不同填料的厭氧氨氧化污泥掛膜性能比較

高夢(mèng)佳，王淑瑩，王衫允，彭永臻，賈方旭

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不同填料的厭氧氨氧化污泥掛膜性能比較

高夢(mèng)佳1，王淑瑩1，王衫允2，彭永臻1，賈方旭1

（1北京工業(yè)大學(xué)北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124；2哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150090）

向厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)投加填料形成生物膜有利于污泥的持留，然而有關(guān)填料本身的不同特點(diǎn)對(duì)厭氧氨氧化生物膜生長(zhǎng)影響的報(bào)道較少。將兩種不同密度的懸浮塑料填料和兩種不同密度的海綿填料置于同一反應(yīng)器內(nèi)，進(jìn)行厭氧氨氧化污泥的掛膜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)海綿填料的單個(gè)填料氨氮平均去除速率和亞硝態(tài)氮平均去除速率整體高于懸浮塑料填料，所掛污泥的EPS含量整體也高于懸浮塑料填料，并且掛膜速度也相對(duì)較快。在掛膜30 d后，單個(gè)小密度海綿填料便可檢測(cè)出氨氮和亞硝態(tài)氮去除速率，且值接近1.32。在掛膜105 d后，單個(gè)小密度海綿填料的氨氮平均去除速率為0.123 mg·L-1·h-1，亞硝態(tài)氮平均去除速率為0.160 mg·L-1·h-1，值為1.30，最為接近理論值1.32，厭氧氨氧化活性為最佳，并且其所掛污泥的厭氧氨氧化菌豐度值在4種填料中最大，為1.73×1010copies·(g dry sludge)-1，總體來(lái)看小密度海綿填料的掛膜效果更好。

生物膜；懸浮塑料填料；海綿填料；厭氧氨氧化；性能

引 言

傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)需要為硝化反應(yīng)提供溶解氧和為反硝化反應(yīng)提供外加碳源，這就增加了運(yùn)營(yíng)成本，而厭氧氨氧化反應(yīng)為缺氧和自養(yǎng)反應(yīng)，能夠節(jié)約能源和碳源[1-2]，適合低C/N污水，節(jié)省由添加外部碳源、曝氣等操作產(chǎn)生的成本支出，產(chǎn)生的污泥量少[3]，可減少污泥處理費(fèi)用[4]。但是厭氧氨氧化菌生長(zhǎng)緩慢，世代時(shí)間長(zhǎng)[5-6]，體積較?。ㄖ睆讲坏? μm）[6-7]，極易流失，導(dǎo)致反應(yīng)器啟動(dòng)周期長(zhǎng)且運(yùn)行不穩(wěn)定，因此通過(guò)減少厭氧氨氧化污泥的流失來(lái)縮短啟動(dòng)時(shí)間對(duì)厭氧氨氧化工藝的實(shí)際應(yīng)用有重要意義[8-10]，如何保證污泥在反應(yīng)器中有效截留是該工藝的關(guān)鍵問(wèn)題。

使厭氧氨氧化菌固定在填料表面形成生物膜可以增長(zhǎng)污泥停留時(shí)間，因而向反應(yīng)器內(nèi)投加填料有利于污泥的持留。Fernandez等[11]用沸石作為填料，使污泥的厭氧氨氧化活性由0.35 g N·(gVSS)-1·d-1增加到0.5 g N·(gVSS)-1·d-1；Kim等[12]將無(wú)紡布膜組件添加到反應(yīng)器內(nèi)使污泥持留能力有了很大的提高，氨氮和亞硝態(tài)氮去除率分別高于88%和94%；張莉等[13]以海綿作填料利用半硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝對(duì)實(shí)際廢水進(jìn)行脫氮處理，反應(yīng)器處理效果較好?？梢?jiàn)，填料的添加有助于提高反應(yīng)器的脫氮效率。但是現(xiàn)有的研究多集中于單一填料，由于填料的種類多樣，有關(guān)填料本身的不同性質(zhì)對(duì)厭氧氨氧化生物膜生長(zhǎng)影響的報(bào)道較少。

本試驗(yàn)采用復(fù)合填料反應(yīng)裝置模擬SBR反應(yīng)器，將兩種密度不同的塑料填料和兩種密度不同的海綿填料置于同一反應(yīng)器內(nèi)，進(jìn)行厭氧氨氧化污泥的掛膜，通過(guò)階段性考察不同厭氧氨氧化填料的掛膜效果及脫氮性能來(lái)比較不同填料的掛膜特點(diǎn)，并測(cè)定填料所掛污泥的EPS和厭氧氨氧化菌豐度值，來(lái)進(jìn)一步解釋不同填料呈現(xiàn)不同脫氮性能的原因，并為厭氧氨氧化反應(yīng)裝置的掛膜提供參考和依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)所用填料類型及掛膜方法

本試驗(yàn)選用了4種填料，兩種為塑料填料，密度分別大于1 g·cm-3和小于1 g·cm-3，兩種為海綿填料，其密度不同，填料的俯視圖見(jiàn)圖1。塑料填料的高度為1.2 cm，海綿填料的高度為1.5 cm，4種填料的特點(diǎn)見(jiàn)表1。將這4種典型填料以相同填充比（20%）投加到同一厭氧氨氧化反應(yīng)器中，并以相同方式固定在反應(yīng)器內(nèi)，構(gòu)建復(fù)合填料反應(yīng)器，從而保證填料時(shí)刻處于同等溫度、基質(zhì)、水力等培養(yǎng)條件的環(huán)境中。此復(fù)合填料反應(yīng)器由一個(gè)2.5 L小試反應(yīng)器、一個(gè)IKA ETS-D5溫控裝置和一臺(tái)IKA RCT basic磁力攪拌器組成，排水比為80%，4周 期/天，溫度控制為30℃，反應(yīng)器內(nèi)初始污泥濃度為0.73 g VSS·L-1，在此復(fù)合填料反應(yīng)器中進(jìn)行中長(zhǎng)期的厭氧氨氧化掛膜培養(yǎng)馴化，進(jìn)水來(lái)源前60 d為實(shí)際生活污水，由于生活污水的和濃度不穩(wěn)定，影響了污泥的厭氧氨氧化活性；后45 d進(jìn)水為模擬廢水，其成分見(jiàn)表2，并每天檢測(cè)進(jìn)出水中氮素水平，同時(shí)階段性考察不同厭氧氨氧化填料的掛膜效果及脫氮性能。

圖1 試驗(yàn)所用填料類型

表1 填料性質(zhì)

表2 模擬廢水成分

1.2 單個(gè)填料的氮平均去除速率測(cè)定方法

將4種填料取出，分別在4個(gè)小試SBR反應(yīng)器內(nèi)測(cè)定氨氮和亞硝態(tài)氮的平均去除速率。具體做法是，在4個(gè)小試反應(yīng)器內(nèi)加入相同體積的模擬廢水，通過(guò)曝氮?dú)馊コ腥芙庋?，同時(shí)進(jìn)行攪拌和加熱，使小試反應(yīng)器內(nèi)模擬廢水溫度與原反應(yīng)器一致。將填料浸入模擬廢水中，然后每隔1 h取1個(gè)樣，一共取10次樣，分別根據(jù)10個(gè)樣的氨氮和亞硝態(tài)氮濃度值擬合出濃度-時(shí)間曲線，斜率為氮平均去除速率，然后分別除以填料的個(gè)數(shù)，得出4種填料的單個(gè)填料氮平均去除速率。

1.3 胞外多聚物的提取和測(cè)定方法

將4種填料所掛污泥取下（將塑料填料所掛污泥刮下，通過(guò)水洗和擠壓海綿填料將所掛污泥取下），每種填料所掛污泥平均分為兩份（將污泥混勻后分為等體積的兩份），一份用于測(cè)定MLSS和MLVSS，一份用于提取和測(cè)定胞外多聚物（extracellular polymeric substances，EPS）。將所取泥樣用pH7的緩沖液（1.3 mmol·L-1Na3PO4，2.7 mmol·L-1NaH2PO4，6 mmol·L-1NaCl和0.7 mmol·L-1KCl）稀釋至一定體積，在20 kHz和480 W的條件下超聲10 min，于20000離心20 min，取上清液[14]。分別采用福林酚法和蒽酮比色法測(cè)定所取上清液的蛋白質(zhì)、多糖含量，EPS取上清液的蛋白質(zhì)、多糖含量總和。

1.4 脫氧核糖核酸的提取和定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

稱取 0.1 g左右經(jīng)-50℃冷凍干燥處理的污泥樣品，利用 FastDNA SPIN Kit for Soil（Bio 101，Vista，CA）提取試劑盒提取樣品中的總脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）。定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（quantitative polymerase chain reaction，qPCR）擴(kuò)增的 20 μl 體系配制如下：SYBR 10 μl，Rox 0.4 μl，前后引物各0.2 μl，DNA 2 μl，ddH2O補(bǔ)足至20 μl。其中，使用通用引物341f/534r對(duì)全細(xì)菌進(jìn)行定量PCR 擴(kuò)增；使用特異性引物 Amx368f/ Amx820r進(jìn)行厭氧氨氧化菌定量PCR 擴(kuò)增[15-16]。

1.5 理化指標(biāo)測(cè)定方法

2 結(jié)果和討論

2.1 復(fù)合填料反應(yīng)器的氮去除效果及其厭氧氨氧化活性

從圖2中可以看出以生活污水為進(jìn)水來(lái)源的前60 d，由于進(jìn)水和濃度不穩(wěn)定，反應(yīng)器出水的和濃度以及和TN去除率波動(dòng)大；而之后的45 d采用模擬廢水為進(jìn)水來(lái)源，進(jìn)水和濃度基本維持在30 mg·L-1左右，出水濃度可降到1 mg·L-1以下，濃度基本可降到8 mg·L-1以下，NH4+-N去除率在70%～85%之間，TN去除率在65%～80%之間，污泥的厭氧氨氧化活性為0.24 g N·(gVSS)-1·d-1。系統(tǒng)的出水濃度基本可降到2 mg·L-1以下，去除率在95%以上，可見(jiàn)，反應(yīng)器整體的去除效果好。

圖2 復(fù)合填料反應(yīng)器的氮去除效果

反應(yīng)器內(nèi)平均亞硝態(tài)氮去除量/氨氮去除量與平均硝態(tài)氮產(chǎn)生量/氨氮去除量見(jiàn)圖3。由此可知，系統(tǒng)的平均值，在進(jìn)水來(lái)源為生活污水時(shí)為1.20，在進(jìn)水來(lái)源為模擬廢水時(shí)為1.10；平均值，在進(jìn)水來(lái)源為生活污水時(shí)為0.23，在進(jìn)水來(lái)源為模擬廢水時(shí)為0.25。系統(tǒng)整體的平均亞硝態(tài)氮去除量/氨氮去除量接近文獻(xiàn)[17]報(bào)道的理論值1.32，平均硝態(tài)氮產(chǎn)生 量/氨氮去除量也與文獻(xiàn)[18-19]報(bào)道的理論值0.26相近，可見(jiàn)，系統(tǒng)整體的厭氧氨氧化活性良好。但 是在前60 d以生活污水為進(jìn)水時(shí)，相比于后45 d以模擬廢水為進(jìn)水時(shí)與值波動(dòng)大，以模擬廢水為進(jìn)水時(shí)反應(yīng)器內(nèi)厭氧氨氧化活性更好?？赡苁怯捎谝陨钗鬯疄檫M(jìn)水時(shí)，進(jìn)水和濃度不穩(wěn)定，對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)造成了不利影響。

圖3 復(fù)合填料反應(yīng)器內(nèi)厭氧氨氧化反應(yīng)化學(xué)計(jì)量關(guān)系

2.2 塑料填料和海綿填料不同時(shí)期的氮去除速率測(cè)定

由圖4可知經(jīng)過(guò)以生活污水為進(jìn)水的前30 d，填料A、B、C的厭氧氨氧化活性不明顯，而填料D已經(jīng)有了一定的厭氧氨氧化活性，其單個(gè)填料的氨氮平均去除速率為0.073 mg·L-1·h-1，亞硝態(tài)氮平均去除速率為0.103 mg·L-1·h-1，值為1.40，接近理論值1.32。在掛膜60 d后，塑料填料（A，B）仍幾乎沒(méi)有厭氧氨氧化活性，而海綿填料（C，D）有一定的厭氧氨氧化活性，單個(gè)C填料的氨氮平均去除速率為0.089 mg·L-1·h-1，亞硝態(tài)氮平均去除速率為0.058 mg·L-1·h-1，單個(gè)D填料的氨氮平均去除速率為0.128 mg·L-1·h-1，亞硝態(tài)氮平均去除速率為0.102 mg·L-1·h-1，值相對(duì)更接近理論值1.32，其厭氧氨氧化活性在4種填料中最好。雖然海綿填料可去除氨氮和亞硝態(tài)氮，但值明顯低于1.32，可能是由于海綿填料上存在異養(yǎng)菌，對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)造成了不利影響，因此若能更徹底地去除進(jìn)水中的有機(jī)物可能會(huì)使海綿填料的掛膜效果更好。

圖4 單個(gè)填料氮平均去除速率變化曲線

從圖4、圖5中可以看出在掛膜進(jìn)行105 d后，塑料填料和海綿填料都可檢測(cè)出厭氧氨氧化活性，掛膜105 d比60 d塑料填料和海綿填料的氨氮和亞硝態(tài)氮平均去除速率都有明顯的增大，值也更為接近理論值1.32，相比單個(gè)塑料填料（A，B），單個(gè)海綿填料（C，D）的氨氮和亞硝態(tài)氮平均去除速率更大，其中單個(gè)小密度海綿填料(D)的氨氮平均去除速率為0.123 mg·L-1·h-1，亞硝態(tài)氮平均去除速率為0.160 mg·L-1·h-1，值為1.30，最為接近理論值1.32，厭氧氨氧化活性為最佳。同時(shí)經(jīng)測(cè)定知此時(shí)A、B、C、D的單個(gè)填料所掛污泥量分別為8.8、5.5、12.5、14.5 mg VSS，所掛污泥量最多的為D填料，最少的為B填料，但是B單個(gè)填料的氮去除效果好于A填料，主要原因是B填料所掛污泥的厭氧氨氧化菌含量高（從圖7中可知）。

圖5 掛膜105 d單個(gè)填料的氮去除效果

同一時(shí)期單個(gè)海綿填料的氮去除速率整體高于單個(gè)塑料填料，掛膜速度相對(duì)較快，尤其是小密度海綿填料，在掛膜30 d時(shí)單個(gè)填料就可檢測(cè)出明顯的氨氮和亞硝態(tài)氮去除速率，并且其厭氧氨氧化活性和掛膜速度在4種填料中整體為最佳。究其原因，可能是塑料填料的孔較大，海綿填料的孔隙比塑料填料細(xì)密，對(duì)已附著的細(xì)菌可更好地屏蔽保護(hù)，使它們免受水力學(xué)剪切的沖刷，同時(shí)海綿填料的表面比塑料填料粗糙，粗糙度越大，越可增加細(xì)菌與填料間有效接觸面積，就更為有利于形成生物膜[20]，因而海綿填料的掛膜速度整體比塑料填料快。

2.3 掛膜不同時(shí)期填料的表面特征

從掛膜不同時(shí)期塑料填料和海綿填料的表面特征（圖6）可知經(jīng)過(guò)以生活污水為反應(yīng)器進(jìn)水的前60 d，填料表面所掛污泥為深褐色；再經(jīng)過(guò)以配水為反應(yīng)器進(jìn)水的45 d后，填料所掛污泥呈現(xiàn)紅色，這與厭氧氨氧化污泥的顏色基本一致[21]。諸多研究表明，厭氧氨氧化菌具有細(xì)胞色素c的特征光譜（540～554 nm），厭氧氨氧化菌比例越高，污泥和生物膜紅色越深[22-23]，因此，從生物膜顏色可以判斷在掛膜105 d后，填料所掛污泥中厭氧氨氧化菌基本已經(jīng)占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。并且隨著掛膜時(shí)間的增長(zhǎng)，填料所掛污泥增多。

圖6 不同時(shí)期填料的掛膜情況

2.4 塑料填料和海綿填料所掛污泥的EPS含量

有關(guān)厭氧氨氧化污泥進(jìn)行海綿填料和塑料懸浮填料掛膜的相關(guān)報(bào)道[13,24-25]有一些，但是有關(guān)填料所掛污泥EPS的研究較少，而EPS的含量與污泥形成顆粒的強(qiáng)度相關(guān)[26]，也有可能與填料生物膜的形成有關(guān)，因此本文進(jìn)行了EPS的提取和測(cè)定，并將4種填料所掛污泥的EPS含量進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)將其與實(shí)際的掛膜情況相聯(lián)系，進(jìn)一步比較不同填料的掛膜特點(diǎn)。

在掛膜105 d后，取下填料所掛污泥進(jìn)行EPS的測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表3。從表中數(shù)據(jù)可以看出所掛污泥的EPS含量由高到低依次為D填料、C填料、B填料和A填料，同時(shí)可知填料所掛污泥的PN/PS大于1，即PN高于PS，這與之前的相關(guān)研究結(jié)果[14,27]相符，而PN含量最多的為D填料，最少的為A填料，海綿填料（C，D）的PS含量整體高于塑料填料（A，B）。

表3 填料所掛污泥的EPS含量

綜上所述可知海綿填料所掛污泥的EPS含量整體高于塑料填料，可能是由于海綿填料比塑料填料的截留能力強(qiáng)，可以將死亡和溶解細(xì)胞釋放到溶液內(nèi)的高分子物質(zhì)更多截留，而這些物質(zhì)能夠成為填料所掛污泥EPS的一部分[28]。EPS含量越高越有利于污泥與填料的結(jié)合[29-30]，有利于填料的掛膜，同時(shí)填料上污泥的EPS含量越高一定程度上說(shuō)明填料上所掛污泥的活性越好[31]，這與實(shí)際的掛膜情況（圖4）相符。從上述結(jié)果可以看出提高污泥的EPS含量可能會(huì)有利于填料的掛膜，EPS含量的增加可以使污泥更好地附著在填料上，有利于取得更佳的掛膜效果。

2.5 塑料填料和海綿填料所掛污泥的厭氧氨氧化菌含量

通過(guò)采用分子生物學(xué)技術(shù)可以觀測(cè)不同填料所掛污泥的厭氧氨氧化菌含量，從而可以根據(jù)填料所掛污泥的厭氧氨氧化菌含量的不同來(lái)進(jìn)一步比較不同填料的掛膜性能。

本試驗(yàn)采用qPCR的方法測(cè)定了在掛膜105 d后填料所掛污泥的厭氧氨氧化菌的含量，結(jié)果如圖7所示。從圖中可知，D填料所掛污泥的厭氧氨氧化菌豐度值最高，為1.73×1010copies·(g dry sludge)-1，A填料所掛污泥的厭氧氨氧化菌豐度值最低，為5.13×109copies·(g dry sludge)-1。

圖7 不同填料所掛污泥的厭氧氨氧化菌豐度值

從上述結(jié)果可以看出小密度海綿填料所掛污泥的厭氧氨氧化菌含量最高，從圖4中同時(shí)可知其單個(gè)填料的厭氧氨氧化活性也整體為最好，在掛膜30 d后就可顯示出較好的厭氧氨氧化活性，這比海綿填料相關(guān)報(bào)道[13,25]的啟動(dòng)時(shí)間要短；大密度塑料填料所掛污泥的厭氧氨氧化菌含量高于大密度海綿填料，而其單個(gè)填料的氨氮和亞硝態(tài)氮平均去除速率卻比大密度海綿填料低（圖4），究其原因，主要是單個(gè)大密度塑料填料所掛污泥量少于單個(gè)大密度海綿填料；而小密度塑料填料所掛污泥的厭氧氨氧化菌含量和單個(gè)填料的氨氮和亞硝態(tài)氮平均去除速率均為最低。由此可知，小密度海綿填料的掛膜效果最好。

3 結(jié) 論

（2）海綿填料的單個(gè)填料氨氮平均去除速率和亞硝態(tài)氮平均去除速率整體高于懸浮塑料填料，掛膜速度相對(duì)較快。在掛膜30 d后，單個(gè)小密度海綿填料便可檢測(cè)出較好的厭氧氨氧化活性，這比海綿填料相關(guān)報(bào)道[13,24]的啟動(dòng)時(shí)間要短，在掛膜105 d后，單個(gè)小密度海綿填料的氨氮平均去除速率為0.123 mg·L-1·h-1，亞硝態(tài)氮平均去除速率為0.160 mg·L-1·h-1，值為1.30，最為接近理論值1.32，其掛膜速度和效果為最佳。

（3）海綿填料所掛污泥的EPS含量整體高于塑料填料，而EPS含量越高越有利于污泥與填料的結(jié)合，有利于填料的掛膜，這與實(shí)際的掛膜情況相符。小密度海綿填料所掛污泥的厭氧氨氧化菌豐度值最高，為1.73×1010copies·(g dry sludge)-1，其單個(gè)填料的厭氧氨氧化活性整體也為最好；小密度塑料填料所掛污泥的厭氧氨氧化菌豐度值最低，為5.13×109copies·(g dry sludge)-1，而其單個(gè)填料的氨氮和亞硝態(tài)氮平均去除速率整體也為最低。4種不同填料的掛膜性能可以為厭氧氨氧化裝置的掛膜提供參考和依據(jù)。

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Comparison of different carriers about ANAMMOX biofilm formation performance

GAO Mengjia1, WANG Shuying1, WANG Shanyun2, PENG Yongzhen1, JIA Fangxu1

(1Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, Heilongjiang, China)

Filling carriers to anaerobic ammonium oxidation (ANAMMOX) reactor can improve Anammox biomass retention. But there are few researches about the influence of different characteristics of carriers on ANAMMOX biofilm growth. Two different suspending plastic carriers and two different sponge carriers were filled in the reactor to form ANAMMOX biofilm. The results showed that theandaverage removal rates of one sponge carrier were higher than one suspending plastic carrier on the whole. The EPS contents of sludge on sponge carriers and the speed of sponge carriers forming biofilm were higher than suspending plastic carriers. After biofilm forming for 30 days, theandremoval rates of one sponge carrier with low density could be tested and the value ofwas close to 1.32. After biofilm forming for 105 days, theandaverage removal rates of one sponge carrier with low density were 0.123mg·L-1·h-1and 0.160 mg·L-1·h-1, respectively. The value ofwas 1.30, which was close to 1.32. The ANAMMOX activity of sludge on the sponge carrier with low density was the best. The abundance of anammox bacteria in the sludge on the sponge carrier with low density was the highest among the four types of carriers, which was 1.73×1010copies·(g dry sludge)-1. The sponge carrier with low density had the best biofilm formation performance on the whole.

biofilm; suspending plastic carriers; sponge carriers; anaerobic ammonium oxidation; performance

2016-04-28.

Prof. WANG Shuying, wsy@bjut.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20160563

X 703.1

A

0438—1157（2016）10—4422—09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51478013)；北京市教委資助項(xiàng)目。

2016-04-28收到初稿，2016-06-14收到修改稿。

聯(lián)系人：王淑瑩。第一作者：高夢(mèng)佳（1992—），女，碩士研究生。

supported by the National Natural Science Foundation of China (51478013) and the Funding Projects of Beijing Municipal Commission of Education.