不同粒徑的厭氧氨氧化顆粒污泥脫氮性能研究

鄭照明,劉常敬,鄭林雪,張美雪,陳光輝,趙白航,李 軍(北京工業(yè)大學水質(zhì)科學與水環(huán)境恢復工程北京市重點實驗室,北京 100124)

不同粒徑的厭氧氨氧化顆粒污泥脫氮性能研究

鄭照明,劉常敬,鄭林雪,張美雪,陳光輝,趙白航,李 軍*(北京工業(yè)大學水質(zhì)科學與水環(huán)境恢復工程北京市重點實驗室,北京 100124)

通過血清瓶批試研究了溫度為25℃時,粒徑為R1(>2.5mm),R2(1.5～2.5mm),R3(0.5～1.5mm)的厭氧氨氧化(anammox)顆粒污泥的脫氮特性.R1,R2,R3的厭氧氨氧化TN去除速率分別為0.555,0.423,0.456kgN/(kgVSS?d),R1的TN去除活性最大,R2和R3的TN去除活性相差不大.anammox顆粒污泥的厭氧氨氧化 TN去除、亞硝態(tài)氮反硝化、硝態(tài)氮反硝化、好氧氨氧化、好氧亞硝態(tài)氮氧化速率平均值分別為0.478,0.028,0.037,0.050,0.033kgN/(kgVSS?d).掃描電鏡顯示anammox顆粒污泥表面存在孔洞,有助于緩解粒徑對傳質(zhì)效率的不利影響.顆粒污泥外部以球狀菌為主,可能為好氧氨氧化菌(AOB),有助于緩解氧氣對 anammox菌的抑制作用;顆粒污泥內(nèi)部以火山口狀的細菌為主,可能為anammox菌.

厭氧氨氧化；顆粒污泥；粒徑；脫氮特性；傳質(zhì)作用

厭氧氨氧化是一種新型的生物脫氮工藝,有助于減少脫氮過程中碳源的投加和能源的浪費,但是anammox菌生長緩慢,倍增時間長達11d[1-2],對反應器的持流能力要求很高.目前關于厭氧氨氧化的研究主要是在脫氮機理、培養(yǎng)條件和影響因素上[3-5].李祥等[4]的研究表明,厭氧氨氧化活性污泥對不利條件的抵抗性差,當進水 Cu2+濃度達到4mg/L和Zn2+的濃度達到8mg/L時,厭氧氨氧化活性污泥的活性將受到抑制.研究表明顆粒污泥具有良好的沉降性能、抗沖擊負荷能力,能夠提高反應器的處理效能.劉常敬等[5]的研究表明,以anammox顆粒污泥為核心的UASB反應器可以抵抗苯酚的毒性,實現(xiàn)厭氧氨氧化和反硝化的耦合脫氮.世界上第一個生產(chǎn)性anammox反應器于 2002年在荷蘭鹿特丹建成,隨著 anammox顆粒污泥的形成,最高總氮容積去除負荷達到9.5kgN/(m3?d)[6].唐崇儉等采用以 anammox顆粒污泥為核心的EGSB反應器處理模擬廢水,通過縮短水力停留時間至 0.3h,總氮容積去除負荷達到50.75kg N/(m3?d)[7].粒徑對anammox顆粒顆粒污泥的活性具有重要影響.有研究表明,厭氧氨氧化活性主要發(fā)生于顆粒污泥表面1mm厚度的范圍內(nèi)[8],當顆粒污泥粒徑大于 2mm時,顆粒污泥內(nèi)部將會處于饑餓狀態(tài),使得顆粒污泥的活性下降.Peng等[9]對粒徑為 M1(>1.5mm),M2 (1.0～1.5mm),M3(0.5～ 1.0mm)的anammox顆粒污泥厭氧氨氧化活性的研究表明,M2的活性最大,M1和M3的活性相差不大.實際培養(yǎng)得到的 anammox顆粒污泥往往是以厭氧氨氧化菌為主,幾種脫氮細菌并存的復合體,然而,關于 anammox顆粒污泥的復合脫氮特性少有全面的研究.本實驗擬研究粒徑對 anammox顆粒污泥脫氮性能的影響,篩選3種粒徑的anammox顆粒污泥,考察其在脫氮性能和污泥特性的差別,并對anammox顆粒污泥的復合脫氮特性進行全面研究.

1 材料與方法

1.1 顆粒污泥來源

圖1 UASB-生物膜反應器示意Fig.1 Schematic diagram of UASB-biofilm reactor

反應器裝置如圖1所示,anammox顆粒污泥取自實驗室 UASB-生物膜反應器底部[10].反應器有效容積 76L,采用黑色軟性材料包裹以避光,反應器上2/3部分添加直徑為10cm的聚氯乙烯球形填料以減少污泥的流失.進水 NH4+-N平均值為40～45mg/L,NO2--N控制為45～50mg/L,其余組分和微量元素控制參照文獻[2].反應器溫度為24～26℃,進水由濃水和未經(jīng)消氧的自來水組成, DO為3～4mg/L,pH值不控制,HRT為1.5h,TN平均容積去除負荷為 1.5kg/(m3?d).污泥經(jīng)測序,主要細菌種類為厭氧氨氧化菌 Candidatus Brocadia fulgida(JX852965-JX852969).污泥取出后,先用自來水沖洗3遍以去除表面的殘留基質(zhì),再用孔徑為0.5,1.5,2.5mm的不銹鋼篩網(wǎng)過濾得到粒徑為 R1(>2.5mm),R2(1.5～2.5mm),R3(0.5～1.5mm)的顆粒污泥.anammox顆粒污泥照片如圖2所示,顏色為磚紅色,刻度尺最小刻度為1mm.

圖2 顆粒污泥照片F(xiàn)ig.2 Photo of anammox granules (A)R1, (B)R2, (C)R3

1.2 批試試驗水質(zhì)

試驗采用人工配水,主要氮素成分為NH4Cl, NaNO2,KNO3,碳源為乙酸鈉,其余組分和微量元素控制參照文獻[2].各脫氮活性測定時的配水組分見表1.

表1 脫氮活性測定時的主要配水組分(mg/L)Table 1 The synthetic wastewater used for measuring nitrogen removal performance (mg/L)

1.3 批試試驗裝置和程序

批試試驗采用500mL血清瓶[11],進行不同粒徑顆粒污泥的脫氮特性測定.

污泥濃度的確定:用分析天平稱取14g左右某一粒徑濕污泥,將污泥和模擬配水一起放入有效容積為500mL血清瓶中.同時取5g左右該粒徑濕污泥用濾紙包好,經(jīng)烘箱和馬弗爐處理,烘干時間及溫度同常規(guī)污泥濃度測量條件相同,得到干物質(zhì)/濕泥、揮發(fā)性物質(zhì)/濕泥的比值,反算血清瓶中的MLSS,MLVSS.

厭氧氨氧活性的測定參照文獻[11-12],采用血清瓶批試實驗研究顆粒污泥的厭氧氨氧化活性.為了保證顆粒污泥的厭氧氨氧化活性,進行如下操作:(1)配置泥水混合液;(2)啟動恒溫磁力攪拌器,轉速為200r/min,蓋緊瓶塞,通氮氣30min(氮氣純度 99.999%);(3)停止通氮氣,將血清瓶將連同磁力攪拌器放入25℃的恒溫培養(yǎng)箱中.為了準確反映顆粒污泥在 25℃條件下的厭氧氨氧化活性,待血清瓶中溫度升至 25℃后開始取樣,每隔1h取樣測定 NH4+-N、NO2--N、NO3--N 濃度,每次取樣體積5mL.

亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮反硝化活性測定[13]:操作方法同厭氧氨氧化活性的測定,以乙酸鈉為碳源.

好氧氨化活性測定參照文獻[14]:(1)配置泥水混合液,以碳酸氫鈉補充堿度;(2)往血清瓶中鼓入空氣,曝氣量控制為250mL/min,啟動恒溫磁力攪拌器,轉速為200r/min,將血清瓶將連同磁力攪拌器放入25℃的恒溫培養(yǎng)箱中,待血清瓶中溫度升至 25℃后開始取樣,每隔 1h取樣測定NH4+-N、NO2--N、NO3--N濃度,每次取樣體積5mL.

好氧亞硝態(tài)氮氧化活性測定:操作方法同好氧氨氧化活性測定.

1.4 分析方法

NH4+-N:納氏試劑光度法;NO2--N:N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;NO3--N:麝香草酚分光光度法;MLSS、MLVSS:重量法;DO、溫度: WTW/Multi 3420測定儀;顆粒污泥粒徑篩分: GB6003.1-1997標準檢驗篩;粒徑分析:采用nanomeasure軟件對照片進行分析;掃描電鏡: Hitachi S-4300掃描電子顯微鏡;數(shù)碼照片: iPhone5;沉降速度的測定:讓顆粒污泥自由通過高度為 410mm的量筒,測其速度;掃描電子顯微鏡(SEM)樣品制備主要步驟:固定、沖洗、脫水、置換干燥、粘樣、鍍膜.

2 結果與討論

2.1 粒徑對anammox顆粒污泥脫氮性能的影響

2.1.1 厭氧氨氧化活性 如圖3所示,在底物濃度充足的情況下,NH4+-N和NO2--N的降解均表現(xiàn)出較好的線性關系.對線性底物降解階段進行直線擬合,求得R1,R2,R3的NH4+-N去除速率分別為 0.268,0.189,0.222kgN/(kgVSS?d)(圖 3A), NO2--N去除速率分別為 0.324,0.257,0.300kgN/ (kgVSS?d)(圖 3B),TN 去除速率分別為 0.555, 0.423,0.456kgN/(kgVSS?d)(圖3C),R1的TN去除速率最大,R2和R3的TN去除速率相差不大,R1的TN去除速率比R3提高了21.7%.有研究表明厭氧氨氧化活性主要發(fā)生于顆粒污泥表面 1mm厚度的范圍內(nèi)[8].對于大顆粒污泥,生物活性主要發(fā)生在表面0.2～0.3mm厚度的生物膜層內(nèi)[15].本研究的結果表明anammox顆粒污泥的厭氧氨氧化活性并沒有隨著粒徑的增大而降低,相反,粒徑最大的anammox顆粒污泥厭氧氨氧化活性最大.本實驗研究的粒徑尺寸最大為 5mm左右,在本實驗研究的粒徑范圍內(nèi)(0～5mm),粒徑的增大對anammox顆粒污泥的厭氧氨氧化活性的作用表現(xiàn)為兩個方面,包括抑制作用和促進作用.抑制作用:小顆粒污泥具有更好的傳質(zhì)效率和更大的比表面積,可以展現(xiàn)更好的生物活性[16];所以粒徑的增大將對anammox顆粒污泥的厭氧氨氧化活性產(chǎn)生不利影響.促進作用:anammox顆粒污泥表面布滿了孔道,有利于基質(zhì)進入顆粒污泥內(nèi)部,在一定程度上緩解傳質(zhì)作用的不利影響[9].粒徑增大有助于提高anammox顆粒污泥對不利條件的抵抗性能.小顆粒污泥對不利條件抵抗性更差,當旋轉速度增加,厭氧氨氧化顆粒污泥的平均粒徑下降了 45%,活性下降了 40%[17];當氧分壓超過 0.5%的空氣飽和度時,anammox菌的厭氧氨氧化活性將會受到抑制[18];在低溶解氧環(huán)境中時, AOB分布于顆粒污泥表面,緩解氧氣對anammox菌的抑制, anammox菌存在于顆粒污泥內(nèi)部完成厭氧氨氧化[19],本實驗的反應器采用未經(jīng)消氧的自來水配制模擬廢水,由于粒徑對氧氣的傳質(zhì)限制,大顆粒污泥能更好的緩解 O2對 anammox菌的抑制,從而具有更高的活性;在實驗前的準備過程中,污泥的淘洗使得anammox顆粒污泥受到氧氣,溫度的影響,大顆粒污泥能夠使得內(nèi)部的 anammox菌保持較高的活性.Strous等[20]認為向反應器中投加1.4mg/L的N2H4或者0.7mg/L的NH2OH則可恢復厭氧氨氧化活性,大顆粒污泥內(nèi)部生物量更大,內(nèi)部可以產(chǎn)生并富集更多的厭氧氨氧化中間產(chǎn)物,從而維持較高的厭氧氨氧化活性.當粒徑從 R3增加到 R2時,粒徑對顆粒污泥的促進作用和抑制作用相當,所以R2,R3的厭氧氨氧化活性相差不大.當粒徑從R3增加到R1時,粒徑對顆粒污泥的促進作用大于抑制作用,所以R1的TN去除速率比R3提高了21.7%.

2.1.2 反硝化性能 如圖4所示,R1,R2,R3的亞硝態(tài)氮反硝化速率分別為0.034,0.029,0.022kgN/ (kgVSS?d)(圖4A),平均值為0.028kgN/(kgVSS?d),為厭氧氨氧化TN去除速率平均值的6%.R1,R2, R3的硝態(tài)氮反硝化速率分別為 0.017,0.046, 0.047kgN/(kgVSS?d)(圖4B),平均值為0.037kgN/ (kgVSS?d),為厭氧氨氧化TN去除速率平均值的7.7%,反硝化批試實驗中的少量 NO2--N去除和NO3--N去除可能是由于 anammox顆粒污泥吸附作用去除的,實際的反硝化速率要比測量值更小.因為配水中不含有機物,反硝化菌生長受到抑制,保證了厭氧氨氧化反應器穩(wěn)定運行.

圖3 R1, R2, R3的厭氧氨氧化活性Fig.3 The specific anammox activities of R1, R2, R3

圖4 R1, R2, R3的亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮反硝化活性Fig.4 The specific denitrification activities over nitrite and nitrate of R1, R2, R3

2.1.3 硝化性能 好氧氨氧化活性:如圖5所示,好氧條件下R1,R2,R3的NH4+-N降解速率分別為 0.137, 0.083,0.032kgN/(kgVSS?d)(圖 5A).R1, R2,R3的NO2--N生成速率分別為 0.042,0.025, 0.027kgN/(kgVSS?d)(圖5B).R1,R2,R3的NO3--N生成速率分別為 0.032,0.022,0.003kgN/(kgVSS?d) (圖5C).取NO2--N生成速率和NO3--N生成速率之和為好氧氨氧化速率,則 R1,R2,R3的好氧氨氧化速率分別為 0.074,0.047,0.030kgN/ (kgVSS?d),平均速率為 0.050kgN/(kgVSS?d),為厭氧氨氧化TN去除速率平均值的10.5%.R1,R2, R3的 NH4+-N 損失速率分別為 0.063,0.036, 0.002kgN/(kgVSS?d),平 均 值 為 0.034kgN/ (kgVSS?d),這部分NH4+-N的損失可能是由于好氧條件下氨的吹脫和顆粒污泥對氨的吸附去除所造成的.R1的好氧氨氧化活性最大,R3的好氧氨氧化活性最小,好氧氨氧化活性隨粒徑的增大而增大,因此大顆粒污泥可以更好的緩解氧氣對anammox菌的抑制.

圖5 R1, R2, R3的NH4+-N、NO2--N、NO3--N變化Fig.5 The evolution of NH4+-N、NO2--Nand NO3--N of R1, R2, R3

好氧亞硝態(tài)氮氧化活性:如圖 6所示, R1,R2,R3的NO2--N降解速率分別為0.042,0.042, 0.021kgN/(kgVSS?d)(圖6A),取NO3--N生成速率為好氧亞硝態(tài)氮氧化速率,R1,R2,R3的 NO3--N生成速率為 0.040,0.040,0.020kgN/(kgVSS?d)(圖6B),平均速率為 0.033kgN/(kgVSS?d),為厭氧氨氧化 TN去除速率平均值的 7.0%,R1,R2,R3的NO2--N 損失速率為 0.002,0.002,0.001kgN/ (kgVSS?d),這部分NO2--N的損失可能是由于顆粒污泥對 NO2--N的吸附去除所造成的.厭氧氨氧化顆粒污泥的好氧氨氧化活性平均值0.050kgN/(kgVSS?d)大于好氧亞硝態(tài)氮氧化性能0.033kgN/(kgVSS?d),AOB的數(shù)量相對于NOB在顆粒污泥中占優(yōu)勢.因為連續(xù)流固定床的進水中含有 3～4mg/L溶解氧,AOB的氧飽和常數(shù)比NOB(nitrite oxidation bacteria)低[21-22],AOB迅速消耗進水中的溶解氧,NOB不僅要和AOB競爭氧氣,還要和anammox菌競爭NO2--N,生長受到抑制.

圖6 R1,R2,R3的NO2--N和NO3--N變化Fig.6 The evolution of NO2--N and NO3--N of R1,R2,R3

2.2 污泥特性

2.2.1 污泥物理特性 如圖7所示,R1,R2,R3的 MLVSS/MLSS分別為0.938,0.933,0.903.An等[9]測得粒徑為 M1(>1.5mm),M2(1.0～1.5), M3(0.5～1.0)的anammox顆粒污泥的MLVSS/ MLSS分別為 0.75,0.71,0.66,本研究的顆粒污泥含有的微生物濃度更高,無機組分更低.R1,R2,R3所占的數(shù)目比分別為 15.4%,57.3%,27.3%,R2所占的數(shù)目百分數(shù)最大,R1最小.R1,R2,R3所占的重量比分分別為 20.4%,59.2%,20.4%,R2所占的重量百分比最大,R1和 R3最小重量百分比相差不大.R1, R2,R3的沉降速度分別為 85.9,64.0, 40.9m/h,沉降速度隨著粒徑的增大而增大[23].Tay等人的研究結果表明好氧顆粒污泥的沉速為 24.0～64.8m/h[23],本實驗的 anammox顆粒污泥具有更好的沉降性能.唐崇儉測得粒徑分布為 1.33～2.50mm(平均粒徑為 1.65mm)的 anammox顆粒污泥的沉降速度為64.2m/h[24],與本實驗接近. An等[9]測得粒徑為 M1(>1.5mm),M2(1.0～1.5), M3(0.5～1.0)的anammox顆粒污泥的沉降速度分別為121.6,91.8,76.4m/h,較本研究的結果要高,因為An等[9]采用的顆粒污泥MLVSS/MLSS較本研究低得多,顆粒污泥內(nèi)的無機組分更多,從而具有更高的沉降速度.

圖7 R1, R2, R3的污泥特性Fig.7 The sludge characteristics of R1, R2, R3

2.2.2 污泥掃描電鏡 如圖8所示,在anammox顆粒污泥的表面(圖 8A)主要是一些球狀的細菌,直徑為 0.3～0.5μm,可能為好氧氨氧化菌[25],其種屬特性有待于生物學技術的進一步驗證.有研究表明,當環(huán)境中存在低濃度溶解氧時,好氧氨氧化菌生長在anammox顆粒污泥外部,緩解溶解氧對anammox 菌的抑制[26].anammox菌表面呈火山口狀結構[2],在顆粒污泥表面分布很少,在anammox顆粒污泥內(nèi)部(圖8B)數(shù)量龐大,直徑為0.8～1.2μm,和 Kartal等[27]的研究一致.有研究表明顆粒污泥內(nèi)部存在一些孔道.由于底物限制導致顆粒污泥內(nèi)部的微生物衰亡,內(nèi)部氣體的釋放都有助于孔洞的形成[15,28].本研究采用的顆粒污泥內(nèi)部仍為鮮紅色,顆粒污泥的比厭氧氨氧化活性并沒有隨著顆粒污泥粒徑的增大而減小,所以這些內(nèi)部孔洞的形成不是由于微生物受底物傳質(zhì)限制而衰亡所形成的,而是由于反應過程中產(chǎn)生的氮氣釋放形成了這些孔洞.孔洞的形成有助于提高污泥的傳質(zhì)效率[9].

圖8 anammox顆粒污泥表面(A)和內(nèi)部(B)掃描電鏡Fig.8 The SEM images of the external (A) and the internal (B) part of the anammox granule

3 結論

3.1 溫度為 25℃時,對于粒徑為 R1(>2.5mm), R2(1.5～2.5mm),R3(0.5～1.5mm)的anammox顆粒污泥,粒徑的增大對anammox顆粒污泥的厭氧氨氧化活性的作用表現(xiàn)為兩個方面,包括抑制作用和促進作用.當粒徑從R3增加到R2時,粒徑對顆粒污泥的促進作用和抑制作用相當.當粒徑從R3增加到 R1時,粒徑對顆粒污泥的促進作用大于抑制作用.

3.2 溫度為 25℃時,anammox顆粒污泥的好氧氨氧化速率隨著粒徑的增大而增大.R1,R2,R3的好氧氨氧化速率分別為 0.074,0.047,0.030kgN/ (kgVSS?d).anammox顆粒污泥的厭氧氨氧化TN去除速率平均值為 0.478kgN/(kgVSS?d),亞硝態(tài)氮反硝化速率、硝態(tài)氮反硝化速率、好氧氨氧化速率、好氧亞硝態(tài)氮氧化速率平均值分別為0.028,0.037,0.050,0.033kgN/(kgVSS?d).

3.3 在 anammox顆粒污泥外部以球狀菌為主,直徑為0.3～0.5μm,可能為AOB.在anammox顆粒污泥內(nèi)部,主要為火山口狀細菌,直徑為 0.8～1.2μm,可能為anammox菌.顆粒污泥內(nèi)部存在孔洞有助于緩解粒徑對傳質(zhì)效率的不利影響.

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The nitrogen removal performance of anammox granules of different sizes.

ZHENG Zhao-ming, LIU Chang-jing,

ZHENG Lin-xue, ZHANG Mei-xue, ZHAO Bai-hang, CHEN Guang-hui, LI Jun*(Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China). China Environmental Science, 2014,34(12)：3078～3085

The nitrogen removal performance of anammox (anaerobic ammonium oxidation) granules in different sizes R1(above 2.5mm), R2(1.5～2.5mm), and R3(0.5～1.5mm) were investigated by serum bottle batch tests under 25℃.The specific anammox activities of granules R1, R2, R3 were 0.555, 0.423, 0.456kgN/(kgVSS?d), respectively. The value of R1was the highest, while the values of R2 and R3 were similar. The average specific anammox activity, denitrification activity of nitrite, denitrification activity of nitrate, aerobic ammonium oxidation activity and aerobic nitrite oxidation activity were 0.478,0.028,0.037,0.050,0.033kgN/(kgVSS?d), respectively. The SEM indicated that some holes lied in the outer part of anammox granule, which redused the adverse effects of particle size on mass transfer efficiency. In the outer part of anammox granule, bacteria were mainly spherical, which may be AOB. In the inner part of the anammox granule, the bacteria were mainly crater-shaped, which should be anammox bacteria. Owing to this structure, the anammox bacterium was able to relieve from the adverse effects of oxygen.

anammox；granules；granules sizes；nitrogen removal performance；transport properties

X703.5

A

1000-6923(2014)12-3078-08

鄭照明(1989-),男,浙江嵊州市人,北京工業(yè)大學碩士研究生,主要研究厭氧氨氧化、亞硝化脫氮工藝.

2014-03-07

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2014ZX 07201-011);北京市自然科學基金資助項目(8122005);國家自然科學基金青年基金(51308010);北京市教委面上項目(KM201210005028)

* 責任作者, 教授, jglijun@bjut.edu.cn