陳澤智 李柏林# 王 俊,2 余明星 王 恒 李 曄 黃 睿
(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢 430070;2.武漢市東西湖自來(lái)水公司,湖北 武漢 430040;3.生態(tài)環(huán)境部長(zhǎng)江流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與科學(xué)研究中心,湖北 武漢 430010)
目前,我國(guó)許多水體都存在由氮素污染導(dǎo)致的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題[1-2],因此對(duì)污染水體進(jìn)行高效脫氮迫在眉睫。相比較于傳統(tǒng)脫氮工藝,厭氧氨氧化工藝具有耗氧量小、無(wú)需外加碳源、剩余污泥量少等優(yōu)勢(shì)[3-7],引起廣泛關(guān)注。其中,溫度是影響厭氧氨氧化工藝脫氮效果的重要因素之一。研究表明[8-10],厭氧氨氧化菌大多為中溫菌,適宜的生長(zhǎng)溫度為30~40 ℃。而在實(shí)際工業(yè)廢水處理中,水溫基本在5~20 ℃[11]。溫度較低時(shí),厭氧氨氧化菌生長(zhǎng)速率減慢,活性下降[12-13],從而導(dǎo)致厭氧氨氧化系統(tǒng)出現(xiàn)失穩(wěn)情況,更嚴(yán)重者甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)崩潰[14-15]。因此,應(yīng)用厭氧氨氧化工藝處理實(shí)際廢水需應(yīng)對(duì)低溫帶來(lái)的挑戰(zhàn)。
目前,關(guān)于溫度對(duì)厭氧氨氧化系統(tǒng)的影響研究已有報(bào)道[16]。然而,實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的厭氧氨氧化污泥大多采用單一的顆粒污泥,實(shí)際污水處理過(guò)程中,顆粒污泥系統(tǒng)中仍會(huì)有一定比例的絮狀污泥存在,而絮狀-顆粒耦合污泥和單一顆粒污泥應(yīng)對(duì)低溫的能力可能不同。
因此,本研究構(gòu)建絮狀-顆粒耦合污泥的厭氧氨氧化系統(tǒng)(SBR1)和單一顆粒污泥厭氧氨氧化系統(tǒng)(SBR2),對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)的脫氮性能進(jìn)行對(duì)比分析,探討不同降溫模式對(duì)兩系統(tǒng)的影響差異,以及降溫后不同形態(tài)污泥的恢復(fù)能力,研究結(jié)果對(duì)日后厭氧氨氧化工藝在低溫條件下的應(yīng)用具有重要的參考意義。
利用圓柱形序批式活性污泥反應(yīng)器構(gòu)建SBR1和SBR2,SBR1、SBR2的工作體積分別為40、6 L,均設(shè)有3 cm厚的水浴層,并用遮光布包裹。
試驗(yàn)用水為人工配置的模擬廢水,配置方法參考文獻(xiàn)[17]。模擬廢水pH維持在7.7±0.1,SBR1進(jìn)水氨氮、亞硝態(tài)氮分別為80、106 mg/L,SBR2進(jìn)水氨氮、亞硝態(tài)氮分別為130、169 mg/L。試驗(yàn)前,SBR1、SBR2分別運(yùn)行385、224 d,對(duì)氨氮去除率分別為96.50%、90.93%,對(duì)亞硝態(tài)氮去除率分別為95.83%、97.93%,對(duì)氨氮的去除負(fù)荷分別為0.330、0.302 kg/(m3·d),對(duì)亞硝態(tài)氮的去除負(fù)荷分別為0.430、0.462 kg/(m3·d)。
氨氮采用納氏試劑分光光度法測(cè)定;亞硝態(tài)氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法測(cè)定;硝態(tài)氮采用酚二磺酸分光光度法測(cè)定;pH和溫度采用多功能便攜監(jiān)測(cè)儀測(cè)定。
SBR1每周期運(yùn)行時(shí)間為4 h,分別為進(jìn)水10 min、攪拌210 min、靜置10 min、出水10 min,每周期換水比為50%。SBR2每周期運(yùn)行時(shí)間為6 h,分別為進(jìn)水10 min、攪拌330 min、靜置10 min、出水10 min,每周期換水比為50%。
瞬時(shí)降溫模式中,設(shè)置第1周期系統(tǒng)運(yùn)行溫度為35 ℃,進(jìn)入第2個(gè)周期時(shí),將運(yùn)行溫度瞬時(shí)降低至15 ℃,第3周期開始將運(yùn)行溫度調(diào)回至35 ℃,直至脫氮性能恢復(fù)至降溫前的水平。梯度降溫模式中,將系統(tǒng)運(yùn)行溫度逐步設(shè)定為35、30、25、20、15 ℃,每個(gè)溫度停留12 h,當(dāng)降溫過(guò)程完成后,將系統(tǒng)運(yùn)行溫度調(diào)回至35 ℃繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間,直至脫氮性能恢復(fù)至降溫前的水平。
為考察降溫對(duì)SBR1、SBR2脫氮性能的影響,測(cè)定不同運(yùn)行溫度下系統(tǒng)進(jìn)出水氨氮、亞硝態(tài)氮濃度,計(jì)算氨氮、亞硝態(tài)氮去除率及總氮去除負(fù)荷(NRR),為表征厭氧氨氧化系統(tǒng)的穩(wěn)定性,計(jì)算亞硝態(tài)氮和氨氮的去除量之比(記為η),η越接近理論值1.32,表明厭氧氨氧化系統(tǒng)的脫氮性能越穩(wěn)定,反之則越不穩(wěn)定。
瞬時(shí)降溫模式中,SBR1的脫氮性能變化見圖1。可以看出,在第1周期35 ℃的運(yùn)行溫度下,SBR1對(duì)氨氮、亞硝態(tài)氮的去除率分別達(dá)到96.0%、98.3%,總氮的去除負(fù)荷(NRR)為0.536 kg/(m3·d);此時(shí),η為1.39,和理論值1.32基本一致[18],說(shuō)明35 ℃下SBR1運(yùn)行穩(wěn)定。
圖1 瞬時(shí)降溫模式下SBR1脫氮性能的變化Fig.1 Nitrogen removal performance of SBR1 in instantaneous cooling mode
第2周期15 ℃的運(yùn)行溫度下,SBR1對(duì)氨氮、亞硝態(tài)氮去除率分別下降至81.2%、88.7%,NRR降低為0.404 kg/(m3·d),說(shuō)明瞬時(shí)低溫沖擊會(huì)削弱SBR1的脫氮性能[19]。第2周期η增加至1.45,明顯高于理論值,說(shuō)明有反硝化過(guò)程發(fā)生,當(dāng)進(jìn)水中不存在有機(jī)碳源,無(wú)機(jī)碳也能夠轉(zhuǎn)化為細(xì)胞團(tuán)中的有機(jī)碳,從而發(fā)生反硝化[20]。
第3周期回溫至35 ℃后,SBR1對(duì)氨氮、亞硝態(tài)氮去除率分別升高到96.5%、98.3%,恢復(fù)到低溫沖擊前水平。由此表明,在瞬時(shí)低溫沖擊下,SBR1的脫氮性能在1個(gè)周期后即可恢復(fù),恢復(fù)效果較好。
瞬時(shí)降溫模式中,SBR2的脫氮性能變化見圖2??梢钥闯觯诘?周期35 ℃的運(yùn)行溫度下,SBR2對(duì)氨氮、亞硝態(tài)氮的去除率分別達(dá)到93.1%、93.0%,NRR為0.596 kg/(m3·d),此時(shí),η為1.32,系統(tǒng)運(yùn)行十分穩(wěn)定。第2周期15 ℃的運(yùn)行溫度下,SBR2對(duì)氨氮、亞硝態(tài)氮去除率分別陡降至72.0%、78.8%,NRR降至0.362 kg/(m3·d),η升高至1.71,瞬時(shí)低溫沖擊下SBR2的脫氮性能被明顯削減。第3周期SBR2對(duì)氨氮、亞硝態(tài)氮去除率分別升高到至82.1%、86.2%,未能恢復(fù)至降溫前的脫氮水平,第4周期氨氮、亞硝態(tài)氮去除率分別升高到至92.2%、93.7%,和降溫前的脫氮能力基本相同。同時(shí),NRR提升至0.607 kg/(m3·d),η降至1.26,至此,SBR2的脫氮性能已基本恢復(fù)。
圖2 瞬時(shí)降溫模式下SBR2脫氮性能的變化Fig.2 Nitrogen removal performance of SBR2 in instantaneous cooling mode
梯度降溫模式中,SBR1的脫氮性能變化見圖3。由圖3可以看出,35 ℃的運(yùn)行溫度下(第1~3周期),SBR1對(duì)氨氮、亞硝態(tài)氮的去除率分別保持在97.3%、96.4%,NRR達(dá)到0.520 kg/(m3·d),η穩(wěn)定在1.32附近。運(yùn)行溫度降至30 ℃(第4~6周期),系統(tǒng)脫氮參數(shù)變化不大,脫氮性能與35 ℃時(shí)相差無(wú)幾。運(yùn)行溫度降至25 ℃(第7~9周期),氨氮、亞硝態(tài)氮去除率分別下降到78.6%、87.1%,NRR降至0.417 kg/(m3·d),η突增到1.49??梢?,當(dāng)運(yùn)行溫度降低到25 ℃后,SBR1的脫氮性能開始受到影響。運(yùn)行溫度降至20 ℃(第10~12周期),SBR1對(duì)氨氮、亞硝態(tài)氮的去除率大幅下降到57.8%、70.7%,NRR也降低至0.373 kg/(m3·d),η升高至1.75,SBR1的脫氮性能受到明顯的削弱。運(yùn)行溫度降至15 ℃(第13~15周期),η出現(xiàn)急劇升高,說(shuō)明此時(shí)厭氧氨氧化反應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)已受到嚴(yán)重破壞,氨氮、亞硝態(tài)氮去除率分別降至35.6%、42.1%,NRR也逐漸下降到0.160 kg/(m3·d)。由此說(shuō)明,雖然梯度降溫給了反應(yīng)器一定的緩沖時(shí)間,但厭氧氨氧化仍然受到了明顯的抑制作用。當(dāng)恢復(fù)到35 ℃后,SBR1連續(xù)運(yùn)行4個(gè)周期后脫氮性能基本得到恢復(fù),這與李祥等[21]的研究結(jié)果相符合。
圖3 SBR1在梯度降溫模式下脫氮性能的變化Fig.3 Nitrogen removal performance of SBR1 in gradient cooling mode
梯度降溫模式中,SBR2的脫氮性能變化見圖4。由圖4可以看出,35 ℃的運(yùn)行溫度下(第1~2周期),SBR2對(duì)氨氮、亞硝態(tài)氮的去除率均保持在90%以上,NRR為0.592 kg/(m3·d),η穩(wěn)定在1.32附近。運(yùn)行溫度降至30 ℃(第3~4周期),SBR2對(duì)氨氮、亞硝態(tài)氮的去除率分別下降至83.7%、85.1%,NRR降至0.519 kg/(m3·d),η升高至1.40。運(yùn)行溫度降至25 ℃(第5~6周期),SBR2對(duì)氨氮、亞硝態(tài)氮的去除率分別下降至60.0%、64.2%,同時(shí)NRR降至0.348 kg/(m3·d),隨著運(yùn)行溫度逐漸下降至15 ℃(第9~10周期),SBR2對(duì)氨氮、亞硝態(tài)氮的去除率降低至30.0%和45.0%,NRR降至0.152 kg/(m3·d),η提高到1.91。由此可見,當(dāng)溫度降至15 ℃時(shí),SBR2的運(yùn)行效能大幅降低,對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)產(chǎn)生明顯抑制[22]。隨后,當(dāng)運(yùn)行溫度恢復(fù)到35 ℃后,SBR2連續(xù)運(yùn)行3個(gè)周期后脫氮性能基本得到恢復(fù)。
對(duì)SBR1、SBR2在不同階段NRR的下降幅度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果見表1。兩種降溫模式中,SBR1和SBR2的NRR均有較大程度的下降。瞬時(shí)降溫模式下,運(yùn)行溫度從35 ℃降至15 ℃時(shí),SBR1的NRR降幅為24.6%,遠(yuǎn)低于SBR2的31.5%,SBR2在受到水溫突變的直接沖擊下脫氮性能下降更加明顯;梯度降溫模式下,從35 ℃降至30 ℃,30 ℃降至25 ℃以及25 ℃降至20 ℃,均是SBR2的NRR降幅較大。由此可以看出,在同一種降溫模式下,SBR2對(duì)溫度的變化較SBR1敏感,多種污泥形態(tài)復(fù)合的SBR1系統(tǒng)對(duì)低溫的沖擊表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性。這可能是因?yàn)樾鯛?顆粒耦合的厭氧氨氧化系統(tǒng)中,部分絮狀污泥包裹在顆粒污泥外部,減緩了溫度對(duì)厭氧氨氧化顆粒污泥的沖擊,起到緩沖的作用,使得顆粒形態(tài)的污泥作為較成熟的厭氧氨氧化污泥仍然保有較高的脫氮活性[23]。
表1 不同降溫模式下系統(tǒng)NRR的下降幅度
同一系統(tǒng)在不同降溫模式下的穩(wěn)定性也不同。SBR1、SBR2在瞬時(shí)降溫模式下的NRR降幅分別為24.6%、31.5%,在梯度降溫模式下的NRR降幅分別為53.6%、71.1%。由此可以看出,SBR1和SBR2均是在梯度降溫模式下的NRR降幅更大。雖然SBR1和SBR2中的污泥形態(tài)不同,但不同低溫沖擊對(duì)系統(tǒng)所造成的影響趨勢(shì)具有一致性。梯度降溫模式在一定程度上延長(zhǎng)了系統(tǒng)的低溫運(yùn)行時(shí)間,而低溫的持續(xù)會(huì)導(dǎo)致厭氧氨氧化細(xì)菌的細(xì)胞膜向凝膠狀轉(zhuǎn)變,使得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸受到阻礙,從而細(xì)胞的活性會(huì)因“饑餓”而降低[24]。
降溫結(jié)束后將系統(tǒng)運(yùn)行溫度調(diào)回至35 ℃,SBR1和SBR2的恢復(fù)情況見表2。在瞬時(shí)降溫模式下,SBR1對(duì)氨氮和亞硝態(tài)氮的去除率分別降低了15.4%、9.8%,SBR2對(duì)氨氮和亞硝態(tài)氮的去除率分別降低了22.6%、18.4%,SBR2受瞬時(shí)低溫沖擊的影響較大。當(dāng)溫度回升35 ℃后,SBR1和SBR2分別耗時(shí)4、12 h恢復(fù)其原有脫氮性能,恢復(fù)時(shí)間相對(duì)較短,這與姚俊芹等[25]研究結(jié)果一致。在梯度降溫模式下,當(dāng)運(yùn)行溫度從35 ℃降至15 ℃,SBR1對(duì)氨氮和亞硝態(tài)氮的去除率分別降低了54.8%、43.4%,SBR2對(duì)氨氮和亞硝態(tài)氮的去除率分別降低了64.8%、47.6%。SBR1和SBR2分別在16、18 h后恢復(fù)系統(tǒng)原有脫氮性能,恢復(fù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。無(wú)論是瞬時(shí)降溫模式還是梯度降溫模式,SBR1的恢復(fù)時(shí)間均更短,可能是由于在這兩種不同降溫模式下,SBR1對(duì)氮素去除率的下降幅度均小于SBR2,兩者對(duì)低溫的抵御能力不同。無(wú)論是SBR1還是SBR2,均是梯度降溫模式下系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間更長(zhǎng),說(shuō)明系統(tǒng)在受到低溫沖擊后的脫氮性能恢復(fù)受沖擊持續(xù)時(shí)間的影響,因此低溫沖擊的時(shí)間越長(zhǎng),系統(tǒng)所需的恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)。
(1) 低溫會(huì)削弱甚至抑制厭氧氨氧化系統(tǒng)的脫氮效能,SBR1、SBR2在瞬時(shí)降溫模式下的NRR降幅度分別為24.6%、31.5%,在梯度降溫模式下的NRR降幅分別為53.6%、71.1%。
(2) 瞬時(shí)降溫模式下,當(dāng)運(yùn)行溫度調(diào)回至35 ℃后,SBR1、SBR2分別耗時(shí)4、12 h恢復(fù)原有脫氮水平;而梯度降溫模式下,SBR1和SBR2的恢復(fù)時(shí)間分別為16、18 h。
(3) 兩種降溫模式下,均為SBR2對(duì)溫度變化更敏感,升溫后系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間也更長(zhǎng),這與SBR1中有絮狀污泥包裹在顆粒污泥外部,可以減緩降溫對(duì)厭氧氨氧化顆粒污泥的沖擊有關(guān);相比于梯度降溫模式,瞬時(shí)降溫對(duì)SBR1、SBR2脫氮性能影響更小,且系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間更短,這是因?yàn)樘荻冉禍啬J窖娱L(zhǎng)了反應(yīng)器的低溫運(yùn)行時(shí)間,使系統(tǒng)微生物活性降低,系統(tǒng)恢復(fù)所需的時(shí)間也就更長(zhǎng)。