厌氧氨氧化反应已被广泛应用于污水的脱氮处理,具有无需外加碳源、处理成本低、能源消耗小等优点。
厌氧氨氧化菌的增殖速率较慢,系统的启动周期较长。 通过在反应器内装载填料来提升反应器对厌氧氨氧化菌的持留能力,被认为是一种快速有效富集厌氧氨氧化菌的方法。 例如沸石、竹炭、无纺布、聚氨酯海绵等填料的应用能快速启动厌氧氨氧化系统,并提高系统的脱氮效果和抗基质负荷冲击能力。 赵少康在一中试反应器中装入 K3 填料后,系统的启动时间仅为 40 d,最大氮去除负荷为 0. 67g·( L·d) - 1。 活性炭也是一种常见的无机生物载体,其与 K3 填料的组合对 ANAMMOX 系统的启动及脱氮效果的影响尚未被研究。
另外,有研究表明,在厌氧氨氧化 UASB 反应器中,沿高程基质去除能力表现出很大的不同。 ZHANG等发现,进水 NH +4 -N 为 100 mg·L - 1时,75%的进水基质在距反应器底部 3 ~ 13 cm 处被消耗,高于 13cm 处总氮的含量保持在 40 ~ 70 mg·L - 1。 但不同进水基质浓度下的反应器内基质浓度分布及厌氧氨氧化菌的含量需深入研究。
本文对比了装载 2 种不同填料的 UASB 反应器的厌氧氨氧化系统启动及运行过程,研究了不同的进水基质浓度和反应器内部高度对基质的分布及微生物群落组成的影响,研究结果为厌氧氨氧化 UASB 系统在实际生产中的应用提供理论依据和技术支持。
1 材料与方法
1. 1 实验装置
2 个厌氧氨氧化 UASB 系统( R1 和 R2 )如图 1所示。 反应器外径为 14 cm,内径 10 cm,有效体积均为 8. 8 L。 反应器外设保温层,并控制进水 pH 在7. 2 ~ 7. 8。 R1 添加的填料为载活性炭基 K3 填料,R2 添加的是普通 K3 填料,填料的直径 25 mm,高 10mm,比表面积为 620 m2·m - 3,2 反应器内部添加的填料约占其有效体积的 62% ,活性炭购自河南佰诚水处理材料有限公司,球状,研磨成粉末状使用。
1. 2 实验用水
实验室配制的模拟废水除了 NH4Cl 和 NaNO2(按需配制) ,还有营养盐: KHCO 1. 25 g · L - 1,CaCl2 3. 6 g·L - 1,MgSO4·7H2O 0. 3 g·L - 1,KH2 PO4 0. 01 g·L - 1。 微量元素组成:(Ⅰ) EDTA 15 g·L - 1,FeSO4 5 g·L - 1; (Ⅱ) EDTA 15 g·L - 1,MnCl2 ·4H2O 0. 99 g·L - 1,CuSO4 ·5H2O 0. 25 g·L - 1,CoCl2·6H2O 0. 24 g·L - 1, ZnSO4 ·7H2O 0. 43 g·L - 1, NiCl2 ·6H2O 0. 19 g·L - 1, NaMoO4 ·2H2O0. 22 g·L - 1。
1. 3 接种污泥
R1 与 R2 的接种污泥均是硝化污泥与消化污泥按 1 ∶ 1 混合而成的混合污泥(混合后污泥 SS = 10. 00g·L - 1) 。 硝化污泥( SS = 17. 40 g·L - 1,絮状,黄褐色) 取自某污水处理站缺氧池污泥,消化污泥( SS =3. 56 g·L - 1,絮状,黑色)取自某垃圾焚烧厂内消化池污泥。
1. 4 实验测定项目及方法
NH +4 -N,纳氏试剂分光光度法;NO -3 -N,紫外分光光度法;NO -2 -N,N-( 1-萘基) -乙二胺光度法; pH,PHSJ-4F 型 pH 计;SEM 的测定参照 XU 等的方法。
16S rDNA 测序:利用提取 DNA 的试剂盒对样品进行 DNA 提取,之后再用 1%琼脂糖凝胶电泳对抽提的基因组 DNA 进行检测,然后进行 PCR 扩增,采用 Miseq 测序平台的引物:515F ( 5′-GTGCCAGCMGC-CGCGG-3′)和 907R(5′-CCGTCAATTCMTTTRAGTTT-3′) ,随后对 PCR 产物进行 2% 琼脂糖凝胶电泳检测,使用 AxyPrepDNA 凝胶回收试剂盒(AXYGEN 公司)切胶回收 PCR 产物,荧光定量后构建 Illumina 平台文库。
1. 5 实验方案
表 1 和表2 分别为反应器 R1 和 R2 的运行操作过程。 2 反应器初始进水 NH +4 -N 浓度均设在50 mg·L - 1,各阶段稳定后提高进水基质浓度,最终 NH +4 -N 的进水浓度为 450 mg·L - 1,2 反应器进水 NH +4 -N 和NO -2 -N 的比例一直控制在 1 ∶ 1. 32,除去初始的污泥驯化适应阶段,水力停留时间 HRT 均保持在 12 h。
表 1 R1 反应器的运行操作条件
表 2 R2 反应器的运行操作条件
2 结果与分析
2. 1 不同填料的厌氧氨氧化系统的启动及运行
R1 和 R2 反应器的启动及长期运行结果见图2。 在 R1 反应器启动的前 50 d 为污泥的驯化适应过程,进水 NH +4 -N 浓度设在 50 mg·L - 1,NO -2 -N 为65 mg·L - 1,通过调节 HRT 提高进水总氮负荷至242. 04 mg·( L·d) - 1,NH +4 -N 和 NO -2 -N 的去除率分别达到 99%和 90% ,反应器达到稳定,NO -2 / NH +4及 NO -3 / NH +4 的值为 1. 17 和 0. 19,略低于理论值1. 32 和 0. 26。 与 R1 相比,R2 反应器内污泥的适应时间更长,其达到相似的进水负荷和基质去除率需 86 d。
当 R1 反应器运行至 86 d 时,见图 2( a)和( b) ,此时进水 NH +4 -N 升至 150 mg· L - 1, NH +4 -N 和NO -2 -N 的出水浓度分别为 15 和 18 mg·L - 1,去除率均稳定在 90% ,容积氨氮去除负荷和总氮去除负荷分别为 270 和 583. 51 mg· ( L· d ) - 1。 有研究表明,氨氮去除负荷高于 200 mg· ( L·d) - 1;或者总氮去除负荷超过 500 mg·( L·d) - 1;或者 NH +4 -N 和 NO -2 -N 去除率可以稳定在 90% 以上均可作为厌氧氨氧化反应器成功启动的判断标准。 因此,R1 在第 86 天成功启动。 如图 2 ( c)和( d)所示,R2 在运行到第 100 天,氨氮去除负荷和总氮去除负荷分别为 275 和 581. 61 mg·( L·d) - 1,NH +4 -N 和 NO -2 -N 的去除率分别为 90. 97% 和 90. 06% ,故认为此时 R2 启动成功。 在启动成功时肉眼观察 2 个反应器,它们内部及填料表面均出现了少量红色颗粒污泥,证明厌氧氨氧化菌已开始在填料上挂膜生长。 为此,本研究 R1 和 R2 的厌氧氨氧化成功启动时间分别为 86 d 和 100 d,这与文献[15-17]报道的添加填料的 ANAMMOX 反应器相比,启动时间基本相同甚至更短。 此外,本实验启动成功时 R1 和 R2的进水总氮负荷为 0. 71 g·( L·d) - 1,相比之前的研究更大,这不仅说明填料有助于 ANAMMOX 反应器快速有效的启动,而且体现了涂有致密活性炭的K3 填料的优越性。
图 3 为 R1 和 R2 填料的外形图和表面 SEM 测试结果,涂有活性炭的填料表面结构更复杂,比表面积更大,活性炭内部的厌氧的微孔为厌氧氨氧化菌提供了优越的生长环境,致密的网状结构和粗糙的表面提高了吸附能力,有利于微生物持留在填料表面。
启动成功后,进一步提高进水基质负荷,考察系统脱氮性能。 R1 在 87 ~ 134 d 期间,进水 NH +4 -N 浓度逐步提至 450 mg·L - 1,进水容积氮负荷由 943. 79mg·( L·d) - 1提升至 2 155. 67 mg·( L·d) - 1,第134 天时,反应器内 NH +4 -N、NO -2 -N、NO -3 -N 的出水浓度分别为 8. 40、8. 11、110. 96 mg·L - 1,NH +4 -N 和 NO -2 -N 的去除率分别为 98. 12% 和 98. 66% ,总氮去除负荷为1 855. 43 mg·( L·d) - 1。 第135 天后,继续提高基质浓度,随着容积氮负荷的升高,反应器内容积基质氮的去除速率逐渐下降,故认为第 134 天时反应器厌氧氨氧化系统已接近最大去除能力。 同理，R2 运行至170 d 时,反应器也基本达到最大去除能力状态,此时,NH +4 -N、NO -2 -N、NO -3 -N 的出水浓度分别为 14. 24、10. 00、110. 05 mg·L - 1,NH +4 -N 和 NO -2 -N 的去除率分别为 96. 81% 和 97. 88% ,总氮去除负荷为 1 815. 12 mg·( L·d) - 1。
研究发现,反应器启动成功后,R1 对进水基质浓度和水力负荷冲击的适应能力要高于 R2(如图 2( a)和( c)所示) ,R2 在 100 ~ 134 d 时,NH +4 -N 和 NO -2 -N 的去除率明显下降,维持在 80%左右,而同进水负荷下 R1 中未发现明显的异常,这说明相比于普通填料,载有活性炭的 K3 填料更有助于提高反应系统的稳定性及抗基质浓度冲击负荷的能力,填料表面更大的比表面积和复杂的空间构造更有利于污泥的吸附使其不易脱落。
2. 2 R1 中不同高度的基质净化性能及微生物群落结构变化
选取 R1 反应器为研究对象,重点研究低进水 NH +4 -N 浓度(50、100 mg·L - 1)和高进水 NH +4 -N 浓度(350、450 mg·L - 1)下沿程基质浓度和 pH 的变化。 取样口共计 8 个,距进水口 0 cm 处的高度分别为 7、17、27、37、47、57、67 和 77 cm,结果见图 4。 当进水 NH +4 -N 浓度较低时(≤100 mg·L - 1) ,约 70% 的基质氮在反应器内 0 ~ 7 cm 处得到去除,这与 ZHANG 等报道的一致。 随着进水 NH +4 -N 浓度提升至350 mg·L - 1,甚至 450 mg·L - 1,氮的去除主要集中在 17 ~ 37 cm 处,这种变化可能是因为进水高浓度基质使得反应器底部厌氧氨氧化菌受到抑制,从而使得较高处反应更加明显,虽然基质浓度随高度逐渐降低,但对比低浓度(≤100 mg·L - 1) ,高进水基质浓度下反应器同一位置还是残留着较高浓度的基质,抑制作用仍不可忽视,故每10 cm 高的基质浓度下降未出现明显的骤降。 另外,进水 NH +4 -N 浓度从50 mg·L - 1提升至 450 mg·L - 1时,该期间反应器 37 cm 以上区域厌氧氨氧化反应都比较弱,约 80% ~ 90% 的进水基质氮的去除发生在反应器 0 ~ 37 cm 处,这说明,利用传统 UASB 运行厌氧氨氧化反应,其容积利用效率较差。
高通量分析结果见图 5。 在第 106、116 和 126 天,分别从反应器不同高度处取泥,共计 12 个样,进行高通量测序,其中 AMX_5 / 6 / 7,AMX_5_1 / 6_1 / 7_1,AMX_5_2 / 6_2 / 7_2,AMX_5_3 / 6_3 / 7_3 分别对应取样口高度 7, 37, 27, 17 cm。 结果表明,在同一进水NH +4 -N 浓度下,ANAMMOX 菌所属的 Planctomycetes(浮霉菌门)在不同高度下的含量与去除率有着紧密的联系,例如,进水 NH +4 -N 浓度 200 mg·L - 1时,菌群含量在反应器底部 7、17 cm 处较 27、37 cm 略高,7cm 处浮霉菌门所占比例最大,为 7. 8% ;然而,当进水 NH +4 -N 浓度提至250、350 mg·L - 1时,高度27、37cm 处所含 ANAMMOX 菌含量相对较高,2 种浓度下浮霉菌所占最大比例均在 27 cm 处,为 6. 1% 。
结合图 4 可知,不同的反应器高度处,厌氧氨氧化菌的生长速率也不同,进水氮浓度较低时,ANAM-MOX 反应集中在反应器底部,大量的菌群在此富集生长,因此氮的去除效果较好,随着进水 NH +4 -N 浓度的提高,反应器底部(0 ~ 7 cm)受到的基质抑制作用增强,ANAMMOX 菌向反应器更高处富集,进水氮的去除集中在 17 ~ 37 cm 处。
2. 3 R1 运行过程中微生物群落的变化
本研究选取了反应器高度 7 cm 处的 3 个不同阶段污泥进行 16S rRNA 测序,见图 6。 反应初始阶段,R1 内未检测到厌氧氨氧化菌的存在,启动成功后,进水 NH +4 -N 浓度 200 mg·L - 1时,反应器内被发现只形成了 Candidatus Brocadia 这一种厌氧氨氧化菌,进一步提升进水 NH +4 -N 浓度至 450 mg·L - 1时,Candi-datus Kuenenia 首次被发现,而且优势菌种由 Candidatus brocadia(100% )变成 Candidatus Jettenia(50% )和Candidatus Kuenenia(30% )的混合菌种。 有报道指出 Candidatus brocadia 可能属于 r-对策(生长率高但基质亲和力差),而 Candidatus Kuenenia 可能属于 k-对策(生长率低但基质亲和力好)。 CHEN 等在启动厌氧氨氧化系统时发现优势菌种由 Candidatus brocadia 变为 Candidatus Kuenenia,其推测的原因是反应器内存在的反硝化菌与 ANAMMOX 菌共同竞争 NO -2 ,导致基质氮浓度较低。 目前,在厌氧氨氧化启动过程中菌种改变的原因还未有定论,需要做进一步分析。具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。
3 结论
1)装载不同填料(载活性炭 K3 填料和普通 K3填料)的 2 个厌氧氨氧化 UASB 反应器 R1 和 R2 分别在 86 d 和 100 d 启动成功,经过了 134 d 和 170 d的长期运行,系统基本达到最大去除能力状态(进水NH +4 -N 浓度均为 450 mg·L - 1) ,R1 和 R2 最大氮去除负荷分别达到 1. 855 和 1. 815 g·( L·d) - 1,反应器的脱氮效果稳定.
2)在 R1 中,进水 NH +4 -N 浓度较低(≤100 mg·L - 1)时,约 70% 进水基质氮在距反应器底部 0 ~ 7cm 处得到去除,进水 NH +4 -N 浓度较高( > 350 mg·L - 1)时,基质氮的去除主要集中在 17 ~ 37 cm 处。去除率越高的区域其厌氧氨氧化菌种的组分也越高。
3)R1 在 134 d 长期运行中微生物的种群结构组分也发生了变化,优势菌种由启动时的 Candidatusbrocadia 变为 Candidatus Jettenia 和 Candidatus Kuene-nia 的混合菌种。
