董怡君,王淑瑩,汪傳新,張宇坤,彭永臻 (北京工業(yè)大學,北京市水質科學與水環(huán)境恢復工程重點實驗室,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)

短程硝化即實現(xiàn)AOB的富集以及NOB的抑制和淘洗,為當前脫氮領域研究的熱點[1-3].通過調控溫度、pH值、DO、FA、FNA、HRT等影響因素,可實現(xiàn)短程[4-7].因此,有必要對AOB和NOB分別富集培養(yǎng)以深入了解其種群性質以及動力學參數(shù).于莉芳等[8]用富含高氨氮的污泥水富集AOB和NOB,FISH分析結果顯示AOB占全菌總數(shù)的15.7%±3.7%,NOB占全菌總數(shù)的12.9%±3.2%;Chen等[9]用Membrane-Coupled Bioreactors(MBRs)工藝富集硝化細菌,FISH分析結果顯示Nitrosomonas(AOB的一個種,菌體呈桿狀或橢球狀)占全菌總數(shù)的60%,不含Nitrobacter; Vadivelu等[10-13]用SBR富集NOB,FISH分析結果顯示Nitrobacter占全菌總數(shù)73%.上述文獻中多側重研究全程硝化(AOB與NOB同時富集),或研究短程硝化(富集 AOB),由于其 NOB富集程度不高,不利于對 NOB動力學參數(shù)的研究.本驗側重富集NOB,并研究其特性,為準確測定NOB動力學參數(shù)打好基礎.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及運行方式

采用小試 SBR來富集 NOB,反應器容積為12L,其有效容積為 8L,反應器密封.裝置每天運行4個周期,每個周期時間為6h,其中進水10min,曝氣并攪拌5h,沉淀40min,排水10min.每次進水2L,水力停留時間為20h,溫度控制在(25±1); ℃曝氣量恒定為 0.12m3/h,溶解氧變化范圍為 5.4～8.4mg/L;攪拌轉速為 185r/min; pH 值在 7.2～7.7之間.

1.2 試驗用水及接種污泥

采用配水富集 NOB,原水為去離子水,以減少其他細菌或雜物進入系統(tǒng).以NaNO2作為唯一的能源,其進水濃度范圍為 150～1000mg/L.每升配水中,其他成分如下[10]:0.4g NaHCO3,1g KH2PO4,1.31g K2HPO4以及2mL的微量元素溶液.每升水中微量元素成分為[11]:1.25g EDTA,0.55g ZnSO4·7H2O,0.4g CoCl2·6H2O,1.275g MnCl2·4H2O,0.4g CuSO4·4H2O,0.05g Na2MoO4·2H2O,1.375g CaCl2·2H2O,1.25g FeCl3·6H2O,44.4g MgSO4·7H2O.接種污泥取自處理某大學居民區(qū)生活污水的中試 SBR,其污泥具有正常的硝化功能.

1.3 試驗方案

試驗共運行 65d,根據(jù)不同的運行狀況可分為 2個階段:第 1階段(0～38d),為提升負荷階段,進水亞硝酸鹽氮濃度為 150～800mg/L,在反應周期末系統(tǒng)中的亞硝酸鹽氮濃度小于0.2mg/L時提升進水濃度,即提升負荷,提高NOB的富集程度;第 2階段(39～65d),為穩(wěn)定運行階段,進水亞硝酸鹽氮濃度為800～1000mg/L.

1.4 檢測指標及分析方法

溫度、pH值和ρ(DO)采用德國WTW Multi 340i及相應傳感器在線檢測. ρ(NO2--N)、ρ(NO3--N)、ρ(MLSS)、ρ(MLVSS)等指標均采用國家規(guī)定的標準方法測定[14];污泥的沉降速度、含水率、平均粒徑等指標根據(jù)Beun等[15]的方法測定;采用Olympus-BX61型顯微鏡,對污泥形態(tài)及微生物相進行觀測,并通過 FISH技術對NOB進行定性及半定量分析;經(jīng)預處理后,采用FEIQuanta 200型掃描電鏡觀察污泥的微觀結構.

表1 試驗過程中FISH分析所用的探針序列、雜交緩沖液濃度及目標菌Table 1 FISH probes used, their target groups and hybridization conditions in this study

按照Amann等[16]的操作方法進行FISH分析.采用4%PFA,4℃條件下對污泥樣品固定2～3h.對固定后的污泥樣品超聲分散1min,將樣品滴加在明膠包被過的載玻片上,空氣中干燥后先后浸泡于50%、80%和98%的乙醇溶液中脫水3min.雜交緩沖液組成包括0.9mol/L NaCl、20mmol/L Tris/HCl,0.01% SDS和甲酰胺,pH值為7.2.將熒光標記的寡核苷酸探針溶解于雜交緩沖液中,在46℃下與污泥樣品雜交 2h.雜交結束后,采用洗脫緩沖液在48 ℃下洗脫20min.在干燥后的樣品上滴加抗熒光衰減液,對每個污泥樣品隨機拍攝20～25張照片(OlympusBX61熒光顯微鏡)用于定量分析.FISH分析所使用的探針序列、緩沖液濃度及目標菌見表1.

2 結果與討論

2.1 各階段進出水水質變化

由圖 1可以看出,亞硝酸鹽氮出水濃度初始時為32mg/L,在第4d降低到0.2mg/L以下并逐漸平穩(wěn),相應的其去除率也由 53.6%升高并逐漸趨近于 100%,直至富集 65d,亞硝酸鹽氮出水濃度一直在 0.2mg/L以下,相應的去除率也一直接近于100%.

圖1 富集過程中混合后NO2--N濃度、出水NO2--N濃度及其去除率變化情況Fig.1 Variations of initially mixed NO2--N concentration,effluent NO2--N concentration and removal rate of NO2--N during the experimental period

圖2 原水NO2--N濃度及比硝化速率變化情況Fig.2 Variations of NO2--N concentration of raw wastewater and specific nitrification rate

如圖 2所示,原水亞硝酸鹽氮的濃度由150mg/L逐漸增加至1000mg/L.在富集過程中,污泥中的NOB經(jīng)過4d的培養(yǎng)逐漸適應了生長環(huán)境的變化,反應時間內(nèi)可以完全氧化所添加的亞硝酸鹽,因此提高負荷.進水亞硝酸鹽氮的濃度由150mg/L逐漸增加至800mg/L時,NOB的富集程度逐漸升高,因此其比硝化速率持續(xù)增加,最大值為 131.03mg/(g MLVSS·h);而由 800mg/L 增加到1000mg/L時,比硝化速率開始降低.在穩(wěn)定運行20d后,比硝化速率開始增加并恢復.這是因為,原水亞硝酸鹽氮濃度為 1000mg/L時,進水混合后FNA濃度為0.0364mg HNO2-N/L,此濃度的FNA抑制了亞硝酸鹽的氧化,可能也會抑制 NOB的生長;而當維持進水亞硝酸鹽氮濃度為1000mg/L一段時間后,比硝化速率又有恢復,說明NOB可以適應此濃度的FNA.

圖3 第40d第2周期的NOx濃度、pH值及DO的變化情況Fig.3 Variations of NOx concentration, pH and DO at the second cycle of 40th day

污染物濃度每小時取樣1次,pH值及DO間隔5min讀數(shù)1次(圖3).為方便分析,將亞硝酸鹽降解完成的點稱為亞硝酸鹽拐點(NBP).在此周期內(nèi),亞硝酸鹽氮濃度值與時間的線性關系方程為 Y=-1.131X+199.2(R2=0.999),可看出亞硝酸鹽降解曲線線性程度很高,說明此反應為零級反應,亞硝酸鹽降解過程中一直以最大速率 umax進行.由圖3可以看出,pH值在整個反應周期內(nèi)基本沒有變化,維持在 7.5左右,這是由于在反應體系中有HCO3-存在,對pH的變化有緩沖作用,因此,反應過程中的 pH值基本不變.亞硝酸鹽氧化過程中,DO基本保持平衡,這是由于亞硝酸鹽氧化速率的小幅度變化導致耗氧速率變化程度較小,而供氧速率不變,因而會引起DO小幅度的變化;而當出現(xiàn) NBP點時,DO會有大幅度的上升,直至DO達到最大值后保持不變.

2.2 富集前后的菌群結構變化情況

經(jīng)過 65d的富集培養(yǎng),污泥濃度約為700mg/L.FISH 分析結果顯示(圖 4),接種污泥中Nitrospira占全菌總數(shù)的0.01%,Nitrobacter約占全菌總數(shù)的0.01%;而在培養(yǎng)65d后, Nitrospira約占全菌總數(shù)的5%,Nitrobacter約占全菌總數(shù)的80%.由此可見,NOB菌在活性污泥中占絕對優(yōu)勢.

圖4 接種污泥及培養(yǎng)65d后系統(tǒng)中活性污泥FISH分析Fig.4 The FISH analysis of inoculum and activated sludge after 65d for the cultivation

圖5 接種污泥和富集成功后污泥的光學顯微鏡照片F(xiàn)ig.5 Phase contrast microscopy picture of inoculums and sludge after enrichment

本試驗富集NOB的優(yōu)勢菌種為Nitrobacter,主要原因可能是進水亞硝酸鹽氮濃度(1000mg/L)比較高,FNA濃度(0.0364mg HNO2-N/L)比較高,反應過程 DO 濃度(5.4～8.4mg/L)較高,這樣的條件較適合Nitrobacter的生長.而Vadivelu等[12]采用緩慢進水的方式,控制較高 DO 濃度(2.75～3.25mg/L),持續(xù)進水270min,運行12個月也富集出 Nitrobacter占全菌總數(shù) 73%的活性污泥;Blackburne等[17]采用每 2h一次的脈沖式進水,控制混合后亞硝酸鹽氮濃度小于 100mg/L,成功富集出以Nitrospira為優(yōu)勢菌種的活性污泥.

2.3 富集前后的污泥性質變化情況及成因分析

富集前后污泥形態(tài)特征存在差異.由圖 5所示,接種污泥結構比較松散,形態(tài)不規(guī)則;富集后污泥形成大小不同的橢圓形污泥,排列整齊,形態(tài)規(guī)則.由圖 6所示,富集成功后的污泥呈橢圓形,表面光滑,邊界清晰.由表1可看出,富集前后污泥含水率由99.5%降低到72.5%,MLVSS/MLSS由0.879降到了0.278,SVI降低到了6mL/g左右.上述數(shù)據(jù)表明,SBR系統(tǒng)中的污泥已由絮體污泥轉化為顆粒污泥.污泥含水率較低,可簡化污泥后處理工序.富集后污泥比耗氧速率為 169.3高于接種污泥,這是因為NOB的富集程度比較高.

圖6 富集成功后污泥的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.6 Scanning electron microscopy picture of sludge after enrichment

“晶核假說”原理認為,顆粒污泥的形成類似于結晶過程,在晶核的基礎上,顆粒污泥不斷發(fā)育,最終形成了成熟的顆粒污泥;而晶核一般來源于接種污泥或反應器運行過程中產(chǎn)生的無機鹽沉淀或惰性有機物[18].由表 2得知,富集前后污泥MLVSS/MLSS降到 0.278,且 SVI為 6,這說明污泥無機質含量很高,而在測污泥濃度時已用不少于250mL的去離子水洗泥,說明污泥中所含的無機質均為沉淀物.富集試驗用水中含有 Ca2+、Mg2+、Fe3+等金屬離子以及 HCO3-、HPO42-、等陰離子,且 pH 值維持在 7.2～7.7之間,此時,金屬離子易與CO32-、HPO42-等陰離子形成沉淀物[19-20].根據(jù)“晶核假說”,這些沉淀物可作為晶核,在其基礎上形成顆粒污泥.因此,本試驗形成顆粒污泥的主要原因是絮體污泥以無機沉淀物為晶核形成顆粒污泥,而試驗采取較長的沉淀時間以及不排泥的運行方式促進了該過程的進行.本試驗這種運行方式與傳統(tǒng)培養(yǎng)顆粒污泥的方式(逐漸縮短沉淀時間,促進 EPS形成等)并不相同,這種方式更有利于將形成的晶核盡可能多的保留在系統(tǒng)中,比較適用于培養(yǎng)長污泥齡的顆粒污泥.

表2 接種污泥和富集后污泥的特性Table 2 Characteristics of inoculum and sludge after enrichment

3 結論

3.1 在 SBR中采用恒定曝氣量的方式,以亞硝酸鹽為唯一能源,逐步提高進水亞硝酸鹽濃度可實現(xiàn) NOB的快速富集.經(jīng)過 65d的富集培養(yǎng),NOB成為優(yōu)勢菌種,經(jīng) FISH分析顯示Nitrobacter占全菌總數(shù)的80%.

3.2 富集過程中發(fā)現(xiàn),當混合液 FNA濃度達到0.0364mg HNO2--N/L時可能會對亞硝酸鹽氧化過程有抑制作用,而經(jīng)過一段時間的適應,硝化能力能夠恢復.

3.3 富集成功后,SBR中的污泥已由絮狀污泥轉變形成顆粒污泥.與富集前污泥相比,SVI有明顯的降低.本試驗較長的沉淀時間以及不排泥的運行方式是該硝化顆粒污泥形成的重要原因.

[1]李澤兵,李 軍,李 妍,等.短程硝化反硝化技術研究進展 [J].給水排水, 2011,37(9):163-168.

[2]李凌云,彭永臻,楊 慶,等.SBR工藝短程硝化快速啟動條件的優(yōu)化 [J]. 中國環(huán)境科學, 2009,29(3):312-317.

[3]Yuan Z G, Blackall L L. Sludge population optimisation: a new dimension for the control of biological wastewater treatment systems [J]. Water Research, 2002,36(2):482-490.

[4]謝新立,王 欣.短程硝化反硝化生物脫氮的影響因素分析 [J].工業(yè)用水與廢水, 2011,42(2):11-13.

[5]王淑瑩,李 論,李凌云,等.快速啟動短程硝化過程起始pH值對亞硝酸鹽積累的影響 [J]. 北京工業(yè)大學學報, 2011,37(7):1067-1072.

[6]Gu S B, Wang S Y, Yang Q, et al. Start up partial nitrification at low temperature with a real-time control strategy based on blower frequency and pH [J]. Bioresource Technology, 2012,112(1):34-41.

[7]Yang Q, Peng Y Z, Liu X H, et al. Nitrogen removal via nitrite from municipal wastewater at low temperatures using real-time control to optimize nitrifying communities [J]. Environmental Science and Technology, 2007,41(23):8159-8164.

[8]于莉芳,陳青青,楊 晉,等.污泥水富集硝化菌的群落結構及動力學參數(shù)研究 [J]. 環(huán)境科學, 2009,30(7):2035-2039.

[9]Chen R D, Lapara T M. Enrichment of dense nitrifying bacterial communities in membrane-coupled bioreactors [J]. Process Biochemistry, 2008,43(1):33-41.

[10]Vadivelu V M, Yuan Z G, Fux C, et al. The inhibitory effects of free nitrous acid on the energy generation and growth processes of an enriched Nitrobacter culture [J]. Environmental Science and Technology, 2006,40(14):4442-4448.

[11]Vadivelu V M, Yuan Z G, Fux C, et al. Stoichiometric and kinetic characterisation of Nitrobacter in mixed culture by decoupling the growth and energy generation processes [J]. Biotechnology and Bioengineering, 2006,94(6):1176-1188.

[12]Vadivelu V M, Keller J, Yuan Z G, et al. Free ammonia and free nitrous acid inhibition on the anabolic and catabolic processes of Nitrosomonas and Nitrobacter [J]. Water Science and Technology, 2007,56(7):89-97.

[13]Vadivelu V M, Keller J, Yuan Z G, et al. Effect of free ammonia on the respiration and growth processes of an enriched Nitrobacter culture [J]. Water Research, 2007,41(4):826-834.

[14]國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測分析方法 [M]. 北京:中國環(huán)境科學出版社, 2002:252-354.

[15]Beun J J, van Loosdrecht M C M, Heijnen J J. Aerobic granulation [J]. Water Science and Technology, 2000,41(4-5):41-48.

[16]Amann R I, Krumholz L, Stahl D A. Fluorescent-oligonucleotide probing of whole cells for determinative, phylogenetic, and environmental-studies in microbiology [J]. Journal of Bacteriology, 1990,172(2):762-770.

[17]Blackburne R, Vadivelu V M, Yuan Z G, et al. Kinetic characterisation of an enriched Nitrospira culture with comparison to Nitrobacter [J]. Water Research, 2007,41(14):3033-3042.

[18]崔成武,紀樹蘭,高景峰,等.好氧顆粒污泥的形成機理 [J]. 水處理技術, 2006,32(2):13-15.

[19]吳昌永.A2/O工藝脫氮除磷及其優(yōu)化控制的研究 [D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學, 2010.

[20]張宇坤,郭亞萍,李 軍,等.序批式顆粒污泥系統(tǒng)中磷的變化和去向分析 [J]. 環(huán)境科學學報, 2010,30(9):1811-1817.