不同污泥接种方式一段式自养脱氮工艺的启动特征

齐桂满,王小龙,高大文(哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150090)

不同污泥接种方式一段式自养脱氮工艺的启动特征

齐桂满,王小龙,高大文*(哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150090)

采用人工模拟无机高氨氮废水(100～130mg/L),以亚硝化絮状污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥为接种污泥,采用两套相同的膨胀颗粒污泥床反应器系统,分别以同步接种和分步接种方式启动一段式自养脱氮工艺.结果表明,与同步接种反应器相比,分步接种反应器在初期适应性及反应器快速启动时间及脱氮能力方面更具优势.同步接种反应器的活性抑制期运行时间是分步接种反应器的 2倍多,TN去除率更低;在活性提高期,分步接种反应器启动时间为40d,比同步接种反应器少8d;与同步接种反应器相比,分步接种反应器可更早进入稳定运行期且脱氮效果更好,NH4+-N和TN的去除率最高达到84.1%和68%,高于同步接种反应器的79.1%和65.1%.同时,分步接种反应器TN最大去除负荷为0.49KgN/(m3·d),比同步接种反应器的0.45KgN/(m3·d)略高.FISH结果进一步表明,一段式自养脱氮工艺启动成功后,AOB和AnAOB都是系统中的优势菌种,而主要干扰菌群NOB被成功抑制.

自养脱氮；污泥接种方式；启动；膨胀颗粒污泥床

全程自养脱氮(CANON)工艺是新型脱氮工艺,在处理低碳高氨氮废水时,相比传统生物脱氮工艺,具有能源消耗低、不需外加碳源、污泥产量少等优点[1].CANON工艺脱氮效能的发挥是基于同一个反应器中短程硝化和厌氧氨氧化(Anammox)的共同作用,与 SHARON-Anammox工艺(由两个反应器组成)相比,具有占地面积小及传质效率高的优势[2-4].

CANON工艺的实现是好氧氨氧化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌(AnAOB)共同作用的结果,与AOB相比,AnAOB是厌氧菌生长缓慢,倍增时间较长(11d),难以维持较高生物浓度,鉴于这一生理特性,能否获得较高活性的AnAOB成为CANON工艺启动的关键因素[5].目前CANON工艺的启动方式主要有两种方式,一种是仅接种普通污泥,从富集培养好氧氨氧化菌或厌氧氨氧化菌着手,通过调整培养条件进行反应器的启动.另一种是将培养成熟的污泥接种到反应器,保持适宜的培养条件进行工艺的启动.付昆明等[6]以海绵为填料接种普通活性污泥来启动反应器,前期不断曝气逐渐实现亚硝酸盐氮的积累,60d后获得稳定的亚硝酸盐氮积累,然后降低曝气量及改变进水基质(仅含NH4+-N),逐渐培养出厌氧氨氧化菌,最终经过 210d连续运行实现了稳定的CANON反应,总氮(TN)去除率在70%左右,总氮去除负荷达到 1.22kgN/(m3·d). Liang等[7]采用BAF反应器,采取先后富集培养厌氧氨氧化菌和氨氧化菌的方式,最终经过 114d成功启动CANON工艺,平均氮去除负荷为3.4kgN/(m3·d). Liu等[8]在NaCl条件下启动反应器,第一阶段以NH4+-N和NO3--N为基质进行厌氧氨氧化反应,第二阶段接种亚硝化污泥,调整进水基质(仅含NH4+-N),经过60d实现稳定的CANON反应,在NaCl浓度为15g/L下,反应器TN最高去除负荷为0.637mgN/(L·d),TN最高去除率为78%. Zhang等[9]通过接种脱水剩余活性污泥启动 SBBR反应器,分别在第7d和第29d检测到短程硝化和厌氧氨氧化反应,运行132d后实现一段式自养脱氮工艺,总氮去除负荷达到 0.54kgN/(m3·d). Vázquez-Padín等[10]利用活性污泥采用脉冲气式SBR反应器,在常温(18～24℃)下,以硝化反应为起点,通过调节溶解氧浓度逐步实现亚硝化,再接种厌氧氨氧化污泥,179d后实现 CANON反应,氮的去除负荷达到 0.45kgN/(m3·d).可见,不同研究者在不同反应器中得到的结论差异较大,且大部分启动实验用时过长,不利于实际工程应用,故CANON工艺的最佳启动方式仍需进一步研究.本研究采用前期培养成熟的亚硝化污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥,通过同步接种和分步接种的污泥接种方式,考察2个反应器的启动时间、生物脱氮性能及微生物种群结构变化,探寻更快的CANON工艺启动方式,以期为缩短一段式自养脱氮工艺的启动时间等提供依据.

1 材料与方法

1.1 实验装置

实验采用的膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器,主体结构采用透明有机玻璃制成.反应器总容积为1.38L,有效容积为1L,反应器壁设3个取样口、进出水口及上清液回流系统.配水由蠕动泵从反应器底部引入,经顶部三相分离并出水.顶端设置回流,以底部上升流的形式循环.底部设置微孔曝气头,空气泵供气,玻璃转子流量计控制曝气量.整个反应装置用黑色遮光材料包裹,避光运行.反应器由加热套及温控仪(XMTD-2002)控制温度,反应器运行过程中控制温度为(32±1)℃.

图1 实验装置示意Fig.1 Theschematicof EGSB system

1.2 接种污泥与试验用水

采用2种污泥,均取自实验室前期富集培养成熟的污泥.污泥 1:亚硝化(絮状)污泥,成熟的亚硝化污泥的生物活性很高,NH4+-N去除率达到95%以上,NO2--N积累率稳定在 98%以上,氨氮去除负荷达到2.5kgN/(m3·d).污泥2:厌氧氨氧化(颗粒)污泥,成熟厌氧氨氧化污泥具有较高的脱氮能力,NH4+-N和NO2--N的去除率均达到90%,总氮去除负荷达到3.1kgN/(m3·d).

实验中采用人工模拟配水,主要成分如下ρ(NH4Cl)为100～130mg/L,ρ(KHCO3)为500mg/L, ρ(KH2PO4)为50mg/L,ρ(MgSO4·7H2O)为200mg/L, ρ(CaCl2·2H2O)为151mg/L,ρ(FeSO4)为6.25mg/L.维生素0.25ml/L,微量元素0.31ml/L[11].

1.3 运行方式及控制条件

研究中采用2个相同的EGSB反应器,1#反应器同时接种两种污泥,即将一定量污泥1和污泥2同时加入以启动反应器,称为同步接种.2#反应器先后接种两种污泥,即先将一定量污泥1加入反应器,培养19d后再加入污泥2进行培养,称为分步接种.根据2种污泥的脱氮能力和反应器有效体积,计算得亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥的投加量分别为 150mL和 100mL.1#反应器,在启动之初(1～3d),为了降低新环境对AnAOB的影响,缺氧运行.随后进行曝气并逐步降低反应器中溶解氧(DO)浓度,同时控制适宜 pH值、温度等条件,为微生物提供适宜生存环境.2#反应器, AOB的培养阶段,在保证较高 NH4+-N去除和NO2--N积累的基础上逐步降低体系中DO浓度,厌氧氨氧化污泥接种后,对DO和pH值进行相应调整.为了适应不同微生物的需求,对2个反应器在不同运行阶段的控制条件加以调整(表1).

表1 1#和2#反应器运行阶段和控制条件Table 1 The operation phases and control parameters in 1# and 2# reactor

1.4 分析项目及测试方法

ρ(NH4+-N)采用纳氏试剂分光光度法测定,ρ(NO2--N)采用 N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法测定,ρ(NO3--N)采用麝香草酚分光光度法测定,pH值和DO利用德国WTW (pH/Oxi340i)手提式多参数测试仪进行测定[12].

荧光原位杂交(FISH)技术:研究分别采用编号为AMX820(AAAACCCCTCTACTTAGTGCCC)、NIT3(CCTGTGCTCCATGCTCCG)、Nsol90(CGATCCCCTGCTTTTCTCC)的探针进行FISH试验.生物样品(约 1.5mL)经戊二醛固定、冷冻切片以及乙醇梯度脱水后,分别与CY5、ROX以及 FAM 荧光基团标记的探针杂交,最后用DAPI进行全菌染色.处理完成的载玻片分别在633nm、543nm、488nm和405nm的激发波长下使用 LSM700激光共聚焦显微镜进行观察.其中,紫色荧光为Anammox菌,绿色荧光为氨氧化细菌,红色荧光为亚硝酸盐氧化细菌,蓝色为全菌[13].

2 结果与讨论

2.1 不同接种方式下反应器的启动

在1#和2#反应器中均成功启动了一段式自养脱氮工艺,启动耗时分别为48d和40d.1#和2#反应器的启动规律相似,从整体运行效果上看,可将两个反应器的启动过程可以划分为3个阶段,分别为活性抑制期(出水 ρ(NO2--N)积累过高,出水ρ(NO3--N)过低),活性提高期(出水 ρ(NO2--N)浓度逐渐降低,出水 ρ(NO3--N)升高)和稳定运行期(出水ρ(NO2--N)、出水ρ(NO3--N)与理论值较接近,总氮去除率较高).反应器运行过程中进出水NH4+-N、NO2--N和NO3--N的质量浓度及去除率随时间的变化如图2所示.

2.1.1 AOB适应期 1#反应器采用同步接种方式,所以没有AOB适应期.2#反应器的AOB适应期为19d(1～19d),运行过程中NH4+-N逐步升高,并保持在68%左右,同时出水NO2--N积累率平均值达到 99%,说明亚消化效果较好,AOB对环境的适应性很好,为反应器后续启动运行创造了适宜条件.

2.1.2 活性抑制期 1#反应器活性抑制期为20d(1～20d),初始进水 ρ(NH4+-N)为 100mg/L,前3d反应器缺氧运行(投加NH4+-N和NO2--N),第4～23d,NH4+-N和TN(包括NH4+-N、NO2--N和NO3--N)去除率波动性较大.同时,NO2--N积累较多,出水ρ(NO2--N)为12～18.4mg/L, 与此相反,出水NO3--N过低,ρ(NO3--N)平均值为5.4mg/L.2#反应活性抑制期持续了8d(20～28d),接种AnAOB后2d, NH4+-N和TN的去除率高,然而第22～28d,两者均有不同程度的降低,同时伴随 NO2--N 大量积累,TN去除率降低.

在活性抑制期,新接种的菌种尤其是AnAOB,因为溶解氧的存在其生物活性受到抑制,表现为NO2--N的积累较多及TN去除率较低.同时注意到,1#反应器出水中 ρ(NO3--N)过低,大大低于一段式自养脱氮理论值(见2.1),推测是反应器中发生反硝化作用.Chamchoi等[14]认为主要是环境的巨大变化导致一些菌体死亡,发生溶酶及裂解等作用,产生的有机物以及细胞分泌的胞外多聚物可作为电子供体,反硝化还原NO3--N,促进NO3--N被转化.另外,1#反应器的活性抑制期是2#反应器的2倍多,而且NO2--N积累更高,反硝化作用的持续时间更长.以上现场都说明污泥接种初期较高的DO对体系中AnAOB活性影响巨大.究其原因,2#反应器在接种AnAOB前,首先进行 AOB的培养,在保证较高NO2--N积累率的条件下,逐步降低 DO浓度至0.15mg/L,以减小溶解氧对AnAOB的抑制.而1#反应器在接种污泥后,其自养脱氮效果明显降低,较2#反应器更差,表明1#反应器受DO影响较大,说明 AOB适应期存在的重要性,同时说明分步接种相比于同步接种可以提供充足的基质和更为缓和的生态环境.

2.1.3 活性提高期 1#反应器活性提高期为25d(21～48d),第21-35d,NH4+-N和TN的去除率逐步提高,在第 35d达到最高,第 36d调整进水ρ(NH4+-N)为130mg/L,NH4+-N和TN的去除率明显下降且恢复高效运行状态所需时间较长,运行至第48d逐渐恢复.2#反应器活性提高期持续时间为12d(28～40d),出水ρ(NO2--N)积累大幅减少为4.3mg/L,运行至第35d,NH4+-N和TN的去除率大幅提高.第 36d调整进水 ρ(NH4+-N)为130mg/L,NH4+-N和TN的去除率有明显降低,但很快便恢复到高效运行状态,运行至第40d实现恢复.与同时期的 1#反应器相比,2#反应器受基质浓度冲击影响较小且恢复速度更快.

表2 自养脱氮工艺启动对比Table 2 Overview of the start-up of the autotrophic nitrogen removal process in various rectors

在活性提高期,体系中 AnAOB逐渐适应好氧环境,自养脱氮工艺在1#和2#反应器中构建成功,启动时间分别为48和40d,表明分步接种比同步接种方式可以更快实现一段式自养脱氮工艺的启动,同时与目前国内外普遍报道的 CANON工艺的启动时间相比较短(表2).从表2可以看出,接种普通活性污泥到反应器,逐步富集培养氨氧化菌或厌氧氨氧化菌来启动自养脱氮工艺的方式耗时较长,与此形成鲜明对比的是,接种氨氧化污泥和厌氧氨氧化污泥的方式,启动耗时更短.值得一提的是,付昆明等采用接种普通活性污泥启动SBR,先实现稳定的亚硝积累,控制不同曝气量,再逐步富集出厌氧氨氧化菌,至 210d实现了CANON反应.而付昆明等[15]在另一项研究中,通过接种已启动成功的CANON反应器的污泥,采用与之前研究不同的填料作微生物的附着载体,经过60d培养就启动成功,这一研究结果印证了接种成熟氨氧化污泥和厌氧氨氧化污泥可以大大缩短自养脱氮工艺启动时间.

图2 1#和2#反应器脱氮情况Fig.2 The nitrogen removal performance in 1# and 2# reactor

2.1.4 稳定运行期反应器启动成功后,与 1#反应器相比,2#反应器进入稳定运行期更早且脱氮效果更好,NH4+-N和 TN的去除率稳中有升,高于1#反应器.同时,1#和2#反应器TN最大去除负荷分别为0.45kgN/(m3·d)和0.49kgN/(m3·d),与表2中大部分通过富集菌种启动反应器的研究相比略低,这可能与接种的污泥、反应器构型及其他不可复制的环境因素相关.

稳定运行期,受到进水 ρ(NH4+-N)增加和回流流速上升的影响,出现少量污泥流失现象,导致反应器脱氮效果没能恢复到提高 NH4+-N负荷之前的状态,1#反应器受到影响较2#反应器更大,说明2#反应器比1#反应器在抗水力和基质浓度冲击方面的能力更强.

图3 培养过程ΔNO3-/ΔNH4+与ΔTN/ΔNH4+变化Fig.3 Variation of stoichiometric ratio of ΔNO3-/ΔNH4+and ΔTN/ΔNH4+in 1# and 2#reactor

2.2 反应器的自养脱氮评价综合短程硝化和厌氧氨氧化两个反应,可得到CANON工艺的整体反应方程,如式(1)[20]所示.

在无机高氨氮废水条件下,忽略内源反硝化而导致的TN损失,则进出水TN的变化与厌氧氨氧化反应产生的氮损失量相等[21].在整个自养脱氮过程中,根据 CANON工艺的反应方程式计算其理论值,ΔNO3-/ΔNH4+为 0.11, ΔTN/ΔNH4+为0.88.通过计算 ΔNO3-/ΔNH4+和 ΔTN/ΔNH4+的数值,可以初步判定反应是否满足自养脱氮关系.

图4 不同时期FISH照片Fig.4 FISH images in different periods in 1# and 2# reactor

由图 3可知,在整个启动过程中,1#反应器ΔNO3-/ΔNH4+呈现出先升高再降低最终趋近理论值的变化趋势,而2#反应器该数值波动性较小,始终稳定在理论值上下.需要指出的是,1#反应器在活性抑制期(4～20d),出水 ρ(NO3--N)浓度较低,ΔNO3-/ΔNH4+平均值为 0.045,相比之下 2#反应器该值平均为0.10,与理论值接近.2个反应器中ΔTN/ΔNH4+没有明显规律,分别在35d和45d逐渐接近理论值.反应器启动成功后,1#反应器ΔNO3-/ΔNH4+平均值为 0.12±0.018,ΔTN/ΔNH4+的平均值为 0.78±0.041,2#反应器 ΔNO3-/ΔNH4+平均值为0.13±0.028,ΔTN/ΔNH4+平均值为0.77± 0.051.2个反应器稳定运行后,ΔNO3-/ΔNH4+和ΔTN/ΔNH4+平均值为 0.12、0.10和 0.84、0.85,与理论值相近,说明一段式自养脱氮反应是脱氮的主导反应.

2.3 微生物种群结构变化

研究采用FISH技术来检测1#和2#反应器启动成功前后AOB和AnAOB的存在和分布情况,如图4所示.图(a)中A和B分别表示1#反应器污泥接种第1d和第48d微生物分布情况,(b)中C和D分别是2#反应器接种厌氧氨氧化污泥第1d(整体运行的第20d)和第40d微生物分布情况.

一段式自养脱氮工艺的实现是 AOB和AnAOB共同作用的结果,AOB和AnAOB对新环境的适应性及相互合作的程度决定了该工艺启动的快慢.为了获得更高的传质效率,反应器中絮状的AOB在菌体胞外聚合物(ESP)的黏附作用下会更多地分布于颗粒状的 AnAOB表面.2个反应器运行后期大量 AOB分布于AnAOB颗粒表面,与已报道的研究结果相符

[20-22].FISH结果显示,接种第 1d,1#和 2#反应器所接种的污泥均含有AOB和AnAOB,且都是各自体系中的优势菌种(图4,A和C所示).2个反应器各自经过48d和40d培养,反应器中AOB和AnAOB仍是各自体系中的优势菌种,但是受到启动过程中多种因素(包括溶解氧、pH值、水力冲击等)的影响,AnAOB在颗粒大小及菌种数量方面都有损失(图4,B和D所示),且与2#反应器相比,1#反应器中AnAOB受到的影响更大(活性抑制期发生菌体死亡).然而,相比污泥接种初期,反应器启动成功后 2个反应器中 AOB和AnAOB之间结合更加紧密,这与反应器脱氮表现相一致.

3 结论

3.1 采用人工模拟无机高氨氮废水(100～130mg/L),以亚硝化絮状污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥为接种污泥,采用两套相同的膨胀颗粒污泥床反应器系统,分别以同步接种和分步接种方式启动一段式自养脱氮工艺.通过调节DO、pH及回流流速等条件,在两个反应器中成功构建一段式自养脱氮体系,每组滋养脱氮化学计量比值均与理论比值相近.实验结果表明,采用分部接种方式比同步接种方式启动用时更短.同时,分步接种反应器TN最大去除负荷为0.49kgN/(m3·d),比同步接种反应器的0.45kgN/(m3·d)略高.

3.2 FISH结果进一步表明,一段式自养脱氮工艺启动成功后,AOB和AnAOB都是系统中的优势菌种,而主要干扰菌群NOB被成功抑制.

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Start-up performance of one-stage autotrophic nitrogen removal with different sludge inoculation methods.

QI Gui-man, WANG Xiao-long, GAO Da-wen*
(State Key Laboratory of Urban Water Resources and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China). China Environmental science, 2017,37(1)：154～161

One-stage autotrophic nitrogen removal process was started up in two identical EGSB (expanded granular sludge bed) reactors feed with synthetic wastewater with NH4+-N of 100～130mg/L, which were inoculated with flocculent nitrification sludge and anammox (anaerobic ammonium oxidation) granular simultaneously or in sequence, respectively. As the result showed, the reactor inoculated in sequence (reactor 2) had obviously more advantages than that inoculated simultaneously (reactor 1) on the start-up duration and nitrogen removal performance. The duration of activity inhibiting phase in reactor 1was almost twice than that in reactor 2, and the TN (total nitrogen) removal rate was also lower in reactor 1. As to the activity increasing phase, the start-up duration of reactor 2 was only 40 days, which was 8 days shorter than that in reactor 1. So the steady phase was achieved easier in reactor 2 than in reactor 1, meanwhile, the highest removal rates of NH4+-N, TN and nitrogen loading removal (NLR) in the steady phase reached 84.1%, 68% and 0.49kgN/(m3·d) in reactor 2, respectively, which were higher than those of 79.1%, 65.1% and 0.45kgN/(m3·d) in reactor 1, respectively. FISH result showed that AOB (ammonia oxidizing bacteria) and Anammox bacteria dominated both reactors, while the main undesirable community, NOB (nitrite oxidizing bacteria), and was suppressed successfully.

autotrophic nitrogen removal；sludge inoculation methods；start-up；expanded granular sludge bed

X703

A

1000-6923(2017)01-0154-08

齐桂满(1989-),男,吉林敦化人,哈尔滨工业大学硕士研究生,主要从事废水污染控制方面的研究.

2016-05-11

黑龙江省自然科学基金重点项目(ZD201412) * 责任作者, 教授, gaodw@hit.edu.cn