厌氧氨氧化耦合反硝化底物竞争抑制特性

杨京月,郑照明,李 军,杜 佳,马 静



厌氧氨氧化耦合反硝化底物竞争抑制特性

杨京月,郑照明,李 军*,杜 佳,马 静

(北京工业大学国家工程实验室,北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心,北京 100124)

通过连续流实验和批式实验研究了有机物和NO2--N对厌氧氨氧化菌和反硝化菌耦合脱氮特性的影响.在连续流实验中,保证底物NO2--N充足,研究了葡萄糖有机物对厌氧氨氧化颗粒污泥反应器脱氮性能的影响.当进水葡萄糖有机物的COD浓度为100mg/L时,颗粒污泥具有良好的厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮活性,当COD浓度为200mg/L时,颗粒污泥的厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮活性较差.当进水COD浓度分别为100,200mg/L时,反应器中颗粒污泥的厌氧氨氧化NH4+-N去除活性分别为0.096,0.071kg NH4+-N/(kgVSS•d),厌氧氨氧化NO2--N去除活性分别为0.153,0.092kg NO2--N/(kgVSS•d),反硝化NO2--N去除活性分别为0.111,0.212kg NO2--N/(kgVSS•d).在批式实验中,研究了碳源种类和COD/NO2--N比对厌氧氨氧化耦合反硝化颗粒污泥脱氮性能的影响.控制COD/NO2--N比为1~4,以葡萄糖为碳源时,厌氧氨氧化菌在亚硝态的竞争过程中占据优势;以乙酸钠为碳源时,控制COD/NO2--N比为1~4,厌氧氨氧化菌在亚硝态的竞争过程中处于劣势.

厌氧氨氧化；颗粒污泥；碳源种类；COD/NO2--N比；亚硝态氮

传统生物脱氮工艺采用硝化反硝化技术,曝气能耗高、污泥产量大、需要额外投加外碳源[1].厌氧氨氧化是一种经济便捷的脱氮方式,厌氧氨氧化菌以NH4+-N为电子供体,以NO2--N为电子受体,生成N2和少量NO3--N[2].但是,厌氧氨氧化菌的生长速率缓慢,倍增时间长达11d,研究发现,有机物的存在会抑制厌氧氨氧化菌的脱氮性能[3-5].有机物的主要抑制机理有两种:一是基质竞争抑制,在厌氧氨氧化反应器中,非毒性有机物的存在会促进反硝化菌的大量繁殖,与厌氧氨氧化菌竞争底物亚硝态氮[6-9];二是毒性抑制,毒性有机物的存在会直接抑制厌氧氨氧化菌的活性[6,10-11].

其中基质竞争的抑制作用与有机物的浓度及种类,亚硝态氮浓度和厌氧氨氧化菌的聚集状态有关[12-15].碳源种类和COD/NO2--N比都会影响厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮性能.有机物的代谢途径越复杂,污泥的反硝化速率越低[9,14,16-17].厌氧氨氧化颗粒污泥中厌氧氨氧化菌的生物密度较高,而且颗粒污泥存在传质阻力,表面含有丰富的胞外多聚物,有助于缓解外界环境对厌氧氨氧化菌的抑制作用[15,18].相关研究通过批式实验表明,对于厌氧氨氧化耦合反硝化污泥,当底物亚硝态氮浓度不足时,较高浓度的葡萄糖有机物会明显抑制污泥的厌氧氨氧化活性;但是当底物亚硝态氮充足时,葡萄糖有机物对污泥厌氧氨氧化活性的抑制作用得以缓解[12-13].研究人员还通过长期实验考察了有机物浓度对厌氧氨氧化反应器脱氮性能的影响[7,19].但是在相关研究中,反应器内的亚硝态氮浓度常处于不足的状态,亚硝态氮的缺乏也会抑制厌氧氨氧化菌的活性,不能很好地反映厌氧氨氧化反应器对有机物的极限承受能力.相关连续流实验研究表明向反应器中添加足量亚硝态氮后,有助于缓解葡萄糖有机物对厌氧氨氧化反应器的抑制作用[20],但是他们的研究没有深入分析有机物对反应器中污泥脱氮活性的影响.

本研究拟通过批式实验和连续流反应器系统地考察在底物亚硝态氮充足的条件下,葡萄糖有机物浓度对厌氧氨氧化颗粒污泥反应器脱氮性能的影响.分别以葡萄糖和乙酸钠为有机物,研究COD/ NO2--N比对厌氧氨氧化耦合反硝化颗粒污泥脱氮性能的影响.以期为厌氧氨氧化耦合反硝化工艺在污水处理中的工程应用提供技术支持.

1 材料和方法

1.1 试验装置

图1为试验采用的UASB厌氧氨氧化颗粒污泥反应器.反应器有效容积为10L,外部包裹黑色软性材料以避光,进水由蠕动泵打入反应器底部,通过水浴控制反应器内温度为25℃,颗粒污泥上方填充直径为2.5cm的鲍尔环载体以减少污泥的流失.

1.2 接种污泥和反应器进水

1.2.1 接种污泥 接种厌氧氨氧化颗粒污泥4L,挥发性悬浮固体为45g/L.颗粒污泥取自本实验室一个体积为50L的UASB厌氧氨氧化反应器,颗粒污泥平均粒径为2mm.

1.2.2 反应器进水水质 反应器进水采用人工配水,主要成分为NH4Cl, NaNO2, NaHCO3, KH2PO4, MgSO4·7H2O, CaCl2,葡萄糖和微量元素.微量元素的成分和添加量参照文献[10,21].NaHCO3, KH2PO4, MgSO4·7H2O, CaCl2的相应浓度分别为1.25,0.01,0.3和0.0056g/L.实验分为4个阶段,各阶段进水NH4Cl, NaNO2和葡萄糖浓度见表1.由于有机物的加入会促进反硝化菌的生长,反硝化菌会利用有机物和亚硝态氮.为了保证底物亚硝态氮充足,在实验的不同阶段,相应地提高进水亚硝态氮的浓度.进水葡萄糖浓度以CODGr表示,取CODGr/葡萄糖=1.07g/g.

图1 UASB反应器示意

1.进水泵; 2.取样口; 3.鲍尔环; 4.颗粒污泥; 5.温度计; 6.出水; 7.加热棒; 8.出气口

表1 连续流反应器各阶段运行工况

1.3 批式实验装置及其运行条件

1.3.1 批式实验水质 通过批式实验测定不同阶段颗粒污泥的厌氧氨氧化活性,反硝化活性以及厌氧氨氧化耦合反硝化特性.主要配水组分为NH4Cl, NaNO2和乙酸钠.各脱氮活性测定时的配水组分浓度见表2.

1.3.2 批式实验装置和程序 采用500mL血清瓶,控制实验温度为30℃.在阶段1(30d),阶段2(60d),阶段3(90d)和阶段4(120d)中,取反应器内的颗粒污泥进行厌氧氨氧化活性,反硝化活性以及厌氧氨氧化耦合反硝化特性的测定,操作方法参照文献[14,22].在阶段4(120d),取反应器内的颗粒污泥,分别以葡萄糖和乙酸钠为碳源,研究COD/NO2--N比对颗粒污泥耦合脱氮性能的影响,操作方法参照文献[14].

表2 脱氮活性测定时的配水组分(mg/L)

1.4 分析方法

NH4+-N:纳氏试剂光度法; NO2--N:N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法; NO3--N:麝香草酚分光光度法; MLSS、MLVSS:重量法;温度:WTW/Multi 3420测定仪.取NH4+-N, NO2--N和NO3--N浓度之和为TIN浓度.

1.5 计算方法

分别对反应器以及批式实验中的厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮性能进行分析,计算公式如下:

厌氧氨氧化NO2--N去除比例(1)和反硝化NO2--N去除比例(2)的计算如下:

式中:(NO2--N)in和(NO2--N)eff分别为反应器进水和出水NO2--N浓度;Δ(NO2--N)denitrification, Δ(NO2--N)anammox和Δ(NO2--N)total分别为反硝化、厌氧氨氧化和总的NO2--N去除量.

2 结果与讨论

2.1 亚硝态氮足量时反应器的厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮性能

底物亚硝态氮足量时,葡萄糖浓度对厌氧氨氧化反应器脱氮性能的影响如图2和图3所示.从阶段1至阶段4,反应器的进水NH4+-N浓度平均值维持为50mg/L,水力停留时间维持为0.96h.阶段1(0~30d)进水中未添加葡萄糖有机物,反应器具有良好的厌氧氨氧化性能.进水NH4+-N、NO2--N和NO3--N浓度平均值分别为50,66,4.0mg/L,出水NH4+-N, NO2--N和NO3--N浓度平均值分别为1.2,7.1, 15.6mg/L, NH4+-N和NO2--N的平均去除率分为97.5%和90.0%.阶段2至阶段4进水中添加不同浓度的葡萄糖有机物,其COD浓度分别为50,100, 200mg/L.为了保证反应器内的底物亚硝态氮足量,阶段2至阶段4反应器的进水NO2--N浓度平均值分别为100,110,110mg/L,这3个阶段的出水NO2--N浓度为11.9~35.6mg/L.

图2 厌氧氨氧化颗粒污泥反应器的脱氮性能

图3 反应器NH4+-N去除率及不同过程NO2--N去除比例

阶段2和阶段3反应器的NH4+-N去除性能较为稳定,出水NH4+-N浓度平均值均为1.0mg/L, NH4+-N平均去除率均为97.8%;阶段4反应器的NH4+-N去除性能逐渐变差,出水NH4+-N浓度逐渐增加,表明反应器的厌氧氨氧化性能逐渐降低,到第120d,出水NH4+-N浓度上升至13.4mg/L, NH4+-N去除率降低至73.4%.从阶段2至阶段4,随着进水有机物浓度的增加,反应器中厌氧氨氧化过程消耗的NO2--N比例逐渐降低,反硝化过程消耗的NO2--N比例逐渐增加.阶段2反应器中厌氧氨氧化过程消耗的NO2--N比例从100%降低至83.6%;阶段3反应器中厌氧氨氧化过程消耗的NO2--N比例变化较小,平均值为79%;阶段4反应器中厌氧氨氧化过程消耗的NO2--N比例从75.5%降低至61.9%.

一些研究人员通过批式实验研究了葡萄糖有机物对厌氧氨氧化耦合反硝化污泥的影响.杨洋等[12]的研究表明,当葡萄糖有机物的COD浓度超过200mg/L且底物亚硝态氮不足时,污泥的厌氧氨氧化活性明显受到抑制;但是在底物亚硝态氮充足的情况下,污泥的厌氧氨氧化活性基本恢复至不加有机物的水平.吕永涛等[13]的研究也表明,当批式装置内底物亚硝态氮不足且葡萄糖有机物的COD浓度分别为0,70mg/L时,污泥的厌氧氨氧化NH4+-N去除速率分别为0.189,0.05kg N/(kg VSS•d);在底物亚硝态氮充足且葡萄糖有机物COD浓度为100mg/L时,有机物对污泥的厌氧氨氧化NH4+-N去除速率基本无影响.此外,研究人员也通过长期实验考察了有机物浓度对厌氧氨氧化反应器脱氮性能的影响. Chamchoi等[19]以全脂牛奶为有机物,研究结果表明当进水COD浓度为100~200mg/L时,厌氧氨氧化菌能够有效地竞争亚硝态氮;当进水COD浓度超过300mg/L时,反应器中厌氧氨氧化菌的活性受到强烈抑制. Tang等[7]以蔗糖为有机物,研究结果表明当进水COD浓度分别为100,200,300mg/L时,厌氧氨氧化菌的活性良好,厌氧氨氧化NO2--N去除量占总NO2--N去除量的比例分别为83.3%, 65.3%和55.3%;当进水COD浓度为700mg/L时,反应器中厌氧氨氧化菌的脱氮性能恶化, 厌氧氨氧化过程消耗的NO2--N比例降低至2.1%.但是,在Chamchoi等[19]和Tang等[7]的研究中,当有机物对反应器的厌氧氨氧化性能产生强烈抑制作用时,反应器内的底物亚硝态氮都处于不足的状态,不能很好地反映反应器对有机物负荷的极限承受性能.

在本研究中,阶段2至阶段4反应器内底物NO2--N充足,阶段2和阶段3进水COD浓度分别为50,100mg/L,反应器的平均NH4+-N去除率达97.8%;阶段4进水COD浓度为200mg/L,反应器的NH4+-N去除率降低至73.4%,厌氧氨氧化过程消耗的NO2--N比例从75.5%降低至61.9%.研究结果与Chamchoi等[19]和Tang等[7]的研究结果相近,但是不同于杨洋和吕永涛等[12-13]的研究结果.因此,维持充足的进水亚硝态氮不能有效提高厌氧氨氧化颗粒污泥反应器对有机物的承受能力.分析原因,首先,一些研究表明,在小分子非抑制性有机物存在的条件下,经过富集培养,厌氧氨氧化菌的优势菌群发生转变,代谢途径具有多样性[6, 23-24].富集后的厌氧氨氧化菌能以NO2--N或NO3--N为电子受体氧化丙酸或乙酸.当厌氧氨氧化菌的代谢途径发生改变之后,反应器的NH4+-N去除性能变差.厌氧氨氧化菌代谢途径的转变对反应器脱氮性能的影响,有待于结合分子生物学技术和批式实验进行深入分析.其次, 当反应器中存在有机物、氨氮和亚硝态氮时,反硝化菌和厌氧氨氧化菌同时利用底物进行代谢生长.但是反硝化菌为异养型细菌,其细胞产率远远高于厌氧氨氧化菌,反硝化菌逐渐占据颗粒污泥的有效空间[25].颗粒污泥中厌氧氨氧化菌的生物密度降低,反硝化菌的生物密度增加,从而导致反应器的厌氧氨氧化性能降低.

2.2 各阶段反应器中颗粒污泥的脱氮活性

为了明确葡萄糖有机物对反应器中颗粒污泥脱氮活性的影响,取各阶段反应器中的颗粒污泥,通过批式实验确定其脱氮活性.图4为各阶段颗粒污泥的厌氧氨氧化活性和反硝化活性批式实验结果.实验以乙酸钠为碳源,阶段1至阶段4颗粒污泥的厌氧氨氧化NH4+-N去除活性分别为0.101,0.106, 0.096,0.071kg NH4+-N/(kgVSS×d), NO2--N的去除活性分别为0.129,0.169,0.153,0.092kg NO2--N/ (kgVSS×d),反硝化活性分别为0.004,0.046,0.111, 0.212kg NO2--N/(kgVSS×d).阶段1至阶段3颗粒污泥的厌氧氨氧化NH4+-N去除活性相近,但是阶段4颗粒污泥的厌氧氨氧化NH4+-N去除活性比阶段1降低了29.3%;从阶段1至阶段4,颗粒污泥的反硝化活性显著增强.阶段2至阶段4颗粒污泥的厌氧氨氧化NO2--N去除活性分别是反硝化NO2--N去除活性的3.6,1.4和0.4倍.图5为阶段2至阶段4反应器中颗粒污泥厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮批式实验结果.实验以乙酸钠为碳源,阶段2至阶段4颗粒污泥厌氧氨氧化过程的NO2--N去除比例分别为73.67%,54.99%和26.41%.阶段2和3颗粒污泥的厌氧氨氧化菌在NO2--N竞争中占据优势,但是阶段4厌氧氨氧化菌在NO2--N的竞争中处于劣势.

图4 各阶段颗粒污泥的脱氮活性

图5 各阶段颗粒污泥的厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮特性

在连续流实验中,阶段4反应器中的厌氧氨氧化菌在NO2--N竞争中占据优势.批式实验和连续流实验结果不同,其原因可能为批式实验和连续流实验采用的碳源不同,批式实验以乙酸钠为碳源,连续流实验以葡萄糖为碳源,乙酸钠和葡萄糖需要经过不同的代谢途径才能被反硝化菌利用[14,16].乙酸钠经过简单的代谢途径与辅酶A结合形成乙酰辅酶A,直接进入TCA循环,反硝化速率较快[14,26-27].葡萄糖需首先转化为丙酮酸,丙酮酸被转化为乙酰辅酶A再进入TCA循环,反硝化速率较慢[27].因此,反硝化菌对碳源的不同代谢途径也影响了厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮性能.

2.3 葡萄糖和乙酸钠对厌氧氨氧化耦合反硝化颗粒污泥脱氮特性的影响

为了明确葡萄糖和乙酸钠对厌氧氨氧化耦合脱氮颗粒污泥的影响,取阶段4(第120d)颗粒污泥进行批式实验.分别以葡萄糖和乙酸钠为碳源,研究颗粒污泥在不同COD/NO2--N比条件下的耦合脱氮性能.图6为耦合脱氮批式实验结果.批式实验初始NO2--N浓度为70mg/L.当以葡萄糖为碳源,COD/ NO2--N比分别为1,2,4时,颗粒污泥厌氧氨氧化过程的NO2--N去除比例分别为93.1%,69.1%和50.5%;当以乙酸钠为碳源,COD/NO2--N比分别为1,2,4时,颗粒污泥厌氧氨氧化过程的NO2--N去除比例分别为47.1%,30.1%和28.3%.随着COD/NO2--N比的增加,厌氧氨氧化过程的NO2--N去除比例逐渐降低.控制COD/NO2--N比为1~4,以葡萄糖为碳源时,厌氧氨氧化过程的NO2--N去除比例大于50%,厌氧氨氧化菌比反硝化菌具有更强的亚硝态竞争能力,颗粒污泥可以实现良好的耦合脱氮;控制COD/NO2-- N比为1~4,以乙酸钠为碳源时,厌氧氨氧化菌在亚硝态的竞争过程中处于劣势,不利于颗粒污泥的耦合脱氮.

图6 碳源种类和COD/NO2--N比对颗粒污泥耦合脱氮性能的影响

郑照明等[14]通过批式实验研究了COD/NO2--N比对厌氧氨氧化耦合反硝化生物膜脱氮性能的影响.研究结果表明,以乙酸钠为碳源,当COD/NO2--N比为0~2时,厌氧氨氧化过程的NO2--N去除比例大于50%,厌氧氨氧化耦合反硝化生物膜可以实现良好的耦合脱氮;当COD/NO2--N比大于2时,厌氧氨氧化菌在亚硝态的竞争过程中处于劣势.当以葡萄糖为外加碳源并且COD/NO2--N比为5时,厌氧氨氧化耦合反硝化生物膜可以实现良好的耦合脱氮.其他研究人员通过长期实验考察了COD/NO2--N比对厌氧氨氧化反应器脱氮性能的影响. Chamchoi等[19]以全脂牛奶为有机物,当进水COD/NO--N比为2~3时,厌氧氨氧化反应器中的厌氧氨氧化菌活性良好;当COD/NO--N比大于3时,反应器中厌氧氨氧化菌的脱氮性能恶化. Tang等[7]以蔗糖为有机物,当进水COD/NO2--N比为1.25时,厌氧氨氧化反应器中的厌氧氨氧化菌活性良好,厌氧氨氧化过程的NO2--N去除比例为55.3%;当进水COD/NO2--N比为2.92时,反应器中厌氧氨氧化菌的脱氮性能恶化,厌氧氨氧化过程的NO2--N去除比例降低至2.1%.本研究的批式实验结果表明,阶段4厌氧氨氧化耦合反硝化颗粒污泥对葡萄糖和乙酸钠有机物的耐受能力优于Chamchoi等[19]和Tang等[7]的研究结果,但是低于郑照明等[14]的研究结果.和郑照明等[14]的研究相比,本研究的连续流实验中,进水有机物浓度和NO2--N浓度较高,有利于反硝化菌生长,颗粒污泥的反硝化活性更高,所以在批式实验中,反硝化菌的亚硝态氮竞争能力也更强.

2.4 各阶段反应器颗粒污泥照片

图7 各阶段颗粒污泥照片

图7为各阶段反应器中颗粒污泥的照片.阶段1颗粒污泥呈鲜艳的砖红色,从阶段2至阶段4,颗粒污泥内部黑色区域逐渐增加.汪彩华等[28]的研究表明,厌氧氨氧化菌混培物活性与血红素c含量有直接相关性.结合反应器的脱氮性能和批式实验结果,表明颗粒污泥中厌氧氨氧化菌的生物密度逐渐降低,反硝化菌的生物密度逐渐增加.从而使得颗粒污泥的厌氧氨氧化活性降低,反硝化活性增加.

3 结论

3.1 当底物亚硝态氮足量且进水中葡萄糖有机物的COD浓度为100mg/L时,厌氧氨氧化颗粒污泥反应器可以实现良好的耦合脱氮性能.反应器的NH4+-N平均去除率为97.8%,厌氧氨氧化过程的NO2--N去除比例为83.6%~100%,颗粒污泥的厌氧氨氧化NH4+-N去除活性为0.096kg NH4+-N/ (kgVSS×d),厌氧氨氧化NO2--N去除活性为0.153kg NO2--N/(kgVSS×d),反硝化NO2--N去除活性为0.111kg NO2--N/(kgVSS×d).

3.2 当底物亚硝态氮足量且进水中葡萄糖有机物的COD浓度为200mg/L时,厌氧氨氧化颗粒污泥反应器仍具有良好的耦合脱氮性能,但是颗粒污泥的厌氧氨氧化活性受到较强的抑制.反应器的NH4+-N去除率降低至73.4%,厌氧氨氧化过程的NO2--N去除比例为61.9%~75.5%,颗粒污泥的厌氧氨氧化NH4+-N去除活性为0.071kg NH4+-N/(kgVSS×d),厌氧氨氧化NO2--N去除活性为0.092kg NO2--N/ (kgVSS×d),反硝化NO2--N去除活性为0.212kg NO2--N/(kgVSS×d).

3.3 分别以葡萄糖和乙酸钠为碳源时,颗粒污泥的厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮性能具有显著差异.对于阶段4的颗粒污泥,在批式过程中,以葡萄糖为碳源时,控制COD/NO2--N比为1~4,颗粒污泥具有良好的耦合脱氮性能,厌氧氨氧化过程的NO2--N去除比例大于50%;以乙酸钠为碳源时,控制COD/ NO2--N比为1~4,厌氧氨氧化菌在亚硝态的竞争过程中处于劣势,不利于颗粒污泥的耦合脱氮.

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YANG Jing-yue, ZHENG Zhao-ming, LI Jun*, DU Jia, MA Jing

(National Engineering Laboratory for Advanced Municipal Wastewater Treatment and Reuse Technology, Engineering Research Center of Beijing, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)., 2018,38(8)：2947~2953

The effect of organic matters and nitrite on the anaerobic ammonium oxidation (anammox)-denitrification coupling process was studied in a continuous flow reactor and batch tests. During the continuous flow experiment, the effect of glucose on the nitrogen removal performance of the anammox granules reactor was investigated with the addition of sufficient nitrite. As a result, the granules performed excellent anammox-denitrification coupling activities with the COD concentration of 100mg/L. While the COD concentration was improved to 200mg/L, the granules performed bad anammox-denitrification coupling activities. With the COD concentrations of 100 and 200mg/L, the corresponding ammonium removal activities of granules through anammox process were 0.096 and 0.071kg NH4+-N/(kgVSS•d). The nitrite removal activities of granules through anammox process were 0.153 and 0.092kg NO2--N/(kgVSS•d). Meanwhile, the corresponding denitrification activities of the granules were 0.111 and 0.212kg NO2--N/(kgVSS•d). As for the batch tests, the effect of carbon sources and chemical oxygen demand (COD)/NO2--N ratios on the nitrogen removal performance of the anammox-denitrification coupling granules was analyzed. With the carbon source of glucose and the COD/NO2--N ranges of 1 to 4, the anammox bacteria performed greater nitrite competitive ability than denitrifiers. However, with the carbon source of sodium acetate and the COD/NO2--N ranges of 1 to 4, the anammox bacteria performed lower nitrite competitive ability than denitrifiers.

anammox；granules；carbon source；COD/NO2--N ratios；nitrite

X703.5

A

1000-6923(2018)08-2947-07

杨京月(1993-),女,河北唐山人,北京工业大学硕士研究生,主要从事厌氧氨氧化脱氮研究.

2018-01-16

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07103);北京市自然科学基金资助项目(8172012)

* 责任作者, 教授, jglijun@bjut.edu.cn