外源全程硝化污泥对城市污水SPNA系统的影响

贺昭铭,刘佳妮,田亚茹,于德爽,苗圆圆*,张文克,马国成,赵鑫超,袁 悦

外源全程硝化污泥对城市污水SPNA系统的影响

贺昭铭1,刘佳妮1,田亚茹1,于德爽1,苗圆圆1*,张文克1,马国成1,赵鑫超1,袁 悦2

(1.青岛大学环境科学与工程学院,山东 青岛 266071；2.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海 200092)

为强化城市污水短程硝化-厌氧氨氧化(SPNA)系统脱氮性能与稳定性,在间歇曝气条件下研究投加外源全程硝化污泥对城市污水SPNA系统的影响及机理.结果显示,空白组(SBR3)总氮去除率由35.5%升高至66.3%,短周期分批次投加外源全程硝化污泥(SBR2,投加周期为5d,投加比为2.5%)与长周期分批次投加(SBR1,投加周期为20d,投加比为10%)的SPNA系统总氮去除率分别由31.7%和36.5%升高至76.3%和67.2%,这表明,投加全程硝化污泥有利于提高SPNA系统的脱氮性能,且当投加总量相同时,短周期分批次投加的效果优于长周期分批次投加.功能菌活性结果与脱氮效果一致,SBR1～SBR3的厌氧氨氧化菌(AnAOB)最大活性分别由3.43mg-N/(L·h)升高至7.66,8.19和7.31mg-N/(L·h),氨氧化细菌(AOB)与亚硝酸盐氧化菌(NOB)活性比分别为8.79,9.83和8.78.在间歇曝气条件下投加全程硝化污泥,可选择性抑制NOB、富集AOB,提高AOB与NOB的活性比,利于稳定短程硝化效果,为AnAOB提供稳定的基质,且短周期分批次投加可降低外源硝化污泥中的NOB对系统的冲击,更有利于实现高AOB与NOB活性比,提高系统稳定性.此外,内源短程反硝化菌相对丰度明显升高,可为AnAOB提供更多的亚硝酸盐氮,进一步利于AnAOB富集.

短程硝化-厌氧氨氧化一体化；生物添加；全程硝化污泥；间歇曝气；高通量测序；影响因素

由于城市污水的碳氮比过低,在传统的全程硝化-反硝化污水处理工艺中,往往需要添加外碳源强化反硝化效果,使出水的氮浓度达到排放标准.但外加碳源不仅会给后续运行带来一定的压力,还会提高运行成本[1-2].短程硝化-厌氧氨氧化一体化(SPNA)工艺即在一个反应器中同时实现短程硝化和厌氧氨氧化,氨氧化细菌(AOB)将部分氨氮氧化成亚硝酸盐氮,随后厌氧氨氧化菌(AnAOB)将这部分亚硝酸盐氮与剩余的氨氮转化成氮气和少量的硝酸盐氮,完成污水脱氮[3-4].该工艺主要脱氮功能菌为自养菌,不需要外加有机碳源,且只需将约一半的氨氮氧化为亚硝酸盐氮,因此具有节省曝气能耗和有机碳源、剩余污泥产量少等优点[5],有望实现低能耗城市污水深度脱氮,具有重要意义.

城市污水SPNA工艺的可行性,已初步得到验证,但仍存在诸多难点有待解决.城市污水SPNA工艺的瓶颈是难以有效抑制亚硝酸盐氧化菌(NOB).由于缺少高游离氨和高游离亚硝酸浓度等抑制NOB的条件,NOB极易大量生长,与AnAOB竞争亚硝酸盐氮[6],一方面,造成城市污水SPNA系统出水硝酸盐氮浓度升高,脱氮性能恶化;另一方面,可导致AnAOB活性和丰度逐渐下降,加剧系统失稳.有研究发现,可以通过控制低溶解氧(DO)浓度和间歇曝气等条件抑制NOB活性[7-8],但这些条件并不充分,由于NOB大量生长造成的SPNA系统脱氮性能恶化的现象屡见报道[9]. Wang等[10]报道,控制DO在0.10～0.13mg/L并不能有效抑制NOB活性,城市污水SPNA系统出水硝酸盐氮浓度逐渐升高至18.1mg-N/L;Karol等[11]发现,单纯控制间歇曝气并不能充分抑制NOB活性.利用高游离氨和游离亚硝酸浓度对SPNA系统中污泥进行预处理,可短期内抑制NOB活性,但增大了工艺运行复杂度和运行能耗,且长期运行过程中,NOB可能会逐渐适应高游离氨和游离亚硝酸浓度,导致系统脱氮性能再次下降[12].目前,在城市污水SPNA系统中实现长期稳定的短程硝化和NOB抑制和淘洗,仍未取得突破性进展.

近期研究发现,在城市污水SPNA系统中NOB活性较高的情况下,向其中投加外源全程硝化污泥,未造成系统中NOB活性进一步升高和脱氮性能恶化,反而可选择性提高AOB活性,促进AnAOB富集,进而提高系统脱氮效果[13].城市污水处理厂普遍采用全程硝化-反硝化工艺处理污水,该工艺会定期排放大量的剩余污泥,因此,本试验采用的外源全程硝化污泥在污水厂非常常见,具有通用性和普遍性,研究其对SPNA工艺的促进效果和机理具有一定的借鉴意义,该方法有望突破城市污水SPNA工艺的瓶颈,促进该工艺的推广应用.但外源全程硝化污泥对城市污水SPNA系统脱氮性能的影响机理尚未明了,且外源全程硝化污泥的投加量与投加周期也需要进一步优化,值得进一步研究.

1 材料与方法

1.1 试验装置与运行方式

利用SBR反应器构建城市污水SPNA系统.平行运行3个反应器SBR1,SBR2和SBR3,有效容积为3L,排水比为50%.通过温控装置使反应器温度维持在32℃;通过机械搅拌器进行搅拌;通过微型曝气泵进行曝气;通过转子流量计调节曝气量(图1).反应器采用前置缺氧搅拌的间歇曝气方式运行,间歇曝气的周期通过继电器调控,其中前置缺氧搅拌时间为40min,随后按照好氧9min/缺氧21min方式运行,曝气阶段DO浓度控制在0.5～0.8mg/L.

图1 反应器装置示意

表1 各试验阶段运行条件

试验共分为3个阶段(表1):阶段Ⅰ(1～58d),不投加外源全程硝化污泥;阶段Ⅱ(59～124d),因假期与疫情原因反应器未运行,为反应器闲置阶段;阶段III(125～317d),定期向SBR1和SBR2反应器中投加外源全程硝化污泥,其中,SBR1投加量为反应器中污泥总量(以重量计)的10%,投加周期为20d,分别在反应运行的第140, 160, 180, 200, 220, 240, 260, 280和300天投加;SBR2投加量为反应器中污泥总量的2.5%,投加周期为5d,在第140～300天之间每隔5d投加1次;SBR3为空白组,不进行投加.

1.2 试验水质以及接种污泥

试验用水为模拟废水,配水成分为:NH4+-N 60mg-N/L、COD(乙酸钠) 200mg/L、MgSO4·7H2O、CaCl2·2H2O、KH2PO4及微量元素溶液Ⅰ和Ⅱ根据报道配制[14].SBR1-SBR3的接种污泥均为全程硝化和厌氧氨氧化污泥,其中全程硝化污泥取自小试规模全程硝化-反硝化SBR反应器,厌氧氨氧化污泥取自小试规模的升流式厌氧污泥床反应器,全程硝化污泥与厌氧氨氧化污泥的接种比例为25:1.后续生物添加污泥均取自全程硝化-反硝化SBR反应器.

1.3 检测项目

1.3.1 常规检测项目 所取水样经0.45μm定性滤纸过滤后,按照《水和废水监测方法》[15]测定以下参数:采用纳氏试剂分光光度法测定氨氮浓度,采用麝香草酚法测定亚硝酸盐氮浓度,采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定硝酸盐氮浓度,SV、SVI、MLSS均采用重量法测定.pH值、DO值均采用便携式pH和DO在线监测记录仪(WTW,德国)测定. 取约25mL混合污泥样品进行污泥粒径的检测,采用激光粒度仪(Winner2308A)测定.

1.3.2 微生物最大活性检测 在第304d(阶段III)测定SBR1-SBR3中AOB、NOB和AnAOB的最大活性[16].测定AOB和NOB最大活性时,取300mL泥水混合液放入500mL的锥形瓶中,先采用去离子水润洗3遍,再进行测定,初始氨氮和亚硝酸盐氮浓度分别为30和15mg-N/L,DO维持在3～4mg/L.在反应周期的末期采用原位测定AnAOB最大活性,以避免DO和COD对AnAOB的影响,初始氨氮和亚硝酸盐氮浓度分别为30和15mg-N/L.

1.3.3 菌群多样性检测 在运行第1和317d时取反应器中混合污泥样品50mL,4000r/min离心后倒掉上清液,泥样通过冷冻干燥处理后,送至美吉生物医药科技有限公司,采用Illumina MiSeq PE300平台进行和高通量测序.

2 结果与讨论

2.1 脱氮性能分析

如图2和表2所示, 在阶段I(1～58d),SBR1～ SBR3均未投加全程硝化污泥.SBR1～SBR3的平均氨氮降解率分别为54.3%,48.8%和53.8%,平均出水硝酸盐氮浓度分别为6.7,7.1和7.5mg-N/L,同时, SBR1～SBR3的平均总氮去除率较低(36.5%,31.7%和35.5%).这表明,在阶段I,3个反应器的整体脱氮效果均较差,且脱氮效果波动较大.

图2 SBR1～SBR3脱氮性能变化规律

阶段III前期(125～139d)为污泥恢复期.从第140天开始,分别定期向SBR1和SBR2中投加全程硝化污泥,SBR3为空白组.在140～317d,SBR1～SBR3的出水氨氮浓度均逐渐下降,平均出水氨氮浓度分别由5.3,7.5和10.2mg-N/L下降至4.6,2.7和5.1mg-N/L,平均氨氮去除率分别由78.9%,75.5%和65.1%上升至84.3%,90.4%和83.6%.结果表明,SBR2的氨氮去除效果明显优于SBR1和SBR3.在第140～219d, SBR1～SBR3的出水硝酸盐氮浓度分别为8.1,9.4和7.5mg-N/L,仍然处于较高的水平.阶段III后期(260～ 317d),出水硝酸盐氮浓度均逐渐下降,SBR1～SBR3的平均出水硝酸盐氮浓度分别下降至4.6,4.1和4.2mg-N/L.与之相对应地,SBR1～SBR3的总氮去除率逐渐增加,分别升高至67.2%,76.3%和66.3%.随着试验的进行,SBR1～SBR3的脱氮性能逐渐变好, SBR2的脱氮性能明显优于SBR1和SBR3,SBR1的脱氮性能略好于SBR3,此外,由图2可看出,SBR1与SBR2的脱氮性能较为稳定.这表明,外源全程硝化污泥对短程硝化厌氧氨氧化系统稳定脱氮有一定程度的促进作用,与前期报道结果一致,且短周期分批次投加的促进效果更为明显[13]

表2 SBR1-SBR3各阶段脱氮性能

2.2 主要功能菌最大活性分析

为了进一步探究外源全程硝化污泥对系统脱氮性能的影响机理,在阶段III后期(第304 天)考察了3个反应器中AnAOB最大活性以及AOB与NOB的最大活性比(图3).有研究表明,AOB与NOB的活性比是启动和稳定短程硝化的重要因素,可以作为短程硝化快速启动的一个控制条件[17].在SPNA系统中,AOB与NOB的活性比值越高,意味着AOB比NOB更具有生长优势,越有利于维持短程硝化效果,也更利于AnAOB竞争亚硝酸盐氮基质,最终提高系统脱氮性能和稳定性[18-19].

由图3可得,在第304d,SBR1～SBR3的AOB与NOB活性比分别为8.79,9.83和8.78.可以看出投加外源全程硝化污泥可能可提高SBR1与SBR2系统中AOB与NOB的活性差值,且短周期分批次投加的效果要明显高于长周期分批次投加.定期向SPNA系统中投加全程硝化污泥,可提高系统中AOB与NOB活性,但在间歇曝气条件下,NOB活性受到明显抑制[12],而AOB活性受到的影响较小,因此,间歇曝气条件下投加外源全程硝化污泥,可能选择性地强化了AOB活性,提高AOB与NOB的活性比,促进短程硝化效果,进而为AnAOB提供更多亚硝酸盐氮,促进厌氧氨氧化反应和AnAOB富集,这与前期研究结果一致.同时,对比SBR1和SBR2,短周期分批次投加对于系统而言是一种更为稳定的投加方式,即每次只加少量的NOB对系统中总AOB/ NOB活性比的冲击和影响较小,系统的稳定性更强. SBR1～SBR3中AnAOB最大活性分别由3.43mg-N/ (L·h)升高至7.66,8.19和7.31mg-N/(L·h).与不作任何投加的空白组相比,投加外源全程硝化污泥的SBR1和SBR2有更高的AnAOB活性,验证了上述推测,且与脱氮性能变化一致.这说明,投加外源全程硝化污泥有利于SPNA系统的厌氧氨氧化脱氮,且在总投加量一样的条件下,短周期分批次投加的效果好于长周期分批次投加.

图3 AnAOB最大活性与AOB、NOB最大活性比

2.3 微生物菌群结构分析

在第1和317d对SBR1～SBR3中微生物群落结构进行分析(图4,表3).SBR1～SBR3的两大优势菌门均为变形菌门(Proteobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi).其中,混合接种污泥中变形菌门和绿弯菌门的比例分别为34.06%和20.57%,试验第317天,SBR1～SBR3的变形菌门比例分别为51.09%, 54.05%和53.58%,绿弯菌门分别为13.41%,13.14%和13.70%,整体比例有所升高.有相关研究报道称Proteobacteria和Chloroflexi与反硝化作用有关[20-22].此外,AnAOB所属的浮霉菌门(Planctomycetota)相对丰度也在不断增加,SBR1～SBR3的Planctomycetota丰度分别由1.43%升高至3.47%, 3.93%和3.61%.这些结果可能是试验后期SBR1～SBR3脱氮性能均有所提高的原因之一.

图4 SBR1～SBR 3门水平上微生物组成

在属水平上,SBR1～SBR3中的相对丰度分别由1.75%(1d)上升到2.58%、1.94%和2.18%(317d).表明SBR1～SBR3中NOB均有不同程度的提高,且SBR1中的NOB丰度明显高于另外两组,分析是因为试验投加的外源全程硝化污泥有较高的NOB丰度,投加后会使系统的相对丰度升高.但值得注意的是,SBR2中NOB相对丰度增加幅度最小,低于空白组,表明短周期分批次投加外源全程硝化污泥不会造成SPNA系统中NOB丰度的额外增加,反而有一定抑制NOB生长的作用.为NOB的典型菌属,其含量越低越利于实现短程硝化,同时SBR1～SBR3中AOB的优势菌种的相对丰度分别由0.19%上升至1.6%、1.66%和1.66%.该结果与AOB和NOB活性比的变化规律一致,表明短周期分批次投加外源全程硝化污泥更有利于稳定短程硝化效果.

在试验后期,为SBR1～SBR3中优势菌属,SBR1～SBR3中的相对丰度由8.8%分别上升至32.75%、37.96%和36.96%,有研究指出作为一种内源短程反硝化菌,可以将COD转换为内碳源,有利于亚硝酸盐氮积累,进而有利于促进系统的厌氧氨氧化反应的进行[23-24].SBR2中丰度最高,短周期分批次投加全程硝化污泥可能利于促进富集,这可能也是SBR2脱氮性能较好的原因之一.为优势AnAOB,其相对丰度由0.03%分别上升至0.28%、0.26%、0.32%,与AnAOB活性的变化规律有所不同,分析可能是因为高通量测序数据使用的是相对丰度,定期向SBR1和SBR2添加全程污泥,全程硝化污泥中AnAOB丰度较低,而空白组未做任何生物添加,所以导致SBR1与SBR2的AnAOB相对丰度略低于空白组.

表3 SBR1～SBR3属水平上微生物群落相对丰度

注:不同灰度底色代表属水平上微生物群落相对丰度大小,底色越深,丰度越大.

2.4 粒径分析

分别于第185和315天,对SPNA系统中污泥粒径进行检测(图5).结果表明SBR1的小絮体污泥(0～100μm)由55.71%增加至70.59%,SBR2由 41.26%增加至75.54%,SBR3由67.17%降低至48.71%,而SBR1中粒径较大的活性污泥(>200μm)由13.58%降低至1.95%,SBR2由31.6%降低至2.7%,SBR3由2.59%增加至19.42%.可以得出,投加外源全程硝化污泥使得反应器内小絮体所占比例增高,推测原因为投加的外源全程污泥粒径较小,使系统中的污泥粒径整体有所下降.

有相关研究证明污泥颗粒越大,越有利于SPNA系统脱氮效果[25].因为随着粒径的增大,相同体积的颗粒污泥的比表面积变小,污泥颗粒单位面积的氨氮负荷增加,氧的传质效率变低,进而使得颗粒内的好氧面积变小,缺氧面积变大.一方面,AOB的氧亲合力大于NOB,在此条件下利于短程硝化效果的稳定;另一方面,有利于厌氧氨氧化菌生长和持留,所以大颗粒污泥在理论上更有利于AOB、AnAOB的富集和NOB的不断淘洗,进而有利于提高系统的脱氮性能[26].因此,若投加的外源全程硝化污泥的粒径较大,可能会提高SPNA系统中的污泥粒径范围,进一步促进AnAOB富集,提高系统稳定性.

本试验所用的全程硝化污泥粒径较小,导致投加外源全程硝化污泥的SBR1和SBR2中粒径范围均显著低于SBR3,但即便如此,SBR1和SBR2的整体脱氮效果仍明显优于SBR3,SBR1与SBR2中AnAOB的活性以及AOB/NOB活性比值均高于SBR3.上述结果表明,即使在粒径较小的情况下,试验组的脱氮效果仍好于空白组,投加外源全程硝化污泥对系统运行性能的提高效果可以弥补由于粒径小对系统性能的影响.

图5 SBR1-SBR3在D185和D315的粒径分布

3 结论

3.1 向城市污水短程硝化-厌氧氨氧化系统中投加外源全程硝化污泥利于提高系统脱氮性能和稳定性,其中,在投加总比例相同的条件下,短周期分批次投加(投加周期为5d,投加量为2.5%)全程硝化污泥效果更好.

3.2 全程硝化污泥中含有较高的AOB和NOB丰度,在间歇曝气条件下向SPNA系统中投加全程硝化污泥,可选择提高SPNA系统中AOB与NOB的活性比,进而可为AnAOB提供更稳定的亚硝酸盐氮,促进AnAOB富集.

3.3 短周期分批次投加外源全程硝化污泥可实现更高的AOB与NOB活性比值,有利于抑制NOB活性和维持稳定的短程硝化效果,促进厌氧氨氧化脱氮;此外,短周期分批次投加更利于富集内源短程反硝化菌,进一步促进厌氧氨氧化反应和维持系统稳定.因此,不同的污泥投加方式对系统脱氮效果的促进程度不同,将本研究成果应用于其他系统中时,可能需要对投加量与周期进行进一步优化.

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HE Zhao-ming1, LIU Jia-ni1,TIAN Ya-ru1, YU De-shuang1, MIAO Yuan-yuan1*, ZHANG Wen-ke1, MA Guo-cheng1, ZHAO Xin-chao1, YUAN Yue2

(1.Department of Environment Science and Engineering, Qingdao University, Qingdao 266071, China；2.Shanghai Municipal Engineering Design and Research Institute Co. Ltd, Shanghai 200092, China)., 2022,42(9)：4122～4128

In order to improve the nitrogen removal performance and stability of the single-stage partial nitrification-anammox (SPNA) system treating municipal sewage, the effects and mechanisms of adding exogenous nitrification sludge to mainstream SPNA system were evaluated under intermittent aeration condition. The results showed that the total nitrogen removal efficiency of the control SPNA system (SBR3) increased from 35.5% to 66.3%. The total nitrogen removal efficiencies of SPNA systems with nitrification sludge added in batches in a short cycle (SBR2, the dosing period was 5d, the dosing ratio was 2.5%) and in batches in a long cycle (SBR1, the dosing period was 5d, the dosing ratio was 2.5%) increased from 31.7% and 36.5% to 76.3% and 67.2%, respectively. And the addition of nitrification sludge was beneficial to the nitrogen removal performance of mainstream SPNA system and adding nitrification sludge in batches in a short cycle showed better performance. The maximum activities of anaerobic ammonium oxidation bacteria (AnAOB) in SBR1-SBR3 increased from 3.43mg-N/(L·h) to 7.66, 8.19% and 7.31mg-N/(L·h), respectively, and the activity ratios of ammonia oxidizing bacteria (AOB) and nitrite oxidizing bacteria (NOB) were 8.79, 9.83 and 8.78, respectively. Adding nitrification sludge under intermittent aeration condition could selectively inhibit NOB and enrich AOB, leading to a higher activity ratio of AOB and NOB and more stable partial nitrification, which provided stable substrates for AnAOB. In addition, adding the nitrification sludge in batches in a short cycle could reduce the impact of NOB of exogenous nitrification sludge on the system, which was more conducive to achieve high AOB/NOB activity ratio and improved the stability of system. Moreover, the relative abundance of, thought to be the endogenous partial denitrification bacteria, increased obviously, providing AnAOB with more nitrite and was further beneficial to AnAOB enrichment. Therefore, this study provided new ideas for promoting the application of mainstream anammox process.

single-stage of partial nitrification-anammox；bioaugmentation；nitrification sludge；intermittent aeration；high- throughput sequencing；influencing factors

X703

A

1000-6923(2022)09-4122-07

2022-02-28

国家自然科学基金资助项目(51978348),青岛市科技计划项目科技惠民示范引导专项(2022-3-7-cspz-11-nsh),山东省大学生创新创业计划(S202011065123),上海市青年科技英才扬帆计划资助(20YF1445600)

*责任作者, 讲师, Miaoyy@qdu.edu

贺昭铭(2000-),女,山东枣庄人,青岛大学本科生,环境工程专业.