長期饑餓后厭氧氨氧化工藝的運(yùn)行及恢復(fù)性能研究

馬冰冰,張肖靜,張 涵,張 楠,位登輝,張紅麗,侯鈺琳

長期饑餓后厭氧氨氧化工藝的運(yùn)行及恢復(fù)性能研究

馬冰冰,張肖靜*,張 涵,張 楠,位登輝,張紅麗,侯鈺琳

(鄭州輕工業(yè)大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院,環(huán)境污染治理與生態(tài)修復(fù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 鄭州 450001)

為研究如何快速恢復(fù)在突發(fā)狀況下長期斷流的厭氧氨氧化工藝的活性,比較分析了3個厭氧氨氧化反應(yīng)器的脫氮性能及微生物種群變化.分別為R1(生物濾柱)、R2(膜生物反應(yīng)器,MBR)、R3(MBR),其中R1與R2進(jìn)水基質(zhì)濃度相同,R2與R3反應(yīng)器形式相同,進(jìn)水基質(zhì)濃度不同.結(jié)果表明:R1、R2、R3中的厭氧氨氧化污泥分別經(jīng)過39d、93d、76d得到恢復(fù),總氮去除率分別恢復(fù)至87.0%、83.4%、87.6%,總氮去除負(fù)荷分別恢復(fù)至0.359,0.114,0.244kg/(m3·d).R1與R2相比,厭氧氨氧化生物濾柱能夠承受較高的水力負(fù)荷,長期斷流后具有較高的穩(wěn)定性,且更容易恢復(fù).R2與R3相比,在進(jìn)水基質(zhì)濃度較高的條件下,厭氧氨氧化菌具有充足的營養(yǎng)底物,且高基質(zhì)水平形成的底物濃度壓力更有利于提升氨氮與亞硝酸鹽氮在污泥內(nèi)部的傳質(zhì)效果,恢復(fù)效果更好.高通量測序結(jié)果表明,3個反應(yīng)器在恢復(fù)前(后)的相對豐度分別為17.3%(32.0%)、1.6%(2.6%)、1.8%(6.0%),恢復(fù)后R1中相對豐度最高.

厭氧氨氧化；活性恢復(fù)；基質(zhì)濃度；膜生物反應(yīng)器；生物濾柱

厭氧氨氧化是一種新型生物脫氮工藝,厭氧氨氧化菌以氨氮作為電子供體,亞硝酸鹽氮為電子受體,在厭氧條件下將其轉(zhuǎn)化為氮?dú)鈁1].與傳統(tǒng)的硝化-反硝化工藝相比,厭氧氨氧化工藝可以節(jié)省100%的有機(jī)碳源和60%以上的曝氣能耗,降低溫室氣體的排放[2-5].

近年來,厭氧氨氧化工藝在垃圾滲濾液[6]、污泥消化液[7]、焦化廢水[8]及飼料加工廢水[9]中得到有效應(yīng)用,已成為各污水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).然而,厭氧氨氧化菌對環(huán)境條件極為敏感,易受到進(jìn)水基質(zhì)、pH值、溫度等的影響[10-12].在實(shí)際的工程應(yīng)用中,當(dāng)面臨間歇性停產(chǎn)、設(shè)備檢修、自然災(zāi)害以及突發(fā)狀況下不可抵擋的外來阻力時(shí),實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器進(jìn)水長期斷流可能會影響到厭氧氨氧化菌的活性[13].因此,如何快速恢復(fù)厭氧氨氧化菌的活性,對厭氧氨氧化工藝的應(yīng)用發(fā)展具有重要意義.

李冬等[14]探究了添加葡萄糖和丙酸鈉兩種有機(jī)碳源對4℃保藏230d的厭氧氨氧化污泥活性恢復(fù)的影響.結(jié)果表明,在第15d,添加葡萄糖的厭氧氨氧化污泥活性最高,恢復(fù)到了保藏前的85.7%,總氮去除率達(dá)到81.6%.Xing等[15]采用UASB反應(yīng)器,在30℃條件下,經(jīng)過8d的運(yùn)行,脫氮率恢復(fù)到100%.另有研究報(bào)道了[16]高鹽沖擊下厭氧氨氧化污泥的恢復(fù)及運(yùn)行特征.然而,關(guān)于厭氧氨氧化工藝的恢復(fù)性能,大多數(shù)集中在厭氧氨氧化菌的保藏后恢復(fù)和其他預(yù)先控制下的影響因素的研究.本文創(chuàng)新性地研究了突發(fā)狀況下進(jìn)水?dāng)嗔鲗?dǎo)致厭氧氨氧化污泥長期饑餓的恢復(fù)策略及恢復(fù)性能,研究結(jié)果對于厭氧氨氧化工藝的發(fā)展具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義.

本研究以3個在突發(fā)狀況下長期斷流的反應(yīng)器為研究對象,考察了恢復(fù)階段反應(yīng)器的運(yùn)行特征、脫氮性能及微生物種群變化,分別對比了反應(yīng)器類型和進(jìn)水基質(zhì)濃度對其恢復(fù)過程的影響,以期為實(shí)際應(yīng)用中長期斷流后厭氧氨氧化污泥活性的快速恢復(fù)提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1 反應(yīng)器設(shè)置

采用3個反應(yīng)器,分別為1個厭氧氨氧化生物濾柱和2個膜生物反應(yīng)器(membrane bioreactor,MBR),分別標(biāo)記為R1,R2和R3.R1內(nèi)部以火山巖為填料,粒徑為6～8mm,有效體積為1L.R2和R3的膜組件材料為管式中空纖維膜,膜絲有效面積為0.1m2,膜孔孔徑為0.1μm,反應(yīng)器有效體積分別為2L和5L,利用出水泵抽吸出水.3個反應(yīng)器均由底部進(jìn)水,上部出水,連續(xù)運(yùn)行.

R1、R2、R3在長期斷流前的進(jìn)水NH4+-N濃度分別為50、50、100mg/L,NH4+-N/NO2--N(濃度比)=1,總氮去除負(fù)荷分別為0.443、0.462、0.464kg/ (m3·d).在長期斷流階段,3個反應(yīng)器首先在實(shí)驗(yàn)室以高濃度低流量的條件運(yùn)行15d,其中,高濃度指的是各反應(yīng)器進(jìn)水基質(zhì)濃度提高為長期斷流前進(jìn)水基質(zhì)濃度的4倍,低流量指的是流量降低為長期斷流前流量的四分之一;接著在室溫條件下((10±5)℃)放置60d;最后在實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)以高濃度低流量的條件運(yùn)行60d(高濃度與低流量同上).在此過程中研究經(jīng)歷長期饑餓后厭氧氨氧化污泥的恢復(fù)性能.在恢復(fù)階段,3個反應(yīng)器的進(jìn)水基質(zhì)及濃度與長期斷流前保持一致,其他運(yùn)行參數(shù)根據(jù)每個階段的恢復(fù)性能進(jìn)行調(diào)整,實(shí)驗(yàn)過程中不控溫,反應(yīng)器內(nèi)溫度為(25±3)℃,具體運(yùn)行參數(shù)如表1所示.

表1 各反應(yīng)器的主要運(yùn)行參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)用水

采用人工配水,配水包括(NH4)2SO4、NaNO2、NaHCO3、CaCl2、KH2PO4、MgSO4、1mL/L的微量元素Ⅰ與微量元素Ⅱ,反應(yīng)器內(nèi)pH值為7.8左右.其中,R1和R2進(jìn)水基質(zhì)濃度相同,包括50mg/L的NH4+-N,50mg/L的NO2--N,R3包括100mg/L的NH4+-N,100mg/L的NO2--N.每個反應(yīng)器進(jìn)水的堿度均為1200mg/L.

1.3 分析方法

NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測定,NO2--N采用N-1-萘基乙二胺分光光度法測定,NO3--N采用紫外分光光度法測定,pH值、DO和溫度采用多參數(shù)測定儀(德國,WTW)測定.

采用高通量測序技術(shù)分析厭氧氨氧化系統(tǒng)的微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu).DNA由Qubit2.0DNA檢測試劑盒(Sangon公司),在Miseq平臺選擇V3-V4區(qū)域通用引物338F/806R(338F:ACTCCTACG- GGAGGCAGCAG;806R:GGACTACHVGGGTWTCTAAT)進(jìn)行PCR擴(kuò)增,將擴(kuò)增后得到的序列與Silva數(shù)據(jù)庫中的微生物進(jìn)行比較.樣品均取自斷流前最后一天、儲存最后一天以及恢復(fù)最后一天3組反應(yīng)器的厭氧氨氧化污泥.

2 結(jié)果與討論

2.1 R1反應(yīng)器脫氮性能

由圖1可見,在R1反應(yīng)器中,整個實(shí)驗(yàn)分為2個階段,每個階段進(jìn)水NH4+-N和NO2--N的濃度均為50mg/L.第Ⅰ階段(1～11d),HRT(水力停留時(shí)間, hydraulic retention time)為3h,前3d,出水NH4+-N和NO2--N的平均濃度分別為25.5mg/L和30.4mg/L,總氮去除率和總氮去除負(fù)荷分別為37.9%、0.301kg/(m3·d),這說明經(jīng)過長期饑餓后的生物濾柱仍具有一定的活性.Wang等[17]把厭氧氨氧化顆粒污泥裝入50mL離心管中,研究其在室溫下儲存100d的影響,結(jié)果表明,在最初的84h內(nèi),觀察到較低的活性,總氮去除率在9.8%～40.3%,這與本研究最初觀察到較低的去除負(fù)荷的結(jié)果一致.隨著反應(yīng)器的繼續(xù)運(yùn)行,出水NH4+-N和NO2--N的濃度持續(xù)增加, NH4+-N去除率從第3d 的54.5%下降至第8d的23.2%,導(dǎo)致總氮去除率下降至16.2%,這說明厭氧氨氧化菌的活性不穩(wěn)定.分析原因是在長期饑餓情況下菌體開始內(nèi)源呼吸,造成大量菌體死亡,死亡的微生物被分解產(chǎn)生了氨氮[18].接著運(yùn)行2d,出水效果雖有好轉(zhuǎn),但總氮去除率仍然較低,造成這種現(xiàn)象的原因可能是:①微生物在長期饑餓后大量死亡,活性較低,且厭氧氨氧化菌對環(huán)境較敏感,生長周期較長,倍增速率慢;②HRT較短,微生物反應(yīng)不徹底,導(dǎo)致出水濃度較高,脫氮性能較差且不穩(wěn)定.

圖1 不同階段R1反應(yīng)器脫氮性能

在第Ⅱ階段(12～57d),將R1反應(yīng)器的HRT增加至6h,開始運(yùn)行的前3d,出水NH4+-N和NO2--N的濃度立即降低,總氮去除率也從第Ⅰ階段的43.6%增加至63.1%.但是在之后運(yùn)行的幾天,出水效果變差,總氮去除率呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢.值得注意的是,在反應(yīng)器運(yùn)行的第29d,出水NH4+-N、NO2--N和NO3--N的濃度分別為0、1.5和6.5mg/L,總氮去除率為92.2%,高于厭氧氨氧化系統(tǒng)的理論脫氮效率(89%)[1],這說明厭氧氨氧化菌的活性得到了一定的恢復(fù),△NO3--N/△NH4+-N=0.13,低于厭氧氨氧化工藝的理論值(0.26),可能是系統(tǒng)發(fā)生了反硝化反應(yīng).由第2.4節(jié)的圖4(a)可知,在長期斷流后R1內(nèi)檢測出了反硝化菌.反硝化存在的主要原因,一方面是長期斷流后部分微生物解體死亡為反硝化菌提供了有機(jī)碳源;另一方面是反硝化菌利用了溶解性微生物產(chǎn)物[19].而厭氧氨氧化產(chǎn)生的NO3--N為反硝化菌提供了基質(zhì),反硝化菌將產(chǎn)生的硝酸鹽氮還原為氮?dú)鈁20],出水NO3--N濃度降低,總氮去除率得到進(jìn)一步提高.第39d,出水NH4+-N、NO2--N和NO3--N的濃度分別為0.5、4.1、8.9mg/L,總氮去除率為87.0%,總氮去除負(fù)荷為0.359kg/(m3·d),說明厭氧氨氧化系統(tǒng)得到有效恢復(fù),厭氧氨氧化菌的活性得到激活.繼續(xù)運(yùn)行17d(40～56d),反應(yīng)器運(yùn)行較穩(wěn)定,總氮去除率和總氮去除負(fù)荷分別為76.0%、0.329kg/(m3·d).在突發(fā)狀況下經(jīng)過長期饑餓的厭氧氨氧化污泥,以50mg/L的氨氮和亞硝酸鹽氮作為進(jìn)水基質(zhì)濃度,采用逐步提高HRT的方式,在生物濾柱中運(yùn)行39d后,總氮去除率從37.9%恢復(fù)到87.0%,總氮去除負(fù)荷從0.301kg/(m3·d)恢復(fù)到0.359kg/(m3·d),繼續(xù)運(yùn)行17d,總氮去除率和總氮去除負(fù)荷分別穩(wěn)定在76.0%、0.329kg/(m3·d).

2.2 R2反應(yīng)器脫氮性能

圖2 不同階段R2反應(yīng)器脫氮性能

由圖2可見,整個實(shí)驗(yàn)分為3個階段,每個階段進(jìn)水NH4+-N和NO2--N的濃度均為50mg/L.第Ⅰ階段(1～2d),HRT為6h,出水NO2--N的平均濃度為58.9mg/L,平均總氮去除率和總氮去除負(fù)荷分別為-0.7%、-0.005kg/(m3·d),說明厭氧氨氧化菌在長期饑餓后幾乎完全失活,無法將亞硝酸鹽氮去除.同時(shí),系統(tǒng)中可能存在好氧氨氧化菌,將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮,導(dǎo)致出水濃度增高,總氮去除率為負(fù).在第Ⅱ階段(3～22d),將HRT增大為12h,開始運(yùn)行的前幾天,出水亞硝酸鹽氮濃度仍然高于進(jìn)水,總氮去除率仍較低,說明厭氧氨氧化菌仍然沒有活性.第Ⅱ階段的末期(21～22d),出水NH4+-N、NO2--N和NO3--N的平均濃度分別為37.8、43.8、17.6mg/L,△NO3--N/△NH4+-N為0.88,高于厭氧氨氧化的理論值(0.26),△NO2--N/△NH4+-N為0.12,低于理論值(1.32),說明NO3--N產(chǎn)生量較多,而NO2--N消耗量較少.一方面,NO3--N生成量較多,可能是硝化菌表現(xiàn)出了活性,這是因?yàn)閰捬醢毖趸灰种?好氧氨氧化菌受到抑制較小,反應(yīng)器內(nèi)存在的亞硝酸鹽氮誘導(dǎo)出硝化菌的活性.另一方面,NO2--N消耗量較少,是因?yàn)樵陂L期斷流后,硝化菌的活性沒有受到抑制.在第Ⅲ階段(23～93d),進(jìn)一步降低進(jìn)水氮負(fù)荷,將HRT增大為18h,出水濃度極不穩(wěn)定,但總氮去除率總體呈現(xiàn)出上升的趨勢.最終在第91～93d,出水NH4+-N、NO2--N和NO3--N的平均濃度為1.6、1.7、13.7mg/L,平均總氮去除率和總氮去除負(fù)荷穩(wěn)定在83.4%、0.114kg/ (m3·d),說明在恢復(fù)初期厭氧氨氧化菌的耐沖擊能力差,進(jìn)水氮負(fù)荷過高會抑制微生物的活性,使其難以恢復(fù).經(jīng)過長期饑餓的污泥采用50mg/L的進(jìn)水氨氮和亞硝酸鹽氮濃度,逐步提高HRT的方式,在MBR中運(yùn)行93d后,總氮去除率從-0.7%恢復(fù)到83.4%,總氮去除負(fù)荷從-0.005kg/(m3·d)恢復(fù)至0.114kg/ (m3·d).

2.3 R3反應(yīng)器脫氮性能

由圖3可見,R3反應(yīng)器分為3個階段,每個階段進(jìn)水NH4+-N和NO2--N濃度均為100mg/L.第Ⅰ階段(1～20d),HRT為6h,運(yùn)行初期(1～3d)與R2反應(yīng)器相似,進(jìn)水總氮濃度與出水總氮濃度接近,平均總氮去除率和總氮去除負(fù)荷分別為3.3%、0.026kg/(m3·d),此時(shí)的厭氧氨氧化菌幾乎沒有活性.隨著反應(yīng)器的運(yùn)行,出水濃度緩慢降低,總氮去除率逐漸增加,在第Ⅰ階段的末期總氮去除率增長到11.9%.

圖3 不同階段R3反應(yīng)器脫氮性能

為快速恢復(fù)厭氧氨氧化菌的活性,在第Ⅱ階段(20～40d),降低氮負(fù)荷,將HRT增加到12h,總氮去除率立即增加到24.3%,說明降低氮負(fù)荷有利于提高總氮去除率.彭永臻等[21]的研究表明微生物在低負(fù)荷下可以分泌更多組分的胞外聚合物,蛋白質(zhì)含量的增加有助于系統(tǒng)抵抗氮負(fù)荷的變化.這進(jìn)一步說明降低氮負(fù)荷減小了對微生物的沖擊.在反應(yīng)器運(yùn)行的第32d,由于出水管漏氣無法出水,導(dǎo)致溶解氧含量較高,厭氧氨氧化菌活性受到抑制,出水NH4+-N、NO2--N和NO3--N濃度均增加,所以總氮去除率出現(xiàn)滑坡式下降.張黎等[22]的研究認(rèn)為厭氧氨氧化菌對溶解氧非常敏感,水體中氧含量過高會產(chǎn)生明顯的抑制作用.這與本研究結(jié)果類似,出水管問題解決后,反應(yīng)器的總氮去除率又逐漸回升至原水平,表明溶解氧對厭氧氨氧化菌產(chǎn)生的抑制作用具有可逆性.但出水效果仍較差,總氮去除率穩(wěn)定在25.8%.

在第Ⅲ階段(41～83d),繼續(xù)增加反應(yīng)時(shí)間,將HRT改為18h,出水NH4+-N和NO2--N的濃度明顯降低.在第76d,總氮去除率增加到87.6%,總氮去除負(fù)荷提高到0.244kg/(m3·d),這與厭氧氨氧化反應(yīng)的理論脫氮效率接近,再次證明,在厭氧氨氧化菌活性不足的情況下,適當(dāng)延長HRT,能夠促使微生物更加有效的利用進(jìn)水基質(zhì).Chen等[23]采用UASB反應(yīng)器研究HRT與氮負(fù)荷對厭氧氨氧化的影響,發(fā)現(xiàn)HRT從24～48h下降到12h,總氮去除率從90%下降到80%.此外,Karasuta等[24]的研究明確表明HRT的降低不僅使氮負(fù)荷突然增加,進(jìn)而導(dǎo)致總氮去除率顯著降低,而且也會直接影響出水的pH值.在本實(shí)驗(yàn)中,HRT由12h增加到18h的過程中,出水平均pH值由8.1增長到了8.3,說明HRT的改變對反應(yīng)器有顯著的影響.接著繼續(xù)運(yùn)行,在第81～83d,總氮去除率和總氮去除負(fù)荷分別穩(wěn)定在77.5%、0.210kg/(m3·d).說明在高基質(zhì)進(jìn)水濃度的MBR反應(yīng)器中,采用逐步提高HRT的方式恢復(fù)厭氧氨氧化菌的活性需要76d,總氮去除率從最初的0.03%增加到87.6%,總氮去除負(fù)荷從0.026kg/(m3·d)提高到0.244kg/(m3·d),繼續(xù)運(yùn)行7d,總氮去除率和總氮去除負(fù)荷穩(wěn)定在77.5%、0.210kg/(m3·d).

2.4 反應(yīng)器性能及微生物特征對比

R1與R2的進(jìn)水NH4+-N和NO2--N濃度均為50mg/L,進(jìn)水基質(zhì)濃度相同,反應(yīng)器類型不同.在恢復(fù)初期R1有37.9%的總氮去除率,R2的總氮去除率為-0.7%.高通量測序結(jié)果表明,R1、R2、R3在斷流前的Simpson指數(shù)分別為0.073、0.034、0.154,儲存最后一天的Simpson指數(shù)分別為0.076、0.263、0.162,儲存后3個反應(yīng)器中微生物的多樣性均降低,說明濾柱和MBR在靜置儲存期間對微生物多樣性的影響沒有明顯的差異.恢復(fù)的最后一天,R1、R2、R3的Simpson指數(shù)分別為0.130、0.169、0.229,R1與R3中微生物的多樣性呈現(xiàn)繼續(xù)下降的現(xiàn)象,而R2中微生物多樣性雖比儲存最后一天有所增加,但仍低于斷流前.總體來講,恢復(fù)后3個反應(yīng)器的物種多樣性均比斷流前降低,但濾柱和MBR的反應(yīng)器形式對多樣性無明顯的影響.

圖4 不同階段各反應(yīng)器主要菌屬分布情況

a.R1;b.R2;c.R3

如圖4(a)與圖4(b)所示,兩個反應(yīng)器在各時(shí)期的主要微生物菌屬分別為厭氧氨氧化菌()、反硝化菌()、亞硝化單胞菌().R1與R2中的相對豐度分別從長期斷流前的23.5%和21.5%下降到長期斷流后的17.3%和1.6%,相對豐度的變化與反應(yīng)器的脫氮性能一致.值得注意的是,在長期斷流后R1中的厭氧氨氧化菌仍有較高的相對豐度(17.3%),分析原因是因?yàn)樯餅V柱內(nèi)部具有填料,且填充的火山巖填料孔隙和比表面積較大,污泥的生長狀態(tài)為固著的生物膜,厭氧氨氧化菌更適合附著在填料表面.而且,生物濾柱內(nèi)部填充的火山巖可能殘留一些吸附的營養(yǎng)物質(zhì),且火山巖本身含有礦物質(zhì)營養(yǎng)元素.而MBR內(nèi)部無填料,污泥的生長狀態(tài)為懸浮的活性污泥.比較可知,生物膜能夠?yàn)槲⑸锾峁└臃€(wěn)定的生存環(huán)境,在長期斷流期間,厭氧氨氧化菌更適合在濾柱中生存.谷鵬超[25]采用2個生物濾池,分別以陶粒和火山巖為濾料,通過接種、掛膜,10d成功啟動厭氧氨氧化工藝,這進(jìn)一步說明了厭氧氨氧化菌確實(shí)適合在生物濾柱中生存或者恢復(fù).在恢復(fù)過程中,與R1相比,R2極不穩(wěn)定,數(shù)據(jù)波動較大.R1與R2中的相對豐度分別從斷流前的13.2%和50.2%下降到恢復(fù)后的2.5%和38.0%,研究表明[26],屬于兼性反硝化菌,可以利用有機(jī)碳源進(jìn)行脫氮.R2中的優(yōu)勢菌屬已由轉(zhuǎn)變?yōu)?進(jìn)一步驗(yàn)證了R2在恢復(fù)過程中脫氮能力的不穩(wěn)定性.最終,R1與R2中厭氧氨氧化污泥分別在HRT為6h和18h時(shí)經(jīng)過39d與93d得到恢復(fù),總氮去除率分別為87.0%和83.4%,總氮去除負(fù)荷分別為0.359和0.114kg/(m3·d).恢復(fù)后R1中檢測出的反硝化菌有、、,相對豐度分別為2.46%、1.52%、1.6%,的相對豐度為1.0%,的相對豐度為32.0%,是反應(yīng)器內(nèi)的優(yōu)勢菌屬,相對豐度高于長期斷流最后一天的23.5%.R2中的相對豐度僅為2.6%.研究表明[27],厭氧氨氧化生物濾柱能夠承受低基質(zhì)所帶來的高水力負(fù)荷,能夠?qū)崿F(xiàn)對低氨氮廢水的處理,在16～24℃下仍保持較高活性.本文結(jié)果表明,厭氧氨氧化生物濾柱具有穩(wěn)定性,濾柱的結(jié)構(gòu)不會因?yàn)V速和進(jìn)水基質(zhì)的變化而改變.這說明采用生物濾柱運(yùn)行厭氧氨氧化工藝不僅可以在長期斷流期間獲得較好的儲存效果,而且可以實(shí)現(xiàn)在較低的HRT下污泥的高效恢復(fù).

R2與R3的反應(yīng)器類型均為MBR,但R2的進(jìn)水基質(zhì)濃度低于R3.恢復(fù)初期,R2與R3的總氮去除負(fù)荷分別為-0.005、0.026kg/(m3·d).如圖4(b)與4(c)所示,是兩個反應(yīng)器內(nèi)主要的厭氧氨氧化菌,其相對豐度分別從斷流前的21.5%和21.5%下降到恢復(fù)前的1.6%與1.8%,厭氧氨氧化菌的相對豐度低,所以沒有總氮去除.在恢復(fù)過程中,R2的脫氮性能不穩(wěn)定,而R3的脫氮能力呈現(xiàn)逐步上升的趨勢.R2與R3在HRT為18h時(shí),分別經(jīng)過93d與76d的運(yùn)行得到恢復(fù),總氮去除率分別為83.4%和87.6%,總氮去除負(fù)荷分別為0.114和0.244kg/(m3·d).恢復(fù)后,R2中的相對豐度較低(2.6%),與的相對豐度分別為2.4%、0.8%,檢測出的反硝化菌有、、、,相對豐度分別為37.8%、14.5%、0.2%、1.2%,成為反應(yīng)器內(nèi)的優(yōu)勢菌屬,說明R2在較低的進(jìn)水基質(zhì)濃度下經(jīng)過93d的培養(yǎng),厭氧氨氧化菌的活性僅得到一部分恢復(fù).R3在恢復(fù)后,的相對豐度為6.0%,高于R2(2.6%),反硝化菌有(6.2%)、(0.5%)、(0.2%)、(5.5%)、(1.7%).陳方敏等[28]的研究表明在進(jìn)水基質(zhì)濃度高的條件下,厭氧氨氧化菌具有充足的營養(yǎng)底物,而且高基質(zhì)水平形成的底物濃度壓力更有利于提升氨氮與亞硝酸鹽氮在污泥內(nèi)部的傳質(zhì)效果.而本文中R2與R3的結(jié)果對比說明,經(jīng)過長期斷流后,較高的進(jìn)水基質(zhì)更有利于厭氧氨氧化系統(tǒng)的恢復(fù),恢復(fù)后的厭氧氨氧化菌豐度也相對較高.

3 結(jié)論

3.1 R1(濾柱)與R2(MBR)分別經(jīng)過39、93d得到有效恢復(fù),總氮去除負(fù)荷分別為0.359和0.114kg/ (m3·d),恢復(fù)前(后)的相對豐度分別為17.3%(32.0%)、1.6%(2.6%).濾柱相對MBR能夠更快的恢復(fù)低基質(zhì)的反應(yīng)系統(tǒng),能夠承受低基質(zhì)所帶來的高水力負(fù)荷,更有利于脫氮性能的恢復(fù).

3.2 R2(50mg/L)與R3(100mg/L)分別經(jīng)過93、76d得到系統(tǒng)的恢復(fù),總氮去除負(fù)荷分別為0.114和0.244kg/(m3·d).恢復(fù)前(后)的相對豐度分別為1.6%(2.6%)、1.8%(6.0%).進(jìn)水基質(zhì)濃度較高時(shí),厭氧氨氧化菌具有充足的營養(yǎng)底物,且高基質(zhì)水平形成的底物濃度壓力更有利于提升氨氮與亞硝酸鹽氮在污泥內(nèi)部的傳質(zhì)效果,恢復(fù)效果更好.

3.3 生物濾柱更適合作為長期斷流期間常溫儲存厭氧氨氧化污泥的反應(yīng)器.較長的HRT和較高的進(jìn)水基質(zhì)濃度有利于長期斷流后厭氧氨氧化污泥活性的快速恢復(fù).

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Operation and recovery performance of anaerobic ammonia oxidation process after long-term starvation.

MA Bing-bing, ZHANG Xiao-jing*, ZHANG Han, ZHANG Nan, WEI Deng-hui, ZHANG Hong-li, HOU Yu-lin

(Henan Collaborative Innovation Center for Environmental Pollution Control and Ecological Restoration, School of Materials and Chemical Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450001, China)., 2022,42(6)：2611～2618

In order to study how to rapid recover the activity of Anammox process which had been interrupted under emergency situation for a long-term, the nitrogen removal performance and microbial variations of three Anammox reactors were comparatively analyzed. The reactors were named as R1 (biofilter), R2 (membrane bioreactor, MBR), and R3 (MBR), where R1 and R2 had the same influent concentration, R2 and R3 had the same reactor type but different influent concentration. The results showed that the Anammox activity in R1, R2, and R3 was recovered after 39, 93, and 76days, with the total nitrogen removal efficiency returned to 87.0%, 83.4%, 87.6%, and the total nitrogen removal rate restored to 0.359, 0.114, 0.244kg/(m3·d), respectively. Compared R1 with R2, the Anammox biofilter could withstand higher hydraulic load, showed higher stability after long-term interruption, and was easier to recover. Compared R2 with R3, the higher influent concentration supplied sufficient substrate for Anammox bacteria, and formed concentration pressure for promoting the transformation of ammonia and nitrite inside the sludge, thus led to better recovery performance. The results of high-throughput sequencing showed that the relative abundance ofbefore (after) recovery of the three reactors were 17.3% (32.0%), 1.6% (2.6%), 1.8% (6.0%), and the abundance in R1after recovery was the highest.

anaerobic ammonia oxidation；activity recovery；matrix concentration；membrane bioreactor；biofilter

X703.1

A

1000-6923(2022)06-2611-08

馬冰冰(1997-),女,河南開封人,鄭州輕工業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要從事污水生物處理研究.

2021-11-17

中原英才計(jì)劃-中原青年拔尖人才;河南省高?？萍紕?chuàng)新人才項(xiàng)目(20HASTIT014);河南省高等學(xué)校青年骨干教師項(xiàng)目(2019GGJS129)

* 責(zé)任作者, 副教授, zhangxiaojing@zzuli.edu.cn