懸浮填料對(duì)厭氧氨氧化MBR運(yùn)行的影響特性及機(jī)理

張志強(qiáng),關(guān) 笑,呂 鋒,夏四清

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懸浮填料對(duì)厭氧氨氧化MBR運(yùn)行的影響特性及機(jī)理

張志強(qiáng)1,2*,關(guān) 笑1,2,呂 鋒1,2,夏四清1,2

(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092；2.上海污染控制與生態(tài)安全研究院,上海 200092)

向厭氧氨氧化(anammox)膜生物反應(yīng)器(MBR)投加懸浮填料,考察其對(duì)反應(yīng)器脫氮性能和膜污染的影響特性,并探究了相關(guān)機(jī)理.試驗(yàn)結(jié)果表明,投加填料后,反應(yīng)器脫氮性能良好.當(dāng)進(jìn)水氨氮(NH4+-N)160mg/L、亞硝態(tài)氮(NO2--N)180mg/L時(shí),出水NH4+-N和NO2--N均在15mg/L以下,硝態(tài)氮(NO3--N)在30mg/L以下,總氮去除率可達(dá)90%.投加填料顯著減輕了膜污染,跨膜壓差(TMP)穩(wěn)定在8kPa左右.混合液中溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)和胞外聚合物(EPS)成分分析結(jié)果表明,在第67~149d,蛋白質(zhì)總量、多糖總量和總有機(jī)碳總量分別下降了49%、43%和61%,它們濃度的下降有利于延緩膜污染;此外,懸浮填料對(duì)膜組件的機(jī)械碰撞也起到了物理清洗作用.高通量測(cè)序結(jié)果顯示,懸浮填料生物膜在anammox菌相對(duì)豐度方面顯著高于混合液污泥,說明anammox菌更適宜于附著生長(zhǎng),投加填料可以為其提供更加穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境.

厭氧氨氧化；MBR；懸浮填料；脫氮；膜污染

厭氧氨氧化(anammox)是一種新型生物脫氮技術(shù),具有無需曝氣、無需投加碳源、投堿量低及剩余污泥量少等優(yōu)勢(shì),在未來污水脫氮的實(shí)際應(yīng)用中潛力巨大[1-2].然而, anammox菌存在生長(zhǎng)速度緩慢、倍增時(shí)間長(zhǎng)(8~11d)、對(duì)環(huán)境非常敏感等不足,導(dǎo)致菌種富集培養(yǎng)緩慢且工藝啟動(dòng)周期長(zhǎng),極大制約了該工藝的推廣應(yīng)用[3-4].提高反應(yīng)器的細(xì)菌截留能力和延長(zhǎng)污泥停留時(shí)間均有利于anammox菌的富集[5].近年來,許多研究者利用膜生物反應(yīng)器(MBR)實(shí)現(xiàn)了anammox的較快啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行[6-7].然而,膜污染是MBR不可忽視的問題.目前,控制膜污染的方法包括對(duì)膜材料進(jìn)行改性、增大污泥粒徑、利用曝氣或水流沖刷和投加填料等[8-10].向反應(yīng)器中投加填料不僅可以降低膜污染,還可以提高系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力,使反應(yīng)器的脫氮效果更加穩(wěn)定[11].有研究者比較了投加不同填料時(shí)anammox菌掛膜性能,并考察了反應(yīng)器脫氮性能[2].也有研究者對(duì)投加填料后反應(yīng)器的膜污染情況進(jìn)行了研究,并分析了膜表面造成膜污染的物質(zhì)[10].這些研究主要集中在投加填料后反應(yīng)器的性能和膜污染的結(jié)果上,而填料對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行的影響機(jī)理有待明確.本文在考察懸浮填料對(duì)厭氧氨氧化MBR脫氮性能和膜污染影響的基礎(chǔ)上,從反應(yīng)器混合液中溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)和胞外聚合物(EPS)的濃度變化以及微生物群落結(jié)構(gòu)(混合液污泥、懸浮填料生物膜)等多角度探究了懸浮填料對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行的影響機(jī)理.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置及其運(yùn)行條件

厭氧氨氧化MBR實(shí)驗(yàn)裝置主體(圖1)由有機(jī)玻璃制成,呈圓柱體,內(nèi)徑為12cm,高為30cm,總體積為3.4L,有效容積為3.0L,上方設(shè)有膜組件,依靠抽吸泵達(dá)到連續(xù)式膜出水.膜組件由40根孔徑為0.02μm的聚偏氟乙烯中空纖維超濾膜組成.該實(shí)驗(yàn)裝置外層設(shè)有夾層,利用水浴加熱裝置使反應(yīng)器的溫度穩(wěn)定在(35±1)℃.進(jìn)水瓶和反應(yīng)器上方設(shè)有氣袋,用來平衡整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)外氣壓,保證體系處于嚴(yán)格厭氧環(huán)境.反應(yīng)器下方設(shè)有磁力攪拌器,保證反應(yīng)器內(nèi)混合均勻.控制系統(tǒng)用來控制進(jìn)水泵和出水泵的運(yùn)行情況,保證液位處于正常水平.真空表用來檢測(cè)跨膜壓差(TMP)的變化,反映反應(yīng)器中膜污染的情況.整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置用錫箔紙包裹,避光.啟動(dòng)之前,反應(yīng)器內(nèi)曝半小時(shí)N2以保持厭氧環(huán)境.試驗(yàn)中投加的填料為高密度聚乙烯材質(zhì),規(guī)格為F10×8,比重為(0.96± 0.02)g/cm3,填料填充比為20%(填料堆積體積/反應(yīng)器有效容積).當(dāng)生物膜附著在表面后,其比重與水相近,在水體中呈懸浮狀態(tài).投加填料后,通過內(nèi)循環(huán)的方式對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行攪拌,以保證反應(yīng)器內(nèi)混合均勻.

圖1 厭氧氨氧化MBR反應(yīng)器示意

1.進(jìn)水瓶;2.膜組件;3.氣袋;4.進(jìn)水泵;5.控制系統(tǒng);6.液位器;7.水浴加熱層;8.磁力攪拌器;9.真空表;10.出水泵;11.循環(huán)泵;12.出水瓶

1.2 進(jìn)水水質(zhì)和接種污泥

采用人工模擬廢水作為反應(yīng)器的進(jìn)水,以氨氮(NH4+-N)和亞硝態(tài)氮(NO2--N)共同作為微生物生長(zhǎng)的氮源,分別由NH4Cl和NaNO2提供,濃度隨實(shí)驗(yàn)進(jìn)程而改變.其它成分如下:KH2PO4為50mg/L,MgSO4·7H2O為150mg/L,KHCO3為500mg/L,CaCl2為136mg/L,Fe-EDTA溶液為1.25ml/L,微量元素溶液為1ml/L.其中,Fe-EDTA溶液組成如下:EDTA為300mg/L,FeSO4·7H2O為500mg/L,H2SO4為0.05ml/L;微量元素溶液組成如下:EDTA為15000mg/L,H3BO4為14mg/L, MnCl2·4H2O為990mg/L,ZnSO4·7H2O為430mg/L, (NH4)6Mo7O24·4H2O為177mg/L, CoCl2·6H2O為240mg/L, CuSO4·5H2O為250mg/L,NiCl2·6H2O為199mg/L,NaSeO3·5H2O為152mg/L, Na2WO4·2H2O為50mg/L.接種污泥來自課題組運(yùn)行一個(gè)月的反應(yīng)器中的anammox污泥約1200mL和某公司中試實(shí)驗(yàn)中處理垃圾滲濾液的anammox污泥500mL,接種后反應(yīng)器內(nèi)混合液的SS約為4.69g/L,VSS約為3.95g/L.

1.3 分析方法

反應(yīng)器進(jìn)、出水水質(zhì)檢測(cè)方法如下:NH4+-N用納氏試劑分光光度法測(cè)定(Shimadzu, UV- 2700), NO2--N用N-(1萘基)-乙二胺分光光度法法測(cè)定(Shimadzu, UV-2700),NO3—N用離子色譜法測(cè)定(Dionex, ICS-1000),TN濃度以NH4+- N、NO2--N和NO3--N濃度之和表示, pH值利用便攜式多參數(shù)分析儀測(cè)定(Hach, HQ40d).

將反應(yīng)器混合液在6000g離心5min,取上清液經(jīng)0.45μm濾膜過濾得到SMP,采用改進(jìn)的熱提取法依次提取松散結(jié)合態(tài)胞外聚合物(LB- EPS)和緊密附著態(tài)胞外聚合物(TB-EPS).測(cè)定SMP、EPS的蛋白質(zhì)、多糖和總有機(jī)碳濃度[12].蛋白質(zhì)用穩(wěn)定型Lowry法蛋白濃度測(cè)定試劑盒測(cè)定(Sangon biotech, NO.C504051),多糖用苯酚-硫酸法測(cè)定[13],總有機(jī)碳利用總有機(jī)碳分析儀測(cè)定(Shimadzu, TOC-LCPH).

在反應(yīng)進(jìn)行了200多天時(shí),分別從反應(yīng)器混合液污泥和懸浮填料生物膜取微生物樣本.利用試劑盒(Omega, E.Z.N.ATM Mag-Bind Soil DNA Kit)按照其說明書上的操作步驟提取微生物樣本DNA.利用Qubit2.0DNA檢測(cè)試劑盒對(duì)基因組DNA精確定量后,用V3-V4通用引物進(jìn)行第一輪擴(kuò)增,隨后引入Illumina橋式PCR兼容引物進(jìn)行第二輪擴(kuò)增,最后利用Illumina MiSeq平臺(tái)對(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行高通量測(cè)序研究.

2 結(jié)果與討論

2.1 懸浮填料對(duì)厭氧氨氧化MBR運(yùn)行的影響特性

2.1.1 厭氧氨氧化性能 考察了反應(yīng)器運(yùn)行162d的脫氮性能(圖2),在整個(gè)過程中,系統(tǒng)未進(jìn)行排泥,pH值基本在7.5~8.5之間.在接種污泥的初期,反應(yīng)器未投加填料,污泥以懸浮態(tài)生長(zhǎng),HRT設(shè)置為24h.采用較低的總氮濃度和總氮負(fù)荷啟動(dòng)反應(yīng)器,之后逐步提高.在第1~42d,反應(yīng)器表現(xiàn)出良好的脫氮性能.出水NH4+-N和NO2--N濃度都在15mg/L以下.當(dāng)進(jìn)水NH4+-N由110mg/L提升至160mg/L左右、進(jìn)水NO2--N由120mg/L提升至180mg/L左右時(shí),出水硝態(tài)氮濃度升高,但仍保持在30mg/L以下.運(yùn)行至第43d時(shí)向反應(yīng)器中投加填料,進(jìn)水總氮濃度保持不變,微生物開始在填料上掛膜生長(zhǎng).反應(yīng)器出水NH4+-N和NO2--N濃度依然在15mg/L以下,硝態(tài)氮濃度也在30mg/L以下,說明投加填料之后,隨著生物膜形成,反應(yīng)器脫氮性能總體穩(wěn)定.根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,固定生長(zhǎng)的anammox菌具有更高的耐沖擊負(fù)荷的能力[10,14],因此在第48d進(jìn)一步提高進(jìn)水總氮濃度.將進(jìn)水NH4+-N濃度提升至210mg/L, NO2--N濃度提升至240mg/L,出水NH4+-N濃度和NO2--N濃度隨之升高.從第53d開始,通過逐步延長(zhǎng)水力停留時(shí)間來降低進(jìn)水總氮負(fù)荷,最長(zhǎng)延長(zhǎng)至135h,出水NH4+-N濃度和NO2--N濃度相應(yīng)降低.隨著反應(yīng)器的穩(wěn)定,后期將HRT縮短至48h.

圖2 懸浮填料對(duì)厭氧氨氧化MBR出水氮素濃度的影響

懸浮填料對(duì)厭氧氨氧化MBR氮素負(fù)荷和氮素去除率的影響如圖3所示.在投加填料前,總氮去除率基本保持在85%以上,NH4+-N和NO2--N的去除率分別保持在85%和90%以上.在運(yùn)行過程中進(jìn)水的總氮負(fù)荷(NLR)不斷提高,由開始啟動(dòng)時(shí)的0.18kg TN/(m3·d)增加到了0.35kg TN/(m3·d).相應(yīng)地,總氮去除負(fù)荷(NRR)也不斷增大,由開始啟動(dòng)時(shí)的0.16kg TN/(m3·d)增加到了0.30kg TN/(m3·d).投加填料后,在進(jìn)水NH4+-N濃度和NO2--N濃度保持不變的情況下,NH4+-N和NO2--N的去除率均在95%左右,總氮去除率為85%~90%.當(dāng)進(jìn)水NH4+-N提升至210mg/L,NO2--N提升至240mg/L時(shí),NH4+-N和NO2--N的去除率下降.保持進(jìn)水總氮濃度不變,當(dāng)總氮負(fù)荷降低至0.19kg TN/(m3·d)以下時(shí),NH4+-N和NO2--N的去除率仍可達(dá)到95%以上,總氮去除率可達(dá)90%.

圖3 懸浮填料對(duì)厭氧氨氧化MBR氮素去除率的影響

2.1.2 膜污染 在膜系統(tǒng)運(yùn)行過程中,膜污染是一個(gè)不可避免的問題.隨著TMP的逐漸升高,系統(tǒng)出水量急劇減少,會(huì)嚴(yán)重影響膜分離效率[15].由圖4可知,在未投加填料的階段,TMP呈直線上升趨勢(shì);經(jīng)過5d的運(yùn)行,TMP便達(dá)到了10kPa以上.在第30d,TMP已達(dá)到20kPa,反應(yīng)器此時(shí)已經(jīng)發(fā)生了較嚴(yán)重的膜污染.在運(yùn)行第43d時(shí),對(duì)膜組件進(jìn)行物理和化學(xué)清洗,并在組裝膜組件的同時(shí)向反應(yīng)器中投加填料.許新迪等[16]通過自循環(huán)曝氣控制厭氧氨氧化MBR的膜污染,將膜的使用周期由4d延長(zhǎng)到38d.而由圖4可知,在投加填料后近120d的運(yùn)行過程中,未對(duì)膜進(jìn)行清洗,TMP始終在8kPa上下波動(dòng),沒有進(jìn)一步地升高,這表明懸浮填料的投加可以有效地控制膜污染,為反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行提供一定的保障[10].吳鵬等[17]的研究也表明添加顆粒填料比間歇曝氣更有效地延緩了膜污染.

2.2 懸浮填料對(duì)厭氧氨氧化MBR運(yùn)行的影響機(jī)理

2.2.1 混合液中SMP和EPS濃度 微生物的生長(zhǎng)代謝過程中分泌的SMP及EPS是由蛋白質(zhì)、多糖、腐殖質(zhì)、核酸等物質(zhì)構(gòu)成的復(fù)雜混合物,能夠在膜表面形成一種高含水性的膠狀體[18-19].較高濃度的SMP和EPS會(huì)使反應(yīng)器混合液粘度增加,溶解性物質(zhì)增多,造成膜通量下降,進(jìn)而影響MBR的運(yùn)行[16].由于厭氧MBR中污泥濃度更高、污泥停留時(shí)間更長(zhǎng),膜污染問題更為嚴(yán)重[20].此外,厭氧MBR中由于沒有曝氣的沖刷作用,更容易形成泥餅層,這也加速了膜污染[8].

為了探究懸浮填料有效控制厭氧氨氧化MBR膜污染的機(jī)理,考察了投加填料后不同時(shí)間混合液中SMP和EPS蛋白質(zhì)、多糖及總有機(jī)碳的含量.在第67d、第89d和第149d采集混合液,分別對(duì)其SMP、LB-EPS和TB-EPS成分進(jìn)行分析,結(jié)果如表1所示.在投加填料之后,反應(yīng)器污泥混合液中SMP和EPS的濃度整體上都呈現(xiàn)下降趨勢(shì).在第67~149d,蛋白質(zhì)總量下降了49%,多糖總量下降了43%,總有機(jī)碳的含量下降了61%.由此可以得出,填料的投加降低了反應(yīng)器混合液中SMP和EPS的濃度,從而將TMP控制在一定范圍,有效控制了反應(yīng)器的膜污染情況.

另外,在內(nèi)循環(huán)的攪拌作用下,填料在反應(yīng)器內(nèi)不斷運(yùn)動(dòng),其對(duì)膜組件的機(jī)械碰撞也起到了物理清洗的效果,使得造成膜污染的物質(zhì)不易附著在膜絲表面,難以形成濾餅層.因此,在反應(yīng)器投加填料后,即使由于水質(zhì)波動(dòng)等原因造成了跨膜壓差的短暫上升,也會(huì)由于填料的沖刷作用去除部分濾餅層,從而將跨膜壓差控制在一定范圍內(nèi).

表1 厭氧氨氧化MBR混合液中SMP和EPS的成分分析

2.2.2 微生物群落結(jié)構(gòu) 為了探究投加填料對(duì)反應(yīng)器中微生物群落結(jié)構(gòu)的影響,在厭氧氨氧化MBR運(yùn)行200多天后,對(duì)混合液污泥和懸浮填料生物膜的微生物進(jìn)行測(cè)序研究,以分析其微生物群落組成的差異.

混合液污泥和懸浮填料生物膜的微生物在門水平上的組成及相對(duì)豐度如圖5所示,其主要菌群種類類似,各菌群的相對(duì)豐度存在一定的差異.在2種樣品中擬桿菌門(Bacteroidetes)都是優(yōu)勢(shì)菌種,基于16S rRNA基因的系統(tǒng)發(fā)育分析表明anammox菌共有5個(gè)屬9個(gè)菌種,都屬于浮霉菌門(Planctomycetes)[4],其相對(duì)豐度均排第2位,分別為15.90%和24.19%,可以看出懸浮填料生物膜上浮霉菌門微生物的相對(duì)豐度明顯高于混合液污泥.

為了進(jìn)一步確定混合液污泥和懸浮填料生物膜的微生物菌種的差異性,考察了它們?cè)趯偎缴系慕M成及相對(duì)豐度,結(jié)果如圖6所示.厭氧氨氧化常見的菌屬包括、和等,其中是厭氧氨氧化MBR中的主要功能菌屬.由圖6可知,在混合液污泥和懸浮填料生物膜中的相對(duì)豐度分別為14.73%和22.50%.與門水平上的分析結(jié)果一致,在懸浮填料生物膜中的相對(duì)豐度高于在混合液污泥中的相對(duì)豐度,這與其他研究者的結(jié)論也是一致的.劉思彤等[21]利用定量PCR和熒光雜交技術(shù)對(duì)運(yùn)行一段時(shí)間的SBR反應(yīng)器中微生物進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)器壁生物膜中的anammox菌含量明顯高于混合液污泥.另外,污泥樣品中也檢測(cè)出少量和,它們?cè)诨旌弦何勰嘀械南鄬?duì)豐度分別為0.22%和0.09%,在懸浮填料生物膜中的相對(duì)豐度分別為0.27%和0.25%.可以看出,這2種菌屬在懸浮填料生物膜中的相對(duì)豐度也高于混合液污泥中的相對(duì)豐度.綜合來看, anammox菌傾向于聚集生長(zhǎng).向反應(yīng)器中投加填料可以為anammox菌提供更好的生長(zhǎng)環(huán)境,有利于anammox菌的富集.

圖5 微生物群落在門水平上的組成及相對(duì)豐度

圖6 微生物群落在屬水平上的組成及相對(duì)豐度

3 結(jié)論

3.1 投加懸浮填料至厭氧氨氧化MBR后,反應(yīng)器保持了良好的脫氮性能.當(dāng)進(jìn)水NH4+-N為160mg/L、進(jìn)水NO2--N為180mg/L時(shí),出水NH4+-N和NO2--N濃度均在15mg/L以下,硝態(tài)氮濃度在30mg/L以下,總氮去除率為85%~90%.將進(jìn)水NH4+-N濃度提高至210mg/L,NO2--N濃度提高至240mg/L,反應(yīng)器在進(jìn)水總氮負(fù)荷低于0.19kg TN/(m3·d)時(shí),總氮去除率可達(dá)90%.

3.2 投加懸浮填料顯著減輕了厭氧氨氧化MBR的膜污染.反應(yīng)器在投加填料后運(yùn)行的近120d中,TMP穩(wěn)定在8kPa左右.懸浮填料作為微生物載體降低了混合液中SMP和EPS濃度,在第67~149d,蛋白質(zhì)總量下降了49%,多糖總量下降了43%,總有機(jī)碳下降了61%.填料對(duì)膜的機(jī)械碰撞也有效緩解了膜污染.

3.3在懸浮填料生物膜中的相對(duì)豐度明顯高于其在混合液污泥中的相對(duì)豐度,說明anammox菌傾向于聚集生長(zhǎng),投加填料可以為anammox菌提供一個(gè)更加穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境,有利于anammox菌的富集.

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Influencing characteristics and mechanisms of suspended carriers on anammox MBR performance.

ZHANG Zhi-qiang1,2*, GUAN Xiao1,2, Lü Feng1,2, XIA Si-qing1,2

(1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, Key Laboratory of Yangtze River Water Environment, Ministry of Education, College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China；2.Shanghai Institute of Pollution Control and Ecological Security, Shanghai 200092, China)., 2018,38(3)：929~934

The influencing characteristics and mechanisms of suspended carriers on nitrogen removal and membrane fouling were investigated by adding the carriers into a membrane bioreactor (MBR) inoculated with anaerobic ammonia oxidation (anammox) bacteria. The results showed that the reactor was of good nitrogen removal performance after adding the carriers. Both ammonia nitrogen (NH4+-N) and nitrite nitrogen (NO2--N) in the effluent were under 15mg/L, nitrate nitrogen (NO3--N) in the effluent was under 30mg/L, and total nitrogen removal efficiency reached 90%. Adding the carriers into the reactor effectively mitigated membrane fouling, and the transmembrane pressure (TMP) was stabilized at about 8kPa. The analyses results of soluble microbial products (SMP) and extracellular polymeric substances (EPS) in the mixed liquid showed that total amounts of proteins, polysaccharides and total organic carbon decreased by 49%, 43% and 61%, respectively from day 67 to day 149, which was beneficial to mitigate membrane fouling. Besides, mechanical collision of the carriers onto the membrane modules also played a physical cleaning role. The high-throughput sequencing results showed that the relative abundance of anammox bacteria in the carrier biofilm was significantly higher than that in the mixed sludge, indicating that the anammox bacteria were more suitable for attachment growth, and the suspended carriers could provide a more stable growth environment for the community.

anammox；MBR；suspended carriers；nitrogen removal；membrane fouling

X703.1

A

1000-6923(2018)03-0929-06

張志強(qiáng)(1980-),男,江西南昌人,副教授,博士,研究方向?yàn)樗廴究刂婆c資源化.發(fā)表論文70余篇.

2017-08-10

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助(2017YFC0403400);污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題資助(PCRRE16019);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目

* 責(zé)任作者, 副教授, zhiqiang@tongji.edu.cn