亞硝氮對(duì)厭氧氨氧化EGSB反應(yīng)器啟動(dòng)的影響

石永輝,張益豪,秦哲,史天茜,武新穎,趙春霞,路達(dá)

(河北大學(xué) 生態(tài)環(huán)境系,河北 保定 071002)

當(dāng)污水處理廠季節(jié)性關(guān)閉、日常維護(hù)及放假期間,或在厭氧氨氧化生物量?jī)?chǔ)存及運(yùn)輸條件下,厭氧氨氧化菌處于饑餓狀態(tài)[3].長(zhǎng)時(shí)間處于饑餓狀態(tài)的厭氧氨氧化污泥對(duì)亞硝氮比較敏感[4],因此需要研究確定厭氧氨氧化菌對(duì)亞硝氮敏感程度,以縮短厭氧氨氧化的啟動(dòng)或恢復(fù)時(shí)間.然而少有學(xué)者研究不同的進(jìn)水條件下對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動(dòng)過(guò)程的影響.此外,厭氧氨氧化技術(shù)面臨啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境敏感等問(wèn)題,制約了其進(jìn)一步發(fā)展,世界上第1座應(yīng)用厭氧氨氧化工藝的荷蘭污水處理廠其啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3.5 a,因此探索合適的進(jìn)水基質(zhì)質(zhì)量濃度以縮短啟動(dòng)時(shí)間,加快細(xì)菌活性的恢復(fù),為厭氧氨氧化工藝的實(shí)際工程應(yīng)用提供參考.本文通過(guò)探索不同亞硝氮質(zhì)量濃度對(duì)反應(yīng)器啟動(dòng)的影響,得出了啟動(dòng)期間較合適的進(jìn)水亞硝氮質(zhì)量濃度.

1 材料與方法

1.1 接種污泥與實(shí)驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)用水為人工配置的模擬廢水.每天處理水量為4 L,以NH4Cl和NaNO2充當(dāng)?shù)?進(jìn)水基質(zhì)(氨氮與亞硝氮物質(zhì)的量比為1∶1)質(zhì)量濃度分別為100 mg/L和140 mg/L,CaCl20.150 g/L,KH2PO40.010 g/L,MgSO40.300 g/L,KHCO30.500 g/L,加入微量元素Ⅰ和Ⅱ各1 mL,微量元素Ⅰ配比(g/L):EDTA·2Na 5.00,FeSO4·7H2O 5.00;微量元素Ⅱ配比(g/L):ZnSO4·7H2O 0.430,H3BO40.0140,CuSO4·5H2O 0.250,CoCl2·6H2O 0.240,MnCl2·4H2O 0.990,NaMoO4·2H2O 0.220,NiCl2·6H2O 0.190,EDTA·2Na 19.1.

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

厭氧氨氧化啟動(dòng)采用膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器(EGSB),反應(yīng)器構(gòu)造如圖1.反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成,內(nèi)徑200 mm,高650 mm,配有30 mm厚的水浴夾層保證溫度.實(shí)驗(yàn)期間廢水由進(jìn)水口加入,外循環(huán)保證反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)混合均勻,溫度為(35±1)℃,曝20 min N2保證厭氧環(huán)境.實(shí)驗(yàn)期間取樣從出水口采集.

圖1 EGSB反應(yīng)器結(jié)構(gòu)Fig.1 EGSB reactor structure diagram

1.3 分析方法

反應(yīng)器運(yùn)行結(jié)束后,取反應(yīng)器內(nèi)混合均勻的污泥進(jìn)行高通量測(cè)序分析.引物序列使用靶向16S rRNA的V3～V4高變區(qū).

2 結(jié)果與分析

2.1 反應(yīng)器的啟動(dòng)及穩(wěn)定

啟動(dòng)期間2個(gè)反應(yīng)器進(jìn)水總氮質(zhì)量濃度(氨氮與亞硝氮物質(zhì)的量比為1∶1)分別為100 mg/L和140 mg/L,pH(8.00±0.10),DO 0.100 mg/L以下保證厭氧環(huán)境.啟動(dòng)過(guò)程共分為3個(gè)階段,分別為遲滯期、提升期和穩(wěn)定期,如圖2～4所示.

a.R1反應(yīng)器;b.R2反應(yīng)器圖3 反應(yīng)器氮去除率變化Fig.3 Nitrogen removal efficiency in reactor of reactor

a.反應(yīng)器R1;b.反應(yīng)器R2圖4 反應(yīng)器物質(zhì)的量比變化Fig.4 Variation of stoichiometric ratios of reactor

第10天2個(gè)反應(yīng)器開(kāi)始展現(xiàn)不同特征.反應(yīng)器R1出水氨氮和亞硝氮同時(shí)下降,表明反應(yīng)器R1進(jìn)入提升期.由于基質(zhì)抑制,反應(yīng)器R2進(jìn)入提升期的時(shí)間比反應(yīng)器R1晚18 d.反應(yīng)器R2 10～27 d出水氨氮質(zhì)量濃度逐漸下降,但是出水亞硝氮質(zhì)量濃度和進(jìn)水基本持平,亞硝氮平均去除率僅有5.96%.出水硝酸鹽氮質(zhì)量濃度沒(méi)有明顯增長(zhǎng),對(duì)此有2種可能.一是厭氧氨氧化菌以細(xì)菌自溶產(chǎn)生的有機(jī)物為電子供體進(jìn)行部分硝酸鹽異化還原(DNRA)過(guò)程產(chǎn)生氨氮[9].另一種是反硝化菌進(jìn)行反硝化作用去除硝酸鹽.根據(jù)圖2可知出水氨氮沒(méi)有增加,因此可以排除DNRA反應(yīng),硝酸鹽氮沒(méi)有增加是反硝化菌的作用.

第43天反應(yīng)器R1生物量流失1/4,氨氮出水質(zhì)量濃度從8.51 mg/L升高到36.4 mg/L,TN去除率從58.0%劇減到15.6%,之后氨氮去除率又快速恢復(fù).經(jīng)過(guò)4 d出水氨氮降到8.00 mg/L,出水亞硝氮質(zhì)量濃度為25.7 mg/L.根據(jù)出水硝酸鹽氮變化來(lái)看,生物量流失后厭氧氨氧化菌受到較大沖擊,氨氮去除效果的快速恢復(fù)說(shuō)明AOB受生物量流失影響較小.第52 d厭氧氨氧化性能基本恢復(fù)到之前水平,Kwak W等[10]使用流化床膜生物反應(yīng)器(FMBR)經(jīng)過(guò)100 d左右的時(shí)間才恢復(fù)到原有水平.這說(shuō)明EGSB比FMBR反應(yīng)器更能抵抗生物量流失的沖擊.

2.2 反應(yīng)器的抗沖擊性能

第67天停止外循環(huán),發(fā)現(xiàn)R1出水質(zhì)量濃度上升,氨氮和亞硝氮質(zhì)量濃度分別從3.34 mg/L和0.130 mg/L升高到15.2 mg/L和10.9 mg/L,說(shuō)明外循環(huán)對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)器具有促進(jìn)作用,可以使反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)混合均勻,利于厭氧氨氧化菌獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì).反應(yīng)器R2出水氨氮質(zhì)量濃度與R1相當(dāng),出水亞硝氮質(zhì)量濃度比R1高.開(kāi)啟外循環(huán)5 d后反應(yīng)器R1出水質(zhì)量濃度恢復(fù)正常,R2經(jīng)過(guò)6 d性能恢復(fù).這說(shuō)明系統(tǒng)即使受到水力條件沖擊后也能快速恢復(fù).

由于進(jìn)水氮素比不是理論比例1∶1.32,所以出水有氨氮剩余[12].第79天提高進(jìn)水亞硝氮質(zhì)量濃度,2個(gè)反應(yīng)器氨氮質(zhì)量濃度分別從50.0 mg/L升高到66.0 mg/L,70.0 mg/L到92.4 mg/L.經(jīng)過(guò)1 d后反應(yīng)器R1出水氨氮下降到0.420 mg/L,亞硝氮為3.31 mg/L.最終R1氨氮和亞硝氮去除率為99.8%、99.1%,TN去除率最大為70.2%.R2與R1類(lèi)似,經(jīng)過(guò)2 d后氨氮和亞硝氮去除率達(dá)到99.1%和95.6%,最終TN平均去除率為70.4%.這說(shuō)明進(jìn)水比對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)器性能具有重要影響.

第88天取出1/4的細(xì)菌,2個(gè)反應(yīng)器出水氨氮和亞硝氮質(zhì)量濃度上升,硝酸鹽氮質(zhì)量濃度下降,TN去除率下降10%左右.R2反應(yīng)器經(jīng)過(guò)2 d后性能恢復(fù),氨氮和亞硝氮去除率達(dá)到99.5%和99.7%.R1經(jīng)過(guò)9 d后出水氨氮質(zhì)量濃度平均值為11.1 mg/L,氨氮平均去除率僅有79.9%.第97天提高R1進(jìn)水亞硝氮質(zhì)量濃度到80.0 mg/L以增加厭氧氨氧化反應(yīng)基質(zhì),提高厭氧氨氧化活性.經(jīng)過(guò)3 d出水氨氮下降,第100天將進(jìn)水亞硝氮質(zhì)量濃度恢復(fù)到66.0 mg/L.這是因?yàn)閬喯跛猁}氧化菌(NOB)與厭氧氨氧化菌競(jìng)爭(zhēng)底物亞硝酸鹽,導(dǎo)致氨氮無(wú)法被完全消耗.

2.3 菌群分析

反應(yīng)器內(nèi)氮轉(zhuǎn)化去除是由其中微生物共同作用的結(jié)果,對(duì)反應(yīng)器內(nèi)微生物進(jìn)行分析.表1展示了2個(gè)反應(yīng)器微生物多樣性比較.2個(gè)反應(yīng)器的Goods coverage指數(shù)都在99.9%以上,表明樣品采集能代表污泥群落組成.根據(jù)Chao1指數(shù)可知,R1反應(yīng)器的物種總數(shù)大于R2.Simpson和Shannon指數(shù)越大則樣品多樣性越高,從表1可知R2的多樣性大于R1.

表1 樣品Alpha多樣性

圖5展示了門(mén)水平上的群落結(jié)構(gòu).由于接種的是儲(chǔ)藏的成熟污泥,所以本實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)菌門(mén)與接種活性污泥的實(shí)驗(yàn)[11,13-14]結(jié)果不同,與接種成熟污泥的Wang等[15]相似,優(yōu)勢(shì)菌門(mén)是厭氧氨氧化菌所屬的Planctomycetes門(mén).2個(gè)反應(yīng)器的前5個(gè)優(yōu)勢(shì)菌門(mén)相同,分別為Planctomycetes、Proteobacteria、Bacteroidetes、Chloroflexi、Acidobacteria,但是每個(gè)菌門(mén)豐度不同.對(duì)功能菌所屬的Planctomycetes門(mén)R1(54.8%)高于R2(46.4%),R2經(jīng)歷基質(zhì)抑制導(dǎo)致最終功能菌豐度較低.2個(gè)反應(yīng)器中都有較高豐度的Proteobacteria門(mén),大部分氮轉(zhuǎn)化相關(guān)菌都屬于Proteobacteria門(mén),例如亞硝酸鹽氧化菌、反硝化菌、氨氧化菌等[16-17].Chloroflexi門(mén)可以降解反應(yīng)器中的溶解性有機(jī)物或者細(xì)菌分泌物,為反硝化菌提供電子供體.Proteobacteria門(mén)包含的反硝化菌[18],通過(guò)利用Chloroflexi提供的電子供體保持自身活性.2個(gè)反應(yīng)器內(nèi)Chloroflexi門(mén)豐度接近,分別為8.96%和9.07%.但是反應(yīng)器R1的Proteobacteria門(mén)相對(duì)豐度比R2低6.88%,與2個(gè)反應(yīng)器進(jìn)水亞硝氮質(zhì)量濃度不同有關(guān).反應(yīng)器R2進(jìn)水基質(zhì)質(zhì)量濃度高于R1,AOB、NOB和反硝化菌可利用的基質(zhì)更多因此豐度更高.

圖5 細(xì)菌門(mén)水平分布Fig.5 Taxonomic classification of the bacterial communities at phylum levels

從圖6可知,本實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器細(xì)菌在屬水平上的優(yōu)勢(shì)菌屬為Candidatus_Jettenia,相對(duì)豐度在反應(yīng)器R1、R2中達(dá)到54.1%和45.3%.R2中較高亞硝氮質(zhì)量濃度對(duì)厭氧氨氧化菌富集造成了抑制.沒(méi)有檢測(cè)到其他厭氧氨氧化菌屬,文獻(xiàn)[19]提出使用合成廢水培養(yǎng)的厭氧氨氧化菌屬普遍為Candidatus_Brocadia和Candidatus_Kuenenia,而Candidatus_Jettenia主要分布于垃圾滲濾液厭氧處理系統(tǒng)、淡水生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng),但是牛晚霞等[20]和Li等[21]在合成廢水培養(yǎng)的反應(yīng)器中也檢測(cè)到了Candidatus_Jettenia.Denitratisoma是TIN轉(zhuǎn)化相關(guān)屬,能夠完成完全反硝化,屬于Proteobacteria門(mén),為革蘭氏陰性菌[22].反應(yīng)器內(nèi)存在部分細(xì)菌溶解、衰老和死亡,因此Denitratisoma可以生存[23],反應(yīng)器R1和R2中豐度分別為4.33%和6.15%.

圖6 細(xì)菌屬水平分布Fig.6 Taxonomic classification of the bacterial communities at genus levels

通過(guò)對(duì)比細(xì)菌群落門(mén)和屬水平可以看出,雖然反應(yīng)器R1中功能細(xì)菌相對(duì)豐度比R2更高,但是R1對(duì)外界沖擊的抵抗性能更差,這與反應(yīng)器R1中Proteobacteria門(mén)豐度較低有關(guān).Proteobacteria門(mén)包含大部分的氮轉(zhuǎn)化相關(guān)細(xì)菌,在較高豐度下可以與厭氧氨氧化菌協(xié)同配合應(yīng)對(duì)基質(zhì)質(zhì)量濃度變化.Bacteroidetes、Chloroflexi為反硝化菌提供碳源,反應(yīng)器R1中2種菌門(mén)相對(duì)豐度之和比R2低.而Acidobacteria則可以代謝單碳化合物與反硝化菌競(jìng)爭(zhēng)碳源,R1中Acidobacteria門(mén)相對(duì)豐度更高.反應(yīng)器R2中的反硝化功能相關(guān)菌豐度比R1高.綜合作用下R1的TN去除率比R2更高.

3 結(jié)論

1)在進(jìn)水亞硝氮質(zhì)量濃度分別為50.0 mg/L和70.0 mg/L時(shí),反應(yīng)器R1和R2分別經(jīng)過(guò)62 d和56 d完成啟動(dòng).長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存的厭氧氨氧化污泥對(duì)較低質(zhì)量濃度的亞硝氮敏感,為避免造成抑制,啟動(dòng)質(zhì)量濃度不應(yīng)超過(guò)50.0 mg/L.

2)經(jīng)過(guò)氮負(fù)荷以及污泥流失沖擊后,R1和R2反應(yīng)器TN平均去除率最終分別為58.1%和69.8%,亞硝氮質(zhì)量濃度為70.0 mg/L時(shí),培養(yǎng)的厭氧氨氧化污泥對(duì)沖擊的抵抗性較強(qiáng).

3)通過(guò)高通量測(cè)序發(fā)現(xiàn),R1、R2反應(yīng)器的優(yōu)勢(shì)菌屬都是Candidatus_Jettenia,相對(duì)豐度分別為54.1%和45.3%,說(shuō)明70.0 mg/L的亞硝氮對(duì)厭氧氨氧化菌富集造成了抑制.