降溫模式對(duì)不同污泥形態(tài)厭氧氨氧化系統(tǒng)的影響研究*

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.武漢市東西湖自來水公司，湖北 武漢 430040；3.生態(tài)環(huán)境部長江流域生態(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，我國許多水體都存在由氮素污染導(dǎo)致的富營養(yǎng)化問題[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。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置及用水

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)。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目和方法

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。

1.3 試驗(yàn)方案

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。

2 結(jié)果與討論

2.1 瞬時(shí)降溫的影響

瞬時(shí)降溫模式中，SBR1的脫氮性能變化見圖1?？梢钥闯觯诘?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，說明有反硝化過程發(fā)生，當(dāng)進(jìn)水中不存在有機(jī)碳源，無機(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?，在第1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

2.2 梯度降溫的影響

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。可見，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)。

2.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)比分析

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]。

2.4 系統(tǒng)恢復(fù)性對(duì)比分析

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。無論是瞬時(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，說明系統(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，系統(tǒng)所需的恢復(fù)時(shí)間越長。

3 結(jié) 論

(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，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。