不同攪拌方式對厭氧氨氧化污泥復壯及運行影響

李 冬，曹正美，張 杰,2，張詩睿，李 帥,2

(1.水質科學與水環境恢復工程北京市重點實驗室(北京工業大學)，北京 100124；2.城市水資源與水環境國家重點實驗室(哈爾濱工業大學)，哈爾濱 150090)

研究表明，間歇攪拌方式使反應器保持較低的流化狀態形成較低的溶解氧環境，有利于抑制好氧硝化菌活性進而促進厭氧氨氧化菌生長[6].同時，厭氧氨氧化菌具有密度依賴性，只有當厭氧氨氧化細胞濃度達1010～1011cell/mL，厭氧氨氧化活性才能表現出來[7].間歇攪拌方式運行時在停止攪拌期間，顆粒污泥沉降到底部，反應系統中的厭氧氨氧化菌在較小體積內細胞濃度較高從而提高細菌活性，此時反應器中水流相對靜止，污泥所接觸的溶解氧較低，促進形成厭氧狀態；在攪拌期間，顆粒污泥與基質溶液充分接觸進行反應，適當地排出產生的氣體，防止污泥上浮，并且提供剪切力促進顆粒污泥的形成.然而，相對于連續攪拌方式，間歇攪拌方式可能會使系統中的污泥與基質溶液接觸不充分，其運行的脫氮效果有待進一步研究.

本實驗結合上述分析采用3個SBR反應器，攪拌方式分別為連續攪拌、間歇攪拌、間歇攪拌方式(R2、R3轉速不同)，探討不同攪拌方式對厭氧氨氧化污泥脫氮性能復壯及運行工況，以期為實際工藝及工況提供理論參考.

1 實 驗

1.1 接種污泥和實驗用水

本實驗采用人工配水，(NH4)2SO4提供氨氮，NaNO2提供亞硝態氮， NaHCO3提供進水堿度，其堿度與氮比為5，KH2PO4為2.5 mg/L，CaCl2為12.5 mg/L以及1.00 mL/L的微量元素；微量元素成分為：EDTA(15 g/L)，CoCl2·6H2O(0.25 g/L)，ZnSO4·7H2O(0.42 g/L)， CuSO4·5H2O(0.24 g/L)，MnCl2·4H2O(0.98 g/L)，H3BO4(0.015 g/L)，NiCl2·2H2O(0.020 g/L)，NaWO4·2H2O(0.060 g/L).

整個實驗過程分為復壯時期、提高負荷時期、穩定運行時期3個階段.污泥性能穩定后，增加進水基質濃度來提高進水負荷.在復壯時期，氨氮質量濃度約為50 mg/L，提高負荷時期和穩定時期，氨氮質量濃度為70 mg/L.配水基質氨氮、亞氮質量濃度按適當比例配制(由于實驗接種污泥中AOB菌的活性較高，提高了配水中的氨氮比例)，實驗測得進入反應器后的氨氮與亞氮質量濃度比約為1∶1.

1.2 實驗裝置及運行參數

采用3個2 L的SBR反應器，直徑為9 cm，排水比為80%，周期12 h，進水10 min，反應運行680 min，沉淀10 min，排水10 min，閑置10 min.實驗在室溫下進行，溫度在20～22 ℃，溫度由溫控器控制.pH在6.9～8.6.反應器進水、攪拌、排水由時控開關自動控制，內置攪拌機使泥水混合.反應器裝有pH、DO及溫度在線監測探頭.

根據攪拌功率P=Npρn3D5，其中P與n(轉速)相關，攪拌耗能W=Pt[8]，轉數=n×t，W與一定時間內轉數值相關.實驗設置3組反應器，R1、R2在一個周期內保持攪拌耗能一致(轉數相同)，對比探討不同攪拌方式對厭氧氨氧化系統運行影響，R2與R3作對比探討間歇攪拌方式不同攪拌轉速對厭氧氨氧化系統的運行影響.3個反應器攪拌方式的參數如表1所示.

表1 3個反應器的攪拌參數

1.3 分析方法

EPS處理及測定方法：取30 mL污泥樣品，配平，4 000g離心(常溫)10 min，去掉上清液，加入緩沖液(常溫)，恢復體積到30 mL，配平，4 000g離心(常溫)15 min，去掉上清液，將剩余樣品用緩沖液(常溫)恢復體積至30 mL，渦旋1 min使離心管底部污泥完全散開，60 ℃水浴加熱30 min，同時令離心機空轉降溫至4 ℃；樣品冷卻至接近室溫時，配平，20 000g離心20 min，4 ℃，上清液即為待測樣.采用苯酚硫酸法在490 nm波長下測定多糖質量分數，考馬斯亮藍法在595 nm波長下測定蛋白質量分數.

好氧氨氧化速率(RAOB)、厭氧氨氧化速率(RAnammox)等參數[9]按下式計算：

(ρin(TN)-ρef(TN))/2.04]×Q/V，

RAnammox=(ρin(TN)-ρef(TN))×Q/(2.04×V).

2 結果與討論

2.1 反應器脫氮性能及功能菌活性分析

2.1.1 反應器脫氮性能變化

圖1 3個反應器的氮質量濃度及氮去除率變化

隨著厭氧氨氧化菌占主要優勢，3個反應器進入了穩定時期，氨氮、亞硝酸鹽氮去除率均接近100%，化學計量比分別穩定在1∶1.17∶0.20、1∶1.22∶0.25、1∶1.21∶0.25，總氮去除率分別穩定在75.7%、78.3%、78.9%.相比R2、R3間歇攪拌方式運行的系統，R1系統中溶解氧較高，進而AOB活性相對R2、R3的活性較強，但R2、R3的脫氮性能沒有明顯差距，間歇攪拌方式更有利于厭氧氨氧化菌的穩定運行.研究[13]發現攪拌轉速在一定范圍內反應效果并沒明顯變化，且轉速越快攪拌器消耗功率越大.本研究中機械攪拌主要使污泥與溶液充分混合獲取底物，R2、R3的轉速可能在此范圍內對微生物沒有明顯的影響，從實驗結果同樣看出,在相同時間內攪拌轉速不同(轉速在100～140 r/min)對反應器的脫氮性能影響較小，且轉速小消耗功率低有利于高效節能.

2.1.2 反應器主要功能菌活性變化

通過計算單位體積反應器的RAnammox，間接說明厭氧氨氧化菌活性的變化情況，結果如圖2顯示.

復壯時期初，R2和R3的RAnammox在前2 d降低，RAOB較高，可能是由于階段初期厭氧氨氧化菌進入新的環境不適應，進水沒做去氧處理，AOB菌在有氧的條件下進行好氧硝化.R1的RAnammox幾乎為零，RAOB變化浮動較大，連續攪拌方式帶來較多的溶解氧，在厭氧氨氧化菌復壯初期提供的溶解氧已能夠抑制失穩厭氧氨氧化菌的活性，在溶解氧較高的條件下，AOB菌的活性提高，進而阻止厭氧氨氧化反應的進行.復壯后期，R2、R3的RAnammox由60.96 g/(m3·d)提升到73.56 g/(m3·d)左右，厭氧氨氧化菌活性逐漸提高.在連續攪拌方式運行的R1系統中，隨著厭氧氨氧化菌活性逐漸提高，硝化作用開始減弱，RAnammox穩定在48.95 g/(m3·d)，但是由于初期AOB菌的活性較高且連續攪拌方式提供的環境中溶解氧較高，AOB菌的活性不易降低，復壯時期末R1的RAOB為10.58 g/(m3·d)，比R2、R3的活性高，AOB菌的世代時間比厭氧氨氧化菌的世代時間短，生長速度快，進而使RAOB與厭氧氨氧化速率相差20 g/(m3·d)左右，R2、R3間歇攪拌系統的RAnammox都在68.2 g/(m3·d)左右，間歇攪拌方式運行系統R2、R3的攪拌轉速不同，可能是在此范圍內，攪拌轉速的變化對微生物沒有較大的影響，R2、R3的RAnammox相差較小.

圖2 3個反應器的主要功能菌活性變化

隨著氮負荷的提高，反應器內RAnammox逐漸提高，初期R2、R3的RAnammox相比R1的高，可知間歇攪拌方式更適合厭氧氨氧化菌生長，從而解釋上一節在提高負荷時期，R2、R3的氨氮、亞氮去除率降低幅度較小的結果.3個反應器的RAOB在提高負荷初期升高，可能是進水沒有去氧處理，基質濃度升高在短時間內好氧氨氧化去除效率較高.隨著反應運行，由于基質濃度提高，在短時間內脫氮性能不能大幅提高，出水氨氮質量濃度較高，形成較高的游離氨質量濃度，抑制了NOB菌的活性，從而促進RAnammox升高.脫氮性能穩定后，穩定時期R1、R2、R3 3個反應器的RAnammox分別穩定在88.99,89.80,92.88 g/(m3·d)左右，RAOB在5 g/(m3·d)以內.

2.2 周期實驗

反應器中功能菌的活性和系統的脫氮性能與反應器內DO和pH的變化有著密切聯系[11].為明晰間歇攪拌方式與連續攪拌方式中的系統反應工況，對3個反應器中DO、pH的變化進行了在線監測，同時也測了周期內的三氮變化，間接反映底物消耗的情況，從而明確菌種活性變化.3個反應器在穩定運行時期的一個典型周期內pH及DO變化和周期內的三氮質量濃度變化如圖3所示.

圖3 3個反應器的典型周期實驗pH、DO及三氮質量濃度變化

R1、R2、R3反應器內的DO在0.1 mg/L內維持了大約285,385,355 min后，DO曲線出現躍升，供AOB菌的底物已基本降解完，3個系統中溶解氧分別躍升到0.31,0.19,0.17 mg/L，R2、R3間歇攪拌方式形成水流的流化狀態較弱，使反應器呈較低溶解氧環境狀態時間較長，更適合厭氧氨氧化菌生長.隨著為厭氧氨氧化菌提供的基質底物消耗殆盡(氨氮、亞氮在5 mg/L以下)，R1、R2、R3反應器分別在530,610,585 min出現pH最高值的拐點，標志著厭氧氨氧化反應基本結束[14]，最終出水氨氮都消耗徹底，亞氮在2 mg/L以下.由DO曲線、pH曲線拐點可得，R1反應器最先出現DO、pH拐點，在提高負荷階段初期，出水氮素質量濃度比復壯時期高，pH快速提高進而提高FA質量濃度(約為0.61 mg/L)，有利于抑制NOB菌的活性[14-15]，從而提高R1的厭氧氨氧化速率.

2.3 顆粒污泥性能變化

2.3.1 污泥顆粒粒徑及沉降性變化

將3個反應器的顆粒粒徑和SV30進行觀測對比，以明晰不同運行方式下厭氧氨氧化顆粒污泥的污泥性能變化.

隨著厭氧氨氧化污泥活性恢復，厭氧氨氧化污泥增殖并加快顆粒污泥形成，污泥顏色逐漸趨于紅棕色，厭氧氨氧化菌活性提高，顆粒污泥粒徑變大，在恢復活性末期，R1、R2、R3的顆粒粒徑由329 μm分別增長為405,406,399 μm，SV30分別降為5.2%、5.2%、5.4%.

提高氮負荷之后，隨著基質濃度升高，提供厭氧氨氧化菌生長的底物增多，污泥生長速度比上一階段加快，分泌EPS物質增多[16]，顆粒污泥粒徑快速提高.間歇攪拌方式使污泥近似于飽食饑餓交替狀態，研究[16]表明在基質匱乏階段，污泥生長速度減慢，消耗自身的EPS，不易使顆粒污泥生長.而連續攪拌方式使污泥與基質長期接觸反應(有充足的底物)，進一步促進顆粒污泥生長.R2與R1轉速相同，但R1攪拌時間更長，R1比R2提供的剪切力更大；R3與R2攪拌時間相同，R2比R3的轉速更大，轉速大形成更強的流場強度[17]，相比R3，R2提供更大的剪切力；R1與R2轉速不同，但兩個轉速對微生物的活性差別較小，而R1比R2攪拌時間更長，其粒徑增長速度比R2的快，攪拌時間越長，越促進顆粒污泥的形成[18].研究[16]表明剪切力促進EPS中PN分泌，同時從上節可知，污泥與基質溶液持續接觸，處于飽食狀態，粒徑增長速率更快.從圖4可明顯看出，R1的粒徑增長速度比R2、R3的快，R1的SV30相比間歇攪拌方式運行的R2、R3系統低.在穩定運行時期末，R1、R2、R3的顆粒污泥平均粒徑為723，675，649 μm，SV30分別降低2%、2.3%、2.5%.

圖4 3個反應器的顆粒粒徑及沉降性變化

2.3.2 污泥EPS質量分數變化

厭氧氨氧化顆粒污泥EPS的質量分數及PN與PS比的組成變化如圖5所示.EPS在污泥顆粒化及維持顆粒污泥的結構穩定中起到重要作用，其受水質條件、反應器運行方式、基質消耗速率以及優勢菌種的代謝水平等因素影響.研究[16]表明，PN是影響厭氧氨氧化菌凝聚的關鍵性物質，厭氧氨氧化污泥EPS主要成分為PN.

圖5 3個反應器的污泥EPS變化

復壯時期初，由于外界條件變化，為維持顆粒污泥的穩定，PN質量分數升高，PS質量分數變化浮動不大，PN與PS比快速提高.反應器提高氮負荷后，研究[16]表明，充足的基質維持較高的厭氧氨氧化活性，進而污泥產生的EPS也不斷積累，PN與PS比緩慢升高，顆粒污泥粒徑增大.R2、R3間歇攪拌方式運行的系統，在停止攪拌期間，污泥沉降到反應器底部，底部污泥密度較大，溶液與污泥接觸面較小(近似于饑餓狀態)，在攪拌期間，污泥與基質溶液充分接觸，處于飽食狀態.基質充分時，污泥分泌的EPS質量分數 呈上升趨勢，基質匱乏時，污泥中部分EPS通過水解等作用釋放到溶液中，且部分可降解的EPS又被充當能源物質而消耗以維持細菌的正常代謝[16]，進而R2、R3在提高負荷初期PN質量分數的速度較慢，PN與PS比保持穩定.R1連續攪拌方式運行的系統，污泥長期接觸基質溶液，EPS質量分數不斷升高，PN與PS比呈上升趨勢，但由于接觸時間較長，產生的EPS過多，顆粒形成更快，粒徑增長速度更大[18].但過多EPS可能使顆粒污泥內部的氣體通道更易堵塞，實驗過程中觀察到少量顆粒污泥上浮于反應器表面，與Chen等[19]研究結果一致.隨著反應運行，3個反應器的EPS質量分數達到穩定，PN質量分數分別穩定在177，169，164 mg/g，PS質量分數分別穩定在72,73,72 mg/g.

3 結 論

1)在室溫條件下，間歇攪拌方式更有利于失穩的厭氧氨氧化菌復壯，恢復原有脫氮性能的時間僅為2 d.連續攪拌方式運行的系統中AOB菌活性較高，對厭氧氨氧化菌的活性恢復不利，復壯時間為10 d.間歇攪拌方式在相同時間內的不同轉速對反應器的脫氮性能變化影響較小，且轉速低有利于高效節能.R2、R3的厭氧氨氧化速率更高，更適合厭氧氨氧化菌生長.

2)周期實驗結果可看出，間歇攪拌方式形成的水流流化狀態較弱，使反應器呈較低溶解氧的時間較長，更易抑制AOB的活性，進而提高厭氧氨氧化菌的活性.

3)間歇攪拌方式使污泥與基質溶液近似處于飽食饑餓交替的狀態，產生EPS較慢，R1系統中污泥與基質溶液持續接觸，顆粒污泥粒徑增長速度較快.