反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化耦合颗粒污泥脱氮效能

刘春爽, 李 伟, 于海彤, 张慧娟, 张璐瑶, 赵东风, 刘 芳, 赵朝成

(中国石油大学(华东)化学工程学院,山东青岛 266580)

关键字:反硝化厌氧甲烷氧化; 厌氧氨氧化; 颗粒污泥; 脱氮

传统生物脱氮主要通过硝化和反硝化来实现[1-2]。厌氧氨氧化工艺能够直接以亚硝酸盐为电子受体将氨氮转化为氮气,无需有机碳源,可节约60%的曝气量并减少90%的剩余污泥产量,被誉为最经济的脱氮技术之一[3-4],目前已被广泛应用于污泥厌氧消化液、禽畜养殖废水等高氨氮废水处理领域[5-9]。厌氧氨氧化工艺脱氮时会将约20%亚硝酸盐转化为硝酸盐,使得其理论最大总氮去除率仅为89%,实际应用时受进水水质限制其总氮脱除率仅能达到70%。近年来发现的反硝化厌氧甲烷氧化微生物包括反硝化厌氧甲烷氧化古菌[7]和反硝化厌氧甲烷氧化细菌[10],能够以甲烷为电子供体实现硝酸盐或亚硝酸盐的转化,为厌氧氨氧化工艺总氮去除率的提供了有力保障。Xie等[11]采用甲烷基质生物膜反应器(MBfR),证实反硝化厌氧甲烷氧化微生物与厌氧氨氧化菌协同作用能够实现560 mg·L-1·d-1的氨氮和470 mg·L-1·d-1的亚硝酸盐同步去除,并不累积硝酸盐。然而厌氧氨氧化菌和厌氧甲烷氧化微生物均为自养菌,存在生长缓慢、世代时间长等问题,以生物聚集体形式存在的污泥形式(颗粒污泥或生物膜)将更有利于该过程的规模化应用。反硝化厌氧甲烷氧化和厌氧氨氧化大都以絮状和生物膜形式存在,关于厌氧甲烷氧化微生物与厌氧氨氧化微生物耦合颗粒污泥研究报道较少。笔者以反硝化厌氧甲烷絮状污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥为接种污泥,构建反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化耦合颗粒污泥系统,解析该耦合颗粒污泥的性质和脱氮性能。

1 试验材料与方法

1.1 试验装置和接种污泥

试验采用改进的升流式厌氧污泥床(UASB)反应器(图1),其反应区容积为1.0 L,总容积为2.9 L。反应器回流管内置中空纤维膜(内径为200 μm,外径为300 μm,TEJIN,Japan)与甲烷气瓶(压力为0.12 MPa)相连用于CH4的供给,所用气体为混合气体含95% CH4和5% CO2,反应器内溶解性甲烷质量浓度为16～18 mg/L。由蠕动泵从底部进水,出水经三相分离器进行水、气、液分离后部分回流,剩余由三角堰排出。反应器温度控制在(30±1) ℃。反应器外部用遮光布覆盖避光。

图1 UASB反应器Fig.1 UASB reactor

以厌氧氨氧化颗粒污泥和反硝化厌氧甲烷氧化絮状污泥(体积比为10∶1)的混合污泥为接种污泥,为避免反硝化厌氧甲烷氧化微生物从反应器中流失,同时促进反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化耦合颗粒污泥快速形成,接种通过较低的内循环使反硝化厌氧甲烷氧化絮状污泥不断在厌氧氨氧化颗粒污泥床层内反复流动,促进反硝化厌氧甲烷氧化微生物在厌氧氨氧化颗粒污泥上定殖,同时脉冲进水,保证氨氮和亚硝酸盐质量浓度均低于50 mg·L-1,间歇培养20 d。其中接种污泥中的厌氧氨氧化污泥的平均粒径为0.52 mm,VSS(挥发性悬浮物)质量浓度为12.3 g/L;反硝化厌氧甲烷氧化污泥中VSS质量浓度为1.8 g/L。

1.2 试验用水

反应器进水为人工模拟废水,其组成为(NH4)2SO4和NaNO2(提供NH4+-N和NO2--N,具体质量浓度按需配置),KH2PO4质量浓度为0.075 g/L,CaCl2·2H2O质量浓度为0.2 g/L,MgSO4·7H2O质量浓度为0.2 mg/L,NaHCO3质量浓度为0.2 g/L,微量元素浓缩液 I、II,各加入0.5和0.2 mL/L[11],具体成分与Xie等[11]报道相同。

1.3 化学分析方法

NH4+-N分析采用纳氏试剂比色法[13],NO2--N采用乙二胺分光光度法[14],NO3--N采用酚二磺酸法[14]。pH值、污泥SS(固体悬浮物)和VSS质量浓度采用常规测定方法[14]。颗粒污泥的粒径分布采用激光粒度分析仪器测定[15]。

1.4 微生物分析方法

试验结束后采用FISH技术解析颗粒污泥内反硝化厌氧甲烷氧化微生物和厌氧氨氧化微生物的空间分布,具体步骤与Ettwig等[16]报道相同。采用高通量测序技术分析颗粒污泥的微生物组成,采用土壤试剂盒(Mo Bio Laboratories, Carlsbad, California,美国)提取颗粒污泥DNA,之后的16S rRNA 基因扩增,测序和分析步骤按照Hulsen等[17]报道方法进行。反硝化厌氧甲烷氧化菌和厌氧氨氧化菌活性计算方法与Nie等[18]报道相同。

2 结果分析

2.1 UASB反应器氮去除效果

脉冲培养后,改进型UASB反应器连续流进水, NH4+-N和NO2-N质量浓度保持500和530 mg/L不变,HRT(水力停留时间)由初始的9.6 d逐渐缩短到0.9 d,反应器共运行160 d。连续流进水后,反应器出水硝酸盐迅速下降,第5 d时质量浓度低于0.5 mg/L,并在之后很长时间内维持稳定,说明此时反硝化厌氧甲烷氧化微生物能够很好地被厌氧氨氧化颗粒污泥吸附并截留在反应器内部,构成了反硝化厌氧甲烷氧化和厌氧氨氧化耦合颗粒污泥的雏形。

随着进水HRT由9.6 d逐渐降低到2.1 d(反应器运行0～64 d)的过程中,出水亚硝酸盐未检出,氨氮质量浓度低于10 mg/L(图2),出水硝酸盐质量浓度低于1.5 mg/L,说明反硝化厌氧甲烷氧化微生物与厌氧氨氧化微生物协同作用较好,总氮去除负荷达490.5 mg·L-1·d-1。进一步降低HRT到1.2 d(反应器运行65～99 d),出水亚硝酸盐质量浓度低于0.5 mg/L,出水硝酸盐质量浓度先增加到30 mg/L,后降低到12 mg/L。出水氨氮质量浓度先增加到10 mg/L,后降低到4.6 mg/L。总氮去除负荷先降低后增加至843.9 mg·L-1·d-1,与进水总氮负荷858.3 mg·L-1·d-1接近。当HRT进一步下降至0.9 d(反应器运行100～160 d),出水亚硝酸盐质量浓度仍维持低于0.5 mg/L,出水氨氮和硝酸盐质量浓度略有增加,分别达到43.5和34.3 mg/L。出水氨氮的增加可能是由于体系内反硝化厌氧甲烷氧化细菌的富集作用,使得亚硝酸盐和氨氮消耗不平衡。出水硝酸盐的增加,可能是由于体系负荷增加,使得反硝化厌氧甲烷氧化古菌活性受到影响,从而使得硝酸盐去除效果变差。此时,总氮去除负荷约为1 050 mg·L-1·d-1,总氮去除率为92.5%。

图2 UASB 反应器处理效果Fig.2 Performance of UASB reactor

由于功能微生物以耦合颗粒污泥的存在,使得反硝化厌氧甲烷氧化古菌的活性达95.2 mg·L-1·d-1(表1),明显高于现有悬浮态反硝化厌氧甲烷氧化微生物的13～40.32 mg·L-1·d-1[15],但略低于MBfR形式的反硝化厌氧甲烷氧化微生物的122.2 mg·L-1·d-1[7]。此外,本文中微生物以颗粒污泥形式存在,为后期溶解性CH4和含氮污染物的同步脱氮提供了新思路。

表1 耦合颗粒污泥性质

2.2 耦合颗粒污泥特性

经过160 d培养耦合，颗粒粒径为0.32～1.73 mm,平均粒径为0.76 mm(图3)。耦合颗粒污泥中VSS质量分数为15.8 g/L,与反应器所接种的厌氧氨氧化颗粒污泥相比,粒径和污泥质量浓度分别增加1.46和1.28倍。耦合颗粒污泥为淡红色、圆形或椭圆形。反应器内耦合颗粒污泥的形成使得反硝化厌氧甲烷氧化微生物能够在体系内很好的截留,并维持较高的污泥质量浓度,沉降性能较好,SVI为62.5 L/g,实际应用时有利于减小反应池容积。

图3 耦合颗粒污泥的光学摄影及其粒径分布特征Fig.3 Optical photograph of coculture granules and its particle size distribution

FISH技术分析表明,颗粒内含有反硝化厌氧甲烷细菌、反硝化厌氧甲烷氧化古菌和厌氧氨氧化菌(图4),其中反硝化厌氧甲烷氧化古菌和反硝化厌氧甲烷氧化细菌位于颗粒污泥的外层,厌氧氨氧化菌位于耦合颗粒污泥的内层,此种分布可能是由于甲烷的供给是通过沉淀区出水回流供给。与此同时,耦合颗粒污泥的总氮去除负荷稳定在1.0 g·L-1·d-1作用时,所需时间为160 d,明显少于现有研究报道中的400 d[9]。采用厌氧氨氧化颗粒污泥快速吸附反硝化厌氧甲烷氧化絮状污泥的方式启动,促进了耦合颗粒污泥的形成,大大缩短了工艺的启动时间。

图4 耦合颗粒污泥的FISH分析结果Fig.4 FISH analysis results of coupled granular sludge

2.3 耦合颗粒污泥微生物多样性

高通量测序结果表明,门水平的主要功能微生物有Proteobacteria, Bacteroidetes, Planctomycetes, Chloroflexi, Armatimonadetes, Actinobacteria, Patescibacteria, Euryarchaeota和Rokubacteria .所占丰度分别为27.73%、21.88%、16.21%、11.65%、4.76%、3.22%、2.66%、2.1% 和1.2%(图5)。属水平的主要功能微生物有Candidatus Brocadia,Comamonas,Burkholderiaceae,Denitratisoma,OLB8,Moheibacter,Ignavibacterium,Fimbriimonadales,Castellaniella,Rhodanobacter,Candidatus Methanoperedens,Chitinophagaceae sp,Acanthopleuribacter和Candidatus Methylomirabilis,丰度分别为14.47%、6.71%、4.96%、4.49%、4.3%、4.1%、3.6%、3.53%、2.4%、2.2%、2.1%、1.88%、1.66% 和1.2%。其中Candidatus Brocadia为典型的厌氧氨氧化微生物,Candidatus Methanoperedens为主要的反硝化厌氧甲烷氧化古菌,其主要作用为将厌氧氨氧化菌代谢转化生成的NO3-进一步转化为NO2-,Candidatus Methylomirabilis为主要的反硝化厌氧甲烷氧化细菌,其能够将体系内的NO2-转化为N2。Candidatus Brocadia,Candidatus Methanoperedens和Candidatus Methylomirabilis协同作用实现完全脱氮,使得总氮去除率达92.5%。

图5 耦合颗粒物泥内微生物在门水平和属水平分布Fig.5 Relative abundance of microorganisms in co-culture granular sludge at Phylum level and Genus level

3 结 论

(1)采用改进的UASB反应器,以反硝化厌氧甲烷氧化絮状污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥的混合污泥(体积比为1∶10)为接种污泥,在温度为30 ℃,通过逐渐缩短HRT的方法,经过160 d运行,成功培养出反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化耦合颗粒污泥,其氨氮和亚硝酸盐的脱除速率分别为 588.9和523 mg·L-1·d-1;反硝化厌氧甲烷氧化活性达95.2 mg·L-1·d-1。

(2)耦合颗粒污泥为淡红色,圆形或椭圆形;平均粒径为0.76 mm,VSS质量浓度为15.8 g/L,SVI为62.5 L/g。FISH结果显示反硝化厌氧甲烷氧化微生物位于耦合颗粒的外层,厌氧氨氧化菌位于耦合颗粒的内层。

(3)耦合颗粒污泥内主要的厌氧氨氧化菌为Candidatus Brocadia,丰度为14.47%;反硝化厌氧甲烷氧化细菌和反硝化厌氧甲烷氧化古菌分别属于Candidatus Methanoperedens属和Candidatus Methylomirabilis 属,所占比例为2.1%和1.2%,三者协同作用实现完全脱氮,总氮去除率达92.5%。