氮负荷对短程反硝化耦合厌氧氨氧化生物膜系统脱氮性能的影响

彭永臻， 王锦程， 李翔晨， 杜 睿， 刘 莹

(1.北京工业大学城镇污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室, 北京 100124;2.中山公用水务有限公司， 广东 中山 528400)

1 试验材料与方法

1.1 试验装置

采用有效容积均为10.0 L的序批式反应器(sequencing batch reactor,SBR)构建短程反硝化耦合厌氧氨氧化生物膜系统(见图1). 利用支架将填料固定于反应器内部. R1反应器采用边长为1.5 cm立方体结构的聚氨酯海绵填料(单个填料体积为3.375 cm3，密度低于1 g/cm3，比表面积为2 395 m2/m3)；R2反应器采用圆柱体结构的聚乙烯空心环填料(直径为2.5 cm，高为1.2 cm，密度低于1 g/cm3,比表面积为500 m2/m3).

图1 短程反硝化耦合厌氧氨氧化生物膜反应器示意图Fig.1 Diagram of partial denitrification coupling with anammox biofilm reactor

1.2 短程反硝化耦合厌氧氨氧化生物膜系统运行

表1 不同阶段各反应器运行条件Table 1 Operational conditions of each reactor at different phases

1.3 试验用水和接种污泥

R1和R2接种污泥取自稳定运行2 a以上的短程反硝化耦合厌氧氨氧化悬浮污泥SBR[16]. 接种污泥为粒径小于0.2 mm的絮体污泥. 接种后污泥质量浓度(MLVSS)分别为2.78和2.40 g/L.

1.4 氮素转化特性批次试验

1.5 EPS提取和测定

取反应器中挂膜填料，通过热提取法对生物膜EPS进行分层提取[23]. EPS提取物经过0.45 μm孔径的聚偏二氟乙烯膜过滤后，采用Lowry-Folin法，以牛血清蛋白为标准物质，对EPS中蛋白质(PN)进行定量分析；采用蒽酮法，以葡萄糖为标准物质，测定EPS中多糖(PS)含量[22].

1.6 常规检测方法

2 结果与讨论

2.1 不同氮负荷下R1长期脱氮效果

2.2 不同氮负荷下R2长期脱氮效果

图3 R2反应器不同氮负荷条件下长期运行脱氮性能变化Fig.3 Long-term performance of nitrogen removal in R2 at different nitrogen loading rates

进一步通过物料平衡分析得出，R2厌氧氨氧化对TN去除的贡献率高达97.4%，表明NLR降低并未对厌氧氨氧化菌与反硝化菌对底物竞争能力产生不利影响，自养脱氮始终为最主要去除途径. 有研究认为，虽然厌氧氨氧化与反硝化作用能够共存，但易受基质浓度的影响而出现反硝化不断增强及厌氧氨氧化运行不稳定的问题[26]. 张诗颖等[27]研究发现，利用厌氧氨氧化耦合反硝化工艺处理低基质生活污水时，碳氮比为2.0时厌氧氨氧化受到抑制，导致TN去除率降低. 林兴等[28]研究认为，处理低氨氮废水的短程硝化/厌氧氨氧化系统中亚硝酸盐氧化菌活性难以得到长期有效抑制，最终短程硝化受到严重破坏，导致脱氮效率大大降低. 本研究中，不同生物载体的生物膜系统长期运行结果均证明，短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺在氮负荷变化及处理低浓度废水时具有稳定高效脱氮的重要优势.

2.3 生物膜氮素转化特性与活性变化

为探究不同系统中短程反硝化与厌氧氨氧化过程氮素转化特性，定期取挂膜填料进行批次试验. 不同进水基质浓度下R1与R2生物膜氮素和COD变化如图4所示，可以看出，不同生物填料生物膜具有相似基质代谢转化规律.

图4 R1和R2系统不同进水质量浓度下氮及COD转化规律Fig.4 Characteristics of nitrogen and COD conversion at different substrates concentration in R1 and R2 reactors

2.3.2 厌氧氨氧化脱氮活性变化

此外，对比同一系统的2种主要氮素转化过程发现，R1生物膜的厌氧氨氧化活性受影响程度小于短程反硝化活性. 相反，R2生物膜的厌氧氨氧化活性较短程反硝化活性降低更为明显，聚氨酯海绵填料更适宜于短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺在低负荷条件下长期运行. 这可能与本试验采用的聚氨酯海绵填料比表面积较大有关，其更有利于微生物附着生长和生物膜形成. 有研究表明，当氮负荷降低时，悬浮污泥厌氧氨氧化SBR系统脱氮效率和活性均受到抑制而显著降低[29]. 投加填料为厌氧氨氧化菌提供了更加稳定的生长环境，试验发现生物膜中厌氧氨氧化菌的丰度显著高于悬浮污泥系统[30]. 这也证明本研究中生物膜的形成对耦合系统中厌氧氨氧化脱氮效率和长期运行稳定性起到了重要作用. 高梦佳等[31]研究结表明，处理低浓度废水的厌氧氨氧化生物膜反应器中，海绵填料生物膜脱氮速率高于悬浮塑料填料生物膜，且前者厌氧氨氧化菌丰度更高. 因此，针对不同基质浓度和运行方式，选择适宜生物载体有助于发挥最佳自养脱氮性能.

2.4 不同生物膜系统EPS产生特性与变化规律

EPS是微生物分泌黏附在细胞表面的大分子聚合物，能够促进细胞聚集和维持稳定的微生物群落结构[19]. 在污水处理系统中，EPS与生物膜的形成密切相关，研究EPS分泌特性及变化规律有助于深入理解氮负荷对短程反硝化耦合厌氧氨氧化生物膜代谢特性的影响机制.

长期运行过程R1和R2生物膜EPS含量变化如图5所示. 阶段1和2中，R1生物膜EPS含量变化较小，运行末期有所升高，达到300.84 mg/g(见图5(a)). 其中，溶解性EPS(S-EPS)含量变化较小，松散型EPS(LB-EPS)含量随NLR降低略有升高. 紧密型EPS(TB-EPS)比例最高，阶段1和2中其含量有所降低，但在运行末期开始增加，达到234.3 mg/g. 这是由于系统长期在低基质浓度下运行，微生物分泌更多EPS有助于聚集生长和生物膜结构的维持.

图5 不同运行阶段R1和R2生物膜EPS含量变化Fig.5 EPS concentrations in R1 and R2 at different operational phases

R2系统EPS变化趋势不同，氮负荷降低过程中微生物分泌EPS量不断增加，由于运行末期微生物代谢活性显著降低，EPS含量减少(见图5(b)). 其中，TB-EPS上升较快，在运行末期其含量高于R1. 有研究表明，TB-EPS分泌过多会对生物膜传质产生不利影响[32]，这可能是导致运行末期R2厌氧氨氧化活性显著降低的原因之一. 这也进一步解释了本研究中聚氨酯填料更适合于短程反硝化耦合厌氧氨氧化系统在低负荷下长期稳定脱氮. 可见，生物膜系统中EPS的组成和分布规律对菌群代谢活性具有一定的指示作用，同时也是影响系统脱氮性能的重要因素.

此外，两系统EPS均以PN为主要成分(见图6)，但其含量存在较大差异. R1生物膜EPS中PN含量明显高于R2，且在运行阶段1和2中变化较小，运行末期表现出缓慢上升趋势. 相比之下，R2生物膜EPS中PN含量在运行末期大幅升高(见图6(b)). 有研究表明，蛋白质具有较高黏结强度和能力[20]，当受到外界环境的胁迫时,微生物能够通过分泌蛋白质来应对[33]. 结合两系统厌氧氨氧化活性变化，可以推测， EPS中PN对短程反硝化耦合厌氧氨氧化菌群聚集生长及活性维持有重要作用，低负荷条件下微生物产生更多蛋白质有助于维持自身生长和代谢活性. 此外，稳定的PN/PS比例则有利于短程反硝化耦合厌氧氨氧化生物膜系统维持不同菌群之间活性的平衡.

图6 不同运行阶段R1和R2 生物膜EPS中蛋白质与多糖含量变化Fig.6 Variation of protein and polysaccharide concentrations in EPS of R1 and R2 at different phases

3 结论

3) 不同填料对生物膜活性与EPS产生影响较大，长期低负荷运行条件下，微生物分泌更多EPS，蛋白质含量升高有助于其应对氮负荷变化.

4) 短程反硝化有效强化厌氧氨氧化脱氮稳定性，短程反硝化耦合厌氧氨氧化生物膜工艺在低基质废水处理领域具有重要实际意义和应用前景.