楊江偉 袁林江# 王 茹 楊豐豐

(1.西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程學院,陜西 西安 710055;2.陜西省環(huán)境工程重點實驗室,陜西 西安 710055;3.西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室,陜西 西安 710055)

許多行業(yè)(如化工、食品、制藥及造紙)排放的廢水中含有高濃度(>1 000 mg/L)的氨氮及硫酸鹽[1-2]。氨氮的過量排放會使水體中的藻類和水生植物過度繁殖,導致水體富營養(yǎng)化[3]。水體中硫酸鹽的積累會導致有害氣體H2S的釋放,并使水體變黑發(fā)臭,嚴重危害環(huán)境[4]。對此類廢水的有效處理迫在眉睫。作為廢水脫氮的新興技術之一,厭氧氨氧化因其高脫氮效能、低污泥產(chǎn)量及不需要外加碳源等優(yōu)勢受到學術界和產(chǎn)業(yè)界的密切關注[5],但是氨氮的亞硝化過程限制了其工程應用。而硫酸鹽主要通過氧化還原作用被轉化為硫單質(zhì)進行回收利用[6],但是生物脫硫技術工藝復雜,需要供氧及投加有機物,處理費用高。此外,硫化物也會對微生物產(chǎn)生抑制,使得含氨氮與硫酸鹽的廢水的處理面臨較大挑戰(zhàn)。

2001年,FDZ POLANCO等[7]在處理甜菜酒糟廢水時發(fā)現(xiàn)氨氮與硫酸鹽可同步去除,處理過程中檢測到硫單質(zhì)及氮氣的生成,他們將這個反應稱為硫酸鹽型厭氧氨氧化(SRAO)反應,這一發(fā)現(xiàn)使得廢水生物同步脫氮除硫成為可能。雖然SRAO現(xiàn)象已被觀測到,且在熱力學上是可行的,但是SRAO反應過程至今不明晰,限制因素較為復雜,致使SRAO反應器運行面臨極大困難。國內(nèi)外學者對SRAO反應的發(fā)生條件和反應機理認知存在較大分歧。無論在有機還是無機條件下SRAO反應都有啟動的先例,RIKMANN等[8]、PRACHAKITTIKUL等[9]認為氨氮與硫酸鹽在有機條件下同步轉化,而ZHANG等[10]、完顏德卿等[11]的研究表明SRAO在無機條件下亦可發(fā)生。畢貞等[12]發(fā)現(xiàn)厭氧條件下不會發(fā)生SRAO反應;而李祥等[13]將進水進行除氧處理,反應器在厭氧條件下亦可發(fā)生SRAO反應。RIKMANN等[14]觀察到SRAO過程中氮硫轉化比明顯高于理論值,碳、氮、硫參與的復雜生物反應至今未能被成功揭示。對SRAO反應認知的欠缺嚴重阻礙SRAO技術的發(fā)展。

為了探究SRAO反應的發(fā)生條件、揭示SRAO生物反應機理,本研究采用上流式厭氧污泥床(UASB)反應器,在有機條件下采取除氧措施,通過逐步提高進水基質(zhì)濃度,建立SRAO反應體系。通過對SRAO反應階段的產(chǎn)物分析,揭示SRAO反應機理。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置及運行條件

實驗裝置為有機玻璃制成的UASB反應器,如圖1所示。反應器內(nèi)徑100 mm,反應區(qū)高800 mm,有效容積為6.28 L。反應器溫度由水浴夾層控制,保持在(32±2) ℃。反應器進水經(jīng)除氧處理后,加蓋靜置。實驗階段運行參數(shù):pH為7.9±0.3,水力停留時間(HRT)為24 h。

1—進水桶;2—進水蠕動泵;3—進水口;4—污泥層;5—取樣孔(P1至P4分別為下層、中層、上層、泥層上);6—保溫水桶;7—保溫層進水蠕動泵;8—保溫層;9—出水口;10—液封瓶圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

1.2 接種污泥與廢水組成

接種污泥為西安市雪花啤酒廠厭氧顆粒污泥與實驗室培養(yǎng)的厭氧氨氧化污泥混合的污泥?；旌弦簯腋」腆w(MLSS)為50.21 g/L,混合液揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)為26.09 g/L,MLVSS/MLSS=0.52。

廢水采用人工模擬廢水,進水中的氨氮與硫酸鹽分別由NH4Cl與Na2SO4提供,按需添加,化學需氧量(COD)由無水葡萄糖提供。配水組分:KH2PO427 mg/L,KHCO3500 mg/L,CaCl280 mg/L,MgCl2·6H2O 160 mg/L,微量元素Ⅰ、Ⅱ各1 mL/L。微量元素Ⅰ:乙二胺四乙酸(EDTA) 5 g/L,FeSO4·7H2O 5 g/L;微量元素Ⅱ[15]:EDTA 15 g/L,ZnSO4·7H2O 0.43 g/L,CuSO4·5H2O 0.25 g/L,NiCl2·6H2O 0.19 g/L,MnCl2·4H2O 0.99 g/L,CoCl2·6H2O 0.24 g/L,NaMoO4·2H2O 0.22 g/L,H3BO40.01 g/L,Na2SeO4·10H2O 0.21 g/L,NaWO4·2H2O 0.05 g/L。

1.3 分析方法

氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮、硫酸鹽、硫離子的測定方法參考《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》。氧化還原電位(ORP)采用ORP儀(MTC10103型)測定,溶解氧(DO)采用DO儀(HQ40d型)測定;pH采用pH計(PHS-3E型)測定;微生物測序分析由上海某生物工程公司完成。

1.4 實驗方法

1.4.1 不同氮硫摩爾比實驗

在反應器運行穩(wěn)定后(123 d)將進水氨氮提高到約78 mg/L,硫酸鹽提高到約156 mg/L,進水氮硫摩爾比從2提高為3。穩(wěn)定運行20 d后,計算平均去除負荷并與反應器第三階段后期(87～122 d)平均去除負荷進行對比,探究不同氮硫摩爾比條件下反應器中氨氮與硫酸鹽平均去除負荷及硫離子平均產(chǎn)生速率變化情況。

1.4.2 活性測定實驗

氨氧化細菌(AOB)、硝化細菌(NOB)活性測定:SRAO反應體系建立后,取反應器下、中、上污泥層泥水混合物,用磷酸鹽緩沖液清洗3次傾去上清液。稱取3 g濕污泥置于150 mL的錐形瓶內(nèi),分別加入基質(zhì)至150 mL,其他基質(zhì)同反應器進水,控制pH為7.9±0.3,在34 ℃水浴中充分曝入空氣,每間隔2 h取樣,測定氨氮和亞硝態(tài)氮濃度,計算AOB、NOB活性。

厭氧氨氧化菌(AnAOB)、硫酸鹽還原菌(SRB)、SRAO菌、硫自養(yǎng)反硝化(SADN)菌、反硝化菌(HDB)活性測定:SRAO反應體系建立后,取反應器下、中、上污泥層泥水混合物離心后傾去上清液,稱取3 g濕污泥置于130 mL的血清瓶中,加入基質(zhì)至130 mL,其他基質(zhì)同反應器進水,控制pH為7.9±0.3。以高純氮氣曝氣10 min后置于恒溫水浴搖床(34 ℃、140 r/min)中培養(yǎng),每間隔12 h取樣測定基質(zhì)濃度,計算活性。

主要基質(zhì)如表1所示,上述實驗設定3組平行實驗,微生物活性以單位質(zhì)量揮發(fā)性懸浮固體去除的基質(zhì)質(zhì)量進行計算。

表1 活性測定設定基質(zhì)質(zhì)量濃度Table 1 Determination of substrate concentration for activity assay

1.4.3 批式實驗

SRAO反應體系建立后,采用批式實驗探究SRAO反應的中間產(chǎn)物及硫離子對SRAO反應的影響。批式實驗分為未添加硫離子組與添加硫離子組,氨氮、硫酸鹽及COD分別約為43、135、100 mg/L,添加硫離子組中硫離子約為5 mg/L,其他基質(zhì)同反應器進水,控制pH為7.9±0.3。批式實驗在厭氧血清瓶中進行,具體方法同1.4.2節(jié)中SRAO菌活性測定實驗,間隔一定時間取樣測定基質(zhì)濃度。

2 結果與討論

2.1 厭氧條件下SRAO反應體系的建立及性能研究

2.1.1 SRAO反應體系的建立

采取逐步提高進水氨氮與硫酸鹽的濃度及除氧的方式啟動反應器。圖2所示為SRAO反應體系建立過程中氨氮與硫酸鹽的變化情況。圖3為反應器DO、ORP及進出水pH變化情況。第一階段(1～24 d)為微生物適應階段,進水氨氮、硫酸鹽及COD平均值分別約為21、62、50 mg/L,反應器內(nèi)DO、ORP基本維持在缺氧條件(0.2 mg/L

圖2 進出水氨氮、硫酸鹽及硫離子變化Fig.2 Variation of ammonia nitrogen,sulfate and sulfur ion in the inlet and outlet water

圖3 反應器內(nèi)DO、ORP及進出水pH變化Fig.3 Variation of DO,ORP and pH of inlet and outlet water in the reactor

第二階段(25～55 d)為微生物活性提高階段,進水氨氮、硫酸鹽及COD平均值分別約為37、64、50 mg/L。反應器內(nèi)DO、ORP大致維持在缺氧條件,在這一階段氨氮去除率逐漸升高,最高去除率達到32.65%。硫酸鹽平均去除負荷為6.68 mg/(L·d),硫離子平均產(chǎn)生速率為4.95 mg/(L·d)。在此階段發(fā)生了氨氮與硫酸鹽同時去除的現(xiàn)象。

第三階段(56～122 d)為穩(wěn)定階段,進水氨氮、硫酸鹽及COD平均值分別約為38、130、100 mg/L。由于反應器在前兩個階段未能達到完全厭氧條件,在67 d對進水采取除氧措施,進水除氧后反應器基本達到厭氧條件(DO<0.2 mg/L,ORP<-330 mV)。在進水除氧后部分微生物不適應厭氧環(huán)境而衰亡,導致氨氮、硫酸鹽濃度略微高于進水。經(jīng)過一段時間的穩(wěn)定后,87～122 d,氨氮去除率逐漸升高,氨氮平均去除負荷為9.98 mg/(L·d),最高去除率為40.87%,硫酸鹽平均去除負荷為16.67 mg/(L·d),硫酸鹽最高去除率為19.10%,硫離子平均產(chǎn)生速率為2.80 mg/(L·d)。

2.1.2 不同氮硫摩爾比對氮、硫去除影響

圖4為進水氮硫摩爾比分別為2和3時反應器中氨氮與硫酸鹽平均去除負荷及硫離子平均產(chǎn)生速率變化情況。當進水氮硫摩爾比從2提高為3時,氨氮平均去除負荷提高了0.93 mg/(L·d),硫酸鹽平均去除負荷減少了4.16 mg/(L·d),硫離子平均產(chǎn)生速率提高了0.25 mg/(L·d)。ZHANG等[18]在無機條件下啟動SRAO發(fā)現(xiàn)隨著進水氮硫摩爾比的增加,出水中亞硝態(tài)氮的濃度也增加。劉福鑫等[19]在探究SRAO時發(fā)現(xiàn),在實驗后期SADN反應增強時出水硫酸鹽濃度高于進水。在本研究中出水未檢測到亞硝態(tài)氮及硝態(tài)氮,提高進水氮硫摩爾比可以促進氨氮的去除,使中間產(chǎn)物增加,但是在有機條件下亞硝態(tài)氮及硝態(tài)氮會很快被HDB利用。此外,反應器中產(chǎn)生大量硫離子,SADN菌也可以利用亞硝態(tài)氮及硝態(tài)氮將硫離子轉化為硫酸鹽,使出水中硫酸鹽濃度升高,導致硫酸鹽去除減少。

圖4 不同氮硫摩爾比條件下氨氮與硫酸鹽去除情況Fig.4 Ammonia nitrogen and sulfate removal under different N/S molar ratio condition

2.2 SRAO反應機理分析

2.2.1 反應器內(nèi)氮、硫轉化效能分析

為了探究反應器內(nèi)氮、硫轉化途徑,在進水氮硫摩爾比為3的階段,對反應器不同位置各指標變化進行分析,結果如圖5所示。結果表明,進水氨氮在下層污泥至中層污泥這一段被去除,氨氮降低至66.69 mg/L,在下層污泥檢測到硝態(tài)氮生成。在反應器下層污泥至上層污泥這一段,DO小于0.2 mg/L,ORP低于-330 mV,反應器處于厭氧環(huán)境。硫酸鹽在下層污泥中被去除,其質(zhì)量濃度降至44.47 mg/L,在下層污泥中硫離子產(chǎn)生量為5.81 mg/L。隨后在中層污泥中硫酸鹽升高至113.08 mg/L,硝態(tài)氮降低為0.41 mg/L。

圖5 反應器不同高度各指標變化Fig.5 Variation of each index at different height of the reactor

對氨氮及硫酸鹽濃度變化進行計算,發(fā)現(xiàn)進水桶至中層污泥去除的氨氮量為0.78 mol/L,進水桶至下層污泥去除的硫酸鹽量為1.16 mol/L,一部分硫酸鹽通過SRAO反應去除,一部分通過硫酸鹽還原反應去除。下層污泥至中層污泥產(chǎn)生的硫酸鹽量為0.71 mol/L。去除的氨氮量(0.78 mol/L)等同于產(chǎn)生的硝態(tài)氮,與產(chǎn)生的硫酸鹽量基本一致,說明去除的氨氮全部轉化為硝態(tài)氮,且通過參與SADN途徑被盡數(shù)去除。

2.2.2 反應器內(nèi)氮、硫轉化過程分析

在反應器運行過程中,會產(chǎn)生大量硫離子,但是氨氮的中間產(chǎn)物卻很難檢測到,為了探究SRAO反應過程的中間產(chǎn)物及硫離子對SRAO的影響,開展批式實驗,并探究添加硫離子(5 mg/L)對SRAO實驗的影響,結果如圖6所示。結果表明,未添加硫離子組中,氨氮與硫酸鹽可以穩(wěn)定去除,在第12小時,硫離子產(chǎn)生量積累到5.82 mg/L,氨氮去除停止,而硫酸鹽去除不受影響。在反應過程中產(chǎn)生硝態(tài)氮,由于在批式實驗中沒有形成穩(wěn)定的微生物群落結構,硝態(tài)氮得以積累。添加硫離子組中氨氮并沒有發(fā)生明顯的去除,而硫酸鹽可以穩(wěn)定被去除且產(chǎn)生硫離子,硫離子的添加抑制了SRAO反應的進行。通過以上分析認為本研究中SRAO反應的中間產(chǎn)物為硫離子與硝態(tài)氮,硫離子的積累會抑制SRAO反應的進行,影響氨氮去除。在UASB反應器中,存在復雜的微生物群落結構,產(chǎn)生的硫離子會被SADN菌利用,使得SRAO反應可順利進行,當硫酸鹽還原反應增強時會產(chǎn)生較多硫離子,將抑制SRAO反應的進行。

圖6 批式實驗中氮、硫變化情況及硫離子對SRAO的影響Fig.6 Variation of N and S in the batch experiment and the effect of sulfur ion on SRAO

2.2.3 反應器內(nèi)微生物群落結構分析

SRAO反應體系建立后對反應器不同高度污泥層微生物活性進行了分析,結果如圖7所示。結果表明,厭氧條件下反應器未表現(xiàn)出AOB活性及NOB活性。同時,對反應器0 d及122 d中下層污泥微生物屬水平相對豐度進行對比,結果如表2所示。反應器中AOB(Armatimonadetesgp5)及NOB(硝化螺旋菌)逐漸衰亡。由于進水中未添加亞硝態(tài)氮,且反應器長期在有機條件下運行,導致AnAOB活性受到抑制[20],AnAOB(unclassifiedCandidatusbrocadiaceae)相對豐度從6.84%降至1.11%。反應器下層污泥及中層污泥中SRAO微生物活性分別為18.88、21.21 mg/(g·d)。文獻[8]、文獻[9]認為浮霉菌門(Planctomycetes)是參與SRAO反應的重要菌種。在表2中觀察到unclassifiedPlanctomycetaceae的相對豐度從2.68%提升到6.87%,成為反應器中優(yōu)勢菌種,推斷unclassifiedPlanctomycetaceae在SRAO反應過程中對氨氮與硫酸鹽的轉化起到了重要作用。硫桿菌屬為反應器中SADN菌,可以以硝態(tài)氮為電子受體將硫離子或硫單質(zhì)氧化為硫酸鹽[21],其相對豐度從0.51%增加到3.23%,說明在反應過程中會產(chǎn)生硝態(tài)氮,使硫桿菌屬得到富集。在反應器中、上層污泥中檢測到SADN菌活性分別為11.52、12.78 mg/(g·d)。結合2.2.1節(jié)中反應器不同高度各指標變化情況,可證明氨氮與硫酸鹽在污泥中下層發(fā)生反應,SADN反應發(fā)生在污泥中上層。在反應器不同污泥層都存在SRB活性,脫硫球菌、unclassifiedDesulfobacteraceae是反應器中主要的SRB,可以利用COD將部分硫酸鹽還原。由于UASB反應器內(nèi)基質(zhì)具有垂直分布特征,反應器能夠在垂直空間營造適合多種微生物生存的環(huán)境[22],使反應器中氮、硫能夠被穩(wěn)定去除。

表2 微生物屬水平相對豐度Table 2 Genus level relative abundance of microbe

圖7 反應器不同高度污泥層微生物活性Fig.7 Microbial activity at different level of the reactor sludge layer

2.2.4 SRAO反應途徑分析

本實驗在有機條件下探究SRAO過程,發(fā)現(xiàn)下層污泥中產(chǎn)生大量硫離子,同時產(chǎn)生硝態(tài)氮。厭氧條件下,反應器中不發(fā)生好氧氨氧化作用,同時由于AnAOB活性被抑制,反應器中也不發(fā)生厭氧氨氧化作用。反應器中硝態(tài)氮的產(chǎn)生不是經(jīng)由好氧或厭氧氨氧化兩種途徑產(chǎn)生的,而反應體系中的電子受體只有硫酸鹽,故認為氨氮與硫酸鹽發(fā)生了SRAO反應產(chǎn)生了硝態(tài)氮。綜合上述實驗結果,推測在UASB反應器中SRAO過程分步分層進行:首先,在中下層污泥中氨氮與硫酸鹽在微生物作用下發(fā)生反應生成硫離子和硝態(tài)氮(見式(1));隨后,在中上層污泥中硫離子與硝態(tài)氮發(fā)生SADN反應生成硫酸鹽和氮氣(見式(2)),當硝態(tài)氮不足的時候硫離子被氧化為硫單質(zhì)(見式(3))。反應器內(nèi)氮、硫代謝途徑如圖8所示。

圖8 反應器內(nèi)氮、硫代謝途徑Fig.8 N and S metabolic pathway in the reactor

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3 結 語

1) 本研究在有機厭氧條件下實現(xiàn)了氨氮與硫酸鹽的同步去除,成功建立了SRAO反應體系。提高進水氮硫摩爾比后可以促進氨氮轉化為硝態(tài)氮,增強SADN反應,導致硫酸鹽去除減少。

2) 本研究發(fā)現(xiàn)UASB反應器中SRAO過程分步分層進行。首先,在中下層污泥中,氨氮與硫酸鹽在微生物作用下發(fā)生反應生成硫離子和硝態(tài)氮;隨后,在中上層污泥中,硫離子與硝態(tài)氮發(fā)生SADN反應生成硫酸鹽和氮氣。反應器中多種微生物協(xié)同作用,最終實現(xiàn)氮、硫同步去除。

3) SRAO過程主要受到反應器中硫離子積累的影響,硫離子的累積會抑制SRAO微生物活性,這使得第二步反應是整體反應的限速步驟。