缺/好氧條件下亞硝酸鹽的存在對污泥沉降性能的影響

宋姬晨，王淑瑩，楊雄，郭建華，彭永臻

(北京工業大學 北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室，北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術研究中心，北京，100124)

在污水處理界，污泥膨脹因其多發性和難控制性，是污水處理中的頑疾。污泥膨脹的引發因素眾多，國內外學者對此進行了大量深入的研究，取得了許多重要的研究成果，如：Martins 等[1-2]考察了溶解氧(DO)濃度、進水負荷等對污泥沉降性能的影響，證明了在低DO 和低負荷條件下均容易引發污泥膨脹；Gulez等[3]及楊雄等[4]分別研究了不同碳源對污泥沉降性能的短期和長期影響，結果表明碳源種類不同對污泥沉降性能的影響程度也不相同，且對優勢絲狀菌的類別具有選擇作用；Krishna 等[5]考察了溫度對污泥沉降性能的影響，證明溫度越高，污泥的貯存能力越低，污泥沉降性能越差。目前，這些引發因素的研究已經比較深入，為污水處理廠在實際運行過程中預防和控制污泥膨脹提供了重要的理論指導。但是近年來，隨著新型污水處理工藝的不斷研發，一些可能引發污泥膨脹的新因素也隨即出現，亞硝酸鹽就是其中之一。一般的全程硝化系統，亞硝酸鹽作為中間產物，其積累量很少，影響可以忽略不計。但是在短程硝化工藝中，亞硝酸鹽的質量濃度達到10 mg/L 以上[6]，當亞硝酸鹽增加到一定質量濃度時，會抑制微生物生長和生理活動[7]，因此，其影響就不能忽略。Ma 等[8]報道，在A/O 連續流工藝中實現短程硝化時，污泥的SVI 值與亞硝酸鹽的積累率呈現出明顯的正相關性；Guo 等[9]證實在短程硝化系統中容易發生污泥膨脹；Musvoto等[10]的研究也顯示，亞硝酸鹽存在于UCT 系統中會引發污泥SVI 的急劇增長；由此可見，亞硝酸鹽的存在對污泥沉降性能影響顯著。但是，目前還沒有研究揭示亞硝酸鹽對污泥沉降性能影響的作用機理，缺氧及好氧條件下亞硝酸鹽是否對污泥沉降性能的影響存在差異也尚不明確。為此，本文通過在好氧條件和缺氧條件分別投加亞硝酸鹽的方式，考察不同條件下亞硝酸鹽對污泥沉降性能、污泥貯存能力及微生物種群結構等的影響，以期進一步完善污泥膨脹影響因素研究的理論體系，為實際運行中解決污泥膨脹問題提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與運行方式

試驗在3 個有效容積為5 L，具有自動控制系統的序批式反應器(編號SBR-1，SBR-2 和SBR-3)中進行，裝置如圖1 所示。SBR 由有機玻璃制成，其配套有進水泵、加藥泵、酸/堿泵、電動攪拌器、加熱棒、曝氣閥及排水閥等電器設備，并設置有pH/DO 儀在線監測SBR 中的溫度、pH 和DO 參數。pH/DO 儀能與可編程控制器(PLC)進行數據通信，PLC 控制平臺可依據設定參數及pH/DO 儀的反饋數據控制各電器設備電源的通斷，維持溫度、pH 及DO 的恒定，實現SBR 的自動控制。SBR 采用鼓風曝氣，曝氣量恒定為0.8 m3/h。好氧階段DO 質量濃度控制在2.0 mg/L，溫度控制在25 ℃，通過投加1 mol/L NaOH 和1 mol/L HCl，維持pH 在7.5 左右。試驗共運行80 d，分為3個階段：階段一(1～34 d)為養泥階段，獲得沉降性能良好的污泥；階段二(35～60 d)，SBR-1 和SBR-2 分別在缺氧和好氧階段起始一次性投加10 mL 質量濃度為24.64 g/L 的NaNO2溶液，使得系統中NO2--N 質量濃度為10 mg/L，SBR-3 作對照不投加，考察了不同條件下亞硝酸鹽的存在對污泥沉降性能的影響差異；階段三(60～80 d)停止亞硝酸鹽的投加，考察了解除亞硝酸鹽的影響后，污泥沉降性能的變化。3 個SBR 每天均運行3 個周期，每周期8 h；每周期進水量為2.5 L，排水比為50%。各SBR 的運行方式如圖2 所示。

1.2 試驗水質與污泥

3 個SBR 均采用人工配水，進水水質相同，以乙酸鈉作唯一碳源基質，進水中的COD，NH4+-N 和PO43--P 質量濃度分別為300，15 和3 mg/L，其x(C):x(N):x(P)為100:5:1(x 為原子數分數)。此外，進水中還添加了微生物生長所需的各種衡量元素，試驗進水水質如表1 所示。3 個SBR 的接種污泥均來自本實驗室某A2O 反應器排泥，接種時該污泥具有正常的硝化和除磷功能。

圖1 SBR 反應器裝置圖Fig.1 Set-up diagram of SBR reactor

表1 人工配水水質情況Table 1 Characteristics of artificial wastewater

1.3 分析項目與方法

COD 和MLSS 指標均采用國家標準方法測定[11]，NH4+-N，NO2--N，NO3--N 和PO43--P 采用Lachat Quikchem8500 型流動注射儀測定(Lachat Instrument,Milwaukee, wiscosin)。pH 和DO 采用WTW Multi 340i pH/DO 儀在線測定。底物貯存主要測定聚-β-羥基烷酸(PHA)，PHA 由聚-β-羥基丁酸(PHB)、聚-β-羥基戊酸(PHV)和聚-β-羥基-2-甲基戊酸(PH2MV)組成，由于在本試驗污泥樣本中沒有檢測到PH2MV 的存在，故PHA 以PHB 和PHV 二者之和計。PHA 采用Agilent 6890N 型氣相色譜以及Agilent DB-1 型氣相色譜柱、按照Oehmen 等[12]改良后的方法測定。胞外聚合物(EPS)的提取采用鈉型陽離子樹脂交換法[13]。EPS 組分測定：多糖含量采用蒽酮法測定，蛋白質含量采用修正的Lowry 法測定，DNA 含量采用二苯胺法測定[14]。活性污泥絮體結構用Olympus_BX61 型顯微鏡進行觀察，通過革蘭氏染色、納氏染色以及分子熒光原位雜交技術(FISH)對絲狀菌及菌膠團菌菌種進行鑒定[15]，所用到的FISH 探針如表2 所示。絲狀菌豐度(FI)根據Eikelboom 所編手冊中的方法判斷[16]。

圖2 反應器運行方式Fig.2 Reactor operational parameters

表2 FISH 中采用的寡核苷酸探針Table 2 Oligonucleotide probes used in this work

2 試驗結果與分析

2.1 不同條件下亞硝酸鹽對污泥沉降性能的影響

各SBR 在不同階段中的污泥體積指數(SVI)變化曲線如圖3 所示。階段一在污泥接種初期， 3 個系統中的SVI 值為320 mL/g 左右，由于采用短時進水、缺/好氧交替的運行模式，高底物濃度梯度結合缺氧選擇器的作用，能快速地改善污泥沉降性能[2]，經過1 月的培養馴化，3 個系統中的SVI 均降低到150 mL/g 以下。

階段二，分別向SBR-1 和SBR-2 的缺氧和好氧階段投加亞硝酸鹽溶液，SBR-3 作對照，考察不同條件下亞硝酸鹽的存在對污泥沉降性能的影響差異。由于硝化作用和反硝化作用的存在，亞硝酸鹽在SBR-1 缺氧段內及SBR-2 好氧段內會逐步被降解，不會累積到下一個階段或周期。不同階段SVI 的變化如圖3 所示。從圖3 可見：在加入亞硝酸鹽之后，SBR-1 和SBR-2的SVI 都上升，SBR-1 的SVI 上升較快，階段2 結束時達到了350 mL/g，且仍然有上升的趨勢；相比之下，SBR-2 的SVI 在前5 d 上升較快，但是之后穩定在225 mL/g 左右。鏡檢發現，SBR-1 和SBR-2 中污泥沉降性能的惡化均由絲狀菌過量增長導致。這說明無論條件為缺氧還是好氧，亞硝酸鹽的存在對污泥沉降性能的影響都是不利的，且缺氧階段下投加亞硝酸鹽時，容易引發更嚴重的污泥膨脹。這是由于亞硝酸鹽對菌膠團菌的抑制作用比對絲狀菌的抑制作用大。

圖3 不同階段SVI 的變化Fig.3 Sludge settleability for different phases

Borisov 等指出[17]，亞硝酸鹽的抑制是由于亞硝酸鹽還原過程中所產生的NO 引起的，NO 能夠與氧化還原酶(Oxygen respiration reductase)發生反應，其產物抑制微生物的呼吸作用。Casey 等[18]在提出NO 理論時指出，在缺氧條件下，絲狀菌僅能將NO3-N 還原成NO2-N，而菌膠團菌則能將NO3-N 還原為N2，因此，作為反硝化中間產物的NO 僅能在菌膠團菌體內累積，而不會在絲狀菌體內累積，在缺氧條件下，NO2-N濃度越高，這種累積作用越明顯，因此，SBR-1 中缺氧階段投加的NO2-N 會加劇NO 在菌膠團菌體內的積累，抑制菌膠團菌對有機底物的吸收和利用。在后期的好氧階段內，當有機底物濃度很低時，這種抑制作用會持續存在[19]，從而使菌膠團菌的生長受到抑制，失去競爭能力，此時，絲狀菌則能利用環境中的有機底物快速生長，引發污泥膨脹。由此可見，缺氧段投加NO2-N 會導致污泥的沉降性能迅速惡化。當在好氧段投加亞硝酸鹽(SBR-2)時，NO2-N 會隨著硝化反應的進行轉化為NO3-N，使得下一周期缺氧段內NO2-N 的質量濃度降低，NO 的累積量減少，NO 的累積對菌膠團菌的抑制作用被削弱，使得SBR-2 中的污泥沉降性能的惡化程度不如SBR-1 嚴重。但是，由于亞硝酸鹽的存在還會影響到微生物的貯存特性及表面特性的變化，引起絲狀菌的增殖，因此SBR-2 中污泥沉降性能較SBR-3 的差。

階段三，停止亞硝酸鈉的投加，2 個反應器中的SVI 值均迅速下降，SBR-1 中的SVI 甚至降低到100 mL/g 以下。這主要是由于亞硝酸鹽抑制作用的解除，使得絲狀菌失去了爭奪有機物的優勢；進水初期在高底物濃度梯度的條件下，菌膠團菌能夠迅速地貯存利用有機物而在種群競爭中占絕對優勢，有效抑制絲狀菌的生長。這也進一步說明在階段二，污泥沉降性能的惡化是亞硝酸鹽的存在造成的，一旦亞硝酸鹽消失，其對菌膠團菌的抑制作用也隨之消失，污泥沉降性能隨即得到恢復。

此外，根據文獻[20]報道，污泥中EPS 的變化與污泥沉降性能有一定的關系。圖4 所示為不同系統各階段平均EPS 量的變化情況。EPS 是生物絮凝體的主要組成部分，主要成分是一些不同類型的高分子物質，如多糖、蛋白質、DNA 等聚合物[21]，由于所測樣品中DNA 的含量極低，故本文中用蛋白質和多糖的總和來表示EPS。Andreadakis[22]指出，用EPS 的組成成分來表征污泥的沉降性能比用EPS 的總量更合適；當EPS中多糖與蛋白質的質量比(C/P)越大時，污泥絮體表面所帶的負電荷越少，污泥的絮凝作用越差，從而沉降性能越差[23]。本文的研究結果也表明：EPS 的總量與污泥沉降性能不存在明顯的相關性，但是當污泥沉降性能變差時(階段二)，SBR-1 和SBR-2 中C/P 分別由0.19 和0.15 升高到1.40 和0.46(圖4)；在階段三，當2 個系統中的污泥沉降性能恢復后，其C/P 又分別降低到0.34 和0.20；作為對照的SBR-3 中污泥SVI 值一直維持在120 mL/g 左右，而其C/P 也一直低于0.3。這表明亞硝酸鹽的存在，尤其是缺氧條件下亞硝酸鹽的存在，會引起菌膠團菌所分泌的EPS 中C/P 比例的增加，從而導致污泥沉降性能變差。關于亞硝酸鹽影響EPS 分泌的作用機理，以及絲狀菌的生長繁殖與EPS 組分的關系等問題目前尚不清楚，還有待進一步研究。

圖4 不同階段EPS 貯存情況Fig.4 EPS storage conditions for different phases

2.2 亞硝酸鹽對底物儲存能力的影響

不同階段各反應器中PHA 貯存量的變化情況如圖5 所示。階段一，由于運行方式相同，3 個系統中的最大PHA 貯存量均在78 mg/g 左右，系統底物貯存能力高，污泥沉降性能好。階段二，亞硝酸鹽的加入使SBR-1 和SBR-2 中PHA 的貯存量明顯減少，這也是導致污泥膨脹發生的一個主要原因。污泥沉降性能良好的系統內，菌膠團菌在種群競爭中占優勢，這種優勢體現在對有機底物的有力爭奪。菌膠團菌爭奪有機物的一種有效方式為底物貯存[19]，即在有機底物過剩的條件下將其以PHA 的形式大量貯存于體內，當外界可用底物受限時，菌膠團菌可分解利用自身貯存的PHA 以維持正常的新陳代謝。亞硝酸鹽的存在，會影響甚至抑制微生物的主動運輸、利用氧氣和氧化磷酸化等過程，從而導致菌膠團菌底物競爭能力的降低(圖5)；而絕大多數絲狀菌貯存PHA 的能力都很弱[19]，但具備利用低濃度有機物的能力，不依賴于胞內的貯存物質維持自身活性。當菌膠團菌的有機物競爭能力被亞硝酸鹽削弱后，絲狀菌能夠迅速利用有機物進行生長繁殖，在種群數量上占據優勢，引起污泥膨脹的發生。從圖5 可以看出：階段二時SBR-2 中污泥的底物貯存能力稍比SBR-1 的高，表明SBR-2 中菌膠團活性較SBR-1 的高，因此，SBR-2 中污泥沉降性能優于SBR-1。階段三，SBR-1 和SBR-2 中污泥沉降性能恢復后，其貯存能力也得到了恢復。

圖5 不同階段PHA 貯存能力的變化Fig.5 PHA storage capacity for different phases

2.3 亞硝酸鹽對污染物質去除能力的影響

不同階段各系統的污染物質去除能力如圖6 所示。缺氧或好氧的條件下亞硝酸鹽的存在(SBR-1 和SBR-2)對系統的COD 及NH4-N 去除能力影響很小，各階段3 個系統的COD 平均去除率都能達到85%左右，NH4-N 平均去除率能維持在95%以上，這與絲狀菌的特性及亞硝酸鹽的投加量有關。首先，絲狀菌同樣具有高效降解有機物的能力，發生膨脹的污泥對有機物的去除效果并不會惡化。據文獻[24]，在微膨脹的系統內，使絲狀菌數量增多甚至能提高COD 去除率；其次，階段二中2 個系統內的亞硝酸投加量在10 mg/L，當pH=7.5、溫度為25 ℃時，經計算[25]，本文中游離亞硝酸(FNA)的最高質量濃度僅為7.1×10-4mg/L，Zhou 等[26]報道，抑制硝化作用的FNA 閾值為0.22～2.8 mg/L，因此，本試驗過程中的亞硝酸鹽投加量不足以抑制硝化作用。

亞硝酸鹽的存在對除磷效果的影響較大，且缺氧條件下的影響程度大于好氧條件下的影響程度。造成這一結果的原因可能有2 點：其一為絲狀菌的過量生長使得聚磷菌(PAOs)數量減少，系統的除磷能力下降；其二為亞硝酸鹽的抑制作用。

圖6 不同階段各系統的污染物去除能力對比Fig.6 Pollutants removal ability contrast for different phases of each system

PAOs 良好的釋磷效果是系統磷去除率提高的保障。Saito等[27]報道，PAOs的FNA抑制閾值為0.5×10-3mg/L，SBR-1 中缺氧條件下投加亞硝酸鹽，PAOs 釋磷過程受到顯著的影響，幾乎監測不到磷的釋放，PAOs 的活性受到了抑制，導致磷去除率的降低。在階段三，當移除亞硝酸鹽的抑制后，SBR-1 中的除磷能力在缺/好氧交替運行的條件下得到了恢復(圖6(a))。SBR-2 中亞硝酸鹽采用好氧投加的方式，PAOs釋磷過程不會受到NO2-N 的影響。但是，由于好氧條件下仍然存在NO2-N 的作用，因此SBR-2 中的除磷能力仍然有惡化的趨勢，但惡化程度不如SBR-1 嚴重，如果系統長期在階段二的條件下運行，SBR-2 中的除磷效果勢必將受到較大影響。

2.4 亞硝酸鹽對污泥種群結構的影響

亞硝酸鹽的存在對污泥形態及種群結構產生了較大影響。SBR-1 污泥的鏡檢結果如圖7 所示，由圖7可知：在階段一，不投加亞硝酸鹽，污泥沉降性能良好，污泥絮體密實，絮體表面較光滑，絲狀菌數量少(圖7(a))。經染色鏡檢鑒定，3 個系統中的優勢絲狀菌主要為存在大量附著生長的Type 0041(圖7(b))，其次還存在少量的Type 0092，FI 在0～1 之間。這2 種絲狀菌為一般的活性污泥系統中常見菌種，均不容易引發污泥膨脹。由于污泥活性良好，各系統中還存在少量的鐘蟲、輪蟲等原、后生動物。階段二，由于亞硝酸鹽對菌膠團菌的抑制作用，SBR-1 和SBR-2 都滋生了不同數量的絲狀菌，其中SBR-1 中FI 達到4～5，SBR-2中的FI 也達到3 左右。普通鏡檢發現2 個系統內的污泥絮體蓬松，絮體表面毛糙，并有大量絲狀菌從絮體內部延伸出來(圖7(c))；經染色及FISH 鑒定可知：SBR-1 和SBR-2 中的優勢絲狀菌均為Thiotrix nivea(圖7(d))，在SBR-1 中還發現了較多的Type 0041 及少量的S. natans。這一結果與單獨用乙酸鈉作碳源的膨脹污泥種群鑒定結果一致[4]，亞硝酸鹽的加入并沒有引起優勢絲狀菌類型的變化，因此，可以認為：當發生污泥膨脹時，碳源種類可能在優勢絲狀菌類型的選擇上起了主導作用。后期需要通過試驗進一步驗證這一猜想。階段二中，缺氧投加亞硝酸鹽的系統內(SBR-1)原、后生動物的量與階段1 相比明顯減少，只能見到極少量的輪蟲；好氧投加亞硝酸鹽的系統內(SBR-2)原、后生動物數量與階段1 相比基本無變化。階段三，通過鏡檢可觀察到SBR-1和SBR-2中的污泥重新發生了絮凝，絮體回歸了階段一時密實的狀態，FI 為1 左右。染色和FISH 鑒定結果顯示，SBR-1 和SBR-2 中除了常規的Type 0041 和Type 0092 外，仍然有少量的Thiotrix nivea 存在，原、后生動物的數量與階段1 相似。SBR-3 的種群類型和數量在3 個階段內基本無變化。

圖7 SBR-1 污泥鏡檢圖片Fig.7 SBR-1 sludge microscopic images

3 結論

(1) 缺氧或好氧條件下亞硝酸鹽的存在，都會刺激菌膠團菌所分泌EPS 中多糖與蛋白質的質量比升高，使污泥的沉降性能變差；同時，亞硝酸鹽還會削弱菌膠團菌的底物貯存能力，使得絲狀菌在種群競爭中占優勢，導致絲狀菌的過量生長；其中缺氧條件下亞硝酸鹽的存在更容易引發絲狀菌污泥膨脹。

(2) 在缺氧或好氧的條件下，當系統內亞硝酸鹽質量濃度為10 mg/L 時，對活性污泥的有機物及氨氮去除能力影響不大，但是會影響到磷的去除能力；其中，缺氧條件下亞硝酸鹽的存在會使SBR 系統除磷能力喪失。

(3) 亞硝酸鹽的存在所引發的污泥膨脹系統中，優勢絲狀菌為Thiotrix nivea，污泥膨脹系統中優勢絲狀菌的種類主要由碳源的種類決定。

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