房新昌,馬 良,田彬彬,王 凱,*

(1.山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,山東濟(jì)南 250000;2.山東國辰實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司,山東濟(jì)南 250305)

垃圾的衛(wèi)生填埋過程、垃圾焚燒廠和垃圾中轉(zhuǎn)站都會(huì)產(chǎn)生大量的垃圾滲濾液。 由于垃圾的成分十分復(fù)雜,垃圾滲濾液成分復(fù)雜,通常含有重金屬和高濃度的有機(jī)物和大量的氨氮[1-4]。 目前,垃圾滲濾液的處理主要集中在生物處理、物化處理和組合工藝等方面,其中生物處理是核心處理方法。 傳統(tǒng)的廢水處理對(duì)垃圾滲濾液總氮(TN)的去除效果較差[5]。 如何通過生化方法實(shí)現(xiàn)對(duì)滲濾液進(jìn)行深度脫氮是目前垃圾滲濾液處理的主要挑戰(zhàn)之一。 Wang 等[6]在處理進(jìn)水NH+4-N 和CODCr質(zhì)量濃度分別為1 100 mg/L 和6 000 mg/L 的實(shí)際垃圾滲濾液時(shí),采用了改良工藝序批式反應(yīng)器(SBR),SBR 通過內(nèi)源反硝化(ED)使整個(gè)系統(tǒng)最終TN 去除率達(dá)到了95%。 然而,這個(gè)工藝的周期需要很長(zhǎng)時(shí)間。 主要原因是反硝化細(xì)菌為兼性細(xì)菌,在曝氣硝化的過程中消耗了體內(nèi)儲(chǔ)存的大量?jī)?nèi)碳源,影響了后續(xù)的ED 效率。 如果增加反硝化細(xì)菌在硝化結(jié)束后的內(nèi)碳源含量,則可以有效提高滲濾液的TN 去除效率。 相關(guān)學(xué)者[7-8]研究還發(fā)現(xiàn),聚羥基脂肪酸酯(PHA)在同步硝化反硝化(SND)過程中起著至關(guān)重要的作用。 研究人員[9]通過在SBR 曝氣過程中減少溶解氧(DO)濃度來改善系統(tǒng)的SND。 但是,較低的DO 濃度影響SBR的硝化效率,系統(tǒng)整體的脫氮效率相比傳統(tǒng)工藝相差不大。 序批式生物膜反應(yīng)器(SBBR)是在SBR 中添加生物填料的過程,可以增強(qiáng)SND 的能力。 同時(shí),填料的存在也可以保護(hù)反硝化菌內(nèi)部碳源,提高ED 的效果。

本試驗(yàn)研究了SBBR 在厭氧-好氧-缺氧模式下處理滲濾液的啟動(dòng)和馴化情況,探討了該工藝對(duì)滲濾液有機(jī)物和TN 的去除情況,將SBBR 和SBR一個(gè)周期內(nèi)的污染物去除情況和周期時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行了比較,同時(shí)對(duì)其微生物進(jìn)行了高通量分析,分析了微生物群落結(jié)構(gòu)的差異。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置和運(yùn)行模式

SBBR 和SBR 的工作體積均為18 L,均包裹在加熱帶中,使用溫控設(shè)備將反應(yīng)器溫度控制在 25(±1)℃。 曝氣系統(tǒng)通過氣泵產(chǎn)生氣體,并通過空氣流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量。 反應(yīng)器底部安裝曝氣裝置,曝氣時(shí)DO 質(zhì)量濃度保持在2.0～4.0 mg/L。

SBBR 中使用比表面積為348 m2/m 的繩狀填料,添加比例約為25%。 本試驗(yàn)反應(yīng)器的操作模式為進(jìn)水-厭氧攪拌-曝氣硝化-缺氧攪拌-沉淀排水(圖1)。 滲濾液在5 min 內(nèi)加入到反應(yīng)器內(nèi),厭氧攪拌1 h。 使用“氨谷點(diǎn)”“DO 突躍點(diǎn)”“硝酸鹽膝”確定硝化和反硝化過程的終點(diǎn)。 沉降時(shí)間為0.5 h,排水比分別為5 ∶18。

圖1 SBR 和SBBR 的運(yùn)行模式Fig.1 Operation Mode of SBR and SBBR

1.2 垃圾滲濾液和種污泥

種污泥取自我國濟(jì)南某生活污水處理廠二沉池,混合液懸浮物(MLSS)質(zhì)量濃度為4 650 mg/L,混合液揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)質(zhì)量濃度為 2 170 mg/L,污泥沉降比(SV30) 為33,污泥體積指數(shù)(SVI)為78 L/mg。

垃圾滲濾液收集自我國濟(jì)南某垃圾填埋場(chǎng),根據(jù)取水地點(diǎn)的不同分為早期和晚期。 前期試驗(yàn)采用低C/N 的晚期滲濾液加自來水稀釋,后期采用早期晚期混合滲濾液調(diào)節(jié)C/N 并用自來水稀釋,最終全部采用滲濾液原液。 試驗(yàn)不同階段所用滲濾液的具體水質(zhì)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)期間反應(yīng)器的進(jìn)水水質(zhì)Tab.1 Influent Quality of Reactor during Experiment

1.3 分析方法

1.4 高通量測(cè)序和功能分析

采集第127 d 的SBBR 污泥和生物膜混合樣品以及SBR 污泥樣品。 所有樣品均儲(chǔ)存在-80 ℃下并通過干冰運(yùn)輸至公司。 高通量測(cè)序由Noogene Co., Ltd.(中國北京)進(jìn)行。 使用GraphPad Prism 8.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。 數(shù)據(jù)表示為一式三份的平均值。 使用t檢驗(yàn)分析每組的差異,p<0.05 表示有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果和討論

2.1 SBBR 處理垃圾滲濾液的啟動(dòng)與馴化

垃圾滲濾液的氨氮負(fù)荷比生活污水高約20 倍,對(duì)生活污水處理廠二沉池收集的種泥具有一定毒性。 因此,第一階段垃圾滲濾液氨氮負(fù)荷被稀釋為約等于生活污水。 如圖2(a)所示,前4 d 進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度為60 mg/L,連續(xù)3 d 出水氨氮質(zhì)量濃度<2 mg/L,表明硝化細(xì)菌活性良好。 第5 d 增加進(jìn)水氨氮濃度,穩(wěn)定硝化后進(jìn)水負(fù)荷增加50%(3～5 d 內(nèi)出水氨氮濃度變化小于5%視為穩(wěn)定硝化)。 第37 d,當(dāng)進(jìn)水增加至330 mg/L 時(shí),系統(tǒng)仍保持較高的氨氮去除率。 曝氣后NO-3-N 質(zhì)量濃度為146 mg/L,出水氨氮質(zhì)量濃度僅為2.7 mg/L[圖2(b)]。

圖2 SBBR 馴化期間的氮素、C/N 以及TN 去除率變化Fig.2 Changes of Nitrogen, C/N and TN Removal Rate during SBBR Acclimation

由圖2(b)可知,本階段滲濾液C/N 較低,因此,一期結(jié)束時(shí)出水NO-3-N 質(zhì)量濃度為219 mg/L,反硝化效果較差。 但硝化細(xì)菌的數(shù)量和活性較強(qiáng),出水氨氮質(zhì)量濃度始終<2.8 mg/L。

在第二階段,通過混合早期和晚期的垃圾滲濾液,C/N 保持在4.9 ∶1。 進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度在46 ～57 d 保持在330 mg/L。 由于C/N 的增加,TN 去除率從第一階段結(jié)束時(shí)的31.8%迅速增加到此后5 d的90%。 而且出水NO-3-N 質(zhì)量濃度從211 mg/L 迅速下降至30 mg/L,表明反硝化能力得到了極大的提高。 此階段結(jié)束時(shí),進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度為800 mg/L 時(shí),TN 去除率達(dá)到98.4%,出水TN 質(zhì)量濃度較低,為12.1 mg/L。

第三階段,試驗(yàn)采用未稀釋的垃圾滲濾液原液作為進(jìn)水,氨氮質(zhì)量濃度為1 200 mg/L。 經(jīng)過短暫的小幅波動(dòng)后(85 d 后),TN 去除率仍大于97%。該反應(yīng)器已運(yùn)行120 d,實(shí)現(xiàn)了垃圾滲濾液原水穩(wěn)定、深度的脫氮處理,出水TN 質(zhì)量濃度始終保持在20 mg/L 以下。

2.2 SBBR 和SBR 典型周期中各污染物的變化規(guī)律

系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行穩(wěn)定后,分析典型周期中各污染物的變化規(guī)律,并對(duì)實(shí)驗(yàn)室同時(shí)運(yùn)行的SBR 反應(yīng)器的性能進(jìn)行比較(同等進(jìn)水條件下)。

本次周期采用原垃圾滲濾液,進(jìn)水氨氮和CODCr質(zhì)量濃度分別為1 200 mg/L 和7 760 mg/L。由于系統(tǒng)不排放污泥,脫氮主要通過SND、ED 和微生物同化進(jìn)行。

在硝化反應(yīng)結(jié)束時(shí),出現(xiàn)“DO 跳躍點(diǎn)”[圖3(c)的a,a']和pH 拐點(diǎn)“氨谷點(diǎn)”[圖3(c)的b,b']。 SBBR 和SBR 硝化時(shí)間分別為405 min 和315 min。 盡管SBBR 硝化時(shí)間較長(zhǎng),但反應(yīng)過程中并未形成NO-3-N,且TN 質(zhì)量濃度(126.72 mg/L)比SBR的TN 質(zhì)量濃度(159.43 mg/L)低。 這可能是生物膜的存在增加了系統(tǒng)中亞硝化單胞菌(AOB)和反硝化細(xì)菌的數(shù)量,從而導(dǎo)致更完整的短程硝化作用和更徹底的SND。 SBBR 中SND 的份額也較高,去除率達(dá)到67%。 與之相對(duì)比,SBR 反應(yīng)器的SND 去除率僅為41%。

圖3 一個(gè)典型周期內(nèi)CODCr、氮素以及參數(shù)的變化Fig.3 Changes of Nitrogen, CODCr, and Other Parameters in a Typical Cycles

ORP 可以反映系統(tǒng)中氧化態(tài)氮的含量。 當(dāng)硝酸鹽還原為0 時(shí),在氧化還原時(shí)間曲線中觀察到“硝酸鹽拐點(diǎn)”,這被認(rèn)為是反硝化結(jié)束的標(biāo)志。SBBR 和SBR 的“硝酸鹽拐點(diǎn)”出現(xiàn)在825 min[圖3(c)的c]和1 170 min[圖3(c)的c'],缺氧反硝化時(shí)間分別為420 min 和855 min。 圖3(a)和圖3(b)顯示,在厭氧攪拌過程中,兩個(gè)反應(yīng)器的CODCr顯著下降,表明活性污泥吸附了大量的有機(jī)物。 而且,該階段有機(jī)物的吸附也為后續(xù)缺氧階段的ED 提供了基礎(chǔ)。 好氧階段結(jié)束時(shí),可降解的CODCr被消耗,而缺氧階段的TN 繼續(xù)下降,表明反硝化細(xì)菌正在利用內(nèi)部碳源進(jìn)行反硝化。 相比之下,SBBR 的整個(gè)周期時(shí)間為13.75 h,比SBR 的19.5 h 短,周期時(shí)間提高了約29%。 綜上,兩組反應(yīng)器在對(duì)滲濾液進(jìn)行處理時(shí)一共有兩個(gè)主要差異:1) SND 在SBBR中的效果較高,硝化結(jié)束時(shí)系統(tǒng)TN 濃度較低;2)ED 階段SBBR 和SBBR 反硝化效果不同。 硝化結(jié)束時(shí),SBBR 中的TN 質(zhì)量濃度約為125 mg/L,需要7 h 完成脫氮。 基于SBR 通過ED 觀察到的TN 去除125 mg/L 需要12 h,比SBBR 長(zhǎng)約5 h。 這表明生物膜的存在保護(hù)了曝氣階段SBBR 中部分反硝化細(xì)菌的內(nèi)部碳源,提高了系統(tǒng)的ED 效率。

2.3 污泥和微生物特性分析

2.3.1 MLSS 和SVI 變化

SBBR 和SBR 的初始MLSS 質(zhì)量濃度分別為3 850 mg/L 和4 060 mg/L。 在第一階段,由于進(jìn)水CODCr較低,活性污泥緩慢增加。 第二階段以后,進(jìn)水CODCr明顯增加,伴隨著兩組反應(yīng)器的污泥濃度增加迅速。 到第三階段開始時(shí),兩個(gè)反應(yīng)器的MLSS 質(zhì)量濃度升至9 328 mg/L 和8 102 mg/L。 污泥馴化結(jié)束時(shí),MLSS 質(zhì)量濃度分別達(dá)到14 958 mg/L 和14 219 mg/L,SVI 分別為59 L/mg 和62 L/mg。 厭氧-好氧-缺氧運(yùn)行模式下,污泥沉降能力非常強(qiáng)。 因此,雖然系統(tǒng)的MLSS 很高,但泥水分離效果仍然很好,并且出水依然很清澈。 較高的污泥濃度大大提高了系統(tǒng)的脫氮效率。

2.3.2 不同反應(yīng)器的微生物群落對(duì)兩個(gè)樣本組進(jìn)行測(cè)序時(shí), 總共獲得了51 888.97 Mbp 的原始數(shù)據(jù),每個(gè)樣本約包含8 648.16 Mbp 的讀數(shù)。 共獲得51 577.08 Mbp 的干凈數(shù)據(jù),平均8 596.18 Mbp,樣本采集后生成3 011 743 666 bp 的Scaftigs。 單一和混合組裝的Scaftigs(≥500 bp)均通過MetaGeneMark(V2.10,http:/ /topaz.gatech.edu/GeneMark/)軟件預(yù)測(cè)開放閱讀框(ORF),獲得4 494 604 個(gè)ORF(平均642 086)。 隨后通過冗余得到了2 529 322 個(gè)ORF,總長(zhǎng)度為1 556 Mbp。 完整基因數(shù)為736 365 個(gè),占29.11%。 使用blastp 將非冗余(NR)基因目錄與MicroNR 數(shù)據(jù)庫(版本2018-01-02,https:/ /www.ncbi.nlm.nih.gov/)進(jìn)行比對(duì),并使用LCA 算法軟件驗(yàn)證序列的物種注釋信息。 屬和門注釋比例分別為46.16%和63.62%。

這兩個(gè)反應(yīng)器的微生物群落如圖4 所示。 在門水平上,9 個(gè)相對(duì)豐度的門在SBBR 中占比>1%,在SBR 中共7 個(gè)相對(duì)豐度的門占比>1%[圖4(a)]。由于填料為微生物提供了更多的生長(zhǎng)空間,在相同的反應(yīng)器體積內(nèi),相同水力停留時(shí)間下獲得了更高的生物量,提高了其抗負(fù)荷沖擊能力[11-12]。 SBBR中發(fā)現(xiàn)的最主要門是變形菌門(Proteobacteria)(26.43%),其次是綠彎菌門(Chloroflexi)(20.47%)、浮霉菌門(Planctomycetes) (14.98%)、放線菌門(Actinobacteria)(10.42%)、厚壁菌門(Firmicutes)(2.74%)、Candidatus levybacteria (2.05%)、疣微菌門(Verrucomicrobia) (1.22%)、酸桿菌門(Acidobacteria) (1.10%) 和 Candidatus saccharibacteria (1.04%)。據(jù)報(bào)道[13-14],變形菌是大部分污水廠的優(yōu)勢(shì)菌群,主要參與脫氮除磷和去除有機(jī)物。 在厭氧環(huán)境中,綠彎菌門可以降解復(fù)雜的聚合物[15]。 這兩個(gè)廣泛存在于活性污泥中的門在兩個(gè)反應(yīng)器中也具有較高的相對(duì)豐度,其中綠彎菌門在SBR 中的比例(28.53%)高于SBBR 中的比例(20.47%),這意味著添加填料減輕了膨脹。 與這兩個(gè)門一起,浮霉菌也被報(bào)道為脫氮過程中的關(guān)鍵參與者,它被記錄為兩個(gè)反應(yīng)器中第三豐富的門,均約占 15%。 放線菌不僅可以利用簡(jiǎn)單的化合物,還可以同時(shí)利用復(fù)雜的有機(jī)化合物,包括從垃圾滲濾液中去除氮[16]。

圖4 不同反應(yīng)器中微生物種群Fig.4 Microbial Community of Different Reactors

值得注意的是,兩個(gè)反應(yīng)器的微生物群落發(fā)生了顯著變化。 因此,本研究還比較了相對(duì)豐度排名前35 位的屬水平微生物群落結(jié)構(gòu)。 在圖4(b)中,屬于綠彎菌門的Candidatuspromineofilum是SBR 中最主要的屬,占17.553 8%,但在SBBR 中僅占7.581 2%。 圖4(b)所示 SBBR 中排名前 35 的屬?zèng)]有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)屬,這說明SBBR 中菌群更加豐富,深度脫氮是多種菌群協(xié)同作用的結(jié)果。Thauera和Paracoccus屬于變形菌門,可以同時(shí)去除碳和氮,并且在 SBBR 中含量很高,分別約為3.93% 和2.76%[13]。Pirellula( 1.998 4%)、Blastopirellula(1.378 7%)和Rhodopirellula(1.187 4%) 在SBBR中的浮霉菌群落中占主導(dǎo)地位,能夠進(jìn)行碳水化合物發(fā)酵。Pirellula、Blastopirellula、Thauera、副球菌、Leucobacter和Thermogutta是維持這兩個(gè)系統(tǒng)的先進(jìn)反硝化的菌屬。 SBBR 中硝化螺旋菌(NOB)的生長(zhǎng)受到抑制,僅占0.05%,AOB 相對(duì)豐度為0.37%,保證了系統(tǒng)能夠積累亞硝酸鹽。 相比之下,SBR 中NOB 的豐度為0.32%,與引起硝酸鹽出現(xiàn)的AOB(0.31%)相當(dāng)。

3 結(jié)論

(1)SBBR 處理進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度為1 200 mg/L,CODCr質(zhì)量濃度為7 760 mg/L 的垃圾滲濾液,經(jīng)過85 d 的啟動(dòng)與馴化,可以在不添加任何碳源的條件下,TN 去除率>97%。

(2)與SBR 相比,在相同的運(yùn)行模式下,填料的添加提供了更加缺氧的微環(huán)境,提高了SND 去除率,硝化結(jié)束時(shí)SBBR 的TN 濃度相比SBR 更低,同時(shí)將周期時(shí)間相比SBR 縮短了29%。

(3)高通量檢測(cè)顯示,SBBR 中的優(yōu)勢(shì)門是變形菌,其次是綠彎菌門、浮霉菌門和放線菌門。 SBR 中的優(yōu)勢(shì)門為綠彎菌,其次是變形菌門、浮霉菌門和放線菌門。 在菌屬層面,Candidatuspromineofilum是SBR 中最主要的屬,約占17.55%,但在SBBR 中僅約占7.58%,SBBR 中排名前 35 的屬?zèng)]有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)屬。

垃圾滲濾液的深度脫氮是目前滲濾液達(dá)標(biāo)排放的難點(diǎn)之一。 本研究采用SBBR 處理實(shí)際垃圾滲濾液實(shí)現(xiàn)了深度脫氮,同時(shí),脫氮效率相比傳統(tǒng)的SBR工藝有了較大的提高。 同時(shí)文章從微觀層面解釋了SBBR 相比SBR 脫氮效率高的原因。 本文的研究結(jié)果為垃圾滲濾液實(shí)現(xiàn)TN 達(dá)標(biāo)排放提供了有效的思路。