自养硝化颗粒污泥原位储存及恢复

曾敏静，张斌超，曾 玉，黄思浓，程媛媛，龙 焙

(江西理工大学土木与测绘工程学院，江西赣州 341000)

自养硝化颗粒污泥(autotrophic nitrifying granular sludge, ANGS)是以慢速增长的硝化菌为主要优势菌的生物聚集体，是一种特殊的好氧颗粒污泥(aerobic granular sludge，AGS)。它具有良好的沉降性能、高耐毒和优异的硝化性能等特点[1-2]，为无机高氨氮废水的治理提供了一种新选择。Liu等[3]的研究表明，富集了硝化细菌的AGS往往具有更好的稳定性。虽然ANGS可实现良好的氨氮去除效果，显著降低运行成本，但ANGS反应器亦有闲置或检修过程，运行状态的改变无疑会对ANGS的稳定性造成负面冲击。

目前，AGS的储存及恢复研究以异养AGS为主，包括原位储存[4-7]及异位储存[8-11]。原位储存将AGS直接储存在停运或闲置的反应容器中；而异位储存则是将AGS储存在特定容器中，一般需要进行预处理，依据储存方式可分为干式储存[12-15]和湿式储存[16-19]。张立楠等[16]观察到，湿式储存31 d的AGS结构松散，且出现污泥上浮现象，比耗氧速率(SOUR)下降了67.6%；张斌超等[17]发现，储存1年的AGS的SOUR为0。赵珏等[18]将湿式储存AGS接种到反应器中，经过12 d实现稳定性的恢复；陈垚等[19]将低温储存的AGS在1个月实现了稳定性的恢复。湿式储存由于存在气、液、固三相之间物质迁移转化，使AGS难以维持稳定的三维结构和理化性质。为实现AGS的有效保存，一些研究者探索了干式储存AGS的效果。张立楠等[20]、张斌超等[17]和赵珏等[21]发现，应用琼脂包埋法能较好地维持AGS的形态及沉降性能。赵珏等[21]将琼脂包埋的AGS重新曝气后，在22 d实现了AGS稳定性的恢复。为了实现更简单快捷的AGS保存，一些研究者探索了原位储存AGS的效果。Zhang等[4]发现，闲置60 d的AGS由黄褐色变成了黑褐色， SOUR下降了74%。刘宏波等[5]发现，冬季闲置49 d的AGS出现了解体和破碎。以上研究表明，原位储存AGS的效果并不理想。与异养AGS相比，ANGS内富集了大量慢速生长的硝化细菌，在稳定性维持方面更具优势[22]，遗憾的是，目前对ANGS进行常温原位储存的研究还较少，具体储存和恢复效果还有待研究。

ANGS优异的硝化性能使其具有较好的应用潜力，若能实现ANGS的原位储存及快速恢复，则有可能将损失降至最低。受新冠疫情影响，实验室内ANGS反应器闲置长达4个月，本研究考察了ANGS的恢复效果，旨在为长期闲置的ANGS反应器的快速恢复提供技术支持。

1 ANGS的储存与恢复

1.1 ANGS的储存

待反应器内混合液完全沉降后，排去上清液(换水率为60%)，将ANGS原位储存于实验室内的SBR中(有效容积为120.5 L，内径为29.2 cm，有效水深为180 cm)。用于储存的ANGS的MLSS为3 950 mg/L，平均粒径为1.6 mm，氨氮去除率在90%以上。该反应器在储存前的反应周期为6 h(每天4个周期)，其中包括：进水(5 min)、3次曝气(58 min)与3次厌氧反应(58 min)交替运行、沉降(5 min)、排水(5 min)。进水氨氮、TP分别为100 mg/L和3 mg/L，对应的氨氮容积负荷为0.40 kg/(m3·d)。

1.2 ANGS的恢复

(1)运行装置

ANGS的恢复在原SBR中进行，运行周期6 h(每天4个周期)，其中，反应顺序为进水7 min、曝气反应113 min、厌氧反应114 min、曝气反应113 min、沉降6 min、排水7 min。后期沉降时间逐步缩短到3 min，同时，延长第一个曝气反应时长到116 min。设置3台电磁式空气泵曝气，将曝气头置于反应器底部，表观上升流速为1.25 m/s，水温在25～32 ℃。

(2)模拟废水

参照龙焙等[23]推荐的配方，进水为无机高氨氮废水，包括无机碳源、氮源、磷源和金属元素，其余常量元素有Ca、Mg、Fe等，另投加Co、Cu、Mn等微量元素。前1～25 d进水氨氮=100 mg/L，进水TP=3 mg/L，氨氮容积负荷为0.30 kg/(m3·d)；第25～35 d进水氨氮为前25 d的1.2倍；第35～48 d进水氨氮为前25 d的1.2～1.4倍。为维持氨氧化细菌的氨氧化性能，需补充碱度，前8 d投加NaHCO3为255.3 mg/L，即补充碱度为3.0 mmol/L，反应前后pH值由8.2降至6.3；此后增投至383.46 mg/L，即补充碱度为4.5 mmol/L，反应前后pH值由8.7降至6.3。

(3)外源硝化细菌

1.3 分析方法

1.4 比硝化速率测定方法

(1)

(2)

CMLSS——污泥浓度，mg/L；

t——反应时间，h。

2 结果与讨论

2.1 污泥形态变化

与琼脂包埋等较复杂的储存方法相比[17,21]，原位储存ANGS保持了完整的颗粒结构。储存后的ANGS内核呈黑色(图1)，与Zhu等[7]观察的现象相似，原因是储存期间，微生物内源呼吸释放了硫化物等黑色固体物质。随着培养时间的增长，黑色内核逐渐消失。恢复过程中观察到颗粒先破碎成了半球片状，颜色变成了浅黄色；随后逐渐恢复圆形，颜色变深；到48 d，颗粒恢复为饱满的形态，呈不规则球形。

图1 恢复过程中ANGS的形态变化Fig.1 Morphological Changes of ANGS during Recovery Process

2.2 恢复过程中ANGS的理化特性

(1)沉降性能

如图2(a)所示，恢复期间SVI整体呈现下降趋势，第30 d后稳定在25 mL/g左右，SV30/SV5则始终大于0.9，表明ANGS在储存与恢复期间保持了较好的沉降性能，颗粒结构密实。

图2 恢复过程中ANGS理化特性变化 (a)沉降性能；(b)MLSS；(c)SOUR；(d)EPS；(e)平均粒径与颗粒化率；(f)粒径分布Fig.2 Variations in ANGS Properties during Recovery Process (a) Sedimentation Performance; (b) MLSS; (c) SOUR; (d) EPS; (e) Average Particle Size and Granulation Rate; (f) Particle Size Distribution

(2)MLSS与MLVSS

如图2(b)所示，恢复过程中MLSS为2 700～4 000 mg/L，35 d后稳定在3 800 mg/L，推测其波动的原因是颗粒破碎使一部分小碎片随水流排出反应器，使污泥量下降。同时，ANGS在重新获得充足的氧气和生长基质后，开始大量繁殖使得污泥量上升。两种机制作用下，最终MLSS增长至3 800 mg/L，与储存前(3 950 mg/L)接近。MLVSS/MLSS始终维持在0.95以上，表明颗粒污泥中的活性成分很高。

(3)SOUR

如图2(c)所示，恢复时ANGS的SOUR呈上升趋势[4.5～17.8 mg O2/(g MLVSS·h) ]，最后维持在12.0 mg O2/(g MLVSS·h)，说明系统中硝化菌的数量增多。NOB/AOB整体呈上升趋势，最后维持在2.3左右，表明ANGS内部的亚硝酸盐氧化菌的活性比氨氧化菌更强，竞争中占据优势。

(4)EPS

如图2(d)所示，储存后的EPS总量[45 mg/(g MLSS)]为储存前[30 mg/(g MLSS)]的1.5倍，与高景峰等[14]观察到的现象类似，细胞分泌EPS来抵制饥饿环境，这也是ANGS经过储存保持结构稳定、迅速恢复的重要原因。恢复过程中，总EPS的变化趋势是先上升后下降，在10 d左右的时间达到最大值[50 mg/(g MLSS)]，推测其原因是微生物在重新获得营养后增殖，EPS分泌量增大，促进相互凝聚[28-29]。PN/PS为0.01～0.97，最后维持在0.63左右，PS含量始终大于PN含量，说明PS在维持细胞的稳定性结构上起主要作用[30]。

(5)颗粒化率和平均粒径

如图2(e)所示，ANGS的平均粒径长期维持在0.9 mm左右，颗粒在恢复过程经历了先破碎成半球状后恢复球形的过程，推测粒径保持稳定的原因是破碎的都是粒径大于1.4 mm的大颗粒，与此同时，小颗粒也在不断生长。颗粒化率保持在80%以上，其原因是半球状碎片粒径也较大，大多数粒径大于0.3 mm，较大粒径的碎片为颗粒提供了重新凝聚的结核，缩短了重新聚集的时间。粒径与其他研究者培养的ANGS相近(0.8～1.3 mm)[31-33]，但自养颗粒相比异养AGS粒径更小(0.5～2.0 mm)[34-35]。

(6)粒径分布

如图2(f)所示，恢复过程中絮状污泥(<0.3 mm)、粒径在0.3～0.45、0.45～0.6 mm的ANGS占比变化不大，一般在10%以下；粒径在0.6～1.0 mm的ANGS数量呈上升趋势(30%～47%)；粒径大于1.4 mm的ANGS数量在前13 d下降(由24%降至8%)，后期稳定(8%～10%)。推测是由于ANGS经历了破碎重新颗粒化。后期污泥重新颗粒化，恢复球形之后，粒径主要分布在0.6～1.0 mm和1.0～1.4 mm。

2.3 恢复过程中ANGS的脱氮效果

图3 脱氮效果 (a) 出水四态氮；(b) 出水TIN及其去除率；(c) 第10 d典型周期；(d) 第40 d典型周期Fig.3 Denitrification Performance (a) Effluent Four-State Nitrogen; (b) Effluent TIN and Removal Rate; (c) Typical Cycle on Day 10; (d) Typical Cycle on Day 40

如图3(b)所示，TIN去除效果呈上升趋势(0～56%)，前15 d几乎没有TIN去除，在16 d之后TIN去除率开始上升，说明ANGS具有一定的同步硝化反硝化(simultaneous nitrification and denitrification，SND)能力。原因是ANGS的结构和粒径得到了恢复，颗粒内部有足够的缺氧环境供反硝化菌生长，从而提高了SND效果。25 d之后，由于ANGS的恢复和硝化细菌和反硝化菌的富集，SND能力进一步增强，TIN去除率出现明显上升；第45 d后，TIN去除率维持在56%左右。由图3(a)～图3(b)可知，氨氮与TIN变化趋势相近，进一步说明ANGS的SND能力较强。

2.4 恢复过程中比硝化速率变化

图4 比硝化速率测定 (a)恢复前；(b)恢复后Fig.4 Determination of Specific Nitrification Rate (a) before Recovery; (b) after Recovery

3 储存与恢复机理分析

储存过程中，ANGS的理化性质有不同程度下降，随着储存时间的增长，理化特性下降越明显，颗粒内部菌种由于得不到足够的营养物而死亡，颗粒内核变成黑色，ANGS分泌了大量EPS[30～45 mg/(g MLSS)]以抵御恶劣环境。颗粒结构保持较好，储存后SVI(40 mL/g)与储存前(45 mL/g)相比相对稳定；但SOUR [由27.8 mg O2/(g MLVSS·h)降至8.0 mg O2/(g MLVSS·h)]和MLSS(由3 900 mg/L降至3 100 mg/L)等指标下降明显。

重新启动反应器后，ANGS重新获得了充足的氧气和基质，立刻开始生长，投加的外源硝化细菌为系统提供了大量活细菌，系统中的硝化细菌开始快速繁殖。由于储存过程中颗粒的三维结构并未破坏，为硝化细菌繁殖提供了大量生长附着点，且4个月长时间的严苛储存环境使得颗粒中生存下来的菌种更具生长潜力，ANGS开始快速恢复。恢复过程中，颗粒经历了先破碎后重新凝聚的过程，较大的碎片粒径缩短了重新凝聚的时间，在24 d恢复三维结构，其后ANGS变得更加饱满。第30 d后，颗粒的SVI(25～27 mL/g)、MLSS(3 700～3 800 mg/L)和EPS[40～41 mg/(g MLSS)]等理化特性指标基本稳定，氨氮的去除率也稳定在90%左右，说明ANGS在第30 d稳定性恢复至储存前水平。

4 结论

(1)储存后的ANGS相比储存前，EPS总量上升[30～45 mg/(g MLSS)]，推测EPS是ANGS分泌来保护细胞的物质。在外层EPS保护下，ANGS保持颗粒结构较为完整，但污泥总量和细菌活性明显下降，污泥量下降了21.3%(由3 940 mg/L降至3 100 mg/L)，SOUR下降了71.2% [由27.8 mg O2/(g MLVSS·h)降至8 mg O2/(g MLVSS·h)]。

(3)ANGS的原位常温储存是可行的，储存过程中颗粒的结构并未被破坏，通过投加外源硝化细菌可使其理化性质在较短的时间内恢复，且原位储存具有操作简单和节省空间的特点，为ANGS反应器的稳定性维持提供了一种新思路。