连续/间歇曝气MBBR-亚硝化工艺性能及N2O释放特性

张 哲,张 姚,刘清华,刘 超,王亚宜*

连续/间歇曝气MBBR-亚硝化工艺性能及N2O释放特性

张 哲1,张 姚1,刘清华1,刘 超2,王亚宜1*

(1.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；2.上海环境卫生工程设计院有限公司,上海 200092)

采用移动床生物膜反应器(MBBR),利用载体固定化氨氧化菌(AOB),分别以连续曝气和间歇曝气方式长期平行运行两套MBBR亚硝化反应器(RC和RI反应器),分析对比不同曝气方式下亚硝化工艺性能和强温室气体(N2O和NO)释放特性.结果表明:两种曝气方式均能实现亚硝化工艺,但RI出水NO2--N平均浓度较RC高20%左右,且出水NO2--N和NO3--N浓度波动性更小,因此间歇曝气条件下具有更好的亚硝化效果,更易形成稳定的亚硝化体系.在线测定两种体系N2O和NO释放特性可知,RC比RI减少NO释放量约87.3%,增加N2O释放量约57.5%.16S rDNA高通量测序结果表明,为AOB主要菌属,相对丰度最高分别为8%和10.06%,最低分别为2.19%和2.26%.间歇曝气方式下反应器可获得更高的AOB相对丰度.

亚硝化；移动床生物膜反应器；曝气方式；氨氧化菌

亚硝化,即短程硝化,是指在有氧条件下利用氨氧化菌(AOB)将氨氮(NH4+-N)氧化为亚硝酸盐氮(NO2--N)的过程.实现亚硝化的关键在于将硝化反应控制在氨氧化阶段,避免进一步氧化生成硝酸盐氮(NO3--N).在实际运行时,亚硝化的控制要点主要包括温度、游离氨和游离亚硝酸、溶解氧(DO)及抑制剂等[1].其中,DO是实现亚硝化的一个关键参数[2]. Brockmann等[3]和Wu等[4]研究认为DO甚至是控制亚硝化最关键的因素.Regmi等[5]也认为仅通过控制曝气方式和DO来实现主流短程硝化是最佳可行的.因此,合理控制亚硝化工艺中的DO浓度显得尤为重要.相关研究表明,AOB和NOB对DO的半饱和系数分别为0.2~0.5,0.34~2.5mg/L,AOB对DO的亲和力较NOB强[6].因此,低DO环境有利于筛除NOB而使AOB成为优势菌种,从而实现稳定的亚硝化[3]. Canziani等[7]通过控制DO浓度在0.2~0.5mg/L,实现了进水NH4+-N转化为NO2--N比率超过90%; Slieker等[8]研究了低DO条件下AOB和NOB竞争情况,结果表明在NH4+-N充足条件下,NH4+-N可完全转化为NO2--N,未发现NOB的增殖,而在NH4+-N受限的条件下,NH4+-N则会完全转化为NO3--N.故可通过连续低氧曝气,将体系DO控制在低DO水平(如0.5mg/L左右),充分发挥AOB在低DO条件下的生态适应性,抑制NOB的生长,使AOB成为系统中的优势菌属,达到NO2--N积累效果.另外,也有研究表明,由于AOB能够适应DO的周期性波动,而NOB则会在高低DO交替过程中失去活性优势遭到淘汰,所以可通过控制DO高低水平的交替运行来实现亚硝化.基于此,间歇曝气(缺氧好氧交替运行)被视为实现亚硝化的有效手段[9].Gabarró等[10]在SBR中通过间歇曝气成功运行部分亚硝化,并为后段厌氧氨氧化提供适宜的进水水质;Ge等[11]通过在连续进水反应器中适当交替缺氧/好氧条件,实现城市废水的完全亚硝化,从而将进水中NH4+-N完全转化为NO2--N.

以上研究表明连续低氧曝气和间歇曝气均可实现亚硝化.但上述研究分别在不同体系中进行,仅通过NH4+-N、NO2--N及NO3--N转化及去除率来评判亚硝化的实现与否,并未得出相同体系下两种曝气方式中哪一种更占优势.本试验以连续/间歇曝气方式同时运行两个MBBR-AOB生物膜反应器,用NH4+-N、NO2--N及NO3--N转化及去除速率、N2O及NO释放量和微生物种群结构特征等指标系统分析两种曝气方式的优劣,为亚硝化工艺的实际应用提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验装置

本试验使用两套移动床生物膜反应器(MBBR),分别命名为RC和RI,其中RC采用连续曝气方式(continuous aeration)供氧,RI采用间歇曝气方式(intermittent aeration)供氧(好氧20min/缺氧15min).反应器内径15cm,高度30cm,超高6cm,有效容积6L,设有水浴控制反应器、蠕动泵、环形曝气软管及搅拌装置.控制进水流速为(0.55±0.2)L/h,水力停留时间(HRT)为(12±4)h.

1.2 试验材料和用水

RC和RI填料取自已成功运行180d的小试MBBR反应器.填料型号为k2型轻质填料,材质为聚乙烯,单个表面积为0.0026m2.

试验用水为人工配置的废水.其主要成分如下(g/L): NH4HCO3/NH4Cl (按需配制), NaHCO3(按需配制, NH4+:HCO3-=1:2,物质的量之比)、KH2PO40.025、CaCl20.3、MgSO4·7H2O0.3、FeSO4·7H2O0.00625、Na2EDTA0.00625和微量元素浓缩液1.5mL/L[12].其中,微量元素浓缩液包括(g/L):H3BO30.014、CoCl2·2H2O0.24、CuSO4·5H2O0.25、ZnSO4·7H2O0.43、MnCl2·4H2O0.99、NiCl2·6H2O0.19、NaMoO4·2H2O0.22、Na2WO4·2H2O0.050、Na2SeO4·10H2O0.21、EDTA15[6].

1.3 反应器运行条件及运行参数

RC和RI两套MBBR装置共长期运行约160d.根据反应器进出水水质及处理效果,可将其大致分为3个阶段,各阶段运行条件及运行参数如表1所示.

1.4 指标测定与计算方法

NH4+-N、NO2--N和NO3--N采用离子色谱法(ICS-5000+);pH 值、水温、DO 浓度均使用 WTW 在线监测仪;N2O、NO分别选用N2O在线气体分析仪(ABB AO2020Uras26)和NO在线分析仪(2B Technologies ML410)监测.

表1 反应器运行条件及运行参数

氨氧化速率计算:亚硝化生物膜系统中功能微生物主要为氨氧化菌(AOB),其活性在一定程度上可通过其对NH4+-N的氧化降解速率来表征,以AOR(ammonia oxidation rate,单位mg N/(L·h))表示.首先,配制150mg/L左右的NH4+-N废水,所加药品及微量元素如前述.其次,将所配废水加至反应器中,连续曝气约3h,每隔20min从反应器中取一次样,测定其NH4+-N浓度.最后,对NH4+-N随时间变化的曲线进行线性拟合,所得斜率即为AOR.

1.5 高通量16S rDNA测序

1.5.1 样品采集与保存 定期从反应器中随机取3个填料,用高温消毒后的镊子将生物膜从填料上刮落至离心管中,随后分装为4份,每份约2mL.将离心管按顺序编号,存放于-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;以338F(5’-ACTCCTAC- GGGAGGCAGCAG-3’)和806R(5’-GGACTACH- VGGGTWTCTAAT-3’)为特征引物对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,使用AxyPrepDNA凝胶回收试剂盒(AXYGEN公司)切胶回收PCR产物,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 MBBR-AOB运行性能

由图1和图2可知,RC和RI反应器亚硝化效果良好,RI出水NO3--N波动较小,亚硝化效果更优,两者出水NO2--N/NH4+-N在1.2左右,均能满足后续厌氧氨氧化进水水质要求.

在反应器运行前期,RC和RI出水NO3--N一直维持在(10±5)mgN/L左右,NO2--N积累率为(95±5)%,表明两者亚硝化效果良好,未出现NOB过度生长情况(图1,2).

在反应器运行中期,RC中NH4+-N去除率、总氮去除率均有所提高,可能原因是反应器内出现了其他消耗氮素的反应.为了降低反应体系总氮损失,于第82d进行填料及反应器清洗,以去除反应器内未随着水流排出的脱落生物膜.清洗后,NH4+-N去除率及NO2--N转化率明显回升,且总氮去除率由30%突然降至3%,表明短暂清洗可降低总氮损失.这可能与脱氮微生物在清洗过程中被淘洗有关.值得注意的是,随着运行时间增加,总氮去除率慢慢升高甚至高于原来水平.出水NH4+-N、NO2--N浓度逐渐降低, NO3--N浓度逐渐升高,因此, NO2--N转化率持续降低,到第108d,已跌至62%.推测造成该现象的原因可能是系统内发生了厌氧氨氧化反应.之后对微生物的种群结构分析也表明了该时期厌氧氨氧化菌相对丰度较高.第102d生物膜出现大量集中脱落现象,脱落前期由于生物膜迅速老化,同时有较多厌氧氨氧化菌的存在,导致反应器性能持续降低.因此,于第102d再次清洗填料及反应器,反应器清洗后,亚硝化效果逐渐恢复(图1).对于RI系统,由于生物膜开始老化,体系内出现厌氧氨氧化菌及异养菌的滋生,造成出水NH4+-N及NO2--N持续降低.第82d,生物膜出现集中脱落,为快速恢复亚硝化效果,从第83d起,延长水力停留时间.第102d,将填料及反应器清洗后,出水NH4+-N、NO2--N及NO3--N浓度逐渐稳定,体系效果开始变好(图2).

图2 间歇曝气下反应器NH4+-N、NO2--N、NO3--N浓度及其去除率变化

在反应器运行后期,RC和RI反应器亚硝化效果良好,出水NO2--N/NH4+-N满足后续厌氧氨氧化进水水质要求(图1,2).

因此,以连续曝气及间歇曝气长期运行MBBR-AOB反应器均能实现亚硝化工艺.但RI的出水NO2--N平均浓度要比RC高出20%左右,且出水NO2--N和NO3--N波动性更小,故间歇曝气下具有更好的亚硝化效果,体系对外界环境变化的应对能力更强,更易形成稳定的亚硝化体系.Chen等[13]也指出,在间歇曝气下, AOB能够在好氧环境中产生更多能量从而修补其在缺氧条件下受到的损伤, 快速增殖;在交替的好氧/缺氧环境中,降低快速生长的异养微生物对氧的竞争力,使AOB能够更好地利用少量的DO.

2.2 氨氧化速率变化

由图3可知,AOR在RC和RI中的变化规律与反应器出水NH4+-N及NO2--N浓度变化基本一致,且随着运行时间的增加,AOR逐渐升高.RI中AOR从运行初期的7.79mg N/(L·h)增加到后期的15.6mg N/(L·h),增加了100%.RC中AOR则从运行初期的5.04mg N/(L·h)增加到后期的19.5mg N/(L·h),增加了287%.尽管运行后期RC的AOR要高于RI,但是其出水NO2--N浓度始终要低于RI,表明该体系内生物膜填料内部缺氧区中可能发生了厌氧氨氧化反应.之后的微生物种群结构分析也表明,在该体系后期,已出现较高丰度的厌氧氨氧化菌.值得注意的是,在第48d时,微生物种群结构分析表明此时RI中AOB以及厌氧氨氧化菌的相对丰度均小于RC,但RI中的AOR却高于RC,很可能是RI中AOB活性高于RC.这也符合Chen等[13]的结论.

图3 连续/间歇曝气长期运行下AOR变化

2.3 反应器运行后期N2O与NO释放特性

如图4所示,在线监测观察到RI的N2O释放量瞬时高达116.4×10-6,远高于RC中的71.89×10-6.这是由于上一缺氧段中产生的N2O溶于液相中,当曝气开始时,气体从液相转到气相,形成气体突增释放现象.且亚硝化反应器从缺氧突然转化为好氧时,AOB比其他好氧菌可更快恢复活性,因此其N2O生成速率变大,造成释放量突然增加.Castro-Barros等[14]研究曝气方式对一段式颗粒污泥反应器部分亚硝化厌氧氨氧化排放N2O的影响时也发现,当反应器由缺氧转变为好氧时,N2O大量形成.另外,该测定周期内,由于RI中的缺氧段基本不产生N2O,因此N2O的平均释放量50.2×10-6,明显低于RC中的79.1×10-6.如图5所示,在线监测到开始时NO瞬时释放量RI远高于RC,这是因为NO主要由AOB产生,其与体系内NO2--N浓度密切相关,在反应器运行后期,RI的出水NO2--N浓度高于RC.Chuang等[15]研究表明,亚硝化反应器中,NO2--N浓度越高,产生的N2O和NO也越多.该测定周期内,RI中NO平均释放量为3587.5×10-9,明显高于RC中的450.9×10-9.

图4 两种曝气方式下N2O释放量

图5 两种曝气方式下NO释放量

根据N2O及NO的释放浓度,计算其释放量及释放因子,结果如表2所示.

由表2可知,对于N2O释放量和释放因子,RC系统获得两值均比RI高约57.5%;对于NO释放量和释放因子,RC系统获得两值均比RI低出约87.3%.总体而言,RI的N2O释放因子和RC的NO释放因子略低于现有研究[14,16].Kampschreur等[17]研究发现,亚硝化反应器中NO和N2O释放因子分别为0.2%和1.7%,厌氧氨氧化反应器中两者分别为0.003%和0.6%.故NO和N2O主要来源于亚硝化过程,并认为AOB的反硝化作用是引起硝化反应器NO和N2O排放的最可能原因.另外,Okabe等[18]研究部分硝化过程及anammox过程中N2O排放路径时发现,anammox中N2O主要来自于反硝化,故尽管本体系中含有较多厌氧氨氧化菌,但其对N2O释放贡献并不大.因此,以间歇曝气方式运行亚硝化反应器有利于减少N2O释放,而以连续曝气方式运行亚硝化反应器有利于减少NO释放.

表2 不同曝气方式下N2O、NO的释放量及释放因子

2.4 微生物种群结构分析

在运行第1,48,86,124,160d,分别从反应器中取样,进行16S rRNA高通量测序分析.RC中样品分别标记为C1、C2、C3、C4和C5,RI中样品分别标记为I1、I2、I3、I4和I5.图6显示了16S rDNA高通量测序结果在“门”分类水平的丰度对比,其中C5和I5样品中变形菌门(Proteobacteria)丰度分别达到42.37%和37.84%,说明Proteobacteria(AOB属于该门)在系统中占优势地位.在RC和RI中, Proteobacteria丰度均出现下降趋势,主要是因为在取第3个样品前后发生了生物膜脱落.由图6可知,本试验两个MBBR亚硝化体系中也发现了较多浮霉菌门(Planctomycetes), Planctomycetes的微生物主要存在于水生环境中,具有独特的细胞结构,目前发现的厌氧氨氧化菌都属于该门.生物膜样品中还检测出较高丰度的绿弯菌门(Chloroflexi)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和酸杆菌门(Acidobacteria). Chloroflexi包含一种常见的丝状菌,在生物膜系统中担任骨架或载体.另外,在其他研究的脱氮体系中也发现了较高丰度的Bacteroidetes和Acidobacteria[19].

图6 各生物膜样品在“门”分类水平上的种群分布

上图为连续曝气,下图为间歇曝气

图7为不同曝气方式下微生物群落结构在“属”分类水平上的变化.其中与脱氮直接相关的菌属为、Kuenenia、Brocadia、和.

为本体系中唯一的AOB菌群.Bin等[20]认为,随着颗粒或生物膜的形成,AOB的多样性随着工艺条件施加的选择压力而下降,而由于具有快速适应沉降洗涤作用的能力而保留下来.因此本系统中AOB菌属主要为.RC的5个生物膜样品中,相对丰度分别为22.93%, 2.54%,2.19%,3.73%和8%. RI的5个生物膜样品中,其相对丰度分别为22.93%, 2.26%, 2.59%, 4.22%和10.06%.除了第一个样品外,其他样品丰度均在2%~10%之间.另外,RI中的相对丰度均高于RC,因此RI中NO2--N浓度高于RC.Kuenenia和Brocadia均为厌氧氨氧化细菌,在本试验中两者逐渐成为优势菌种,在RC中,两种菌的总丰度从0.87%逐渐增加至26.46%.在RI中,两种菌的总丰度从0.87%逐渐增加至20.46%,然后又降至17.6%.可能是因为本试验为生物膜体系,且两个反应器中DO均较低,造成填料内部呈厌氧环境.另外,体系内AOB将部分NH4+-N转化为NO2--N,在连续流进水情况下,反应器中始终存在较高浓度的NH4+-N和NO2--N,这为厌氧氨氧化提供了基质,因此两个反应器中厌氧氨氧氧化细菌相对丰度有所升高.这也使得本系统中发生了总氮损失,且随着运行时间的增长,两个反应器中总氮损失持续增高.Bassin等[21]追踪在不同操作条件下MBBR中异养菌和硝化细菌的动态变化发现,始终是AOB的唯一菌属,且FISH测试时也发现了部分厌氧氨氧化菌.为一种反硝化细菌,其在RC中相对丰度均不足1%,而RI中样本I3~I5中则均大于1%,且I4中相对丰度达到了12.23%.这主要是因为RI运行中缺氧环境时间相对较长,因此反硝化菌丰度较高.为硝化杆菌,其在两个体系中丰度均不足1%,故系统中NO3--N浓度很低,亚硝化效果控制良好.这一结果也与赵诗惠等[22]的研究结果相吻合.

图7 各生物膜样品在“属”分类水平上的种群分布

上图为连续曝气,下图为间歇曝气

3 结论

3.1 两种曝气方式均能实现亚硝化工艺,且出水基本满足后段厌氧氨氧化进水水质要求(即NO2--N/ NH4+-N在1.2左右).但RI出水NO2--N平均浓度要比RC高出20%左右,出水NO2--N和NO3--N波动性更小,故间歇曝气下具有更好的亚硝化效果,更易形成稳定的亚硝化体系.

3.2 RC和RI中N2O释放因子分别为2.182%和1.385%,NO释放因子则分别为0.006%和0.05%.因此,间歇曝气方式有利于减少N2O释放,连续曝气方式有利于减少NO释放.

3.3 稳定运行的RC和RI中,AOB主要为,相对丰度最高分别为8%和10.06%,最低分别为2.19%和2.26%.故以间歇曝气方式可获得较高的AOB相对丰度.

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MBBR-nitrification process performance and N2O emission characteristics with continuous/intermittent aeration regimes.

ZHANG Zhe1, ZHANG Yao1, LIU Qing-hua1, LIU Chao2, WANG Ya-yi1*

(1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse, Shanghai institute of pollution control and ecological security, College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China；2.Shanghai Environmental Sanitary Engeering Design Institute, Shanghai 200092, China)., 2019,39(12)：5056~5062

In this study, a moving-bed Biofilm reactor (MBBR) was used to immobilize ammonia-oxidizing bacteria (AOB) on carriers. Two MBBR-AOB reactors were operated under continuous aeration (RC) and intermittent aeration (RI) in parallel. The variationsin the nitritation performance and nitrous oxide and nitric oxide emission characteristics were analyzed under different aeration regimes. The results showed that both aeration methods can achieve partial nitrification, but the average effluent concentration of NO2--N was approximately 20% higher in the RI than that in the RC; also, the degree of fluctuation of effluent NO2--N and NO3--Nwere smaller in the RI than that in the RC. Therefore, intermittent aeration mode had better nitritation performance, and it was easier to achieve a stable nitritation system. Online measurement of gaseous N2O and NO showed that RC reduced the release of NO by about 87.3% and increased the release of N2O by about 57.5%. The 16S rDNA high-throughput sequencing revealed thatwas the main AOB genus, and its highest relative abundance in the RC and RI modes was 8% and 10.06% respectively,and the lowest was 2.19% and 2.26% respectively. Our findings suggest running MBBR nitritation reactor with intermittent aeration mode couldachievea higher AOB relative abundance.

nitritation；moving-bed biofilm reactor；aeration mode；ammonia-oxidizing bacteria

X703.1

A

1000-6923(2019)12-5056-07

张 哲(1996-),男,安徽淮北人,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.

2019-05-20

国家自然科学基金资助项目(51522809)

* 责任作者, 教授, yayi.wang@tongji.edu.cn