不同填料的厌氧氨氧化污泥挂膜性能比较

高梦佳，王淑莹，王衫允，彭永臻，贾方旭



不同填料的厌氧氨氧化污泥挂膜性能比较

高梦佳1，王淑莹1，王衫允2，彭永臻1，贾方旭1

（1北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京 100124；2哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，黑龙江哈尔滨 150090）

向厌氧氨氧化反应器内投加填料形成生物膜有利于污泥的持留，然而有关填料本身的不同特点对厌氧氨氧化生物膜生长影响的报道较少。将两种不同密度的悬浮塑料填料和两种不同密度的海绵填料置于同一反应器内，进行厌氧氨氧化污泥的挂膜，结果发现海绵填料的单个填料氨氮平均去除速率和亚硝态氮平均去除速率整体高于悬浮塑料填料，所挂污泥的EPS含量整体也高于悬浮塑料填料，并且挂膜速度也相对较快。在挂膜30 d后，单个小密度海绵填料便可检测出氨氮和亚硝态氮去除速率，且值接近1.32。在挂膜105 d后，单个小密度海绵填料的氨氮平均去除速率为0.123 mg·L-1·h-1，亚硝态氮平均去除速率为0.160 mg·L-1·h-1，值为1.30，最为接近理论值1.32，厌氧氨氧化活性为最佳，并且其所挂污泥的厌氧氨氧化菌丰度值在4种填料中最大，为1.73×1010copies·(g dry sludge)-1，总体来看小密度海绵填料的挂膜效果更好。

生物膜；悬浮塑料填料；海绵填料；厌氧氨氧化；性能

引 言

传统生物脱氮技术需要为硝化反应提供溶解氧和为反硝化反应提供外加碳源，这就增加了运营成本，而厌氧氨氧化反应为缺氧和自养反应，能够节约能源和碳源[1-2]，适合低C/N污水，节省由添加外部碳源、曝气等操作产生的成本支出，产生的污泥量少[3]，可减少污泥处理费用[4]。但是厌氧氨氧化菌生长缓慢，世代时间长[5-6]，体积较小（直径不到1 μm）[6-7]，极易流失，导致反应器启动周期长且运行不稳定，因此通过减少厌氧氨氧化污泥的流失来缩短启动时间对厌氧氨氧化工艺的实际应用有重要意义[8-10]，如何保证污泥在反应器中有效截留是该工艺的关键问题。

使厌氧氨氧化菌固定在填料表面形成生物膜可以增长污泥停留时间，因而向反应器内投加填料有利于污泥的持留。Fernandez等[11]用沸石作为填料，使污泥的厌氧氨氧化活性由0.35 g N·(gVSS)-1·d-1增加到0.5 g N·(gVSS)-1·d-1；Kim等[12]将无纺布膜组件添加到反应器内使污泥持留能力有了很大的提高，氨氮和亚硝态氮去除率分别高于88%和94%；张莉等[13]以海绵作填料利用半硝化-厌氧氨氧化联合工艺对实际废水进行脱氮处理，反应器处理效果较好。可见，填料的添加有助于提高反应器的脱氮效率。但是现有的研究多集中于单一填料，由于填料的种类多样，有关填料本身的不同性质对厌氧氨氧化生物膜生长影响的报道较少。

本试验采用复合填料反应装置模拟SBR反应器，将两种密度不同的塑料填料和两种密度不同的海绵填料置于同一反应器内，进行厌氧氨氧化污泥的挂膜，通过阶段性考察不同厌氧氨氧化填料的挂膜效果及脱氮性能来比较不同填料的挂膜特点，并测定填料所挂污泥的EPS和厌氧氨氧化菌丰度值，来进一步解释不同填料呈现不同脱氮性能的原因，并为厌氧氨氧化反应装置的挂膜提供参考和依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验所用填料类型及挂膜方法

本试验选用了4种填料，两种为塑料填料，密度分别大于1 g·cm-3和小于1 g·cm-3，两种为海绵填料，其密度不同，填料的俯视图见图1。塑料填料的高度为1.2 cm，海绵填料的高度为1.5 cm，4种填料的特点见表1。将这4种典型填料以相同填充比（20%）投加到同一厌氧氨氧化反应器中，并以相同方式固定在反应器内，构建复合填料反应器，从而保证填料时刻处于同等温度、基质、水力等培养条件的环境中。此复合填料反应器由一个2.5 L小试反应器、一个IKA ETS-D5温控装置和一台IKA RCT basic磁力搅拌器组成，排水比为80%，4周 期/天，温度控制为30℃，反应器内初始污泥浓度为0.73 g VSS·L-1，在此复合填料反应器中进行中长期的厌氧氨氧化挂膜培养驯化，进水来源前60 d为实际生活污水，由于生活污水的和浓度不稳定，影响了污泥的厌氧氨氧化活性；后45 d进水为模拟废水，其成分见表2，并每天检测进出水中氮素水平，同时阶段性考察不同厌氧氨氧化填料的挂膜效果及脱氮性能。

图1 试验所用填料类型

表1 填料性质

表2 模拟废水成分

1.2 单个填料的氮平均去除速率测定方法

将4种填料取出，分别在4个小试SBR反应器内测定氨氮和亚硝态氮的平均去除速率。具体做法是，在4个小试反应器内加入相同体积的模拟废水，通过曝氮气去除水中溶解氧，同时进行搅拌和加热，使小试反应器内模拟废水温度与原反应器一致。将填料浸入模拟废水中，然后每隔1 h取1个样，一共取10次样，分别根据10个样的氨氮和亚硝态氮浓度值拟合出浓度-时间曲线，斜率为氮平均去除速率，然后分别除以填料的个数，得出4种填料的单个填料氮平均去除速率。

1.3 胞外多聚物的提取和测定方法

将4种填料所挂污泥取下（将塑料填料所挂污泥刮下，通过水洗和挤压海绵填料将所挂污泥取下），每种填料所挂污泥平均分为两份（将污泥混匀后分为等体积的两份），一份用于测定MLSS和MLVSS，一份用于提取和测定胞外多聚物（extracellular polymeric substances，EPS）。将所取泥样用pH7的缓冲液（1.3 mmol·L-1Na3PO4，2.7 mmol·L-1NaH2PO4，6 mmol·L-1NaCl和0.7 mmol·L-1KCl）稀释至一定体积，在20 kHz和480 W的条件下超声10 min，于20000离心20 min，取上清液[14]。分别采用福林酚法和蒽酮比色法测定所取上清液的蛋白质、多糖含量，EPS取上清液的蛋白质、多糖含量总和。

1.4 脱氧核糖核酸的提取和定量聚合酶链式反应

称取 0.1 g左右经-50℃冷冻干燥处理的污泥样品，利用 FastDNA SPIN Kit for Soil（Bio 101，Vista，CA）提取试剂盒提取样品中的总脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）。定量聚合酶链式反应（quantitative polymerase chain reaction，qPCR）扩增的 20 μl 体系配制如下：SYBR 10 μl，Rox 0.4 μl，前后引物各0.2 μl，DNA 2 μl，ddH2O补足至20 μl。其中，使用通用引物341f/534r对全细菌进行定量PCR 扩增；使用特异性引物 Amx368f/ Amx820r进行厌氧氨氧化菌定量PCR 扩增[15-16]。

1.5 理化指标测定方法

2 结果和讨论

2.1 复合填料反应器的氮去除效果及其厌氧氨氧化活性

从图2中可以看出以生活污水为进水来源的前60 d，由于进水和浓度不稳定，反应器出水的和浓度以及和TN去除率波动大；而之后的45 d采用模拟废水为进水来源，进水和浓度基本维持在30 mg·L-1左右，出水浓度可降到1 mg·L-1以下，浓度基本可降到8 mg·L-1以下，NH4+-N去除率在70%～85%之间，TN去除率在65%～80%之间，污泥的厌氧氨氧化活性为0.24 g N·(gVSS)-1·d-1。系统的出水浓度基本可降到2 mg·L-1以下，去除率在95%以上，可见，反应器整体的去除效果好。

图2 复合填料反应器的氮去除效果

反应器内平均亚硝态氮去除量/氨氮去除量与平均硝态氮产生量/氨氮去除量见图3。由此可知，系统的平均值，在进水来源为生活污水时为1.20，在进水来源为模拟废水时为1.10；平均值，在进水来源为生活污水时为0.23，在进水来源为模拟废水时为0.25。系统整体的平均亚硝态氮去除量/氨氮去除量接近文献[17]报道的理论值1.32，平均硝态氮产生 量/氨氮去除量也与文献[18-19]报道的理论值0.26相近，可见，系统整体的厌氧氨氧化活性良好。但 是在前60 d以生活污水为进水时，相比于后45 d以模拟废水为进水时与值波动大，以模拟废水为进水时反应器内厌氧氨氧化活性更好。可能是由于以生活污水为进水时，进水和浓度不稳定，对厌氧氨氧化反应造成了不利影响。

图3 复合填料反应器内厌氧氨氧化反应化学计量关系

2.2 塑料填料和海绵填料不同时期的氮去除速率测定

由图4可知经过以生活污水为进水的前30 d，填料A、B、C的厌氧氨氧化活性不明显，而填料D已经有了一定的厌氧氨氧化活性，其单个填料的氨氮平均去除速率为0.073 mg·L-1·h-1，亚硝态氮平均去除速率为0.103 mg·L-1·h-1，值为1.40，接近理论值1.32。在挂膜60 d后，塑料填料（A，B）仍几乎没有厌氧氨氧化活性，而海绵填料（C，D）有一定的厌氧氨氧化活性，单个C填料的氨氮平均去除速率为0.089 mg·L-1·h-1，亚硝态氮平均去除速率为0.058 mg·L-1·h-1，单个D填料的氨氮平均去除速率为0.128 mg·L-1·h-1，亚硝态氮平均去除速率为0.102 mg·L-1·h-1，值相对更接近理论值1.32，其厌氧氨氧化活性在4种填料中最好。虽然海绵填料可去除氨氮和亚硝态氮，但值明显低于1.32，可能是由于海绵填料上存在异养菌，对厌氧氨氧化反应造成了不利影响，因此若能更彻底地去除进水中的有机物可能会使海绵填料的挂膜效果更好。

图4 单个填料氮平均去除速率变化曲线

从图4、图5中可以看出在挂膜进行105 d后，塑料填料和海绵填料都可检测出厌氧氨氧化活性，挂膜105 d比60 d塑料填料和海绵填料的氨氮和亚硝态氮平均去除速率都有明显的增大，值也更为接近理论值1.32，相比单个塑料填料（A，B），单个海绵填料（C，D）的氨氮和亚硝态氮平均去除速率更大，其中单个小密度海绵填料(D)的氨氮平均去除速率为0.123 mg·L-1·h-1，亚硝态氮平均去除速率为0.160 mg·L-1·h-1，值为1.30，最为接近理论值1.32，厌氧氨氧化活性为最佳。同时经测定知此时A、B、C、D的单个填料所挂污泥量分别为8.8、5.5、12.5、14.5 mg VSS，所挂污泥量最多的为D填料，最少的为B填料，但是B单个填料的氮去除效果好于A填料，主要原因是B填料所挂污泥的厌氧氨氧化菌含量高（从图7中可知）。

图5 挂膜105 d单个填料的氮去除效果

同一时期单个海绵填料的氮去除速率整体高于单个塑料填料，挂膜速度相对较快，尤其是小密度海绵填料，在挂膜30 d时单个填料就可检测出明显的氨氮和亚硝态氮去除速率，并且其厌氧氨氧化活性和挂膜速度在4种填料中整体为最佳。究其原因，可能是塑料填料的孔较大，海绵填料的孔隙比塑料填料细密，对已附着的细菌可更好地屏蔽保护，使它们免受水力学剪切的冲刷，同时海绵填料的表面比塑料填料粗糙，粗糙度越大，越可增加细菌与填料间有效接触面积，就更为有利于形成生物膜[20]，因而海绵填料的挂膜速度整体比塑料填料快。

2.3 挂膜不同时期填料的表面特征

从挂膜不同时期塑料填料和海绵填料的表面特征（图6）可知经过以生活污水为反应器进水的前60 d，填料表面所挂污泥为深褐色；再经过以配水为反应器进水的45 d后，填料所挂污泥呈现红色，这与厌氧氨氧化污泥的颜色基本一致[21]。诸多研究表明，厌氧氨氧化菌具有细胞色素c的特征光谱（540～554 nm），厌氧氨氧化菌比例越高，污泥和生物膜红色越深[22-23]，因此，从生物膜颜色可以判断在挂膜105 d后，填料所挂污泥中厌氧氨氧化菌基本已经占据优势地位。并且随着挂膜时间的增长，填料所挂污泥增多。

图6 不同时期填料的挂膜情况

2.4 塑料填料和海绵填料所挂污泥的EPS含量

有关厌氧氨氧化污泥进行海绵填料和塑料悬浮填料挂膜的相关报道[13,24-25]有一些，但是有关填料所挂污泥EPS的研究较少，而EPS的含量与污泥形成颗粒的强度相关[26]，也有可能与填料生物膜的形成有关，因此本文进行了EPS的提取和测定，并将4种填料所挂污泥的EPS含量进行对比，同时将其与实际的挂膜情况相联系，进一步比较不同填料的挂膜特点。

在挂膜105 d后，取下填料所挂污泥进行EPS的测定，结果见表3。从表中数据可以看出所挂污泥的EPS含量由高到低依次为D填料、C填料、B填料和A填料，同时可知填料所挂污泥的PN/PS大于1，即PN高于PS，这与之前的相关研究结果[14,27]相符，而PN含量最多的为D填料，最少的为A填料，海绵填料（C，D）的PS含量整体高于塑料填料（A，B）。

表3 填料所挂污泥的EPS含量

综上所述可知海绵填料所挂污泥的EPS含量整体高于塑料填料，可能是由于海绵填料比塑料填料的截留能力强，可以将死亡和溶解细胞释放到溶液内的高分子物质更多截留，而这些物质能够成为填料所挂污泥EPS的一部分[28]。EPS含量越高越有利于污泥与填料的结合[29-30]，有利于填料的挂膜，同时填料上污泥的EPS含量越高一定程度上说明填料上所挂污泥的活性越好[31]，这与实际的挂膜情况（图4）相符。从上述结果可以看出提高污泥的EPS含量可能会有利于填料的挂膜，EPS含量的增加可以使污泥更好地附着在填料上，有利于取得更佳的挂膜效果。

2.5 塑料填料和海绵填料所挂污泥的厌氧氨氧化菌含量

通过采用分子生物学技术可以观测不同填料所挂污泥的厌氧氨氧化菌含量，从而可以根据填料所挂污泥的厌氧氨氧化菌含量的不同来进一步比较不同填料的挂膜性能。

本试验采用qPCR的方法测定了在挂膜105 d后填料所挂污泥的厌氧氨氧化菌的含量，结果如图7所示。从图中可知，D填料所挂污泥的厌氧氨氧化菌丰度值最高，为1.73×1010copies·(g dry sludge)-1，A填料所挂污泥的厌氧氨氧化菌丰度值最低，为5.13×109copies·(g dry sludge)-1。

图7 不同填料所挂污泥的厌氧氨氧化菌丰度值

从上述结果可以看出小密度海绵填料所挂污泥的厌氧氨氧化菌含量最高，从图4中同时可知其单个填料的厌氧氨氧化活性也整体为最好，在挂膜30 d后就可显示出较好的厌氧氨氧化活性，这比海绵填料相关报道[13,25]的启动时间要短；大密度塑料填料所挂污泥的厌氧氨氧化菌含量高于大密度海绵填料，而其单个填料的氨氮和亚硝态氮平均去除速率却比大密度海绵填料低（图4），究其原因，主要是单个大密度塑料填料所挂污泥量少于单个大密度海绵填料；而小密度塑料填料所挂污泥的厌氧氨氧化菌含量和单个填料的氨氮和亚硝态氮平均去除速率均为最低。由此可知，小密度海绵填料的挂膜效果最好。

3 结 论

（2）海绵填料的单个填料氨氮平均去除速率和亚硝态氮平均去除速率整体高于悬浮塑料填料，挂膜速度相对较快。在挂膜30 d后，单个小密度海绵填料便可检测出较好的厌氧氨氧化活性，这比海绵填料相关报道[13,24]的启动时间要短，在挂膜105 d后，单个小密度海绵填料的氨氮平均去除速率为0.123 mg·L-1·h-1，亚硝态氮平均去除速率为0.160 mg·L-1·h-1，值为1.30，最为接近理论值1.32，其挂膜速度和效果为最佳。

（3）海绵填料所挂污泥的EPS含量整体高于塑料填料，而EPS含量越高越有利于污泥与填料的结合，有利于填料的挂膜，这与实际的挂膜情况相符。小密度海绵填料所挂污泥的厌氧氨氧化菌丰度值最高，为1.73×1010copies·(g dry sludge)-1，其单个填料的厌氧氨氧化活性整体也为最好；小密度塑料填料所挂污泥的厌氧氨氧化菌丰度值最低，为5.13×109copies·(g dry sludge)-1，而其单个填料的氨氮和亚硝态氮平均去除速率整体也为最低。4种不同填料的挂膜性能可以为厌氧氨氧化装置的挂膜提供参考和依据。

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Comparison of different carriers about ANAMMOX biofilm formation performance

GAO Mengjia1, WANG Shuying1, WANG Shanyun2, PENG Yongzhen1, JIA Fangxu1

(1Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, Heilongjiang, China)

Filling carriers to anaerobic ammonium oxidation (ANAMMOX) reactor can improve Anammox biomass retention. But there are few researches about the influence of different characteristics of carriers on ANAMMOX biofilm growth. Two different suspending plastic carriers and two different sponge carriers were filled in the reactor to form ANAMMOX biofilm. The results showed that theandaverage removal rates of one sponge carrier were higher than one suspending plastic carrier on the whole. The EPS contents of sludge on sponge carriers and the speed of sponge carriers forming biofilm were higher than suspending plastic carriers. After biofilm forming for 30 days, theandremoval rates of one sponge carrier with low density could be tested and the value ofwas close to 1.32. After biofilm forming for 105 days, theandaverage removal rates of one sponge carrier with low density were 0.123mg·L-1·h-1and 0.160 mg·L-1·h-1, respectively. The value ofwas 1.30, which was close to 1.32. The ANAMMOX activity of sludge on the sponge carrier with low density was the best. The abundance of anammox bacteria in the sludge on the sponge carrier with low density was the highest among the four types of carriers, which was 1.73×1010copies·(g dry sludge)-1. The sponge carrier with low density had the best biofilm formation performance on the whole.

biofilm; suspending plastic carriers; sponge carriers; anaerobic ammonium oxidation; performance

2016-04-28.

Prof. WANG Shuying, wsy@bjut.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20160563

X 703.1

A

0438—1157（2016）10—4422—09

国家自然科学基金项目(51478013)；北京市教委资助项目。

2016-04-28收到初稿，2016-06-14收到修改稿。

联系人：王淑莹。第一作者：高梦佳（1992—），女，硕士研究生。

supported by the National Natural Science Foundation of China (51478013) and the Funding Projects of Beijing Municipal Commission of Education.