不同搅拌方式对厌氧氨氧化污泥复壮及运行影响

李 冬，曹正美，张 杰,2，张诗睿，李 帅,2

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

研究表明，间歇搅拌方式使反应器保持较低的流化状态形成较低的溶解氧环境，有利于抑制好氧硝化菌活性进而促进厌氧氨氧化菌生长[6].同时，厌氧氨氧化菌具有密度依赖性，只有当厌氧氨氧化细胞浓度达1010～1011cell/mL，厌氧氨氧化活性才能表现出来[7].间歇搅拌方式运行时在停止搅拌期间，颗粒污泥沉降到底部，反应系统中的厌氧氨氧化菌在较小体积内细胞浓度较高从而提高细菌活性，此时反应器中水流相对静止，污泥所接触的溶解氧较低，促进形成厌氧状态；在搅拌期间，颗粒污泥与基质溶液充分接触进行反应，适当地排出产生的气体，防止污泥上浮，并且提供剪切力促进颗粒污泥的形成.然而，相对于连续搅拌方式，间歇搅拌方式可能会使系统中的污泥与基质溶液接触不充分，其运行的脱氮效果有待进一步研究.

本实验结合上述分析采用3个SBR反应器，搅拌方式分别为连续搅拌、间歇搅拌、间歇搅拌方式(R2、R3转速不同)，探讨不同搅拌方式对厌氧氨氧化污泥脱氮性能复壮及运行工况，以期为实际工艺及工况提供理论参考.

1 实 验

1.1 接种污泥和实验用水

本实验采用人工配水，(NH4)2SO4提供氨氮，NaNO2提供亚硝态氮， NaHCO3提供进水碱度，其碱度与氮比为5，KH2PO4为2.5 mg/L，CaCl2为12.5 mg/L以及1.00 mL/L的微量元素；微量元素成分为：EDTA(15 g/L)，CoCl2·6H2O(0.25 g/L)，ZnSO4·7H2O(0.42 g/L)， CuSO4·5H2O(0.24 g/L)，MnCl2·4H2O(0.98 g/L)，H3BO4(0.015 g/L)，NiCl2·2H2O(0.020 g/L)，NaWO4·2H2O(0.060 g/L).

整个实验过程分为复壮时期、提高负荷时期、稳定运行时期3个阶段.污泥性能稳定后，增加进水基质浓度来提高进水负荷.在复壮时期，氨氮质量浓度约为50 mg/L，提高负荷时期和稳定时期，氨氮质量浓度为70 mg/L.配水基质氨氮、亚氮质量浓度按适当比例配制(由于实验接种污泥中AOB菌的活性较高，提高了配水中的氨氮比例)，实验测得进入反应器后的氨氮与亚氮质量浓度比约为1∶1.

1.2 实验装置及运行参数

采用3个2 L的SBR反应器，直径为9 cm，排水比为80%，周期12 h，进水10 min，反应运行680 min，沉淀10 min，排水10 min，闲置10 min.实验在室温下进行，温度在20～22 ℃，温度由温控器控制.pH在6.9～8.6.反应器进水、搅拌、排水由时控开关自动控制，内置搅拌机使泥水混合.反应器装有pH、DO及温度在线监测探头.

根据搅拌功率P=Npρn3D5，其中P与n(转速)相关，搅拌耗能W=Pt[8]，转数=n×t，W与一定时间内转数值相关.实验设置3组反应器，R1、R2在一个周期内保持搅拌耗能一致(转数相同)，对比探讨不同搅拌方式对厌氧氨氧化系统运行影响，R2与R3作对比探讨间歇搅拌方式不同搅拌转速对厌氧氨氧化系统的运行影响.3个反应器搅拌方式的参数如表1所示.

表1 3个反应器的搅拌参数

1.3 分析方法

EPS处理及测定方法：取30 mL污泥样品，配平，4 000g离心(常温)10 min，去掉上清液，加入缓冲液(常温)，恢复体积到30 mL，配平，4 000g离心(常温)15 min，去掉上清液，将剩余样品用缓冲液(常温)恢复体积至30 mL，涡旋1 min使离心管底部污泥完全散开，60 ℃水浴加热30 min，同时令离心机空转降温至4 ℃；样品冷却至接近室温时，配平，20 000g离心20 min，4 ℃，上清液即为待测样.采用苯酚硫酸法在490 nm波长下测定多糖质量分数，考马斯亮蓝法在595 nm波长下测定蛋白质量分数.

好氧氨氧化速率(RAOB)、厌氧氨氧化速率(RAnammox)等参数[9]按下式计算：

(ρin(TN)-ρef(TN))/2.04]×Q/V，

RAnammox=(ρin(TN)-ρef(TN))×Q/(2.04×V).

2 结果与讨论

2.1 反应器脱氮性能及功能菌活性分析

2.1.1 反应器脱氮性能变化

图1 3个反应器的氮质量浓度及氮去除率变化

随着厌氧氨氧化菌占主要优势，3个反应器进入了稳定时期，氨氮、亚硝酸盐氮去除率均接近100%，化学计量比分别稳定在1∶1.17∶0.20、1∶1.22∶0.25、1∶1.21∶0.25，总氮去除率分别稳定在75.7%、78.3%、78.9%.相比R2、R3间歇搅拌方式运行的系统，R1系统中溶解氧较高，进而AOB活性相对R2、R3的活性较强，但R2、R3的脱氮性能没有明显差距，间歇搅拌方式更有利于厌氧氨氧化菌的稳定运行.研究[13]发现搅拌转速在一定范围内反应效果并没明显变化，且转速越快搅拌器消耗功率越大.本研究中机械搅拌主要使污泥与溶液充分混合获取底物，R2、R3的转速可能在此范围内对微生物没有明显的影响，从实验结果同样看出,在相同时间内搅拌转速不同(转速在100～140 r/min)对反应器的脱氮性能影响较小，且转速小消耗功率低有利于高效节能.

2.1.2 反应器主要功能菌活性变化

通过计算单位体积反应器的RAnammox，间接说明厌氧氨氧化菌活性的变化情况，结果如图2显示.

复壮时期初，R2和R3的RAnammox在前2 d降低，RAOB较高，可能是由于阶段初期厌氧氨氧化菌进入新的环境不适应，进水没做去氧处理，AOB菌在有氧的条件下进行好氧硝化.R1的RAnammox几乎为零，RAOB变化浮动较大，连续搅拌方式带来较多的溶解氧，在厌氧氨氧化菌复壮初期提供的溶解氧已能够抑制失稳厌氧氨氧化菌的活性，在溶解氧较高的条件下，AOB菌的活性提高，进而阻止厌氧氨氧化反应的进行.复壮后期，R2、R3的RAnammox由60.96 g/(m3·d)提升到73.56 g/(m3·d)左右，厌氧氨氧化菌活性逐渐提高.在连续搅拌方式运行的R1系统中，随着厌氧氨氧化菌活性逐渐提高，硝化作用开始减弱，RAnammox稳定在48.95 g/(m3·d)，但是由于初期AOB菌的活性较高且连续搅拌方式提供的环境中溶解氧较高，AOB菌的活性不易降低，复壮时期末R1的RAOB为10.58 g/(m3·d)，比R2、R3的活性高，AOB菌的世代时间比厌氧氨氧化菌的世代时间短，生长速度快，进而使RAOB与厌氧氨氧化速率相差20 g/(m3·d)左右，R2、R3间歇搅拌系统的RAnammox都在68.2 g/(m3·d)左右，间歇搅拌方式运行系统R2、R3的搅拌转速不同，可能是在此范围内，搅拌转速的变化对微生物没有较大的影响，R2、R3的RAnammox相差较小.

图2 3个反应器的主要功能菌活性变化

随着氮负荷的提高，反应器内RAnammox逐渐提高，初期R2、R3的RAnammox相比R1的高，可知间歇搅拌方式更适合厌氧氨氧化菌生长，从而解释上一节在提高负荷时期，R2、R3的氨氮、亚氮去除率降低幅度较小的结果.3个反应器的RAOB在提高负荷初期升高，可能是进水没有去氧处理，基质浓度升高在短时间内好氧氨氧化去除效率较高.随着反应运行，由于基质浓度提高，在短时间内脱氮性能不能大幅提高，出水氨氮质量浓度较高，形成较高的游离氨质量浓度，抑制了NOB菌的活性，从而促进RAnammox升高.脱氮性能稳定后，稳定时期R1、R2、R3 3个反应器的RAnammox分别稳定在88.99,89.80,92.88 g/(m3·d)左右，RAOB在5 g/(m3·d)以内.

2.2 周期实验

反应器中功能菌的活性和系统的脱氮性能与反应器内DO和pH的变化有着密切联系[11].为明晰间歇搅拌方式与连续搅拌方式中的系统反应工况，对3个反应器中DO、pH的变化进行了在线监测，同时也测了周期内的三氮变化，间接反映底物消耗的情况，从而明确菌种活性变化.3个反应器在稳定运行时期的一个典型周期内pH及DO变化和周期内的三氮质量浓度变化如图3所示.

图3 3个反应器的典型周期实验pH、DO及三氮质量浓度变化

R1、R2、R3反应器内的DO在0.1 mg/L内维持了大约285,385,355 min后，DO曲线出现跃升，供AOB菌的底物已基本降解完，3个系统中溶解氧分别跃升到0.31,0.19,0.17 mg/L，R2、R3间歇搅拌方式形成水流的流化状态较弱，使反应器呈较低溶解氧环境状态时间较长，更适合厌氧氨氧化菌生长.随着为厌氧氨氧化菌提供的基质底物消耗殆尽(氨氮、亚氮在5 mg/L以下)，R1、R2、R3反应器分别在530,610,585 min出现pH最高值的拐点，标志着厌氧氨氧化反应基本结束[14]，最终出水氨氮都消耗彻底，亚氮在2 mg/L以下.由DO曲线、pH曲线拐点可得，R1反应器最先出现DO、pH拐点，在提高负荷阶段初期，出水氮素质量浓度比复壮时期高，pH快速提高进而提高FA质量浓度(约为0.61 mg/L)，有利于抑制NOB菌的活性[14-15]，从而提高R1的厌氧氨氧化速率.

2.3 颗粒污泥性能变化

2.3.1 污泥颗粒粒径及沉降性变化

将3个反应器的颗粒粒径和SV30进行观测对比，以明晰不同运行方式下厌氧氨氧化颗粒污泥的污泥性能变化.

随着厌氧氨氧化污泥活性恢复，厌氧氨氧化污泥增殖并加快颗粒污泥形成，污泥颜色逐渐趋于红棕色，厌氧氨氧化菌活性提高，颗粒污泥粒径变大，在恢复活性末期，R1、R2、R3的颗粒粒径由329 μm分别增长为405,406,399 μm，SV30分别降为5.2%、5.2%、5.4%.

提高氮负荷之后，随着基质浓度升高，提供厌氧氨氧化菌生长的底物增多，污泥生长速度比上一阶段加快，分泌EPS物质增多[16]，颗粒污泥粒径快速提高.间歇搅拌方式使污泥近似于饱食饥饿交替状态，研究[16]表明在基质匮乏阶段，污泥生长速度减慢，消耗自身的EPS，不易使颗粒污泥生长.而连续搅拌方式使污泥与基质长期接触反应(有充足的底物)，进一步促进颗粒污泥生长.R2与R1转速相同，但R1搅拌时间更长，R1比R2提供的剪切力更大；R3与R2搅拌时间相同，R2比R3的转速更大，转速大形成更强的流场强度[17]，相比R3，R2提供更大的剪切力；R1与R2转速不同，但两个转速对微生物的活性差别较小，而R1比R2搅拌时间更长，其粒径增长速度比R2的快，搅拌时间越长，越促进颗粒污泥的形成[18].研究[16]表明剪切力促进EPS中PN分泌，同时从上节可知，污泥与基质溶液持续接触，处于饱食状态，粒径增长速率更快.从图4可明显看出，R1的粒径增长速度比R2、R3的快，R1的SV30相比间歇搅拌方式运行的R2、R3系统低.在稳定运行时期末，R1、R2、R3的颗粒污泥平均粒径为723，675，649 μm，SV30分别降低2%、2.3%、2.5%.

图4 3个反应器的颗粒粒径及沉降性变化

2.3.2 污泥EPS质量分数变化

厌氧氨氧化颗粒污泥EPS的质量分数及PN与PS比的组成变化如图5所示.EPS在污泥颗粒化及维持颗粒污泥的结构稳定中起到重要作用，其受水质条件、反应器运行方式、基质消耗速率以及优势菌种的代谢水平等因素影响.研究[16]表明，PN是影响厌氧氨氧化菌凝聚的关键性物质，厌氧氨氧化污泥EPS主要成分为PN.

图5 3个反应器的污泥EPS变化

复壮时期初，由于外界条件变化，为维持颗粒污泥的稳定，PN质量分数升高，PS质量分数变化浮动不大，PN与PS比快速提高.反应器提高氮负荷后，研究[16]表明，充足的基质维持较高的厌氧氨氧化活性，进而污泥产生的EPS也不断积累，PN与PS比缓慢升高，颗粒污泥粒径增大.R2、R3间歇搅拌方式运行的系统，在停止搅拌期间，污泥沉降到反应器底部，底部污泥密度较大，溶液与污泥接触面较小(近似于饥饿状态)，在搅拌期间，污泥与基质溶液充分接触，处于饱食状态.基质充分时，污泥分泌的EPS质量分数 呈上升趋势，基质匮乏时，污泥中部分EPS通过水解等作用释放到溶液中，且部分可降解的EPS又被充当能源物质而消耗以维持细菌的正常代谢[16]，进而R2、R3在提高负荷初期PN质量分数的速度较慢，PN与PS比保持稳定.R1连续搅拌方式运行的系统，污泥长期接触基质溶液，EPS质量分数不断升高，PN与PS比呈上升趋势，但由于接触时间较长，产生的EPS过多，颗粒形成更快，粒径增长速度更大[18].但过多EPS可能使颗粒污泥内部的气体通道更易堵塞，实验过程中观察到少量颗粒污泥上浮于反应器表面，与Chen等[19]研究结果一致.随着反应运行，3个反应器的EPS质量分数达到稳定，PN质量分数分别稳定在177，169，164 mg/g，PS质量分数分别稳定在72,73,72 mg/g.

3 结 论

1)在室温条件下，间歇搅拌方式更有利于失稳的厌氧氨氧化菌复壮，恢复原有脱氮性能的时间仅为2 d.连续搅拌方式运行的系统中AOB菌活性较高，对厌氧氨氧化菌的活性恢复不利，复壮时间为10 d.间歇搅拌方式在相同时间内的不同转速对反应器的脱氮性能变化影响较小，且转速低有利于高效节能.R2、R3的厌氧氨氧化速率更高，更适合厌氧氨氧化菌生长.

2)周期实验结果可看出，间歇搅拌方式形成的水流流化状态较弱，使反应器呈较低溶解氧的时间较长，更易抑制AOB的活性，进而提高厌氧氨氧化菌的活性.

3)间歇搅拌方式使污泥与基质溶液近似处于饱食饥饿交替的状态，产生EPS较慢，R1系统中污泥与基质溶液持续接触，颗粒污泥粒径增长速度较快.