利用羥胺實現(xiàn)城市污水短程硝化最優(yōu)投加點選擇

徐昊天 ,張樹軍 ,杜 睿 ,彭永臻 * (.北京工業(yè)大學(xué),城鎮(zhèn)污水深度處理與資源化利用技術(shù)國家工程實驗室,北京004；.北京城市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司科技研發(fā)中心,北京 000)

傳統(tǒng)生物污水處理技術(shù)——硝化/反硝化是目前處理城市生活污水的主要方式[1].而我國城市污水普遍碳氮比(C/N)較低,傳統(tǒng)城市污水處理廠不僅需要巨大曝氣能耗[2-3],往往需要投加大量外加碳源,剩余污泥產(chǎn)量大且可能造成二次污染.另一方面,污水排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高,污水處理能耗急劇增加[4].短程硝化/反硝化工藝是污水處理節(jié)能降耗的重要途徑[5].短程硝化過程是利用氨氧化菌(AOB)和 NO2--N氧化菌(NOB)在活性污泥法動力學(xué)特性上存在的生化反應(yīng)固有差異,富集AOB并抑制NOB,控制NH4+-N僅氧化為NO2--N而不被繼續(xù)氧化為硝態(tài)氮(NO3--N)[6-7].目前實現(xiàn)短程硝化的常用手段有高溫[8]、低溶解氧(DO)[9]、基于pH值及DO等參數(shù)的實時控制策略[10]、游離亞硝酸抑制NOB[11-12]、短污泥齡(SRT)[13]等.然而,針對低C/N、低溫、水質(zhì)波動大的城市污水,現(xiàn)有方法仍難以快速啟動與穩(wěn)定維持短程硝化過程[14-15].研究發(fā)現(xiàn),投加羥胺作為 NOB抑制劑可以啟動短程硝化,具有操作簡便和較高 NO2--N積累效率的優(yōu)勢[13,16].Okabe 等[17]利用 8.25mg/L 羥胺,在模擬廢水中實現(xiàn)了短程硝化,最大 NO2--N生成率達(dá)到1.12kgN/m3/d.Xu等[18]在SBR系統(tǒng)中投加10mg/L的羥胺,快速實現(xiàn)了短程硝化,NO2--N積累率達(dá)到99.8%.

然而,羥胺具有一定生物毒性,過量投加會同時抑制AOB與NOB活性[13,19].因此,投加方式不當(dāng)可能會導(dǎo)致硝化效果不理想,甚至破壞系統(tǒng)硝化性能.有研究表明,羥胺作為一種還原性物質(zhì),易在堿性條件下被氧化[20-22].那么,好氧硝化過程投加羥胺降低其對NOB的抑制效果,以及如何降低其對AOB活性的不利影響仍有待探究.本研究通過批次試驗,探究了有氧和缺氧時間對羥胺抑制作用的影響,確定了可優(yōu)化的投加點;并通過長期對比試驗,考察了缺氧/好氧(A/O)模式下運行的SBR系統(tǒng)中實現(xiàn)短程硝化的最優(yōu)羥胺投加點及短程硝化效果.

1 材料方法

1.1 試驗裝置

本研究中,批次試驗采用有效容積1L的反應(yīng)裝置,配有曝氣設(shè)備和pH/DO在線檢測設(shè)備,通過磁力攪拌器充分混合;長期試驗采用有效容積為 7L的SBR,(圖 1).SBR 每天以缺氧/好氧(A/O)模式運行(4周期/天),每個周期(6h)運行時序如下:缺氧反應(yīng)30min,好氧反應(yīng) 2h,沉淀(30min),排水(10min),,排水比50%. SBR運行圖例見圖2.

圖1 SBR裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of SBR

圖2 SBR運行模式示意圖Fig.2 The operational mode of SBR

1.2 試驗用水與污泥

長期試驗用水采用實際生活污水,取自北京高碑店污水處理廠初沉池出水,其水質(zhì)如下:NH4+-N 27.8～39.8mg/L;NO2--N、NO3--N 0～0.2mg/L;COD 110～140mg/L.

批次試驗用水采用在自來水中加入一定質(zhì)量制成氯化銨(NH4Cl)的人工合成廢水,其中 NH4+-N 40mg/L;NO2--N 0～0.1mg/L;NO3--N 0～0.1mg/L.

批次試驗以及長期試驗接種污泥來自北京高碑店污水處理廠曝氣池污泥,污泥濃度(MLSS)約為8000mg/L;接種污泥具有良好硝化性能,該廠穩(wěn)定運行期間平均出水 NH4+-N＜1.0mg/L,NO2—N＜1.2mg/L,COD＜65mg/L.

1.3 羥胺投加方式對NOB抑制作用批次試驗與長期試驗

批次試驗探究有氧和缺氧時間對羥胺抑制NOB效果的影響,確定羥胺投加點.

(1)將全程污泥洗泥后置于編號為P1、P2和P3的3組容積為1L的錐形瓶中待使用.根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[23]配置5mg/L羥胺,將其分別置于編號為A1、A2、A3的燒杯中并控制其溶解氧分別為 0、3、8mg/L.均處理5分鐘后,人工廢水與羥胺對應(yīng)加入P1、P2、P3中,同時開始曝氣90min.

(2)將全程污泥洗泥后置于編號為H1、H2、H3、H4的4組容積為1L的錐形瓶中待使用.將5mg/L羥胺與配水對應(yīng)加入 4個錐形瓶,并設(shè)置不同的缺氧反應(yīng)時間分別為 0、1、5、15min.缺氧反應(yīng)結(jié)束后開始曝氣90min.

長期試驗采用2組相同SBR裝置(S1與S2),運行模式如1.1所述.啟動初期MLSS為(4000±100) mg/L,不主動排泥,每個周期投加濃度為5mg/L羥胺,S1系統(tǒng)在缺氧段(A段)末投加,S2在好氧段(O段)初投加,探究以不同羥胺投加點的短程硝化系統(tǒng)長期運行效果.

1.4 試驗測量方法

本試驗中NH4+-N、NO2--N、NO3--N分別采用納氏試劑分光光度法、N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法、麝香草酚分光光度法測定.MLSS、MLVSS采用重量法.pH值、DO、溫度由 pH/DO分析儀(Multi 3420,WTW)測得;qPCR采用 ABI7300實時定量儀檢測,以每克干污泥中的拷貝數(shù)代表指定檢測菌的含量,其全菌、AOB、NOB的特定引物對及序列見表1.

表1 QPCR擴增指定菌的特異基因、引物及序列Table 1 QPCR amplification of specific genes, primers and sequences of designated bacteria

2 結(jié)果與分析

2.1 缺氧和好氧條件下羥胺對硝化菌的抑制情況

批次試驗利用不同DO濃度梯度對羥胺進(jìn)行處理,控制曝氣時間5min,并設(shè)置空白組對照.旨在觀察缺氧和好氧條件處理后的羥胺對AOB與NOB活性抑制的影響,見圖3.

圖3 不同DO環(huán)境下NH2OH對AOB和NOB活性影響Fig.3 The activity of AOB and NOB as well as the reducing ratio of their activities after adding NH2OH under different DO conditions

在不投加羥胺的情況下,AOB活性為 4.08mgN/(gMLVSS·h),NOB 的活性為 5.75mgN/(gMLVSS·h),污泥具有較好的氨氧化和NO2--N硝化性能.投加羥胺后,不同DO濃度下的AOB活性受羥胺抑制程度較小,為(8±0.6)%.有研究發(fā)現(xiàn),在羥胺在 0～5mg/L 范圍內(nèi),不同羥胺濃度對AOB活性無明顯影響,而隨著羥胺濃度的增加,NOB活性受抑制程度增大[24-25].其原因可能是,較NOB而言,AOB具有更穩(wěn)定的基因結(jié)構(gòu)以及具有包括代謝轉(zhuǎn)換、群體感應(yīng)等較復(fù)雜的生理學(xué)特性優(yōu)勢,使其對于惡劣條件的抵抗能力與適應(yīng)能力強于NOB[16].因此,改變羥胺的投加條件,濃度為 5mg/L 的羥胺對于AOB也不會造成活性上的不利影響.

對于NOB而言,在DO為0,3,8mg/L的條件下,其活性分別下降為 1.04,2.16,2.23mgN/(gMLVSS·h),說明羥胺可以有效抑制NOB活性.而DO為0條件下的P1中NOB的活性明顯低于DO為3,8mg/L條件下的P2、P3中NOB活性.其中,P1中NOB活性降低比例為81.9%,相比P2、P3中NOB活性降低比例高出約(20±0.5)%.然而,P2、P3中 NOB的活性相對一致,NOB活性降低比例均為(61±0.7)%.推測其原因是羥胺在DO存在環(huán)境下,與之發(fā)生了氧化還原反應(yīng)[20-22],或自身歧化反應(yīng)[26-29].從而將羥胺轉(zhuǎn)化為了其他物質(zhì),影響了羥胺本身所起到的抑制效果(包括毒性[13]以及作為反應(yīng)中間產(chǎn)物被引入,導(dǎo)致平衡被破壞所帶來的影響[19]).可見,在投加過程中,低DO環(huán)境甚至缺氧環(huán)境條件下,NOB活性較AOB受抑制作用更強,從而提高短程硝化過程NO2--N積累率.Nitrospira在活性污泥中具有抵御不良環(huán)境的能力[34-35].沈琛等[36]研究表明,在較短時間內(nèi)(5min)羥胺對Nitrospira抑制作用不大,推測羥胺主要在好氧階段發(fā)揮其抑制作用.Wan[37]指出異樣微生物對于羥胺具

2.2 不同缺氧反應(yīng)時間下羥胺對 AOB/NOB的抑制情況

批次試驗旨在探究在確定缺氧段投加羥胺方案后,考察缺氧反應(yīng)時間對羥胺抑制 AOB與 NOB活性抑制的影響(圖 4).結(jié)果表明,對照組中 AOB活性為 4.13mgN/(gMLVSS·h),NOB 活性為 5.66mgN/(gMLVSS·h),可見活性均良好.在投加羥胺后,NOB 的活性受到明顯抑制.其中,H2與H3中NOB活性受到抑制程度較大,缺氧時間分別為1min和5min時,NOB活性降低比例分別為81.1%和79.3%.而H1與H4中NOB活性受抑制程度較小,當(dāng)缺氧反應(yīng)時間分別為0和15min時,NOB活性降低比例為66.7%和56.1%.

圖4 不同缺氧反應(yīng)時間下NH2OH對AOB、NOB活性的影響Fig.4 The effect of NH2OH on AOB and NOB activities as well as the reducting ratio of their activities under different anoxic reaction time

陳佼等[19]利用 0.5mmol/L羥胺,在人工快滲系統(tǒng)(CRI)實現(xiàn)的短程硝化系統(tǒng)中 NAR大于 65%;NH4+-N去除率保持90%以上,而利用1.0mmol/L羥胺的對照組中NAR約為60%;NH4+-N去除率小于30%.結(jié)合本文結(jié)果再次表明羥胺濃度對AOB活性抑制程度具有較大影響,羥胺濃度較低時,AOB、NOB受選擇性抑制程度不同[30].

因此,為實現(xiàn)NOB活性抑制的條件下盡可能減少羥胺對AOB活性的抑制,通過探究AOB與NOB活性降低比例的差值推測適宜的缺氧反應(yīng)時間.由圖3可知,缺氧反應(yīng)時間為 1min時,NOB活性降低比例最大,為81.1%;AOB活性降低比例為 10.1%,其差值為 70.9%;缺氧反應(yīng)5min時,NOB、AOB活性降低比例的差值為63.1%,均高于不進(jìn)行缺氧反應(yīng)而直接進(jìn)行曝氣的羥胺中兩種硝化菌的活性降低比例差值(50.9%).有研究指出[31],羥胺具有較強的反應(yīng)活性,體系中的條件(DO、pH值、溫度等)均會影響羥胺的穩(wěn)定性及其各種代謝途徑.Kim等[32]在生物膜反應(yīng)器中利用系統(tǒng)FA濃度為3mg/L實現(xiàn)短程硝化,需要控制DO濃度保持0.5mg/L以下;Fernandez[33]指出DO過量會提高硝化菌對于FA抑制的耐受性.推測在投加羥胺初期引入大量DO會使羥胺自身被消耗,NOB受抑制程度降低,從而表現(xiàn)出更強的耐受能力.因此,本文結(jié)論表明,控制適宜缺氧時間使羥胺充分發(fā)揮對 NOB活性的抑制作用對短程硝化硝化具有重要作用:缺氧反應(yīng)時間過長(15min以上)不但不會進(jìn)一步提高對NOB活性的抑制效果,反而會影響羥胺本身對 NOB活性的抑制.有研究認(rèn)為,有差異性響應(yīng)機制,結(jié)合本文結(jié)果表明,過長的缺氧時間可能導(dǎo)致羥胺發(fā)揮作用之前被環(huán)境中異養(yǎng)微生物所代謝分解,使得其在好氧階段對NOB活性抑制下降.

2.3 不同羥胺投加方式下短程硝化穩(wěn)定性與菌群活性變化

結(jié)合批次實驗,確定兩個不同投加時間點,分別為A段末5min之內(nèi)和O段初,開展長期試驗,探究兩種羥胺投加方式對于短程硝化系統(tǒng)長期運行效果的影響.

如圖所示,第Ⅰ階段未添加羥胺時 SBR系統(tǒng)內(nèi)氮素污染物的轉(zhuǎn)化情況.由圖可知,該階段以全程硝化為主,出水中含有大量的NO3--N和極少量未被氧化的NH4+-N.從第Ⅱ階段開始,在S1、S2反應(yīng)器的A段末5min內(nèi)與O段初兩個投加點投加5mg/L羥胺.此時S1與S2在投加羥胺后幾天內(nèi)均迅速出現(xiàn)較高的NAR,連續(xù)投加3d后,S1中約為95.6%,S2中約為100%.而S1中NH4+-N去除率依然保持在較高水平并維持了8d,約為98.8%.

相比之下,S2中 NH4+-N去除率自投加羥胺后出現(xiàn)驟降,由99.5%降低至36.3%.從第Ⅲ階段開始停止投加羥胺進(jìn)入維持階段,觀察S1與S2中氨氧化能力的恢復(fù)情況以及短程硝化過程維持情況.此外,由于實際進(jìn)水氨氮含量較為波動,導(dǎo)致出現(xiàn)的過曝氣現(xiàn)象破壞了短程硝化效果[38-39],S1在階段Ⅲ的第15d從出水中檢測到NO3--N,并逐漸累積,說明NOB活性逐步恢復(fù),短程硝化逐漸惡化.階段Ⅲ第 20d,NAR＜90%.而 S2在階段Ⅲ的第 4d出水中檢測到NO3--N, NAR約為85.95%,與S1階段Ⅲ比較,NAR出現(xiàn)更快降低,短程硝化系統(tǒng)僅維持了 4d.在階段Ⅲ的第35d,S1中NAR約為44.1%,ARE約為84.0%.S2中NAR僅為11.7%,ARE也降低為69.75%.對比可知,在A段末5min內(nèi)投加點每周期投加5mg/L羥胺可以迅速實現(xiàn)短程硝化,也可保持較高的氨氮去除率.即使在過量使用羥胺的情況下,A段末5min內(nèi)投加點投加羥胺的短程硝化系統(tǒng)可以維持相對較長的時間,提高了后續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

圖5 試驗不同階段的氨氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度,氨氮去除率以及亞硝積累率的變化Fig.5 Changes of ammonia, nitrite, and nitrate concentrations,ARE and NAR in different stages

為了探究 S1、S2分別搭建的短程硝化系統(tǒng)的區(qū)別,進(jìn)一步考察S1、S2在運行階段Ⅱ內(nèi)典型周期的氮素變化規(guī)律(圖6).結(jié)果表明,S1、S2均具有良好的短程硝化效果,反應(yīng)過程中出現(xiàn)高水平的 NO2--N積累.其中,S1系統(tǒng)的 NAR最高達(dá)到 98.4%,S2中NAR為 98.9%.S1具有較高的 NH4+-N去除率,NH4+-N幾乎全部轉(zhuǎn)化為NO2--N,過程中NO3--N含量極低.而S2中在投入羥胺以后,NH4+-N幾乎未進(jìn)行轉(zhuǎn)化,NH4+-N去除率為 2.3%.在相關(guān)文獻(xiàn)[13]中指出,短程硝化分兩步進(jìn)行,首先 NH4+-N 在氨單加氧酶(AMO)的作用下轉(zhuǎn)為羥胺,進(jìn)而在羥胺氧化還原酶(HAO)的作用下轉(zhuǎn)化為NO2--N,而后NOB在亞硝酸鹽氧化還原酶(NXR)作用下將其轉(zhuǎn)化.Harper[40]等研究認(rèn)為,AOB由于細(xì)胞內(nèi) HAO的存在,從而比NOB具有更好抵御羥胺毒性的能力.在S2中氨氮幾乎未得到降解,但亞硝態(tài)氮依然得到積累,說明AOB中HAO較AMO更能抵御羥胺產(chǎn)生的毒性作用,羥胺的加入抑制了 AMO活性,使氨氮無法得到轉(zhuǎn)化,使得S2中氨氧化能力受到限制.推斷S2中亞硝態(tài)氮積累為所投加羥胺自身的氧化.

圖6 階段Ⅱ第5d的三氮素典型周期變化Fig.6 Profiles of nitrogen concentration on the fifth day of stageⅡ in typical cycle

而在S1中,A段末投加羥胺,氨氮含量有所上升,猜測由于羥胺在堿性環(huán)境下易發(fā)生自身歧化作用從而轉(zhuǎn)化為氨類物質(zhì)[28-29]導(dǎo)致.在進(jìn)入好氧階段后,降低了羥胺自身毒性對 HAO、AMO的抑制作用.而對于 NOB而言,S1、S2中均無明顯硝態(tài)氮積累,說明受抑制情況與缺氧以及好氧階段投加無關(guān).結(jié)合上一階段試驗表明,適當(dāng)?shù)娜毖醴磻?yīng)時間不會影響羥胺在好氧階段發(fā)揮其對NOB的抑制作用.因此,羥胺在好氧階段對AMO、HAO、NXR產(chǎn)生抑制作用,而在 A段末投加可以在一定程度上使 AOB中HAO更易于分解環(huán)境中的羥胺以保持活性.從而可以在實現(xiàn)短程硝化的基礎(chǔ)上,保持AOB較高的氨氧化能力.

2.4 羥胺投加對AOB與NOB菌群結(jié)構(gòu)影響

分別在S1、S2兩個反應(yīng)器第Ⅰ階段第5d(總運行時間的第 5d)與第Ⅱ階段第 5d(總運行時間的第15d),取相同時間點做qPCR檢測見圖7.通過計算3種菌(AOB、Nitrobacter、Nitrospira)的豐度變化,得到S1中對AOB、Nitrobacter、Nitrospira的抑制率分別為12.8%、61.8%、70.8%.S2中分別為66.7%、39.2%、51.6%.

圖7 投加羥胺啟動短程硝化第5d與第15d AOB與NOB豐度Fig.7 Abundances of AOB and NOB on day 5 and day 15 during the start-up of partial nitrification with hydroxylamine addition

通過對比發(fā)現(xiàn),在O段初投加較A段末5min內(nèi)投加羥胺對AOB的抑制高出53.9%,進(jìn)而導(dǎo)致S2中NOB占比由 94.58%上升至 96.26%,而 S1中 NOB占比由95.12%下降至82.96%.因此在每個周期的A段末5min內(nèi)投加羥胺更有利于發(fā)揮羥胺對于AOB和NOB的選擇性抑制[30],將NOB充分淘洗,從而降低NOB在菌群中所占的比例,實現(xiàn)更加穩(wěn)定的短程硝化過程.Li等[16]模擬A/O模式運行的SBR反應(yīng)中,在好氧階段連續(xù)投加5mg/L羥胺,于投加第5dNAR接近100%,同時NH4+-N去除率開始迅速下降,至第14d下降為 0,且于 51d后短程硝化系統(tǒng)被完全破壞,NAR下降為0一現(xiàn)象,與本研究中S2試驗現(xiàn)象相近.而喬昕[41]等人,利用 SBR 模擬厭氧/好氧/缺氧(AOA)模式運行,將 5mg/L羥胺以不同頻次投加至好氧階段初,并未出現(xiàn)氨氧化能力的下降.可能是由于運行模式的改變導(dǎo)致 AOB具有更強抵御羥胺抑制的作用.

綜上,在A/O模式運行下的SBR反應(yīng)器,每個周期A段末5min內(nèi)投加5mg/L羥胺可以在快速實現(xiàn)較高NAR的同時,保持一段時間內(nèi)較高的氨氧化能力,維持NAR 92%以上.通過每周期投加5mg/L羥胺,對AOB、Nitrobacter、Nitrospira均產(chǎn)生較為明顯抑制效果,其中A段末5min內(nèi)投加會減少對AOB的抑制效果,有利于淘洗 NOB富集 AOB,從而實現(xiàn)菌群結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[18].

3 結(jié)論

3.1 DO以及缺氧反應(yīng)時間(15min及以上)會對羥胺投加后的短程硝化過程產(chǎn)生15%～21%的抑制作用

3.2 在缺氧段末5min內(nèi)投加羥胺可以使得投加羥胺建立的短程硝化系統(tǒng)在保持較高NAR(92%以上)的同時保持系統(tǒng)較好的氨氧化能力,氨氮去除率達(dá)到88%.

3.3 在A/O運行的SBR反應(yīng)器中,羥胺在好氧階段對AMO、HAO、NXR產(chǎn)生抑制作用;而在缺氧段末投加可以在一定程度上使AOB中HAO更易于分解環(huán)境中的羥胺以保持活性.從而可以在實現(xiàn)短程硝化的基礎(chǔ)上,降低AOB氨氧化能力受到的不利影響.