿的污泥数量多于R1反应器,但仍有相当数量的NOB菌留在反应器中未能通过饥饿抑制其活性.其次,因为R1反应器所采用的水力筛分间歇饥饿并未对系统中的粒径较大的颗粒污泥产生不利影响,而R2反应器有相当多的AOB和ANAMMOX被排出反应器经历了间歇饥饿,重新回流至反应器中时,活性恢复需要一定的时间,因此脱氮性能的提升较为缓慢.

图2 反应器脱氮性能Fig.2 Denitrification performance in the reactor

随着反应器的运行,3个反应器的脱氮性能总体均呈现上升趋势,第44d时,R1反应器已符合典型的CANON工艺,之后停止间歇饥饿观察其运行稳定性,在反应进行到第70d时,R1反应器的氨氮去除率和总氮去除率分别为89.31%和73.63%.而R2和R3反应器的氨氮去除率则分别达到了83.72%和79.38%,总氮去除率分别为 71.56%和 67.40%,可以看出,R1反应器采用的水力筛分间歇饥饿策略启动CANON工艺耗时更短,脱氮性能更加稳定;R2反应器采取的部分污泥间歇饥饿方式脱氮性能波动较大,启动时间较长;R3反应器的整体间歇饥饿策略使得反应器脱氮性能呈现稳定上升的趋势,但在饥饿阶段反应器停止运行,对于实际污水处理工艺来说,处理效率有所下降.

2.2 粒径及EPS分析

对于3个反应器启动CANON工艺过程中颗粒粒径的变化进行了研究,如图3所示.

图3 反应器中污泥粒径变化Fig.3 Particle size of sludge in reactor

在反应器运行初期,接种的污泥是成熟的厌氧氨氧化颗粒污泥和取自污水处理厂二沉池的回流污泥,初始粒径为189μm,在第15d时,3个反应器的粒径均有小幅度的下降.反应器接种的二沉池回流污泥以絮状污泥为主,此时平均体积粒径的下降推测与厌氧氨氧化颗粒污泥的粒径减少有关.在之前的研究中,曾发现较大尺寸厌氧氨氧化颗粒污泥是由多个小颗粒污泥与EPS结合形成的,而在运行初期的适应阶段,接种的二沉池回流污泥可能带来部分异养菌,在碳源缺乏的情况下,颗粒污泥中的EPS被利用,导致较大尺寸的颗粒污泥发生了解体,粒径有所下降.

进入S2阶段,随着反应的进行,3个反应器的粒径均呈现总体上升的趋势.溶解氧的空间分布决定了AOB和ANAMMOX在CANON颗粒污泥中的生长位置,因为AOB好氧、ANAMMOX厌氧,所以成熟CANON颗粒污泥边缘为AOB,内部缺氧核心为 ANAMMOX. Vlaeminck等[13]指出,由于微生物的生长,小颗粒会生长成大颗粒,而由于与剪切有关的表面侵蚀,絮状污泥可能起源于颗粒污泥.Larsen等[12]指出,大多数 NOB微菌落的结构更不规则,与AOB微球形的结构相比,它们更容易受到整体液相剪切力的作用.这说明附着在 CANON颗粒污泥上的 NOB菌更容易被外力条件作用,使其更多的存在于絮状污泥中.最终在第70d时,R1、R2和R3反应器的粒径分别达到了 404,359和 306μm.同时通过计算各反应器中污泥粒径平均增长速率可知,R1、R2和R3的平均增长速率分别为3.08,2.44和1.68μm/d,R1和R2在间歇饥饿期间仍正常运行,相比于 R3来说,受到了更多的水力剪切力,因此粒径更大,粒径增长速率也较高.之前的研究也表明[13],到目前为止,虽然不清楚CANON颗粒污泥形成的确切物理或化学诱因,但很可能需要足够的水力剪切力.

实验还对于R1和R2反应器正常运行状态和排出反应器进行饥饿的污泥进行了对比研究.表 3为一个典型饥饿周期(43～47d)的粒径及分布情况.d10表示存在于反应器中的颗粒污泥中有 10%的直径小于或等于该数值,d50和 d90同理.可以明显看出,R2反应器在正常运行阶段和饥饿阶段排出反应器的污泥粒径基本相同,饥饿污泥的d90为820μm,稍大于正常运行阶段 R2反应器 d90的数值 768μm,可能的原因是排出污泥时对于大粒径污泥难以做到完全均匀.而R1反应器所采取的水力筛分排泥则可以明显看出两种污泥状态所对应的粒径及分布有较大的差异,R1反应器正常运行阶段的平均体积粒径为321μm,而饥饿污泥的该数值仅为 164μm,与之相同的是,R1反应器饥饿污泥的d50和d90数值分别为89和 358μm,仅为该反应器正常运行阶段的 68.79%和36.60%,可见R1反应器所采取的水力筛分排泥方式可以选择性地排出粒径较小的絮状污泥,将粒径较大的颗粒污泥留存在反应器中,而粒径更大的污泥更多是较为成熟的 CANON颗粒污泥,留存在反应器中,避免饥饿对其产生不利影响.

表3 典型间歇饥饿周期粒径对比(μm)Table 3 Comparison of typical intermittent starvation period(μm)

EPS是微生物新陈代谢分泌的高分子聚合物,聚集在细胞外部形成凝胶状物质,这种聚合物聚集在细胞外部形成保护层以抵制外界环境的压力[14].如图4所示,本文对CANON工艺启动期间EPS含量的变化进行了研究.

图4 反应器中EPS含量变化Fig.4 Variations of the EPS contents in the reactor

在启动初期,污泥的PN和PS都处于较低水平,分别为56.88和7.65mg/g.S1阶段作为适应期,此时微生物逐渐适应外界环境,EPS增长速度缓慢[15].进入S2阶段后,PN的含量有了较大的提升,R1反应器的增长速度高于R2和R3反应器,有研究指出[16],底物基质对 EPS的产生和组成有重大影响,当基质短缺时,EPS可以被微生物降解,从而被利用,相比于R1反应器,R2反应器参与饥饿的污泥量更多,R3反应器更是如此,处于饥饿阶段的污泥对于产生 EPS的贡献是微弱甚至是负面的,反应器内的 EPS含量是产生与消耗的综合表征[17],因此在这一阶段,R2和R3反应器的EPS含量相比于R1较低.在CANON颗粒污泥中,EPS的存在量不可忽略[13],且有研究指出[18],这些 EPS对于维持颗粒污泥的结构强度非常重要.实验进行到后期,R1反应器的 EPS含量在第45～63d基本保持稳定,而R2和R3反应器则总体呈现上升趋势,有报道称[19],EPS含量与细菌生长期密切相关.在指数生长期,EPS含量随培养时间增加而增加,而在稳定期,EPS含量随培养时间增加而减少.因此,说明在这一时期,R1反应器中的相关功能菌进入了稳定生长的阶段.

2.3 相关功能菌活性分析

根据 CANON工艺反应方程式[20][式(1)],CANON反应生成的NO3--N与消耗的NH4+-N之间的比例应为 0.11:1,称为化学计量比或特征值.如图 5所示,本实验对于各阶段的化学计量比进行了计算.

在S1阶段,3个反应器的化学计量比分别达到了0.88,0.92和0.89,均不是典型的CANON反应.有研究指出[21],若特征值大于 0.11,是 NOB 活性较强的表现.此时反应器中NOB大量繁殖,CANON工艺的启动遇到了阻碍.

S2阶段,开始进行间歇饥饿操作,3个反应器的化学计量比总体均呈现下降趋势.R1反应器的化学计量比下降速度最快,而后逐渐放缓趋于稳定.R2反应器则出现了较为明显的波动情况,从图 5可以看出,在每周期间歇饥饿之后,反应器恢复运行的第1d,R2反应器的化学计量比均有一个明显的下降,随后又有一个提升,例如第29d时,R2反应器的化学计量比为 0.53,甚至超过了间歇饥饿之前的 0.48,此时反应器中NOB的活性仍然较高.R3反应器的下降趋势相比于R2反应器较为平缓,也未明显看到波动和反复的情况.

图5 反应器化学计量比变化Fig.5 Change of the stoichiometry in the reactor

有研究指出[22-23],化学计量比接近理论值且逐渐趋于稳定,可视为 CANON反应器成功启动的标志.R1反应器在实验的第44d时,化学计量比达到并稳定在0.12左右,成功启动,并且在启动成功后,反应器运行情况稳定.R3反应器在第58d时,化学计量比逐渐稳定在0.13左右,相比于R2反应器多进行了两个周期的间歇饥饿.而R2反应器最终在第66d成功启动.

为了验证反应各阶段相关功能菌的活性,实验测定了不同时期各反应器中的 SAA、SAOR和SNOR.在 S1阶段前测定混合污泥的菌群活性和丰度,如图 6所示,此时混合污泥的 SAA、SAOR 和SNOR(以 N/VSS计,下同)分别为 0.237,0.145和0.585g/(g·d).此时 AOB菌的活性较低,NOB菌的活性较高,ANAMMOX菌活性适中.第15d时,3个反应器的 SAA 均有所下降,推测原因,在这一时期,混合污泥尚未形成成熟的 CANON颗粒污泥,厌氧氨氧化颗粒污泥直接暴露于曝气环境中,导致溶解氧渗透至ANAMMOX菌,抑制了其活性[24].

图6 相关功能菌活性Fig.6 Related functional bacteria activity

进入S2阶段,在第30d时,R1、R2和R3反应器的SNOR分别下降到0.326,0.385和0.314g/(g·d),R3反应器的NOB活性最低,但同时其AOB的活性也为3个反应器中最低,可见整体间歇饥饿的策略有效抑制NOB活性的同时,也对于 AOB产生了不利影响.反应进行到第 60d时,R1反应器的 AOB菌和ANAMMOX菌活性均有可观的增长,NOB活性较启动初期有了明显下降;R2反应器AOB菌的活性处于较高水平,但因NOB活性较高,不仅使CANON工艺启动进展减缓,也与ANAMMOX形成竞争,抑制了部分ANAMMOX的活性;R3反应器对于NOB有了良好的抑制效果,但CANON工艺相关功能菌的活性较R1反应器也稍有逊色.有研究者指出[25],CANON颗粒污泥存在明显的分层现象,外层以 AOB为主,而ANAMMOX则主要分布在颗粒内部.形成这样的分层结构有利于避免 ANAMMOX菌受到溶解氧的冲击,张姚等[26]也指出,在这样的结构中,AOB会消耗大部分 DO,从而使颗粒内部的 ANAMMOX菌处于缺氧状态,保证了相关功能菌的活性.这说明,形成成熟的CANON颗粒污泥是保证ANAMMOX菌和AOB菌活性的前提,而R1反应器AOB和ANAMMOX的活性较高,也就说明了水力筛分间歇饥饿模式有利于成熟CANON颗粒污泥的形成.

3 结论

3.1 采用水力筛分间歇饥饿策略启动 CANON工艺耗时最短,在第44d成功启动,脱氮性能更加稳定;采用部分污泥间歇饥饿方式脱氮性能波动较大,启动时间较长,最终在第 66d启动成功;采用整体间歇饥饿策略使得反应器脱氮性能呈现稳定上升的趋势,但在饥饿阶段反应器停止运行,对于实际污水处理工艺来说,处理效率有所下降.第70d时,采用3种策略反应器的总氮去除率分别达到73.63%、71.56%和67.40%左右.

3.2 R1反应器可以选择性地排出粒径较小的絮状污泥,针对这部分污泥进行饥饿,而将粒径较大的成熟 CANON颗粒污泥则留存在反应器中,避免间歇饥饿对于污泥 EPS及粒径的负面影响.第 70d时,3个反应器的粒径分别达到了404,359和306μm,采用水力筛分间歇饥饿模式启动的CANON工艺粒径更大,粒径增长速率也处于较高水平.

3.3 水力筛分间歇饥饿策略易于形成 AOB在外层、ANAMMOX位于内部的颗粒污泥结构,有利于保持相关功能菌的活性;采用部分污泥间歇饥饿的方式在一定程度上避免了AOB和ANAMMOX活性的衰减,但同时NOB的抑制效果也较差;采用整体间歇饥饿策略对于NOB的抑制效果最好,但同时也不利于CANON工艺相关功能菌的活性保持.