长期饥饿后厌氧氨氧化工艺的运行及恢复性能研究

马冰冰,张肖静,张 涵,张 楠,位登辉,张红丽,侯钰琳

长期饥饿后厌氧氨氧化工艺的运行及恢复性能研究

马冰冰,张肖静*,张 涵,张 楠,位登辉,张红丽,侯钰琳

(郑州轻工业大学材料与化学工程学院,环境污染治理与生态修复河南省协同创新中心,河南 郑州 450001)

为研究如何快速恢复在突发状况下长期断流的厌氧氨氧化工艺的活性,比较分析了3个厌氧氨氧化反应器的脱氮性能及微生物种群变化.分别为R1(生物滤柱)、R2(膜生物反应器,MBR)、R3(MBR),其中R1与R2进水基质浓度相同,R2与R3反应器形式相同,进水基质浓度不同.结果表明:R1、R2、R3中的厌氧氨氧化污泥分别经过39d、93d、76d得到恢复,总氮去除率分别恢复至87.0%、83.4%、87.6%,总氮去除负荷分别恢复至0.359,0.114,0.244kg/(m3·d).R1与R2相比,厌氧氨氧化生物滤柱能够承受较高的水力负荷,长期断流后具有较高的稳定性,且更容易恢复.R2与R3相比,在进水基质浓度较高的条件下,厌氧氨氧化菌具有充足的营养底物,且高基质水平形成的底物浓度压力更有利于提升氨氮与亚硝酸盐氮在污泥内部的传质效果,恢复效果更好.高通量测序结果表明,3个反应器在恢复前(后)的相对丰度分别为17.3%(32.0%)、1.6%(2.6%)、1.8%(6.0%),恢复后R1中相对丰度最高.

厌氧氨氧化；活性恢复；基质浓度；膜生物反应器；生物滤柱

厌氧氨氧化是一种新型生物脱氮工艺,厌氧氨氧化菌以氨氮作为电子供体,亚硝酸盐氮为电子受体,在厌氧条件下将其转化为氮气[1].与传统的硝化-反硝化工艺相比,厌氧氨氧化工艺可以节省100%的有机碳源和60%以上的曝气能耗,降低温室气体的排放[2-5].

近年来,厌氧氨氧化工艺在垃圾渗滤液[6]、污泥消化液[7]、焦化废水[8]及饲料加工废水[9]中得到有效应用,已成为各污水处理领域的研究热点.然而,厌氧氨氧化菌对环境条件极为敏感,易受到进水基质、pH值、温度等的影响[10-12].在实际的工程应用中,当面临间歇性停产、设备检修、自然灾害以及突发状况下不可抵挡的外来阻力时,实验室反应器进水长期断流可能会影响到厌氧氨氧化菌的活性[13].因此,如何快速恢复厌氧氨氧化菌的活性,对厌氧氨氧化工艺的应用发展具有重要意义.

李冬等[14]探究了添加葡萄糖和丙酸钠两种有机碳源对4℃保藏230d的厌氧氨氧化污泥活性恢复的影响.结果表明,在第15d,添加葡萄糖的厌氧氨氧化污泥活性最高,恢复到了保藏前的85.7%,总氮去除率达到81.6%.Xing等[15]采用UASB反应器,在30℃条件下,经过8d的运行,脱氮率恢复到100%.另有研究报道了[16]高盐冲击下厌氧氨氧化污泥的恢复及运行特征.然而,关于厌氧氨氧化工艺的恢复性能,大多数集中在厌氧氨氧化菌的保藏后恢复和其他预先控制下的影响因素的研究.本文创新性地研究了突发状况下进水断流导致厌氧氨氧化污泥长期饥饿的恢复策略及恢复性能,研究结果对于厌氧氨氧化工艺的发展具有重要的理论价值和现实意义.

本研究以3个在突发状况下长期断流的反应器为研究对象,考察了恢复阶段反应器的运行特征、脱氮性能及微生物种群变化,分别对比了反应器类型和进水基质浓度对其恢复过程的影响,以期为实际应用中长期断流后厌氧氨氧化污泥活性的快速恢复提供理论支持和技术指导.

1 材料与方法

1.1 反应器设置

采用3个反应器,分别为1个厌氧氨氧化生物滤柱和2个膜生物反应器(membrane bioreactor,MBR),分别标记为R1,R2和R3.R1内部以火山岩为填料,粒径为6～8mm,有效体积为1L.R2和R3的膜组件材料为管式中空纤维膜,膜丝有效面积为0.1m2,膜孔孔径为0.1μm,反应器有效体积分别为2L和5L,利用出水泵抽吸出水.3个反应器均由底部进水,上部出水,连续运行.

R1、R2、R3在长期断流前的进水NH4+-N浓度分别为50、50、100mg/L,NH4+-N/NO2--N(浓度比)=1,总氮去除负荷分别为0.443、0.462、0.464kg/ (m3·d).在长期断流阶段,3个反应器首先在实验室以高浓度低流量的条件运行15d,其中,高浓度指的是各反应器进水基质浓度提高为长期断流前进水基质浓度的4倍,低流量指的是流量降低为长期断流前流量的四分之一;接着在室温条件下((10±5)℃)放置60d;最后在实验室继续以高浓度低流量的条件运行60d(高浓度与低流量同上).在此过程中研究经历长期饥饿后厌氧氨氧化污泥的恢复性能.在恢复阶段,3个反应器的进水基质及浓度与长期断流前保持一致,其他运行参数根据每个阶段的恢复性能进行调整,实验过程中不控温,反应器内温度为(25±3)℃,具体运行参数如表1所示.

表1 各反应器的主要运行参数

1.2 实验用水

采用人工配水,配水包括(NH4)2SO4、NaNO2、NaHCO3、CaCl2、KH2PO4、MgSO4、1mL/L的微量元素Ⅰ与微量元素Ⅱ,反应器内pH值为7.8左右.其中,R1和R2进水基质浓度相同,包括50mg/L的NH4+-N,50mg/L的NO2--N,R3包括100mg/L的NH4+-N,100mg/L的NO2--N.每个反应器进水的碱度均为1200mg/L.

1.3 分析方法

NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定,NO2--N采用N-1-萘基乙二胺分光光度法测定,NO3--N采用紫外分光光度法测定,pH值、DO和温度采用多参数测定仪(德国,WTW)测定.

采用高通量测序技术分析厌氧氨氧化系统的微生物多样性和群落结构.DNA由Qubit2.0DNA检测试剂盒(Sangon公司),在Miseq平台选择V3-V4区域通用引物338F/806R(338F:ACTCCTACG- GGAGGCAGCAG;806R:GGACTACHVGGGTWTCTAAT)进行PCR扩增,将扩增后得到的序列与Silva数据库中的微生物进行比较.样品均取自断流前最后一天、储存最后一天以及恢复最后一天3组反应器的厌氧氨氧化污泥.

2 结果与讨论

2.1 R1反应器脱氮性能

由图1可见,在R1反应器中,整个实验分为2个阶段,每个阶段进水NH4+-N和NO2--N的浓度均为50mg/L.第Ⅰ阶段(1～11d),HRT(水力停留时间, hydraulic retention time)为3h,前3d,出水NH4+-N和NO2--N的平均浓度分别为25.5mg/L和30.4mg/L,总氮去除率和总氮去除负荷分别为37.9%、0.301kg/(m3·d),这说明经过长期饥饿后的生物滤柱仍具有一定的活性.Wang等[17]把厌氧氨氧化颗粒污泥装入50mL离心管中,研究其在室温下储存100d的影响,结果表明,在最初的84h内,观察到较低的活性,总氮去除率在9.8%～40.3%,这与本研究最初观察到较低的去除负荷的结果一致.随着反应器的继续运行,出水NH4+-N和NO2--N的浓度持续增加, NH4+-N去除率从第3d 的54.5%下降至第8d的23.2%,导致总氮去除率下降至16.2%,这说明厌氧氨氧化菌的活性不稳定.分析原因是在长期饥饿情况下菌体开始内源呼吸,造成大量菌体死亡,死亡的微生物被分解产生了氨氮[18].接着运行2d,出水效果虽有好转,但总氮去除率仍然较低,造成这种现象的原因可能是:①微生物在长期饥饿后大量死亡,活性较低,且厌氧氨氧化菌对环境较敏感,生长周期较长,倍增速率慢;②HRT较短,微生物反应不彻底,导致出水浓度较高,脱氮性能较差且不稳定.

图1 不同阶段R1反应器脱氮性能

在第Ⅱ阶段(12～57d),将R1反应器的HRT增加至6h,开始运行的前3d,出水NH4+-N和NO2--N的浓度立即降低,总氮去除率也从第Ⅰ阶段的43.6%增加至63.1%.但是在之后运行的几天,出水效果变差,总氮去除率呈现先下降后上升的趋势.值得注意的是,在反应器运行的第29d,出水NH4+-N、NO2--N和NO3--N的浓度分别为0、1.5和6.5mg/L,总氮去除率为92.2%,高于厌氧氨氧化系统的理论脱氮效率(89%)[1],这说明厌氧氨氧化菌的活性得到了一定的恢复,△NO3--N/△NH4+-N=0.13,低于厌氧氨氧化工艺的理论值(0.26),可能是系统发生了反硝化反应.由第2.4节的图4(a)可知,在长期断流后R1内检测出了反硝化菌.反硝化存在的主要原因,一方面是长期断流后部分微生物解体死亡为反硝化菌提供了有机碳源;另一方面是反硝化菌利用了溶解性微生物产物[19].而厌氧氨氧化产生的NO3--N为反硝化菌提供了基质,反硝化菌将产生的硝酸盐氮还原为氮气[20],出水NO3--N浓度降低,总氮去除率得到进一步提高.第39d,出水NH4+-N、NO2--N和NO3--N的浓度分别为0.5、4.1、8.9mg/L,总氮去除率为87.0%,总氮去除负荷为0.359kg/(m3·d),说明厌氧氨氧化系统得到有效恢复,厌氧氨氧化菌的活性得到激活.继续运行17d(40～56d),反应器运行较稳定,总氮去除率和总氮去除负荷分别为76.0%、0.329kg/(m3·d).在突发状况下经过长期饥饿的厌氧氨氧化污泥,以50mg/L的氨氮和亚硝酸盐氮作为进水基质浓度,采用逐步提高HRT的方式,在生物滤柱中运行39d后,总氮去除率从37.9%恢复到87.0%,总氮去除负荷从0.301kg/(m3·d)恢复到0.359kg/(m3·d),继续运行17d,总氮去除率和总氮去除负荷分别稳定在76.0%、0.329kg/(m3·d).

2.2 R2反应器脱氮性能

图2 不同阶段R2反应器脱氮性能

由图2可见,整个实验分为3个阶段,每个阶段进水NH4+-N和NO2--N的浓度均为50mg/L.第Ⅰ阶段(1～2d),HRT为6h,出水NO2--N的平均浓度为58.9mg/L,平均总氮去除率和总氮去除负荷分别为-0.7%、-0.005kg/(m3·d),说明厌氧氨氧化菌在长期饥饿后几乎完全失活,无法将亚硝酸盐氮去除.同时,系统中可能存在好氧氨氧化菌,将氨氮氧化为亚硝酸盐氮,导致出水浓度增高,总氮去除率为负.在第Ⅱ阶段(3～22d),将HRT增大为12h,开始运行的前几天,出水亚硝酸盐氮浓度仍然高于进水,总氮去除率仍较低,说明厌氧氨氧化菌仍然没有活性.第Ⅱ阶段的末期(21～22d),出水NH4+-N、NO2--N和NO3--N的平均浓度分别为37.8、43.8、17.6mg/L,△NO3--N/△NH4+-N为0.88,高于厌氧氨氧化的理论值(0.26),△NO2--N/△NH4+-N为0.12,低于理论值(1.32),说明NO3--N产生量较多,而NO2--N消耗量较少.一方面,NO3--N生成量较多,可能是硝化菌表现出了活性,这是因为厌氧氨氧化菌被抑制,好氧氨氧化菌受到抑制较小,反应器内存在的亚硝酸盐氮诱导出硝化菌的活性.另一方面,NO2--N消耗量较少,是因为在长期断流后,硝化菌的活性没有受到抑制.在第Ⅲ阶段(23～93d),进一步降低进水氮负荷,将HRT增大为18h,出水浓度极不稳定,但总氮去除率总体呈现出上升的趋势.最终在第91～93d,出水NH4+-N、NO2--N和NO3--N的平均浓度为1.6、1.7、13.7mg/L,平均总氮去除率和总氮去除负荷稳定在83.4%、0.114kg/ (m3·d),说明在恢复初期厌氧氨氧化菌的耐冲击能力差,进水氮负荷过高会抑制微生物的活性,使其难以恢复.经过长期饥饿的污泥采用50mg/L的进水氨氮和亚硝酸盐氮浓度,逐步提高HRT的方式,在MBR中运行93d后,总氮去除率从-0.7%恢复到83.4%,总氮去除负荷从-0.005kg/(m3·d)恢复至0.114kg/ (m3·d).

2.3 R3反应器脱氮性能

由图3可见,R3反应器分为3个阶段,每个阶段进水NH4+-N和NO2--N浓度均为100mg/L.第Ⅰ阶段(1～20d),HRT为6h,运行初期(1～3d)与R2反应器相似,进水总氮浓度与出水总氮浓度接近,平均总氮去除率和总氮去除负荷分别为3.3%、0.026kg/(m3·d),此时的厌氧氨氧化菌几乎没有活性.随着反应器的运行,出水浓度缓慢降低,总氮去除率逐渐增加,在第Ⅰ阶段的末期总氮去除率增长到11.9%.

图3 不同阶段R3反应器脱氮性能

为快速恢复厌氧氨氧化菌的活性,在第Ⅱ阶段(20～40d),降低氮负荷,将HRT增加到12h,总氮去除率立即增加到24.3%,说明降低氮负荷有利于提高总氮去除率.彭永臻等[21]的研究表明微生物在低负荷下可以分泌更多组分的胞外聚合物,蛋白质含量的增加有助于系统抵抗氮负荷的变化.这进一步说明降低氮负荷减小了对微生物的冲击.在反应器运行的第32d,由于出水管漏气无法出水,导致溶解氧含量较高,厌氧氨氧化菌活性受到抑制,出水NH4+-N、NO2--N和NO3--N浓度均增加,所以总氮去除率出现滑坡式下降.张黎等[22]的研究认为厌氧氨氧化菌对溶解氧非常敏感,水体中氧含量过高会产生明显的抑制作用.这与本研究结果类似,出水管问题解决后,反应器的总氮去除率又逐渐回升至原水平,表明溶解氧对厌氧氨氧化菌产生的抑制作用具有可逆性.但出水效果仍较差,总氮去除率稳定在25.8%.

在第Ⅲ阶段(41～83d),继续增加反应时间,将HRT改为18h,出水NH4+-N和NO2--N的浓度明显降低.在第76d,总氮去除率增加到87.6%,总氮去除负荷提高到0.244kg/(m3·d),这与厌氧氨氧化反应的理论脱氮效率接近,再次证明,在厌氧氨氧化菌活性不足的情况下,适当延长HRT,能够促使微生物更加有效的利用进水基质.Chen等[23]采用UASB反应器研究HRT与氮负荷对厌氧氨氧化的影响,发现HRT从24～48h下降到12h,总氮去除率从90%下降到80%.此外,Karasuta等[24]的研究明确表明HRT的降低不仅使氮负荷突然增加,进而导致总氮去除率显著降低,而且也会直接影响出水的pH值.在本实验中,HRT由12h增加到18h的过程中,出水平均pH值由8.1增长到了8.3,说明HRT的改变对反应器有显著的影响.接着继续运行,在第81～83d,总氮去除率和总氮去除负荷分别稳定在77.5%、0.210kg/(m3·d).说明在高基质进水浓度的MBR反应器中,采用逐步提高HRT的方式恢复厌氧氨氧化菌的活性需要76d,总氮去除率从最初的0.03%增加到87.6%,总氮去除负荷从0.026kg/(m3·d)提高到0.244kg/(m3·d),继续运行7d,总氮去除率和总氮去除负荷稳定在77.5%、0.210kg/(m3·d).

2.4 反应器性能及微生物特征对比

R1与R2的进水NH4+-N和NO2--N浓度均为50mg/L,进水基质浓度相同,反应器类型不同.在恢复初期R1有37.9%的总氮去除率,R2的总氮去除率为-0.7%.高通量测序结果表明,R1、R2、R3在断流前的Simpson指数分别为0.073、0.034、0.154,储存最后一天的Simpson指数分别为0.076、0.263、0.162,储存后3个反应器中微生物的多样性均降低,说明滤柱和MBR在静置储存期间对微生物多样性的影响没有明显的差异.恢复的最后一天,R1、R2、R3的Simpson指数分别为0.130、0.169、0.229,R1与R3中微生物的多样性呈现继续下降的现象,而R2中微生物多样性虽比储存最后一天有所增加,但仍低于断流前.总体来讲,恢复后3个反应器的物种多样性均比断流前降低,但滤柱和MBR的反应器形式对多样性无明显的影响.

图4 不同阶段各反应器主要菌属分布情况

a.R1;b.R2;c.R3

如图4(a)与图4(b)所示,两个反应器在各时期的主要微生物菌属分别为厌氧氨氧化菌()、反硝化菌()、亚硝化单胞菌().R1与R2中的相对丰度分别从长期断流前的23.5%和21.5%下降到长期断流后的17.3%和1.6%,相对丰度的变化与反应器的脱氮性能一致.值得注意的是,在长期断流后R1中的厌氧氨氧化菌仍有较高的相对丰度(17.3%),分析原因是因为生物滤柱内部具有填料,且填充的火山岩填料孔隙和比表面积较大,污泥的生长状态为固着的生物膜,厌氧氨氧化菌更适合附着在填料表面.而且,生物滤柱内部填充的火山岩可能残留一些吸附的营养物质,且火山岩本身含有矿物质营养元素.而MBR内部无填料,污泥的生长状态为悬浮的活性污泥.比较可知,生物膜能够为微生物提供更加稳定的生存环境,在长期断流期间,厌氧氨氧化菌更适合在滤柱中生存.谷鹏超[25]采用2个生物滤池,分别以陶粒和火山岩为滤料,通过接种、挂膜,10d成功启动厌氧氨氧化工艺,这进一步说明了厌氧氨氧化菌确实适合在生物滤柱中生存或者恢复.在恢复过程中,与R1相比,R2极不稳定,数据波动较大.R1与R2中的相对丰度分别从断流前的13.2%和50.2%下降到恢复后的2.5%和38.0%,研究表明[26],属于兼性反硝化菌,可以利用有机碳源进行脱氮.R2中的优势菌属已由转变为,进一步验证了R2在恢复过程中脱氮能力的不稳定性.最终,R1与R2中厌氧氨氧化污泥分别在HRT为6h和18h时经过39d与93d得到恢复,总氮去除率分别为87.0%和83.4%,总氮去除负荷分别为0.359和0.114kg/(m3·d).恢复后R1中检测出的反硝化菌有、、,相对丰度分别为2.46%、1.52%、1.6%,的相对丰度为1.0%,的相对丰度为32.0%,是反应器内的优势菌属,相对丰度高于长期断流最后一天的23.5%.R2中的相对丰度仅为2.6%.研究表明[27],厌氧氨氧化生物滤柱能够承受低基质所带来的高水力负荷,能够实现对低氨氮废水的处理,在16～24℃下仍保持较高活性.本文结果表明,厌氧氨氧化生物滤柱具有稳定性,滤柱的结构不会因滤速和进水基质的变化而改变.这说明采用生物滤柱运行厌氧氨氧化工艺不仅可以在长期断流期间获得较好的储存效果,而且可以实现在较低的HRT下污泥的高效恢复.

R2与R3的反应器类型均为MBR,但R2的进水基质浓度低于R3.恢复初期,R2与R3的总氮去除负荷分别为-0.005、0.026kg/(m3·d).如图4(b)与4(c)所示,是两个反应器内主要的厌氧氨氧化菌,其相对丰度分别从断流前的21.5%和21.5%下降到恢复前的1.6%与1.8%,厌氧氨氧化菌的相对丰度低,所以没有总氮去除.在恢复过程中,R2的脱氮性能不稳定,而R3的脱氮能力呈现逐步上升的趋势.R2与R3在HRT为18h时,分别经过93d与76d的运行得到恢复,总氮去除率分别为83.4%和87.6%,总氮去除负荷分别为0.114和0.244kg/(m3·d).恢复后,R2中的相对丰度较低(2.6%),与的相对丰度分别为2.4%、0.8%,检测出的反硝化菌有、、、,相对丰度分别为37.8%、14.5%、0.2%、1.2%,成为反应器内的优势菌属,说明R2在较低的进水基质浓度下经过93d的培养,厌氧氨氧化菌的活性仅得到一部分恢复.R3在恢复后,的相对丰度为6.0%,高于R2(2.6%),反硝化菌有(6.2%)、(0.5%)、(0.2%)、(5.5%)、(1.7%).陈方敏等[28]的研究表明在进水基质浓度高的条件下,厌氧氨氧化菌具有充足的营养底物,而且高基质水平形成的底物浓度压力更有利于提升氨氮与亚硝酸盐氮在污泥内部的传质效果.而本文中R2与R3的结果对比说明,经过长期断流后,较高的进水基质更有利于厌氧氨氧化系统的恢复,恢复后的厌氧氨氧化菌丰度也相对较高.

3 结论

3.1 R1(滤柱)与R2(MBR)分别经过39、93d得到有效恢复,总氮去除负荷分别为0.359和0.114kg/ (m3·d),恢复前(后)的相对丰度分别为17.3%(32.0%)、1.6%(2.6%).滤柱相对MBR能够更快的恢复低基质的反应系统,能够承受低基质所带来的高水力负荷,更有利于脱氮性能的恢复.

3.2 R2(50mg/L)与R3(100mg/L)分别经过93、76d得到系统的恢复,总氮去除负荷分别为0.114和0.244kg/(m3·d).恢复前(后)的相对丰度分别为1.6%(2.6%)、1.8%(6.0%).进水基质浓度较高时,厌氧氨氧化菌具有充足的营养底物,且高基质水平形成的底物浓度压力更有利于提升氨氮与亚硝酸盐氮在污泥内部的传质效果,恢复效果更好.

3.3 生物滤柱更适合作为长期断流期间常温储存厌氧氨氧化污泥的反应器.较长的HRT和较高的进水基质浓度有利于长期断流后厌氧氨氧化污泥活性的快速恢复.

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Operation and recovery performance of anaerobic ammonia oxidation process after long-term starvation.

MA Bing-bing, ZHANG Xiao-jing*, ZHANG Han, ZHANG Nan, WEI Deng-hui, ZHANG Hong-li, HOU Yu-lin

(Henan Collaborative Innovation Center for Environmental Pollution Control and Ecological Restoration, School of Materials and Chemical Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450001, China)., 2022,42(6)：2611～2618

In order to study how to rapid recover the activity of Anammox process which had been interrupted under emergency situation for a long-term, the nitrogen removal performance and microbial variations of three Anammox reactors were comparatively analyzed. The reactors were named as R1 (biofilter), R2 (membrane bioreactor, MBR), and R3 (MBR), where R1 and R2 had the same influent concentration, R2 and R3 had the same reactor type but different influent concentration. The results showed that the Anammox activity in R1, R2, and R3 was recovered after 39, 93, and 76days, with the total nitrogen removal efficiency returned to 87.0%, 83.4%, 87.6%, and the total nitrogen removal rate restored to 0.359, 0.114, 0.244kg/(m3·d), respectively. Compared R1 with R2, the Anammox biofilter could withstand higher hydraulic load, showed higher stability after long-term interruption, and was easier to recover. Compared R2 with R3, the higher influent concentration supplied sufficient substrate for Anammox bacteria, and formed concentration pressure for promoting the transformation of ammonia and nitrite inside the sludge, thus led to better recovery performance. The results of high-throughput sequencing showed that the relative abundance ofbefore (after) recovery of the three reactors were 17.3% (32.0%), 1.6% (2.6%), 1.8% (6.0%), and the abundance in R1after recovery was the highest.

anaerobic ammonia oxidation；activity recovery；matrix concentration；membrane bioreactor；biofilter

X703.1

A

1000-6923(2022)06-2611-08

马冰冰(1997-),女,河南开封人,郑州轻工业大学硕士研究生,主要从事污水生物处理研究.

2021-11-17

中原英才计划-中原青年拔尖人才;河南省高校科技创新人才项目(20HASTIT014);河南省高等学校青年骨干教师项目(2019GGJS129)

* 责任作者, 副教授, zhangxiaojing@zzuli.edu.cn