不同水力條件對CANON顆粒污泥微生物胞外聚合物的影響

羅小娟

（江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院， 江西 贛州 341000）

0 引言

全程自養(yǎng)脫氮工藝(completely autotrophic nitrogenremovalovernitrite，CANON)是近年發(fā)展起來的新型脫氮工藝[1-2]，該工藝的主要原理是通過AerAOB(氨氧化菌)與AnAOB(厭氧氨氧化菌)的協(xié)同作用，在同一個反應(yīng)器中共同完成自養(yǎng)脫氮過程[3]。CANON工藝具有占地少、能耗低、成本低等優(yōu)點，因而被認為是最具可持續(xù)特征的生物脫氮工藝[4-5]。CANON反應(yīng)的化學(xué)計量式為[6]：NH3+0.85O2→0.11NO3-+0.445N2+0.14H++1.43H2O。

目前，CANON工藝主要有生物膜法和活性污泥法2種。生物膜法容易堵塞，一旦堵塞脫氮效果急劇變差，而活性污泥法總氮負荷較低[7-8]。顆粒污泥由于其獨特的構(gòu)造，具有污泥停留時間(SRT)長、沉降性能好、生物量濃度高、抗沖擊能力強等優(yōu)點，理論上比絮狀污泥更有優(yōu)勢．因而正逐步成為CANON工藝?yán)硐氲膶崿F(xiàn)形式[9]?，F(xiàn)今針對啟動方式、微生物特征以及環(huán)境條件等對培養(yǎng)CANON工藝顆粒污泥的影響研究已多有報道[10-11]，但是針對水力條件對CANON顆粒污泥啟動及運行的研究還鮮有報道。眾所周知，包外聚合物(EPS)可以改變污泥的物理化學(xué)特性和細菌絮體的表面特性，對細胞間的凝聚和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以及污泥系統(tǒng)性能的變化能夠起到重要的作用[12]，但國內(nèi)針對CANON顆粒污泥EPS特性的研究目前還相對較少。

因此，若能開發(fā)出一種CANON快速啟動工藝及培養(yǎng)具有高效脫氮效能的CANON工藝，并對CANON污泥EPS特性進行剖析，則對高效利用CANON顆粒污泥進行脫氮研究具有重要的意義。針對以上問題，本實驗采用間歇式EGSB反應(yīng)器，通過表面曝氣的方式，研究了不同水力條件對CANON顆粒污泥脫氮效能和系統(tǒng)內(nèi)細菌EPS的影響，以期為CANON工藝顆粒污泥反應(yīng)器的推廣和優(yōu)化運行提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

本研究的試驗裝置為3個平行的間歇式EGSB反應(yīng)器(R1～R3)，由有機玻璃加工制作，反應(yīng)器裝置與流程見圖1。反應(yīng)器的內(nèi)徑為80 mm，總高900 mm，反應(yīng)區(qū)總高800 mm，高.徑比為10，有效容積為4 L。反應(yīng)器外部采用保溫避光材料包裹，并用循環(huán)加熱水浴對保溫層中的水進行循環(huán)加熱，以保持反應(yīng)區(qū)內(nèi)溫度為31±1℃。

圖1 EGSB試驗裝置示意

1.2 接種污泥和進水水質(zhì)

接種污泥由AnAOB顆粒污泥和市政好氧池污泥組成，AnAOB顆粒污泥取自于ANAMMOX-EGSB反應(yīng)器，平均粒徑約 1.8 mm，ρ（MLVSS）/ρ（MLSS）為0.412～0.445。市政好氧池污泥取自城市污水處理廠好氧池，ρ（MLVSS）/ρ（MLSS）為 0.521 ～ 0.557。R1，R2，R3每個反應(yīng)器接種0.5 L的ANAMMOX顆粒污泥和0.5 L市政好氧池污泥，試驗前將接種的好氧池污泥用蒸餾水沖洗數(shù)遍。

進水采用實驗室配水，人工模擬高氨氮廢水，參考前人已有的研究成果[13]，并結(jié)合試驗實際情況，確定模擬廢水的組成如下：ρ（KH2PO4)=28 mg/L，ρ（CaCl2)=144 mg/L，ρ（MgSO4·7H2O)=316 mg/L，ρ（KHCO3)為 250 ～ 350 mg/L，ρ（NH4+-N)=350 mg/L，φ（微量元素)=1mL/L，進水中不添加NO2-。進水NH4+-N濃度根據(jù)反應(yīng)周期末出水水質(zhì)確定，使進水保持ρ（NH4+-N）約為 350 mg/L，ρ（C)/ρ（N)約為 1。

1.3 運行工況

3個EGSB均采用間歇進水、間歇出水的方式運行。人工模擬廢水無需用純氮氣進行氧氣吹脫，通過蠕動泵從反應(yīng)器底部進水，采用瞬時進水的方式，進水 0.5 h，沉淀0.5 h，出水 0.5 h，其余時間 22.5 h為反應(yīng)時間，反應(yīng)周期為24 h。

根據(jù)前人提出了升流式反應(yīng)器平均剪切速率公式[14]，結(jié)合本研究EGSB反應(yīng)器的特性，確定本研究中不同上升流速下反應(yīng)器速度梯度的平均剪切力如下式：

式中：ψ為水力循環(huán)攪拌中單位體積水流消耗的功率，Pa；ρ為混合液的密度，kg/m3；μι為反應(yīng)器中水流上升流速，m/s；γ為平均剪切速率，s-1；μ為水的動力粘滯系數(shù)，Pa·s； τ為反應(yīng)器中的平均剪切應(yīng)力，N/m2。

本研究中R1，R2，R3反應(yīng)器的上升流速、水力剪切力和溶解氧（DO）參數(shù)見表1。

表3 超臨界水氧化法與焚燒法的技術(shù)性對比

1.4 分析方法

NH4+-N,NO2--N,NO3--N,TN等參數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)方法測定[15]，NH4+-N：納氏試劑分光光度法；NO2--N：N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；NO3--N：酚二磺酸分光光度法；TN：過硫酸鉀紫外分光光度法；pH值：HACH便攜式pH計；DO：HACH便攜式溶氧儀。總EPS采用陽離子交換樹脂(Cation exchange resin，CER)法[16]提取。 EPS[17]中所含多糖(PS)采用蒽酮比色法測定，以葡萄糖作為標(biāo)準(zhǔn)；蛋白質(zhì)(PN)和腐殖酸采用改進Lowry法測定[18]，分別以牛蛋白血清與腐殖酸作為標(biāo)準(zhǔn)。EPS含量為PS,PN和腐植酸含量的總和（以COD計），由于試驗過程中檢測出腐殖酸量較少，故忽略不計。

2 結(jié)果與討論

2.1 CANON系統(tǒng)啟動期和穩(wěn)定期的脫氮效能

本研究根據(jù)反應(yīng)器的運行性能，將不同水力條件下的CANON反應(yīng)器啟動過程分為2個階段：啟動期（I）、穩(wěn)定期（II）2個階段的分界點即為啟動成功的時期，啟動成功的標(biāo)志為出水水質(zhì)連續(xù)在3個周期以上的時間內(nèi)基本保持不變[19]。

CANON顆粒污泥工藝首先經(jīng)過啟動階段，初期污泥富集過程中出水水質(zhì)波動比較大，隨后R1，R2在無機環(huán)境中取得了較好的脫氮效率，故成功實現(xiàn)了CANON工藝啟動，啟動時間分別為109 d和99 d。反應(yīng)器R1，R2，R3氮素轉(zhuǎn)化過程見圖2～圖4。

圖2 R1反應(yīng)器脫氮效率

圖3 R2反應(yīng)器脫氮效率

圖4 R3反應(yīng)器脫氮效率

啟動階段開始為微生物適應(yīng)階段，接種污泥中存在部分短桿菌，故系統(tǒng)中存在著一定量的異養(yǎng)反硝化菌，由于進水為無機廢水，自養(yǎng)微生物逐漸獲得優(yōu)勢，接種污泥中的異養(yǎng)菌只能利用接種污泥時帶入的部分有機物代謝，這部分有機物消耗殆盡以后，又開始進行內(nèi)源降解。在缺乏有機物的條件下，異養(yǎng)菌不適應(yīng)新環(huán)境而大量死亡，細胞發(fā)生解體，釋放出有機碳為反硝化提供碳源，同時解體過程中PN分解釋放出NH4+，從而導(dǎo)致出水NH4+濃度較高。

3個反應(yīng)器啟動階段初期的NO3--N，NO2--N值均處于各自系統(tǒng)最低值，且NH4+-N濃度均處于最高水平，甚至比進水還高。隨著微生物逐漸適應(yīng)無機環(huán)境，AnAOB與AerAOB逐漸生長及富集，直至反應(yīng)穩(wěn)定運行，其中R1，R2中TN去除率均在50%以上，特別是R2反應(yīng)器中TN去除率達到76.06%，從而證明表面曝氣方式能實現(xiàn)CANON工藝的啟動與穩(wěn)定運行。

當(dāng)系統(tǒng)進入穩(wěn)定期后，R1和R2周期性的脫氮速率隨著反應(yīng)進行都逐漸變慢，其中R1和R2分別于一個周期中的14 h和12 h之后，水質(zhì)基本不發(fā)生變化。由R1，R2這2個反應(yīng)器對比可知，雖然R1，R2均成功啟動了CANON顆粒污泥工藝，但是2系統(tǒng)的脫氮效率存在著巨大差異，R2的脫氮效率遠大于R1，且能在較短時間內(nèi)達到反應(yīng)完全。

2.2 CANON顆粒污泥EPS變化特性

2.2.1 CANON顆粒污泥啟動期EPS變化特性

AnAOB和AerAOB在利用基質(zhì)及自身生長過程中均會產(chǎn)生EPS，EPS能夠進行自我保護和黏附基質(zhì)。AnAOB和AerAOB均屬于自養(yǎng)微生物，由于自養(yǎng)菌對環(huán)境適應(yīng)能力差、倍增時間長、污泥產(chǎn)率低，所以自養(yǎng)微生物產(chǎn)生的微生物代謝產(chǎn)物遠小于異養(yǎng)微生物[20]，目前關(guān)于CANON顆粒污泥工藝運行過程中EPS產(chǎn)生及變化特性的研究還鮮有報道。故本試驗對CANON工藝顆粒污泥體系啟動期EPS的產(chǎn)生以及變化規(guī)律進行了探討，啟動期3個反應(yīng)器EPS含量變化情況見圖5～圖7。

圖5 R1反應(yīng)器EPS含量變化

圖6 R2反應(yīng)器EPS含量變化

圖7 R3反應(yīng)器EPS含量變化

由圖5～圖7可知，系統(tǒng)中微生物產(chǎn)生EPS的主要成分是PS和PN，腐殖酸含量極少，故忽略不計。 PS含量遠高于 PN 含量，R1，R2中 EPS，PS，PN的變化趨勢是先緩慢增加然后迅速增加最后逐漸平穩(wěn)，R3中EPS的變化趨勢是先增加后降低然后逐漸平穩(wěn)。

在R1，R2啟動期的前15 d內(nèi)，此時微生物生長處于適應(yīng)期，在逐漸適應(yīng)外界環(huán)境，故產(chǎn)生的EPS量處于緩慢增長，其中R1由初始的29.3 mg/g升高至30.4 mg/g，其中R2由初始的29.3 mg/g升高至33.5 mg/g。此后微生物已適應(yīng)了環(huán)境，微生物大量繁殖，此時系統(tǒng)發(fā)生短程硝化后產(chǎn)生NO-2-N馬上進行ANAMMOX反應(yīng)，基質(zhì)降解速率不斷升高，系統(tǒng)中EPS迅速增加，且EPS中PS和PN均得到增加，R1中EPS升高至最高值44.9 mg/g，PS升高至最高值35.9 mg/g，PN升高至最高值9.0 mg/g；R2中EPS升高至最高值56.6 mg/g，PS升高至最高值45.8 mg/g，PN升高至最高值13.3 mg/g；之后基本維持不變，究其原因是此時系統(tǒng)啟動成功，達到穩(wěn)定期，且達到穩(wěn)定期的時間與啟動成功的時間幾乎一致。

同樣在R3適應(yīng)期內(nèi)，微生物在逐漸適應(yīng)環(huán)境，故產(chǎn)生的EPS含量處于緩慢增長期，其后微生物適應(yīng)了外界環(huán)境，系統(tǒng)內(nèi)主要發(fā)生短程硝化，EPS質(zhì)量比逐漸升高至最大值45.8 mg/g。其后出現(xiàn)下降的原因可能為：系統(tǒng)內(nèi)處于較高的DO水平，部分異養(yǎng)菌利用產(chǎn)生的DO降解了EPS，導(dǎo)致EPS量被利用從而出現(xiàn)下降，并保持在較低的水平，此時EPS質(zhì)量比為35.9 mg/g，為3個系統(tǒng)內(nèi)最低值。

2.2.2 CANON顆粒污泥穩(wěn)定期EPS變化特性

AnAOB及AerAOB均屬于自養(yǎng)菌，均對環(huán)境適應(yīng)能力較差、倍增時間較長、污泥產(chǎn)率低，所以目前還未見對CANON工藝顆粒污泥周期運行過程中EPS的產(chǎn)生以及變化特性的報道，本試驗對CANON顆粒污泥工藝啟動成功后體系中EPS的產(chǎn)生以及周期變化規(guī)律進行了探討，由于R3未成功啟動CANON反應(yīng)，故在此僅對R1,R2進行檢測及分析，其結(jié)果見圖8、圖9。試驗過程中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中微生物產(chǎn)生EPS的主要成分是PS和PN，腐殖酸含量極少，故在此忽略不計。由圖8、圖9可以看出，PS含量遠高于PN含量，EPS的變化趨勢是先增加然后降低最后逐漸平穩(wěn)，與PN的變化趨勢非常一致。

圖8 R1反應(yīng)器穩(wěn)定期EPS周期性含量變化

圖9 R2反應(yīng)器穩(wěn)定期EPS周期性含量變化

在R1周期的前15 h內(nèi)，R2周期前9 h內(nèi)，CANON反應(yīng)底物充足，即發(fā)生短程硝化反應(yīng)產(chǎn)生NO-2-N就馬上進行ANAMMOX反應(yīng)，此時為基質(zhì)質(zhì)降解速率最大的時期，系統(tǒng)中EPS迅速增加，且EPS中PS和PN均得到增加，R1中EPS，PS，PN分別由 35.4，29.0，6.4 mg/g 增至 56.7，41.1，19.1 mg/g，R2 中 EPS，PS，PN 質(zhì) 量 比 分 別 由 47.2，35.9，11.3 mg/g增至77.3，51.1，26.9 mg/g。究其原因是因為進水中帶來了所需的營養(yǎng)物質(zhì)促使微生物由饑餓狀態(tài)迅速被激活，營養(yǎng)物質(zhì)迅速被降解，導(dǎo)致反應(yīng)生成了大量的EPS，此時的反應(yīng)速率和微生物活性最大，故此時的EPS增加速率也最大。

R1反應(yīng)進行15 h，R2反應(yīng)進行到11 h，根據(jù)周期內(nèi)水質(zhì)氮素變化，CANON反應(yīng)完全，即EPS達到最大值的時間與周期內(nèi)水質(zhì)反應(yīng)穩(wěn)定的時間相同。但此后EPS出現(xiàn)大幅下降，圖8和圖9均呈現(xiàn)出不同程度的下降，R1反應(yīng)器中EPS質(zhì)量比由56.7 mg/g降至41.6 mg/g，R2反應(yīng)器中EPS質(zhì)量比由77.3 mg/g降至53.6 mg/g，將其與周期內(nèi)基質(zhì)降解變化曲線對比可發(fā)現(xiàn)，R1基質(zhì)降解至12 h后，基質(zhì)濃度（NH4+-N，NO2--N）之后基本維持不變；R2基質(zhì)降解至15 h后，基質(zhì)濃度（NH4+-N，NO2--N）之后基本維持不變，此時反應(yīng)已結(jié)束基本不發(fā)生CANON反應(yīng)。EPS，PS，PN出現(xiàn)下降的原因可能為：隨著CANON反應(yīng)的進行導(dǎo)致此時NO3--N濃度較高，系統(tǒng)內(nèi)存在部分反硝化菌，能利用這一部分硝酸鹽作為電子受體發(fā)生反硝化反應(yīng)，在實驗中發(fā)現(xiàn)周期內(nèi)NO3--N濃度出現(xiàn)了少量的下降，驗證了以上的假設(shè)。

3 結(jié)論

（1）通過表面曝氣式能夠?qū)崿F(xiàn)CANON顆粒污泥工藝的啟動及穩(wěn)定運行，最佳工況下系統(tǒng)對NH4+-N和TN的去除率可分別達到87.15%和76.06%。CANON顆粒污泥工藝的啟動需要保持較低的DO(質(zhì)量濃度為0.3 mg/L)，也需要較好的傳質(zhì)效果及水力剪切力。

（2）不同水力條件下CANON工藝顆粒污泥啟動期EPS，PS，PN的變化趨勢是先緩慢增加后迅速增加最后逐漸平穩(wěn)。EPS達到穩(wěn)定期的時間與CANON工藝啟動成功的時間相近，且達到穩(wěn)定時EPS，PS，PN 值：R2 ＞ R1 ＞ R3。

（3）不同水力條件下CANON工藝顆粒污泥穩(wěn)定期EPS的變化趨勢是先增加后降低最后逐漸平穩(wěn)，周期變化特性為PS含量遠高于PN含量，與PN的變化趨勢非常一致，達到周期內(nèi)穩(wěn)定的時間與周期內(nèi)水質(zhì)氮素穩(wěn)定時間相似。

（4）高的水力剪切力一方面能夠強化微生物與污染物的傳質(zhì)效果，促進微生物增殖，強化EPS的分泌，增強微生物之間的黏附作用。另一方面也增大了污泥被洗出和碎裂的風(fēng)險，使微生物與微生物之間存在著靜電斥力與水力剪切力的2種阻礙作用。