吸附-全程自养脱氮(A-CANON)工艺处理实际市政污水

史 勤,常青龙,谢弘超,张铃敏,赵宇豪,王亚宜



吸附-全程自养脱氮(A-CANON)工艺处理实际市政污水

史 勤,常青龙,谢弘超,张铃敏,赵宇豪,王亚宜*

(同济大学环境科学与工程学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海污染控制与生态安全研究院,上海 200092)

以上海某污水处理厂市政污水为研究对象,考察市政污水在常温(25℃)条件下先经吸附段(A段)去除回收部分碳源后利用全程自养脱氮(CANON)工艺处理的脱氮效果.A-CANON工艺稳定运行175个周期, A段水力停留时间(HRT)=20min,DO=2mg/L, COD去除率始终高于60%,出水C/N降至1.5左右;CANON段出水中COD及TN浓度分别低于50mg/L和15mg/L,NH4+-N浓度一般低于5mg/L,基本满足城市污水厂一级A排放标准.16S rDNA高通量测序结果显示,采用A-CANON工艺后,CANON系统中的优势厌氧氨氧化菌属为_Jettenia和_Brocadia.其中,_Jettenia的丰度由第85周期的1.79%增加到第175周期的13.51%,较同期丰度降低1.4%的_Brocadia表现出更强的环境适应能力.研究结果表明采用A-CANON工艺可有效处理市政污水并回收其中碳源.为该工艺在市政污水处理中的应用提供了理论依据和技术支持,有望实现市政污水碳、氮处理的可持续性.

吸附-全程自养脱氮(A-CANON)；市政污水；常温；高通量测序

传统污水处理过程需要大量能耗,因此在有效去除氮素的前提下,高效回收利用污水中的资源也至关重要,可望实现能源的可持续发展.AB法[1]的吸附(A)段作为典型的高效活性污泥(HRAS)段,可通过生物富集污水中的有机物而后采用厌氧消化技术实现能量的回收,实际应用显示可实现108%的能源自给率[2].

全程自养脱氮(CANON)工艺由于具有耗氧量低,无需外加碳源等优势,是经济高效的生物脱氮工艺之一,已成功应用于高氨氮废水的处理,主要处理对象为污泥消化液和垃圾渗滤液[3-4].然而,市政污水低温､高碳氮比(C/N)(常在10~12[5])的特点限制了CANON工艺应用于主流市政污水的处理[6].例如,市政污水中的有机物能够提高污泥中异养菌的活性,但会导致异养菌和脱氮功能微生物氨氧化菌(AOB)及厌氧氨氧化菌(AnAOB)的底物竞争从而破坏CANON系统的稳定性[7-8].另一方面,研究也指出合适的C/N可实现厌氧氨氧化和反硝化菌的协同脱氮,获得更优的脱氮效果[9-11].可见,若成功将A段和CANON段偶联处理市政污水,既可以通过A段回收污水中的碳源,降低CANON段进水C/N,又可发挥CANON段优势降低污水处理能耗.然而,目前鲜有关于A-CANON应用于实际市政污水的研究报道.因此,研究其应用效果具有重要意义.

本研究将A段和经常温(25℃)驯化后的CANON段串联处理市政污水以考察A-CANON工艺的可行性.从生物脱氮、COD去除、功能微生物活性变化等方面研究该工艺的处理效果,为A- CANON工艺在城市市政污水处理中的应用提供技术依据,进而实现城市污水的低碳化和可持续发展.

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验采用2个序批式反应器SBR1(用于A段研究)和SBR2(用于CANON工艺).反应器有效容积均为2.5L,充水比0.6,底部设有曝气头,内部设置搅拌桨,转速为130rpm.SBR2设有水浴层,内置加热棒.

1.2 试验用水与污泥来源

SBR1的试验用水取自上海某污水厂曝气沉砂池出水,水样COD浓度为120~380mg/L, pH平均值7.6.接种污泥为该污水厂污泥,污泥浓度为3903mg/L.

SBR2的试验用水为SBR1的出水,接种污泥为本课题组现有CANON污泥.

1.3 反应器参数设定及运行条件

根据前期吸附实验的结果[12],设定A段水力停留时间(HRT)为20min,污泥停留时间(SRT)为7d,溶解氧(DO)为2.0mg/L.

CANON反应器进水采用A段出水,温度控制在25℃.每天运行6个周期,每周期4h,其中进水5min,预反应10min,反应180min,沉淀30min,出水10min,闲置5min.采用间歇曝气,每周期设置3个好氧/缺氧段(15min/30min),曝气段DO浓度大多控制在0.10mg/L.

1.4 指标测定与计算方法

每日分别取SBR1及SBR2进、出水各10mL,通过快速消解分光光度法检测COD含量.SBR2每周至少进行一次单周期监测,利用WTW在线监测仪测定pH值及DO.另在SBR2运行的特定时间节点取水样10mL,经0.45μm的膜头过滤后利用离子色谱检测三氮含量(NH4+-N、NO2--N和NO3--N).各指标设置三组平行样测量后取平均值.

按照厌氧氨氧化的理论计量学方程式,根据三氮数值计算总氮去除负荷[TNRR,kgN/(m3×d)]以及分别反映功能微生物AOB和NOB理论原位活性的氨氧化速率[AOR,gN/(m3×h)]和亚硝酸盐氧化速率[NOR,kgN/(m3×h)].具体计算方法如下:

式中:ΔTN表示一个周期内总氮浓度的减少量,mg/L; ∆TN’表示曝气过程中总氮浓度总的减少量,mg/L;表示一个周期的时间,h;∆表示一个周期内总曝气时间,h.应用Excel 2016及OriginPro 9.1进行数据处理和作图.

1.5 高通量16S rDNA测序

1.5.1 样品采集与保存 移液枪取8mL泥水混合液于10mL离心管中,离心去除上清液,于-20℃冰箱保存.

1.5.2 DNA提取与PCR扩增 采用E.Z.N.A.®soil试剂盒(Omega Bio-tek, Norcross, GA, U.S.)提取样品中细菌基因组DNA;用338F(5’-ACTCCTAC- GGGAGGCAGCAG-3’)和806R(5’-GGACTACH- VGGGTWTCTAAT-3’)引物对V3~V4可变区进行PCR扩增.

1.5.3 Illumina Miseq测序 使用2%琼脂糖凝胶回收PCR产物,利用AxyPrep DNA Gel Extraction Kit (Axygen Biosciences, Union City, CA, USA) 进行纯化,Tris-HCl洗脱,2%琼脂糖电泳检测.采用QuantiFluor™-ST (Promega, USA)进行检测定量.根据Illumina MiSeq平台(Illumina, San Diego,USA)标准操作规程构建PE 2*300的文库.

1.5.4 数据分析处理 原始测序序列使用Trimmomatic软件质控,FLASH软件拼接.采用UPARSE软件(version 7.1) 根据97%的相似度进行OTU聚类;使用UCHIME软件剔除嵌合体.利用RDP classifier对每条序列进行物种分类注释,比对Silva数据库(SSU123),设置比对阈值为70%.分类完成后,采用I-Sanger生信云平台统计各物种门、属比例并绘制相关柱状图.

2 结果与讨论

2.1 A段反应器的运行性能

如表1所示,A段反应器共运行697个周期,出水COD在50mg/L左右,最低可达32mg/L,基本满足城市污水厂一级B排放标准[GB 18918-2002] (COD<60mg/L).运行周期中COD的去除率始终高于60%,且随着运行的稳定,COD去除率最终维持在78%左右,表明A段吸附碳源效果较佳,该段污泥有利于进行后续的厌氧消化以实现碳源回收.此外,出水TN浓度相比于进水变化不大,表明A段的主要去除对象为COD.A段出水C/N在1.5左右,最高为2.86,基本满足CANON工艺的脱氮要求[13].

表1 A段反应器运行性能

2.2 CANON反应器的初始运行性能

CANON反应器采用人工配水先后经历53d的高温(33℃)培养及91d的常温(25℃)驯化,进水NH4+-N浓度约在300mg/L,出水NH4+-N浓度约为160mg/L,出水NO3--N浓度约为23mg/L.TNRR最终稳定在0.34kg-N(m3·d)左右,与Hendrickx等[14]利用气提池得到的研究结果相近.CANON系统中NOR基本为0,ΔNO3--N/ΔNH4+-N稳定在0.11左右,表明CANON系统运行稳定[15].

2.3 CANON段处理A段出水的运行性能

将A段与CANON段串联处理市政污水,整个体系运行175个周期.

如图1所示,由于CANON反应器的进水来源于A段出水,起初进水基质浓度的降低导致氨氧化速率受到限制,AOR降至10g-N/(m3·h)以下;NOB表现出一定活性,NOR维持在1g-N/(m3·h)左右.第85周期,CANON系统的ΔNO3--N/ΔNH4+-N上升到0.30,随着系统的稳定,该值逐渐降低至0.08左右,但仍然偏离理论值0.11较多,这可能是由于市政污水中剩余的COD导致反硝化细菌的增长,系统中存在反硝化作用.而在反应器运行后期,出水中NO3--N浓度逐渐由第140周期的10mg/L降至5mg/L,也间接表明了反硝化作用存在的可能性.在整个运行过程中,CANON反应器的TNRR随进水NH4+-N浓度的波动而波动,维持在0.05~0.09kg-N/(m³·d).

图1 A-CANON中CANON反应器运行性能

如图2所示,考察一个典型周期中各要素的变化情况.

图2 CANON反应器典型周期(第49个周期)内氮素、DO和pH值的变化曲线

由于市政污水TN较低,反应器曝气段DO浓度大多控制在0.1mg/L.周期初,TN为26.7mg/L, NO2--N为1.1mg/L,NO3--N为6.9mg/L,NH4+-N仅为18.7mg/L.由于NH4+-N浓度较低,第一个好氧段末仅积累2.5mg/L的NO2--N.每个好氧段虽然短程硝化的效果欠佳,但仍有少量NO2--N积累.随着反应进行,NH4+-N浓度减少,反应器好氧段DO因富余而升高,在第三个好氧段末时升高至0.4mg/L,同期pH值也随之升高,表明该好氧段中的短程硝化效果已经很弱.在周期末,反应器出水中TN浓度为14.1mg/L,NH4+-N浓度为4.9mg/L,达到了城市污水厂一级A的排放标准,表明用A-CANON工艺处理市政污水能够满足脱氮要求.

从典型周期来看,当采用CANON工艺处理A段出水,虽然CANON系统中NOB的活性不能完全被抑制,但出水TN浓度仍然较低,这可能是厌氧氨氧化和反硝化共同作用的结果[16-17].而前端A段处理降低C/N也有利于适当避免AnAOB和反硝化菌的过度竞争.

图3 CANON段处理市政污水的运行效果

此外,CANON段进出水NH4+-N、TN、COD和进水C/N情况如图3所示.进水池中COD浓度为31.2~70mg/L,进水TN浓度为30mg/L左右,进水C/N为1.01~2.86,主要集中在1.5左右.CANON段出水COD始终低于50mg/L,可以达到城市污水厂一级A的排放标准;在运行初期,出水TN浓度略高于15mg/L,随着反应器运行性能的稳定,出水TN逐渐降低,最终稳定在10mg/L左右,也可以满足城市污水厂一级A的排放标准;而出水NH4+-N浓度随着进水NH4+-N的变化而波动,约为5mg/L,一般能满足一级A的出水要求.整个系统共运行175个周期,出水COD浓度、TN及NH4+-N浓度基本能满足城市污水厂一级A的排放标准,表明当进水C/N在1.5左右时,CANON工艺可以稳定处理A段出水,A-CANON工艺对市政污水的处理效果可以达标.

2.4 市政污水对CANON污泥的影响

如图4,当采用A段出水作为CANON反应器进水后,CANON污泥中的絮体减少,颗粒边界更为清晰且颜色变暗,这可能是由于反应器对絮体的淘洗导致硝化菌少量减少[18]以及异养菌适量增长.

图4 CANON段污泥形态

左图.阶段初;右图.阶段末

2.5 反应器运行中微生物群落结构变化

在A-CANON串联的第1个周期从A段反应器取泥样命名为A,另在运行的第1、第85及第175个周期分别从CANON反应器中取泥样并命名为C1、C2和C3,进行16S rDNA高通量分析,结果如图5所示.

从“门”的水平看,共检测出15个菌门.其中,A样品中的变形菌门(Proteobacteria)相对丰度达到36.6%,对于A段实现COD降解的贡献作用不容小觑.CANON系统中涉及到脱氮性能的菌种主要包括Proteobacteria、浮霉菌门(Planctomycetes)和硝化螺旋菌门(Nitrospirae).其中,C1、C2、C3样品中Proteobacteria(AOB属于Proteobacteria)的相对丰度基本保持在20%,表明氨氧化性能较为稳定.

然而Planctomycetes(AnAOB属于Planctomycetes)的丰度波动较为明显,其在C1样品中的比例高达21.62%,而在C2样品中的占比下降到8.94%,这可能是由于A段出水氮负荷降低对CANON反应器中隶属于Planctomycetes门的微生物造成了冲击作用;随后,在C3样品中,Planctomycetes的占比回升至19.58%,显示出其对环境的适应能力.在4个样品中,Nitrospirae(亚硝酸盐氧化菌属于Nitrospirae)的占比分别为2.22%,0.24%,0.10%和0.08%,表明与A段串联后并未导致CANON系统中Nitrospirae的相对丰度提高,系统仍能维持良好的短程硝化.

从“属”的水平看,CANON中AnAOB的优势菌属有Jettenia和Brocadia, AOB主要有,NOB主要为,反硝化菌主要有.A-CANON串联处理市政污水后,A样品中相对丰度较高的菌属在C2和C3样品中的相对丰度并没有明显提高,说明A段出水中携带的该优势菌属对CANON系统中微生物种属的影响并不明显.在C1样品中,Brocadia作为AnAOB的优势菌种,丰度达到11.42%,说明常温更适合Brocadia的生长.Lotti等[19]也研究发现,甚至在6~15℃条件下,Brocadia仍能成为系统中的优势菌种.另一方面,也有研究认为,Brocadia在富含有机质的环境下能表现出较大的竞争优势[20].然而在本研究中,随着系统运行的延续,在C3样品中,Jettenia的丰度略高于Brocadia(达到13.51%)也表现出一定的竞争优势.

图6显示了系统中_、_、、和在污泥样品中相对丰度的变化.

图6 污泥样品中AnAOB、AOB、NOB和denitrifying bacteria菌属相对丰度的变化

A:A-CANON运行第1个周期时A段反应器内的泥样;C1~C3:A- CANON运行的第1、第85及第175个周期时CANON反应器内的泥样

当CANON段采用A段出水后,在C2样品中_Jettenia和Brocadia的相对丰度均下降,这可能是由于氮负荷降低冲击造成.在C3样品中,Brocadia的相对丰度继续下降了1.4%,而Jettenia的相对丰度由1.79%上升到13.51%,说明Jettenia对环境的适应能力更强.从C1样品到C3样品,和的相对丰度持续下降,表明处理A段出水并未造成CANON系统中NOB的快速增殖,这也可能与A段出水中基质较低有关.

3 结论

3.1 采用A-CANON工艺处理常温市政污水,稳定运行后出水中COD浓度低于50mg/L,TN浓度低于15mg/L,NH4+-N浓度基本低于5mg/L,出水基本满足城市污水厂一级A的排放标准,表明A-CANON工艺处理市政污水具有可行性.

3.2 16S rDNA高通量测序结果表明,AOB菌属主要为, AnAOB 菌属主要为_Jettenia和Brocadia, NOB菌属主要为.当采用A-CANON工艺处理常温市政污水后,A段出水并未导致CANON系统中Nitrospirae的相对丰度提高,系统仍能维持较好的短程硝化,但起初会对AnAOB造成短期冲击,随后_Jettenia丰度上升至13.51%,较Brocadia表现出更强的适应能力.

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The performance of the adsorption (A)-CANON process treatment municipal wastewater.

SHI Qin, CHANG Qing-long, XIE Hong-chao, ZHANG Ling-min, ZHAO Yu-hao, WANG Ya-yi*

(Shanghai Institute of Pollution Control and Ecological Security, State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse, College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)., 2019,39(2)：598~603

Adsorption (A)-CANON process was proposed to verify the feasibility of using this process to treat municipal wastewater from wastewater treatment plants. The adsorption unit was established for the carbon adsorption and recycling, then the low C/N wastewater (effluent of the A unit) entered the CANON unit for the autotrophic nitrogen removal. This process ran stably for 175 cycles and exhibited robust carbon and nitrogen removals. At HRT=20min and DO=2mg/L, the removal efficiency of COD in the A unit reached more than 60% with effluent C/N declining to about 1.5. In the CANON unit, the effluent COD, TN and NH4+-N were lower than 50mg/L, 15mg/L and 5mg/L, respectively, which basically have met the wastewater discharge standard for A standard, first class. The 16S rDNA high throughput sequencing showed that the dominant anammox bacteria was_Jettenia andBrocadia._Jettenia can adaptable for the low ammonia and normal temperature environment better than_Brocadia while using the A-CANON process, i.e. the abundance of_Jettenia increased from 1.79% in the 85thcycle to 13.51% in the 175thcycle while that ofBrocadia reduced by 1.4%. The results proved that the A-CANON process can treat municipal sewage effectively as well as recycle the carbon, which provides theoretical basis and technical support for its sustainable application on municipal wastewater treatment.

A-CANON；municipal wastewater；room temperature；high-throughput sequencing

X703.1

A

1000-6923(2019)02-0598-06

史 勤(1995-),女,浙江杭州人,同济大学硕士研究生,主要从事污水生物处理理论与应用研究.

2018-07-14

国家自然科学基金资助项目(51522809)

* 责任作者, 教授, yayi.wang@tongji.edu.cn