季节变化对悬浮填料强化硝化效果的影响
2016-11-12段玉琪员建郑兴灿孙永利陈轶高晨晨游佳
段玉琪,员建,郑兴灿,孙永利,陈轶,高晨晨,游佳
(1天津城建大学环境与市政工程学院,天津 300384;2中国市政工程华北设计研究总院有限公司,天津 300074;3天津市水质科学与技术重点实验室,天津 300384)
季节变化对悬浮填料强化硝化效果的影响
段玉琪1,3,员建1,3,郑兴灿2,孙永利2,陈轶2,高晨晨2,游佳2
(1天津城建大学环境与市政工程学院,天津 300384;2中国市政工程华北设计研究总院有限公司,天津 300074;3天津市水质科学与技术重点实验室,天津 300384)
为探讨季节变化对典型工程中悬浮填料强化硝化的影响,以青岛市某采用改良A2/O-MBBR工艺的污水处理厂为研究对象,采用静态烧杯试验方法和高通量测序技术,对秋冬两季活性污泥系统与悬浮填料-活性污泥复合系统的硝化反应速率变化以及硝化菌构成进行研究。结果表明:活性污泥系统的比氨氧化速率(KA)普遍大于其比硝化速率(KN),悬浮填料-活性污泥复合系统的KA与KN则大体相当;无论是活性污泥系统还是悬浮填料-活性污泥复合系统,其KA与KN值均随秋冬季节温度下降而下降,且KA下降幅度均大于KN;与活性污泥系统相比,悬浮填料-活性污泥复合系统在秋冬季节能够在相当程度上提高活性污泥系统的KA和KN值,尤其在冬季,对KN的提高程度更加明显;悬浮填料对AOB和NOB均有极强的富集作用,且对NOB的富集效果更好。
季节变化;悬浮填料;强化硝化;氨氧化细菌;亚硝酸氧化细菌
为满足《城镇污水处理厂污水排放标准》(GB18918—2002)及2006年修改要求,重点流域城镇污水处理厂需执行GB18918—2002一级A标准[1]。因此,全国各大污水处理厂正陆续进行升级改造。在活性污泥系统中投加悬浮填料的移动床生物膜反应器(moving bed biofilm reactor,MBBR)工艺因其具有冬季硝化效果好、耗能少、无需反冲洗、出水水质稳定、剩余污泥量少等特点而被关注。目前,众多学者将研究主要集中在悬浮填料的开发、技术的创新改进及强化硝化效果的中试研究上[2-4],而对基于MBBR系统实际生产运行过程的研究则鲜有报道[5]。由于在污水处理厂实际生产运行过程中,硝化速率是表征污泥活性及硝化性能的重要指标之一[6]。因此,考察不同季节下活性污泥系统与悬浮填料-活性污泥复合系统的硝化反应速率变化是实际工程中研究悬浮填料强化硝化的重要方法之一。
为了研究城市污水处理厂生物系统的硝化过程,对硝化菌群落结构的认识显得至关重要,而对菌群落结构的测定有多种方法。近年来,454焦磷酸、Miseq高通量测序技术因其具有分析结果准确、高速、高灵敏度和高自动化的特点,已广泛应用于细菌分类学、比较基因组学、转录组学等领域[7],并在环境微生物鉴定领域取得了较好的应用效果[8]。
基于以上分析,本文以青岛市某实际运行的改良A2/O-MBBR工艺为研究对象,采用静态烧杯试验方法,分别测定不同季节下活性污泥系统和悬浮填料-活性污泥复合系统(简称复合系统)的硝化反应速率,并同期采用Miseq高通量测序技术检测活性污泥及悬浮填料上硝化菌群落结构,研究不同季节悬浮填料的强化硝化特性和硝化菌的分布情况,以期为污水处理厂运行过程中工况参数的调整提供参考依据。
1 试验材料与方法
1.1试验材料
反应器为有机玻璃制成,内径约10cm,高度约18cm,底座平坦可放置在磁力搅拌器上;试验用水取自青岛市某污水处理厂的回流污泥和生物池进水;试验用悬浮填料取自该厂填料区的填料,该填料自投加到该厂填料区已稳定运行3年,挂膜和硝化效果良好,其基本参数见表1。
表1 试验用悬浮填料基本参数
1.2试验方法
1.2.1硝化反应速率的测定
将回流污泥分别置于2个反应器中(编号1#、2#),加入若干硝酸钾并注入一定量的生物池进水(回流污泥和生物池进水按体积比1∶1混合),首先控制搅拌速度在20~25r/min(此时混合液能够搅拌均匀、无明显分层且液面无明显漩涡)下进行2.5h的反硝化试验,以保证产生足量的碱度来满足后续硝化反应的需求;然后再向两个反应器中分别投加一定量的NH4Cl或其他NH3-N物质,停止搅拌,并在2#反应器投加40%的悬浮填料,连续曝气并按一定时间间隔取样,测定液相中的氨氮(NH4+-N)和硝酸盐氮(NO3--N)浓度变化,根据测定结果绘制NH4+-N和NO3--N浓度随时间(t)变化的关系曲线,由此进一步计算出单位时间单位污泥浓度的NH4+-N减少量(混合液中有机氮的氨化作用影响可以忽略)和NO3--N浓度的增加量,所得结果即为该活性污泥系统的比氨氧化速率(KA)和比硝化速率(KN),在此统称为硝化反应速率,分别用mgNH4+-N/(gVSS·h)和mgNO3--N/(gVSS·h)表示。
需要注意的是,在复合系统硝化反应速率的测定中,为方便与活性污泥系统的比较,其系统的污泥浓度按活性污泥系统的污泥浓度计算。
1.2.2硝化菌群落结构的检测
活性污泥和悬浮填料附着微生物中硝化菌群落结构的检测委托上海美吉生物医药科技有限公司采用Miseq高通量测序代为进行。
MiSeq高通量测序基本流程如下:①基因组DNA抽取(采用土壤DNA提取的方法);②PCR扩增;③荧光定量;④Miseq文库构建;⑤Miseq测序。然后通过OTU聚类分析和物种分类学分析,最后对群落结构和系统发育等深入的统计学数据分析。检测过程中引物序列如表2所示。
表2 引物序列信息表
1.3测定项目与方法
COD,USEPA消解比色法;总氮(TN),过硫酸钾法;BOD5,稀释接种法;氨氮,水杨酸盐法;硝态氮,镉还原法;混合液悬浮固体浓度(MLSS)和混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS),根据残渣标准测定法测定;溶解氧(DO)、pH、温度(T),用MultiLine®ID测定。
2 结果与讨论
2.1生物系统进水水质及硝化菌分布变化
根据《活性污泥法理论与技术》[9]介绍,氨氧化细菌(ammonia oxidizing bacteria,AOB)主要包括亚硝化单胞菌、亚硝化螺旋菌属、亚硝化球菌属、亚硝化叶菌属、亚硝化弧菌属;亚硝酸氧化细菌(nitrite oxidizing bacteria,NOB)主要包括硝化杆菌属、硝化螺菌属、硝化球菌属、硝化刺球菌属。本实验高通量测序结果主要针对以上几种菌属进行统计分析。
为探讨生物系统进水水质与污泥性状对其硝化性能的影响,对该污水处理厂生物系统进水水质、同期实际泥龄以及硝化菌群落构成情况进行了考察,其结果见表3和表4。
表3 生物池进水水质和泥龄
表4 活性污泥和填料上AOB、NOB占生物总量比例
从表3可以看出,监测期间,COD、BOD5、TN、NH4+-N等指标均处于较高浓度范围,且TN浓度远大于NH4+-N浓度,这与青岛居民小区未设置化粪池有一定关系。各水质指标随季节变化均呈V字形的变化态势,除BOD5在12月初降至最低值外,COD、TN、NH4+-N等指标均在12月中旬降至最低值;B/C大多保持在0.5以上,说明该厂生物系统进水具有良好的可生化性,BOD5/TN在2.82±0.576范围内波动,这相对于脱氮而言碳源是不足的。为保证反硝化的进行,该厂在实际运行过程中采取了外加碳源的技术措施,这可能会对后续硝化性能产生影响;与此同时,该厂进水水量在(8.35±0.4)×104m3/d范围内波动。因此,该时期污水厂正常运行的情况下,进水水量水质的变化会在一定程度上影响污泥的性质及其硝化菌群落结构,并进一步影响其硝化性能。
泥龄的长短会影响各功能微生物所占微生物总量的比例,进而影响污泥系统的硝化性能。由表3可见,从秋季到冬季,泥龄呈上升趋势,11月份泥龄过长的原因是剩余污泥排泥量减少,以便为冬季长泥龄和高污泥浓度的需求做调整,这也对活性污泥和悬浮填料上附着微生物中的硝化菌群落结构产生影响。
从表4看出,从秋末到冬季,活性污泥系统中,硝化菌的比例保持在1.55%~1.85%范围内,未出现明显波动变化,且除10月中旬外,其他污泥样品中NOB的比例(bW)高于或大体相当于AOB的比例(aW);悬浮填料上硝化菌的比例保持在9.35%~16.35%之间,且NOB的比例(bT)始终明显高于AOB的比例(aT)。这表明对该污水处理厂而言,无论是活性污泥还是悬浮填料,更适合NOB的存在和富集,这与出水氨氮浓度较低时,由于生长速率的差异,导致NOB较AOB更易于生长繁殖有关[10]。
对比活性污泥和悬浮填料的硝化菌群落构成发现,悬浮填料与污泥中硝化菌的比(aT+bT/aW+bW)在5.6~10.6之间,aT/aW在0.92~5.0之间,bT/bW在6.2~15.8之间。这表明悬浮填料对硝化菌有极强的富集作用,且对NOB的富集效果更好。分析其原因是:由于悬浮填料具有较大的比表面积、长泥龄及膜结构,使其更利于AOB和NOB的附着和富集;另外,试验期间好氧池出水氨氮浓度在1mg/L以下,由于NOB较AOB对氮基质亲和力更强,因此,在生物膜内部低氮基质浓度下,NOB的生长速率要大于AOB[10],且NOB的泥龄比AOB长[11],这可能是导致悬浮填料对NOB富集效果更好的重要原因。
2.2季节变化对活性污泥硝化反应速率的影响
在活性污泥系统中,氨氮、DO以及碱度充足的情况下,硝化反应速率在某温度下呈零级反应[5]。不同监测时期,活性污泥系统的硝化反应速率变化情况如图1所示。
图1 活性污泥系统硝化反应速率季节变化图
从图1可看出,随季节变化,温度呈下降趋势,活性污泥系统的硝化反应速率也随之降低。10月中旬,温度在21℃左右,比氨氧化速率(以下简称KA)为3.0mgNH4+-N/(gVSS·h),比硝化速率(以下简称KN)为1.9mgNO3--N/(gVSS·h),KA/KN为1.6;11月中旬至第二年1月下旬,温度在15~17℃范围内波动,KA在(2.0±0.27)mgNH4+-N/(gVSS·h)之间,KN在(1.1±0.26)mgNO3--N/(gVSS·h)范围内,KA/KN保持在1.9±0.3范围内。由此可见,KA始终大于KN,气候转冷后,KA、KN均下降,且从平均值下降程度看,KA下降幅度略大于KN。
活性污泥系统硝化反应速率下降主要是因为硝化菌生长最适宜的温度范围是20~30℃,属于中温生长菌。温度降低,酶的活性降低,从而导致细菌整体的亲和性下降[12],最终影响其生长速率、代谢速率;温度降低,KA仍大于KN的原因是:当游离氨(FA)的浓度大于1mg/L时会对NOB造成抑制[13],小试期间,氨氮浓度控制在33~45mg/L之间,pH在7.9~8.1之间,通过游离氨计算公式[式(1)][14]得出液相中FA的浓度在1.2~2.5mg/L之间,这对NOB的活性造成抑制,从而导致其比硝化速率较低;除此之外,污泥系统中可能还存在具有氨氧化作用的氨氧化古菌(AOA)[15]以及微生物对氨氮的同化作用,从而在宏观层面表现出KA大于KN。
2.3季节变化对复合系统硝化反应速率的影响
不同季节条件下,复合系统硝化反应速率测定结果如图2所示。
图2 复合系统硝化反应速率季节变化图
从图2可看出,复合系统中,10月份试验时,温度在21℃左右,KA为9.43mgNH4+-N/(gVSS·h),KN为7.47mgNO3--N/(gVSS·h);KA/KN为1.26;冬季试验时,温度在15~17℃,KA为(3.92±0.66)mgNH4+-N/(gVSS·h),KN为(4.19±0.59)mgNO3--N/(gVSS·h),KA/KN在0.93±0.08范围内。由此看出,秋季KA大于KN,而冬季,KA与KN大体相当。由秋季到冬季,复合系统的 KA、KN都有不同程度的下降,且从平均值下降程度看,KA下降幅度大于KN。从表4可看出,10月份时,复合系统中NOB占的比例明显高于AOB,而KA大于KN,这是由于20℃左右时AOB的活性明显高于NOB,从而弥补了AOB数量的不足所致;冬季时,复合系统中NOB占的比例仍高于AOB,而KA与KN基本相同,这是由于温度对AOB的影响要大于NOB[16],随着温度的降低和系统泥龄的增大,复合系统中AOB的数量和活性均急剧降低,从而使KA出现大幅度下降,但复合系统中的NOB并未出现数量上的降低甚至略有增加,从而由于NOB数量上的绝对优势和受温度影响相对较小,使其KN并未出现大幅度下降,最终导致复合系统的KA、KN大体相当。
表5 活性污泥系统和复合系统的硝化反应速率
2.4不同季节下悬浮填料强化硝化特性比较
为进一步讨论季节变化对悬浮填料强化硝化特性的影响,对同期测定的活性污泥系统和复合系统的硝化反应速率进行了比较,结果见表5。
从表5可以看出,投加填料的复合系统在秋冬季节时的KA、KN值远大于同期活性污泥系统,且冬季的KA、KN值仍可达到秋季10月份温度较高时活性污泥系统的KA、KN值;10月份时上述两系统的KA比值(KA-FH/KA-WN)与KN比值(KN-FH/KN-WN)分别是3.14和3.91,这表明无论从比氨氧化速率还是比硝化速率的角度看均呈现非常明显的强化硝化特性;11月份中旬到第二年1月下旬,KA-FH/KA-WN与KN-FH/KN-WN分别为1.97±0.14、4.00±0.60,悬浮填料也均表现出非常理想的强化硝化特性,特别是比硝化速率的提高更加明显,几乎未因为秋冬季节的变化而降低。这表明悬浮填料的投加,能够在相当程度上提高活性污泥系统的KA和KN值,尤其在冬季对KN的强化作用更加明显。分析其原因如下:10月份时,温度偏高,复合系统中生物总量和硝化菌所占的比例均高于污泥系统,因而复合系统的硝化反应速率要高于活性污泥系统的硝化反应速率;冬季,温度下降后,生物活性均有所下降,但复合系统由于生物量上的绝对优势以及在悬浮填料上可能还存在一些耐寒微生物[12],使其硝化反应速率仍大于污泥系统;由于该厂悬浮填料对NOB的富集效果强于AOB,因而KN的提高程度较KA大,尤其在冬季,KN的提高程度更加明显。
3 结 语
(1)在秋冬季节,活性污泥系统的比氨氧化速率(KA)普遍大于其比硝化速率(KN),复合系统的KA与KN则大体相当。
(2)无论活性污泥系统还是复合系统,从秋季到冬季,KA与KN均随温度下降而下降,且KA下降幅度均大于KN,但KA/KN值的变化趋势不同,活性污泥系统从1.6增大至1.9±0.3范围内,复合系统从1.26减小至0.93±0.08范围内。
(3)与活性污泥系统相比,复合系统在秋冬季节均能够在相当程度上提高活性污泥系统的KA和KN值,尤其是冬季对KN的提高程度更加明显,其KA-FH/KA-WN与KN-FH/KN-WN分别由秋季的3.14、3.91变为冬季的1.97±0.14、4.00±0.60。
(4)悬浮填料对AOB和NOB均有极强的富集作用,且对NOB的富集效果更好。
[1] 郑兴灿,孙永利,李鹏峰,等. 城镇污水处理系统一级A稳定达标及节能降耗关键技术[J]. 建设科技,2014(s1):36-38.
[2] 刘宇航,陆晓中,赵明,等. PVF悬浮填料的制备及其污水处理效果的研究[J]. 北京化工大学学报(自然科学版),2006(1):36-40.
[3] 刘宇航,陆晓中,赵明,等. EVA悬浮填料的制备及硝化反应的研究[J]. 中国塑料,2005(11):26-30.
[4] 夏四清,高廷耀,周增炎. 悬浮填料生物反应器去除有机污染物和氨氮的中试研究[J]. 给水排水,2000,26(2):42-45.
[5] 李倩,曹国凭,郑兴灿,等. 悬浮填料强化硝化功能及温度影响试验研究[J]. 中国给水排水,2013,29(5):50-54.
[6] 游佳,吴金香,郑兴灿. A2/O型氧化沟工艺中硝化速率的变化特征研究[J]. 中国给水排水,2011,27(19):75-77.
[7] 王兴春,杨致荣,王敏,等. 高通量测序技术及其应用[J]. 中国生物工程杂志,2012,32(1):109-114.
[8] HIEN T T N,VANG Q L,AVIAJA A H,et al. High diversity and abundance of putative polyphosphate-accumulating Testrasphaera-related bacteria in activated sludge systems[J]. FEMS Microbiology Ecology,2011,76(2):256-267.
[9] 李亚新. 活性污泥法理论与技术[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2007.
[10] 陈珺,王洪臣,BERNHARD Wett. 城市污水处理工艺迈向主流厌氧氨氧化的挑战与展望[J]. 给水排水,2015,41(10):29-34.
[11] 李泽兵,李军,李妍,等. 短程硝化反硝化技术研究进展[J]. 给水排水,2011,37(9):163-168.
[12] 胡友彪,张文涛,黄周满. 温度对MBBR和A/O工艺中污染物去除效果比较[J]. 环境科学与技术,2012,35(2):178-181.
[13] 王荣昌,王亚楠,赵建夫. 氨氮负荷对膜曝气生物膜反应器部分亚硝化性能的影响[J]. 环境科学学报,2015,35(4):991-998.
[14] 吴继滨,沈耀良,郭海娟. 生物膜反应器中低氨氮浓度废水的亚硝化[J]. 环境工程学报,2012(7):2261-2264.
[15] 陈杨武,胡爽,方露,等. 氨氧化古菌及其对环境因子的响应研究进展[J]. 应用与环境生物学报,2014(6):1117-1123.
[16] 尚会来,彭永臻,张静蓉,等. 温度对短程硝化反硝化的影响[J]. 环境科学学报,2009,29(3):516-520.
·征订启事·
欢迎订阅2017年《涂料工业》
《涂料工业》(月刊)是五核心期刊:中国科技核心期刊、中文核心期刊、RCCSE中国核心学术期刊、中国科学引文数据库核心期刊、中国核心期刊遴选数据库收录期刊。定位:中国涂料行业第一学术期刊。
《涂料工业》创刊于1959年,是中国发行历史最长的涂料涂装行业的专业性刊物,每月权威刊登国内外涂料、颜料、涂装及相关行业的热点专题、工艺技术、探索开发、涂装技术、标准检测、应用研究、健康安全环境、科学视点等专业技术文章。作为中国涂料及相关行业的专业技术刊物的代表,《涂料工业》也与欧美、亚太等国家和地区的涂料行业组织建立了长期合作关系。伴随中国几代涂料人成长的《涂料工业》,报道内容期期有重点,篇篇有特色,永远是各企业技术人员、管理人员和各院校师生的良师益友。
刊号CN 32-1154/TQ;国外发行代号M 551,全年定价120美元。
邮局订阅:邮发代号28-108,定价15元/册,全年12册,全年定价180元(含邮费)。
编辑部订阅:(1)纸板+快递,全年280元;(2)纸版,全年228元(含48元挂刷费);(3)纸版+电子版,全年320元(含100元快递费用);(4)电子版,全年180元。
地址:江苏省常州市龙江中路22号《涂料工业》编辑部(邮编213016)
订阅热线:0519-83277610
E-mail:asiacoat@yeah.net
官网网址:www.cn-pci.com
Effect of seasonal variation on the enhanced nitrification of suspended carriers
DUAN Yuqi1,3,YUAN Jian1,3,ZHENG Xingcan2,SUN Yongli2,CHEN Yi2,GAO Chenchen2,YOU Jia2
(1School of Environmental and Municipal Engineering,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China;2North China Municipal Engineering Design and Research Institute,Tianjin 300074,China;3Tianjin Key Laboratory of Aquatic Science and Technology,Tianjin 300384,China)
In order to discuss effect of seasonal variation on the enhanced nitrification of suspended carriers in typical engineering project,static breaker test method as well as the high-throughput sequencing method was employed to study variation of nitrification rate and composition of nitrobacteria of the activated sludge system and the combined process of suspended carriers and activated sludge system(shortened form combined process) in autumn and winter,based on a sewage treatment plant which adopted a modified A2/O-MBBR process in Qingdao. The results showed that the specific ammonia oxidation rate(KA) of the activated sludge system was generally greater than that of the specific nitrification rate(KN). However,the KAof combined process was roughly equivalent to that of KN. The KAand KNboth dropped as the temperature decreased in autumn and winter either for activated sludge system or combined process. KAdropped slightly larger than KN. Compared with activated sludge system,the KAand KNwere improved by combined process in autumn and winter,especially the KNin winter. Suspended carrier has significant enrichment ability for AOB and NOB,and better for NOB.
seasonal variation;suspended carriers;enhanced nitrification;AOB;NOB
X 703
A
1000-6613(2016)11-3677-06
10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.044
2016-04-11;修改稿日期:2016-06-15。
国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07313-001)。
段玉琪(1988—),男,硕士研究生。研究方向为水污染控制与资源化。E-mail duanyuqi2011@sina.com。联系人:员建,教授。E-mail yuanjian63@126.com。