不同接种污泥ABR厌氧氨氧化的启动特征

2017-03-15 04:18:20 10

  厌氧氨氧化菌(anaerobic ammonium oxidation,ANAMMOX)生长速度缓慢[1],在选择启动反应器时需考虑其具有较好的生物截留能力,保证足够的菌群. 而ABR反应器具有可耐受较高的污染负荷、 良好的生物截留能力、 易于固液分离、 易形成颗粒污泥等特点,其对培养增殖速度缓慢的厌氧氨氧化菌具有优势,已经应用于厌氧氨氧化反应的启动和研究[2,3].

  厌氧污泥如反硝化污泥,厌氧颗粒污泥等[4, 5, 6]均已成功应用于厌氧氨氧化的启动. 相较于絮状污泥,颗粒污泥可有效减少微生物从反应器中流失,以保证足够的生物量. 但是颗粒污泥培养过程缓慢,严重阻碍了其应用. 本文以ABR反应器为厌氧氨氧化的启动反应器,分别接种完全絮状厌氧污泥、 厌氧颗粒/絮状混合污泥,考察两个厌氧氨氧化反应器启动过程的差异、 添加部分颗粒污泥对絮状污泥形成颗粒污泥的诱导效应,并初步明确启动过程中反应器对污泥的截流率以及稳定后各隔室对氮素去除的贡献率,以期为厌氧氨氧化的启动提供参考. 1 材料与方法 1.1 实验装置

  实验采用的ABR反应器由有机玻璃制成. 反应器长37.5 cm,宽8 cm,高度33 cm,持水高度26.5 cm,有效容积6.36 L. 反应器分为5个隔室,每隔室升流区降流区格间宽度比为4 ∶1,折流板导向角45°(见图 1). 反应器整体密封保证厌氧,每隔室的上部使用橡胶管来排除产生的气体,橡胶管采用水封,反应器整体用遮阳塑料膜遮住避光. 采用恒流蠕动泵控制进水,反应器放置于水浴中,利用温度控制器维持反应器温度30~35℃.

  图 1 ABR反应器装置示意

  1.2 接种污泥

  本研究采用两种污泥,污泥1:取自UASB反应器的厌氧颗粒污泥,污泥浓度52.5 mg ·mL-1,污泥2:城市污水处理厂A2/O工艺的厌氧污泥,污泥浓度102mg ·g-1. 采用2个相同的ABR反应器,第一个反应器(R1反应器)接种污泥1和污泥2的混合污泥,按照1 ∶3质量比混合,分别为2 250 mL的絮状厌氧污泥和386 g的厌氧颗粒污泥; 第二反应器(R2反应器)接种污泥2共3 000 mL的絮状厌氧污泥. 污泥在ABR反应器各隔室均匀接种,接种后R1、 R2反应器中混合液的污泥浓度相同(以MLSS值表示),均为24.8g ·L-1.

  1.3 反应器运行条件

  两个ABR反应器运行条件相同. 反应器HRT设置在26 h,采用人工配水,进水的pH值为7.5±0.5,其组分包括(NH4)2SO4,NaNO2,以及KH2PO4 0.027g ·L-1,MgSO4 ·H2O 0.300g ·L-1,CaCl2 0.136g ·L-1,KHCO3 0.5g ·L-1,微量元素Ⅰ、 Ⅱ. 参照文献[7]配制,按每1 L配水添加1 mL微量元素Ⅰ、 Ⅱ. NO2--N浓度过高会抑制厌氧氨氧化菌的活性[8],逐渐提高进水氮素的浓度提高进水的基质负荷,促进厌氧氨氧化菌的增长[9,10]. 1~68 d,NO2--N与NH4+-N浓度以1 ∶1配置,负荷控制在54.5 g ·(m3 ·d)-1(表 1); 69~114 d提高进水负荷,两者负荷控制在62.3 g ·(m3 ·d)-1; 在第3阶段后期NO2--N基本全部去除,而NH4+-N还有部分未被去除,在114~170 d提高NO2--N负荷为68.0 g ·(m3 ·d)-1,NH4+-N负荷维持在62.3 g ·(m3 ·d)-1,以期通过添加NO2--N负荷来去除NH4+-N,增强总氮的去除率.

  表 1 启动过程中氮负荷的变化

  1.4 测定项目与方法

  启动过程中每天采集进出水水样,成功启动后采集每个格室水样,分析NH4+-N、 NO2--N和NO3--N. 同时,测定接种污泥及启动成功时每个格室污泥浓度(MLSS). NH4+-N:采用纳氏试剂光度法,NO2--N:采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法,NO3--N:采用紫外分光光度法,MLSS采用重量法[11]. 2 结果与讨论

  R1和R2反应器均成功启动了ANAMMOX反应,启动耗时分别为120 d和125 d. R1和R2反应器的启动规律相似,根据NH4+-N的去除规律可将两个反应器的启动过程分为4个阶段,分别为菌体水解期(出水NH4+-N高于进水,NO2--N基本被去除)、 活性停滞期(出水NH4+-N基本等于进水,出水NO2--N升高)、 活性提高期(NH4+-N、 NO2--N大幅度且同比例降低)和稳定运行期(NH4+-N、 NO2--N的去除率稳定,基本达到90%以上). 这与Yang等[12]对ANAMMOX启动过程的研究结果一致. 但是,有研究者将ANAMMOX启动过程分为3个阶段[13, 14, 15],为活性迟滞期,活性提高期以及稳定运行期,虽然比本研究少1个阶段,但启动过程氮素的去除规律基本一致.

  2.1 进出水水质

  2.1.1 R1反应器的启动特征

  (1)菌体水解期(PhaseⅠ: 1~15 d)

  运行开始前2 d,出水较浑浊,第1、 2 d出水的污泥浓度(以MLSS表示)为0.61、 0.35 g ·L-1. 但是,第3 d开始出水澄清,未检测到SS流失,表明ABR反应器对污泥具有较好的持留作用. 从水质来看,启动过程的前15 d出水NH4+-N明显高于进水,而出水NO2--N的含量基本为零(图 2),跟其他学者的研究结果基本一致. 孟凡能等[16]接种好氧颗粒污泥、 厌氧颗粒污泥、 氧化沟/短程硝化活性污泥组成的混合污泥启动厌氧氨氧化反应,在前11 d,NH4+-N出水亦大于进水,但NO2--N去除量可达0.02 kg ·(m3 ·d)-1,认为主要是菌体的溶酶作用导致了出水NH4+-N高于进水,溶酶作用产生的有机物以及接种污泥带入的有机物可作为电子供体反硝化还原NO2--N,促进NO2--N被高效去除[17].

  图 2 启动过程中水质变化及氮去除率变化

  (2)活性停滞期(PhaseⅡ: 15~74 d)

  该阶段出水NH4+-N浓度不断下降,但依旧高于或基本等于进水NH4+-N浓度. 从出水NO2--N浓度来看,前27 d依旧保持很低(低于0.1 mg ·L-1),去除率均达99%以上,反硝化作用依旧很强. 然而,从第28 d开始,出水NO2--N浓度不断升高,最高达31 mg ·L-1,去除率不断降低,最低达到44.57%. 这是因为第Ⅰ阶段的溶酶作用产生的有机物以及污泥中含有的有机物不断被消耗,反硝化作用降低造成出水NO2--N 浓度的升高[18].

  (3)活性提高期(PhaseⅢ: 75~119 d)

  从75 d开始,出水NH4+-N不断降低,去除率不断升高,最高达86.2%; 出水NO2--N的浓度开始降低,去除率持续升高,在第92 d恢复到99.4%. 在该阶段,NH4+-N和NO2--N大幅度被消耗,表明ANAMMOX开始显现[19].

  (4)稳定运行期(PhaseⅣ: 120~170 d)

  反应器运行到120 d,NH4+-N、 NO2--N去除率都高达97%,此后出水基本稳定,表明反应器启动成功. 稳定运行期间,NH4+-N、 NO2--N负荷分别为62.3 g ·(m3 ·d)-1、 68 g ·(m3 ·d)-1,平均去除率分别高达97.4%、 99.7%,厌氧氨氧化反应器的培养阶段结束.

  2.1.2 R2反应器启动特征

  R2反应器的启动特征与R1基本相似,但也存在差异. 从污泥截流来看,R2反应器前3 d的污泥浓度(以MLSS表示)2.74、 1.12、 0.56 g ·L-1,从第4 d开始出水未检测到SS,R1反应器比R2具有更好的截流污泥能力,这也是接种颗粒污泥的优势.

  从启动的过程和污染物去除特征来看,R2反应器的菌体水解期持续时间较R1多13 d,且在前3 d的出水NH4+-N浓度都高于R1,尤其第1 d出水NH4+-N高达94.5 mg ·L-1,推测是R1反应器接种的颗粒污泥来自于工业废水UASB反应器,有机物和有机氮含量高所致. 但是,活性停滞期的持续时间相对R1较短,仅37 d,NO2--N浓度升高,最高达29.1 mg ·L-1,去除率仅为41.3%~66.4%. R2反应器在第62 d进入活性提高期,较R1提前12 d,该阶段出水NH4+-N不断减低,去除率不断升高,最高达94.2%; 同时NO2--N去除率也大幅度升高,在82 d恢复到99.4%,此后维持在99%左右. 在第125 d,R2反应器运行进入稳定运行期,NH4+-N平均去除率92.0%,略低于R1; NO2--N平均去除率和R1相近,达99.9%. 同时,从污泥截流率看(该时段反应器总污泥量除以接种污泥量),R2反应器居于劣势,平均污泥截留率仅为33.6%,而R1反应器的平均污泥截留率为41.9%,表明接种具有良好沉降性能的颗粒污泥可有效减少污泥的流失,截留ANAMMOX微生物,促进其富集.

  R1反应器进入活性提高期的时间较晚,而进入稳定期的时间较早,推测是R1反应器接种的颗粒污泥来自于工业废水UASB反应器,以人工配水为底物进行驯化,活性恢复较为困难,所需复活时间长. 但是由于颗粒污泥的沉降性能较好,流失较少,活性一旦恢复,微生物的基数大,增长的也快,较于R2反应器提前进入稳定期,稳定运行期R1对NH4+-N的去除率略高于R2. 总体来说,即使R1污泥截留量明显高于R2,两者表现出厌氧氨氧化活性的时间相差不大,均取得良好的脱氮效果,说明接种污泥的不同并未造成ABR厌氧氨氧化反应器的启动规律和污染物去除特征有明显差异.

  不管是R1还是R2反应器,启动耗时基本接近,在120 d左右,这与许多研究者的研究结果一致[20,21]. 如朱月琪等[2]在ABR反应器内接种厌氧河流底泥,在4个月内成功启动厌氧氨氧化,稳定运行时NH4+-N和NO2--N的容积负荷分别为31.9 g ·(m3 ·d)-1和31.2 g ·(m3 ·d)-1,平均的去除率达85.2%和98.2%. 本研究中R1和R2反应器的启动时间与其研究接近,但对底物的平均去除率均略高,这可能与接种的污泥、 容积负荷、 pH及其他不可复制的环境因素相关.

  2.2 3种氮素之间的定量关系

  目前,学术界普遍接受的ANAMMOX菌分解合成的总计量化学式如式(1)所示[1].

  由式(1),厌氧氨氧化反应中NH4+-N与NO2--N的消耗量,以及NO3--N的生成量理论比值为1 ∶1.32 ∶0.26. 然而,不同研究者得出的结论之间存在着差异,冯平等[22]研究结果表明,稳定运行阶段三者之间的比值为1 ∶1.44 ∶0.26; 而彭绪亚等[23]采用两套UASB反应器启动ANAMMOX反应,稳定时三者比值分别为1 ∶(1.1~1.2) ∶ (0.25~0.45) 和 1 ∶(1.1~1.2) ∶(0.30~0.40),可能是接种污泥的性质、 pH等环境的不可复制性导致的差异.

  本实验中,R1、 R2达到稳定运行后三者的比值分别为1 ∶1.16 ∶0.21和1 ∶1.27 ∶0.36,这与Strous等[1]的研究结果有一定差异. 两个反应器中NH4+-N与NO2--N消耗量的比值分别为1 ∶1.16和1 ∶1.27,均低于理论值,可能是反应器进水未进行有效除氧,导致部分NH4+-N被亚硝化菌和硝化菌转化为NO2--N和NO3--N,使得NO2--N与NH4+-N消耗量比值小于理论值. 但是在NO3--N生成量与NH4+-N生成量之间,两个反应器存在差异,R1反应器略小于理论值,推测稳定期R1反应器中可能还存在反硝化作用,这主要是因为UASB颗粒污泥有机质含量较高,且颗粒污泥菌体释放有机物的速率较慢所致[24]; 但是,R2反应器高于理论值,具体原因还有待分析.

  2.3 格室间的氮素去除规律

  对稳定期间各格室氮素去除规律分析发现(图 3),R1反应器中NH4+-N和NO2--N基本在第一格室已被去除,去除率均高达99%以上,其余4个隔室并未起到作用. R2反应器的去除规律有所不同,第一格室虽然对NO2--N和NH4+-N具有较大的去除作用,NO2--N去除率高达99%,NH4+-N去除率85%,但其余4个格室对NH4+-N亦有去除作用,贡献率为7%. 从NO3--N 的生成量及每个格室的变化情况看,均在第一格室生成NO3--N,且R1第一格室生成量比R2第一格室高8.3 mg ·L-1,随后NO3--N均被逐渐消耗部分,且两个反应器的消耗量基本相同. 监测稳定运行时的各格室的污泥浓度发现(表 2),R2反应器污泥浓度总体低于R2反应器,尤其第一格室的污泥浓度比R2反应器的第一格室的污泥浓度低34%,两个反应器对氮的去除存在一定的差异,造成该结果的原因很多,如污泥的性质及污泥量、 生物量等,但具体原因有待进一步研究.

  图 3 稳定运行时水质变化

  表 2 稳定运行时的各格室的污泥浓度

  接种的厌氧颗粒污泥和厌氧絮状污泥分别是黑色和灰黑色,启动成功时R1、 R2反应器的相对应格室的颜色相似,均是第一格室有少部分的红棕色,随着水流的方向颜色变化依次为少量红棕色 黄褐色 黑色,该现象与鲍林林等[25]研究相似. 而典型的ANAMMOX细胞中含有大量的细胞色素C而呈现红色[26],结合第一格室对氮素的大部分的去除,可认为该格室的红色菌群为ANAMMOX,且高于其他格室. 其余格室由于基质的浓度低导致ANAMMOX的富集度较低,颜色是黄褐色甚至最后格室仍保持原接种污泥颜色黑色,但对每个格室菌属类别仍需进一步的鉴定. 从污泥形态看,R2中污泥以不规则块状和絮状存在,R2中污泥是不规则块状、 絮状和部分颗粒污泥,可能由于水力负荷较低,没有足够的剪切力使得在ABR中诱导絮状污泥形成颗粒污泥,可尝试通过提高流速,增大剪切力来培养厌氧颗粒污泥.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。

   3 结论

  (1)接种厌氧絮状/颗粒混合污泥、 厌氧絮状污泥的ABR反应器,分别经过120 d和125 d均成功启动厌氧氨氧化反应,都经历了菌体水解期、 活性停滞期、 活性提高期和稳定运行期等4个阶段,稳定运行期间对NH4+-N和NO2--N的去除率均可达到90%以上,且NH4+-N、 NO2--N的平均去除负荷为57.3~67.9 g ·(m3 ·d)-1,R1在NH4+-N的去除负荷上略高于R2.

  (2)启动成功后,两个ABR反应器的第一格室均已去除90%以上的NH4+-N、 NO2--N,其余格室对氮的去除贡献率较小,这与污泥的颜色特征相一致,第一格室部分污泥呈少量红棕色,随着水流的方向颜色变化依次为少量红棕色 黄褐色 黑色.

  (3)以上表明,接种污泥的不同并未造成ABR厌氧氨氧化反应器的启动规律和污染物去除特征有明显差异.(来源及作者:苏州科技学院环境科学与工程学院 张海芹、王翻翻、李月寒、陈重军、沈耀良)

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