城市生活污水SNAD生物膜脫氮特性

鄭照明,李 軍,侯愛月,馬 靜,杜 佳,趙白航,楊京月

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城市生活污水SNAD生物膜脫氮特性

鄭照明,李 軍*,侯愛月,馬 靜,杜 佳,趙白航,楊京月

(北京工業大學國家工程實驗室,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)

通過批試實驗研究了同步亞硝化、厭氧氨氧化和反硝化(SNAD)生物膜的脫氮性能. SNAD生物膜具有良好的厭氧氨氧化和反硝化活性.厭氧氨氧化NH4+-N、NO2--N和總無機氮(TIN)去除速率分別為0.121,0.180,0.267kg N/(kg VSS·d);反硝化和亞硝態氮氧化活性分別為0.211,0.053kg NO2--N/(kg VSS·d).SNAD生物膜厭氧氨氧化適宜的pH值范圍為5~9,生物膜有助于緩解pH值對厭氧氨氧化菌的抑制作用. SNAD生物膜對NO2--N和FNA的抑制作用表現出良好的耐受能力.當NO2--N濃度分別為100,150mg/L時,對應的FNA濃度分別為70, 100μg/L,厭氧氨氧化NH4+-N去除速率分別為0.087,0.029kg N/(kg VSS·d).掃描電鏡顯示,在SNAD生物膜表面主要是一些短桿菌.在SNAD生物膜內部主要為火山口狀細菌,應為厭氧氨氧化菌.

SNAD生物膜；脫氮特性；厭氧氨氧化；亞硝態氮；pH值影響

含氮污水的大量排放會造成水體富營養化.傳統生物脫氮采用硝化和反硝化技術,存在著曝氣能耗高、污泥產量大、需要額外投加外碳源等的缺點[1].同步亞硝化、厭氧氨氧化和反硝化SNAD(simultaneous partial nitrification, anaerobic ammonium oxidization and denitrification)工藝是一種經濟環保的脫氮工藝,在適宜的工況下,亞硝化菌、厭氧氨氧化菌和反硝化菌在一個反應器中實現總氮和有機物的去除[2].關于SNAD工藝的研究多集中于高氨氮污水的處理,針對城市生活污水處理的SNAD工藝研究報道較少[3].城市污水氨氮濃度較低,不利于抑制亞硝酸鹽氧化菌(NOB, nitrite oxidizing bacteria)的活性,也不利于厭氧氨氧化菌的代謝生長.鄭照明等[4]啟動了處理城市生活污水的SNAD顆粒污泥反應器,但是反應器內溶解氧濃度較低(0.15~1.4mg/L),不利于好氧氨氨化菌(AOB, ammonia oxidizing bacteria)活性的發揮.Ge等[5]的批試研究表明對于低氨氮污水的處理,采用間歇曝氣方式(曝氣10min/非曝氣20min)可以有效地抑制NOB的活性.本課題組采用間歇曝氣方式在高溶解氧工況下啟動了處理城市生活污水的SNAD生物膜反應器.

研究表明亞硝態氮濃度和環境pH值對厭氧氨氧化菌的活性具有重要影響[6-9].文獻報道的亞硝態氮對厭氧氨氧化活性的抑制濃度不盡相同. Strous等[6]的研究表明亞硝態氮對厭氧氨氧化活性的抑制濃度為98mg/L.而Dapena-Mora等[7]和Lotti等[8]的研究表明當亞硝態氮濃度分別為350和400mg/L時,厭氧氨氧化活性被抑制50%.厭氧氨氧化顆粒污泥和生物膜工藝對于亞硝態氮的抑制作用具有較好的耐受能力[10-11].顆粒污泥和生物膜中的厭氧氨氧化菌密度較高,而且顆粒污泥和生物膜存在傳質阻力,這些都有助于緩解底物濃度和外界環境對厭氧氨氧化菌的抑制作用.本研究通過批試實驗考察了SNAD生物膜的脫氮性能,分析了不同NO2--N濃度和pH值對生物膜厭氧氨氧化活性的影響,以期為SNAD生物膜反應器的工程應用提供指導作用.

1 材料和方法

1.1 實驗裝置-SNAD生物膜反應器

SNAD生物膜反應器如圖1所示.反應器為圓柱形結構,有效容積為89.5L (高徑比為2.07).反應器采用SBR(sequencing batch reactor)運行方式,周期運行完畢之后馬上進行下一個周期,反應器內填充鮑爾環作為生物膜載體(K3載體, AnoxKaldnes,北京),鮑爾環的直徑為25mm,分成多個小格,每個小格的直徑為4mm,鮑爾環堆積體積為34L,反應器有效盛水容積為77.7L,排水比為81%.鮑爾環生物膜照片如圖2所示.在底部設置曝氣盤,采用溫度控制箱在線監測并控制反應器內水溫,反應器側壁(距底部以上20cm處)安裝水力攪拌器,排水口設置在底部以上20cm處,排水口直徑為20mm.在反應器穩定運行階段,曝氣量控制為500L/h,溫度控制為30℃.

1.2 SNAD生物膜反應器穩定運行階段工況

反應器進水為北京工業大學家屬區生活污水,試驗階段主要水質指標如下: CODCr200~ 300mg/L; NH4+-N 60~80mg/L; NO2--N< 1mg/L; NO3--N<1mg/L; TOC 50~60mg/L; TN 100~ 140mg/L; pH值為7.5~8.0;堿度300~ 400mg/L.

周期運行工況為:進水(5min),間歇曝氣循環(曝氣20min/混合20min),后曝氣(20min),沉淀(10min),排水(10min),靜置(1min).間歇曝氣循環次數為6次.在混合階段,曝氣停止,水力攪拌器啟動,使載體處于流化狀態,增加微生物和底物的接觸.曝氣和混合階段反應器內的平均溶解氧濃度分別為5.6,0mg/L. SNAD生物膜反應器已穩定運行60d,具有良好的脫氮性能.出水NH4+-N, NO2--N, NO3--N和COD濃度平均值分別為2, 2, 7,50mg/L, COD平均去除率為71%, TIN去除率為80%~90%.

1.3 批試實驗裝置及其運行條件

1.3.1 批試污泥 取SNAD生物膜反應器穩定運行階段中的鮑爾環進行生物膜的脫氮活性測定.試驗前將鮑爾環置于30℃自來水中洗去表面的殘留基質.

1.3.2 批試實驗水質 試驗采用模擬廢水,配水氮素組分為NH4Cl, NaNO2.碳源采用無水乙酸鈉.其他微量元素組分濃度參照Tang等[12]的文獻.批試過程中采用HCl和NaOH實時調節pH.為了研究NO2--N對厭氧氨氧化活性的影響,批試過程中pH值控制為7.0,固定NH4+-N濃度為70mg/L, NO2--N濃度設定為70,100,150,200,250, 300mg/L.各脫氮活性測定時的配水組分見表1.

表1 批試實驗主要配水組分(mg/L)

1.3.3 批試實驗裝置和程序 試驗采用1000mL燒杯,燒杯內放置50個鮑爾環,進行3次平行重復實驗.厭氧氨氧化和反硝化活性測定步驟參照文獻[12]:(1)配置泥水混合液;(2)啟動恒溫磁力攪拌器,轉速為500r/min,用保鮮膜密封燒杯口,通氮氣10min (氮氣純度99.999%); (3)停止通氮氣,將燒杯連同磁力攪拌器放入30℃的恒溫培養箱中.亞硝態氮氧化活性測定:(1)配置泥水混合液; (2)往燒杯中鼓入空氣,曝氣量控制為250mL/min (周期內DO大于6mg/L),啟動恒溫磁力攪拌器,轉速為500r/min,將燒杯連同磁力攪拌器放入30℃的恒溫培養箱中.每隔一定時間取樣測定主要組分濃度.污泥活性計算見公式(1).

污泥活性=(1)

式中:濃度單位為mg/L;計時終點單位為min; 揮發性物質質量單位為g.計時終點的確定:若在取樣的時間內,批試裝置內的NH4+-N或NO2--N濃度低于10mg/L,則以NH4+-N或NO2--N濃度剛低于10mg/L的取樣時刻為計時終點;若在取樣的時間內,批試裝置內的NH4+-N或NO2--N濃度始終高于10mg/L,則以取樣結束的時刻為計時終點.污泥活性單位為: kg N/(kg VSS·d).

1.3.4 鮑爾環污泥濃度的確定 用牙簽刮落鮑爾環表面附著較為松散的生物膜,將殘留有生物膜的鮑爾環放于燒杯中,盛適量水,采用超聲設備(VCX105PB)進行處理,振幅為90%,超聲時間為30min.待鮑爾環表面的生物膜完全脫落,將超聲后的泥水混合液和前面的松散污泥混合用濾紙過濾,將截留污泥的濾紙經烘箱和馬弗爐處理,烘干時間及溫度與常規污泥濃度測量條件相同,得到鮑爾環污泥的干物質量和揮發性物質質量.

1.4 分析方法

NH4+-N:納氏試劑光度法; NO2--N:N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法; NO3--N:麝香草酚分光光度法;取NH4+-N, NO2--N和NO3--N濃度之和為TIN濃度; DO、pH值、溫度:WTW/Multi 3420測定儀;掃描電鏡:Hitachi S-4300掃描電子顯微鏡; CODCr:按中國國家環保局和美國環境總署發布的標準方法測定;掃描電鏡(SEM)樣品制備:固定、沖洗、脫水、置換、干燥、粘樣、鍍膜.取出反應器內鮑爾環生物膜載體,使用PBS清洗2~3次后,經2.5%戊二醛固定1.5h,再用PBS清洗3遍,隨后經體積分數分別為50%, 70%, 80%, 90%和100%的乙醇進行梯度脫水,每次脫水10~15min,然后用乙酸異戊酯置換,置換后的樣品于37℃干燥.干燥后,在樣品表面鍍上一層厚度為1500nm的金屬膜,使用Hitachi S?4300型掃描電鏡對樣品進行觀察.

FNA的計算公式參照文獻[13].

式中:為溫度(℃).

2 結果與討論

2.1 SNAD生物膜脫氮性能

2.1.1 SNAD生物膜的厭氧氨氧化和反硝化活性 SNAD生物膜的厭氧氨氧化活性結果如圖3所示.生物膜具有良好的厭氧氨氧化活性.初始NH4+-N和NO2--N濃度都為70mg/L,隨著反應的進行, NH4+-N和NO2--N濃度逐漸降低, NO3--N濃度逐漸上升. △NO2--N/△NH4+-N= 1.45, △NO3--N/△NH4+-N=0.29,和Strous等[6]的研究結果相近.厭氧氨氧化NH4+-N、NO2--N和TIN去除速率分別為0.121, 0.180和0.267kg N/(kg VSS·d). SNAD生物膜的反硝化活性結果如圖4所示.反硝化活性為0.211kg NO2--N/(kg VSS·d).

Strous等[14]的研究表明當氧分壓超過0.5%的空氣飽和度時,厭氧氨氧化菌的活性將會受到抑制.溶解氧的存在也不利于反硝化菌的代謝生長.本研究曝氣和混合階段反應器內的平均溶解氧濃度分別為5.6和0mg/L. SNAD生物膜仍具有良好的厭氧氨氧化活性和反硝化活性.可能的原因為本研究厭氧氨氧化菌和反硝化菌位于SNAD生物膜的內部,生物膜對溶解氧的傳質具有阻礙作用[15],有助于緩解溶解氧對厭氧氨氧化菌和反硝化菌的抑制作用;同時,AOB傾向于生長在生物膜的外表面,厭氧氨氧化菌傾向于生長在生物膜的內部[16]; AOB和異養菌對于溶解氧的消耗有助于維持生物膜內部較低的溶解氧濃度[17];此外,本研究SNAD生物膜反應器采用間歇曝氣運行方式,厭氧氨氧化菌和反硝化菌可以在厭氧混合階段進行活性恢復,有助于緩解曝氣階段高溶解氧的抑制作用[18].

2.1.2 SNAD生物膜亞硝態氮氧化活性 SNAD生物膜的亞硝態氮氧化活性結果如圖5所示. SNAD生物膜的亞硝態氮氧化活性較低,其值為0.053kg NO2--N/(kg VSS·d). SNAD生物膜反應器曝氣階段采用間歇曝氣模式(曝氣20min/混合20min),曝氣和混合階段反應器內的平均溶解氧濃度分別為5.6和0mg/L. Jardin等[19]的研究表明溶解氧濃度為1.0mg/L時,控制曝氣和非曝氣時間分別為8和18min,可以有效地抑制SNAD反應器內NOB的活性. Gilbert等[20]的研究表明NOB從厭氧環境進入好氧環境需要經過15~20min的遲滯期才能發揮出活性. SNAD生物膜表面的AOB和異養菌對于溶解氧的消耗和生物膜對溶解氧的傳質阻礙也有助于維持生物膜內部較低的溶解氧濃度,從而抑制NOB的活性[15,17].Morales等[15]通過微電極分析了SNAD顆粒污泥內部的溶解氧濃度,當溶液中的溶解氧濃度分別為4mg/L和8mg/L時,在顆粒污泥內部150mm和250mm處,溶解氧的濃度降低為0mg/L.此外,生物膜內反硝化菌和厭氧氨氧化菌對亞硝態氮的利用也有助于抑制NOB的活性. Van der Star等[21]的研究表明厭氧氨氧化菌和反硝化菌對NO2--N的親和能力比NOB更強.基于以上有利條件, SNAD生物膜中的NOB活性得到了一定程度的抑制,但是NOB的活性沒有得到完全抑制. Gilbert等[20]的研究表明在間歇曝氣工況下,高溶解氧濃度有助于提高NOB活性,減少NOB從缺氧進入好氧的適應時間.本研究曝氣階段SNAD生物膜反應器內的溶解氧濃度較高,可能會減小間歇曝氣工況對NOB的抑制作用,需進一步研究在較低溶解氧濃度下間歇曝氣工況對NOB活性的抑制特性.

2.2 NO2--N濃度對厭氧氨氧化NH4+-N去除速率的影響

NO2--N濃度對厭氧氨氧化NH4+-N去除速率的影響如圖6所示.批試過程中NH4+-N濃度的變化情況如圖7所示.隨著NO2--N濃度的增加, NH4+-N去除速率逐漸減小. NH4+-N去除速率的最大值和最小值分別為0.099和0.009kg N/(kg VSS·d).當NO2--N濃度分別為100和150mg/L時,NH4+-N去除速率分別為0.087和0.029kg N/(kg VSS·d),分別為最大NH4+-N去除速率的87.4%和29.6%.

Strous等[6]的研究表明, NO2--N濃度達98mg/L時即可完全抑制厭氧氨氧化活性. Egli等[9]的批試研究表明當NO2--N濃度為180mg/L時,厭氧氨氧化反應經過3d時間才開始發生. Tang等[10]的研究表明在設置出水回流的工況下,進水NO2--N濃度為360mg/L時, UASB厭氧氨氧化顆粒污泥反應器去除效果良好,當進水NO2--N濃度超過700mg/L時,厭氧氨氧化活性受到抑制,出水水質惡化.Kimura等[11]的研究表明采用包埋材料固定厭氧氨氧化菌,進水NO2--N濃度為430mg/L時,厭氧氨氧化活性被抑制37%;當進水NO2--N濃度為750mg/L時,厭氧氨氧化活性被完全抑制.本研究厭氧氨氧化菌對NO2--N的耐受能力優于其他研究結果[6-9].可能的原因是本研究中的厭氧氨氧化菌位于SNAD生物膜的內部,生物膜對NO2--N的傳質存在阻礙作用,有助于降低NO2--N對厭氧氨氧化的抑制作用.但是本研究厭氧氨氧化菌對NO2--N的耐受能力比Tang等[10]和Kimura等[11]的研究結果要差.原因可能為本研究采用生活污水培養SNAD生物膜,反應器內的NO2--N濃度長期低于10mg/L,厭氧氨氧化菌沒有適應高NO2--N濃度的抑制.而且SNAD生物膜由亞硝化菌,厭氧氨氧化菌和反硝化菌等微生物組成,生物膜的厚度只有1~2mm,相對于厭氧氨氧化顆粒污泥和包埋材料, SNAD生物膜上厭氧氨氧化菌密度和胞外聚合物較少.研究表明在細胞密度較高時,厭氧氨氧化菌的生長速率更快,活性更高[22].Tan等[23]的研究表明細胞在高度聚集的條件下,基因表達能力更強,有助于增加對不利環境的適應能力.

Fernández等[24]的研究表明,FNA濃度為11μg/L時,生物膜的厭氧氨氧化活性被抑制50%. Puyol等[25]的動力學研究表明,FNA對顆粒污泥厭氧氨氧化活性的抑制常數為117μg/L.本研究FNA對厭氧氨氧化活性的抑制特性和Puyol等[25]的研究較為相近.近年來, Puyol和Lotti等的研究表明NO2--N (而不是FNA)對厭氧氨氧化活性起主要抑制作用[8,25]. Lotti等[8]的研究表明,厭氧氨氧化菌的生物膜由梯烷脂構成,有助于阻止FNA進入細胞內部.因此, NO2--N和FNA對SNAD生物膜厭氧氨氧化活性的抑制作用有待于進一步深入研究.

2.3 pH值對SNAD生物膜厭氧氨氧化活性的影響

圖8為不同pH值條件下SNAD生物膜厭氧氨氧化氮素濃度變化情況.不同pH值條件下SNAD生物膜厭氧氨氧化總無機氮去除速率如圖9所示.實驗研究的pH值范圍為4~9.當pH值為8時,厭氧氨氧化總無機氮去除速率達到最大值0.265kg N/(kg VSS·d);當pH值為4時,厭氧氨氧化總無機氮去除速率最小,其值為0.013kg N/(kg VSS·d);當pH值為5,6,7和9時,厭氧氨氧化總無機氮去除速率相差不大,其值分別為0.223,0.225,0.230,0.193kg N/(kg VSS·d). Strous等[26]的研究表明厭氧氨氧化適宜的pH值范圍為6.7~8.3,最大反應速率出現在8.0附近. Egli等[9]的研究表明厭氧氨氧化發生的pH值范圍為6.5~9.0,最大反應速率出現在8.0附近.本研究結果和Strous等[26]的研究結果較為接近,但是本研究厭氧氨氧化適宜的pH值范圍更寬,可能的原因是厭氧氨氧化菌位于生物膜的內部,生物膜對氫離子的傳遞存在阻礙作用,有助于緩解pH值對厭氧氨氧化菌的抑制作用.相關研究也表明生物膜有助于緩解外界不利環境對厭氧氨氧化菌的抑制作用[27].

2.4 微生物形態

鮑爾環的掃描電鏡照片如圖10所示,在鮑爾環的外表面主要為短桿菌,短桿菌大小約為0.5mm′1mm.鮑爾環內表面主要為火山口狀細菌,直徑為0.8~1.2mm,這些火山口狀細菌應為厭氧氨氧化菌,和其他研究一致[28].郭建華等[29]的研究表明亞硝化反應器中的AOB形態為短桿菌.但是,Xu等[30]的研究表明當反應器內的溶解氧為5mg/L時,在亞硝化顆粒污泥表面的細菌形態主要為球狀菌和棒狀菌.因此僅僅采用SEM無法準確辨別細菌的種類,需要進一步做分子生物學的研究.

3 結論

3.1 SNAD生物膜具有良好的厭氧氨氧化和反硝化活性.厭氧氨氧化NH4+-N、NO2--N和TIN去除速率分別為0.121, 0.180和0.267kg N/(kg VSS·d);反硝化和亞硝態氮氧化活性分別為0.211和0.053kg NO2--N/(kg VSS·d).

3.2 SNAD生物膜中的厭氧氨氧化菌對NO2--N和FNA的抑制作用表現出良好的耐受能力.厭氧氨氧化NH4+-N去除速率最大值和最小值分別為0.099,0.009kg N/(kg VSS·d).當NO2--N濃度分別為100,150mg/L時,對應的FNA濃度分別為70,100μg/L, NH4+-N去除速率分別為0.087,0.029kg N/(kg VSS·d).

3.3 SNAD生物膜厭氧氨氧化適宜的pH值范圍為5~9.當pH值為8和4時,厭氧氨氧化總無機氮去除速率分別取得最大值[0.265kg N/(kg VSS·d)]和最小值[0.013kg N/(kg VSS·d)].生物膜對氫離子的傳遞存在阻礙作用,有助于緩解pH對厭氧氨氧化菌的抑制作用.

3.4 在鮑爾環的外表面主要為短桿菌,短桿菌大小約為0.5mm′1mm.鮑爾環內表面主要為火山口狀細菌,直徑為0.8~1.2mm,這些火山口狀細菌應為厭氧氨氧化菌.

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Nitrogen removal performance of SNAD biofilm cultured by domestic wastewater.

ZHENG Zhao-ming, LI Jun*, HOU Ai-yue, MA Jing, DU Jia, ZHAO Bai-hang, YANG Jing-yue

(National Engineering Laboratory for Advanced Municipal Wastewater Treatment and Reuse Technology, Engineering Research Center of Beijing, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China).

The nitrogen removal performance of simultaneous partial nitrification, anaerobic ammonium oxidization and denitrification (SNAD) biofilm was investigated in batch tests. The SNAD biofilm performed good anammox and denitrification activities. The NH4+-N, NO2--N and total inorganic nitrogen (TIN) removal rates of anammox activity were 0.121, 0.180 and 0.267kg N/(kg VSS·d), respectively. The denitrification and nitrite oxidation activities were 0.211 and 0.053kg NO2--N/(kg VSS·d), respectively. The suitable pH ranges for anammox activity were 5.0 to 9.0. The the inhibition effect of pH on the anammox bacteria could be largely relieved by biofilm. Besides, the SNAD biofilm was found to perform high tolerance to the inhibition of NO2--N and free nitrous acid (FNA). The NH4+-N removal rates for anammox process were 0.087 and 0.029kg N/(kg VSS·d)with the NO2--N concentrations of 100mg/L (FNA concentration of 70μg/L) and 150mg/L (FNA concentration of 100μg/L), respectively. The SEM observations indicated that the bacteria in the outer part of the SNAD biofilm were mainly short rod-shaped. In the inner part of the SNAD biofilm, the bacteria were mainly crater-shaped, which should be anammox bacteria.

SNAD biofilm；nitrogen removal performance；anammox；nitrite；effect of pH

X703.5

A

1000-6923(2017)04-1322-09

2016-08-01

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2014ZX 07201-011);國家自然科學基金青年基金(51308010);教育部博士點新教師(20131103120017);北京市博士后工作經費資助項目(2015ZZ-10)

鄭照明(1989-),男,浙江嵊州市人,北京工業大學博士研究生,主要研究厭氧氨氧化,亞硝化脫氮和SNAD工藝.發表論文6篇.

* 責任作者, 教授, jglijun@bjut.edu.cn

, 2017,37(4)：1322~1330