厌氧/微好氧与A/(O/A)n运行时间配比对SNDPR的影响

李 冬 ,王歆鑫 ,王沁源 ,李 柱 ,张 杰 ,2 (.北京工业大学,水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室,北京 0024；2.哈尔滨工业大学,城市水资源与水环境国家重点实验室,哈尔滨 50090)

与传统活性污泥(CAS)污水处理技术相比,好氧颗粒污泥(AGS)独特的分层结构形成了自内向外的厌氧-缺氧-好氧环境,使聚磷菌、反硝化菌、氨氧化菌等得以同时生存,可以在单个反应器内完成硝化、反硝化和除磷[1-2].短程硝化反硝化除磷(SNDPR)工艺具有节约碳源、减小反应器容积、节省基建投资等优点[3].研究表明,氨氧化菌(AOB)与反硝化聚磷菌(DPAOs)对生长环境的需求存在差异[4-5].在颗粒污泥SNDPR系统中,保证AOB短程硝化与DPAOs反硝化吸磷的平衡是系统维持良好脱氮除磷性能的关键.

研究表明,A/(O/A)n运行方式有利于富集 AOB,实现良好的短程硝化效果[6],但在好氧段内磷酸盐被完全吸收易导致缺氧段反硝化聚磷菌可利用的底物不足,同时亚硝酸盐积累不利于反硝化聚磷菌的生长[7].厌氧/微好氧运行模式通过维持较低的DO水平能够抑制系统内NOB的活性,同时为反硝化聚磷菌提供了充足的缺氧生长环境[8],但微好氧时间过长会导致微生物多样性逐渐降低,AOB数量减少[9],且维持长时间的低曝气易诱发丝状菌生长,对颗粒的沉降性能产生不利影响.同时,丝状菌阻碍了AOB与氧气的接触作用,进而影响系统的脱氮性能[10].采用厌氧/微好氧与 A/(O/A)n交替运行模式既弥补了 A/(O/A)n缺氧段底物不足的缺陷,又减轻了微好氧过程对脱氮性能的抑制,同时满足了AOB与DPAOs的生长条件,不同的厌氧/微好氧与A/(O/A)n运行时间配比影响着AOB与DPAOs的富集情况.选择合适的厌氧/微好氧与A/(O/A)n运行时间配比有利于维持良好的短程硝化反硝化除磷效果.

本研究采用SBR反应器,分3阶段运行,设置不同的厌氧/微好氧与 A/(O/A)n运行时间配比.通过对比3个阶段内SBR反应器的运行状况,探讨颗粒污泥的特性、污染物(C、N、P)的去除性能、胞外聚合物(EPS)的分泌情况以及功能菌的活性,以期进一步明晰适宜厌氧/微好氧与 A/(O/A)n运行时间配比对短程硝化反硝化除磷工艺的强化作用.

1 材料与方法

1.1 实验装置与运行方法

采用有机玻璃 SBR(图1).反应器高 65cm,内径14cm (H/D=4.6),工作容积为10L,换水比为2/3,周期为6h.采用联合厌氧/微好氧与A/(O/A)n交替运行方式,实验分为3个阶段 S1、S2和 S3,逐渐调整A/(O/A)n与厌氧/微好氧 2种运行模式的时间配比:S1每天将 3个周期设置为厌氧/微好氧方式;S2每天将2个周期设置为厌氧/微好氧方式;S3每天将1个周期设置为厌氧/微好氧方式.具体运行情况如图2所示.A/(O/A)n运行模式包括10min进水,115min厌氧,225min曝气(好氧:缺氧=2:1),3min沉降,5min排水,好氧段曝气量为50L/min.厌氧/微好氧运行模式包括10min进水,115min厌氧,225min微曝气,3min沉降,5min排水,好氧段曝气量为0.30L/min.所有装置均通过时控开关自动控制.

图1 SBR反应器装置示意Fig.1 Schematic diagram of the SBR reactor

图2 反应器每天的运行情况示意Fig.2 Schematic diagram of the daily operation of the reactor

1.2 实验用水与接种污泥

实验用水为人工配水,以丙酸钠作为有机碳源,添加 NH4Cl、KH2PO4、CaCl2和 MgSO4.7H2O,投加NaHCO3调节碱度(表1).反应器接种培养成熟的具有短程硝化反硝化除磷性能的好氧颗粒污泥,接种污泥的初始污泥浓度(MLSS)约为4000mg/L.

表1 水质特性(mg/L)Table 1 Wastewater characteristic(mg/L)

1.3 分析项目与检测方法

每2d测定1次反应器的进出水水质情况.使用COD多参数快速测定仪测定COD和总磷(TP)的含量;采用纳氏试剂分光光度法测定氨氮(NH4+-N)浓度;采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定亚硝酸盐氮(NO2--N)浓度;采用溴麝香草酚蓝紫外分光光度法测定硝酸盐氮(NO3--N)浓度;MLSS、MLVSS和SVI按照标准方法测定[11];采用Mastersize 2000型激光粒度仪测定颗粒粒径;采用 Olympus光学显微镜观察污泥形态;采用热提取法进行胞外聚合物的提取,其中蛋白质(PN)采用Lowry法测定,多糖(PS)采用蒽酮-硫酸法测定.

1.4 颗粒污泥EPS的三维荧光光谱(EEM)分析

使用配备氙灯的荧光分光光度计对3个阶段颗粒污泥的EPS进行荧光测量.Ex(激发光谱)的起始波长为200nm,终止波长为600nm;Em(发射光谱)的发射起始波长为200nm,发射终止波长为700nm,Ex和Em的扫描速度均为15000nm/min,扫描间隔为1nm.

1.5 批次实验

1.5.1 聚磷菌分布比例测定 分别选取阶段 S1、S2、S3的污泥进行烧杯实验,计算系统内聚磷菌的分布情况.实验方法为[12]:在每个阶段内分别取 3L运行周期末的泥水混合液,过滤后进行污泥清洗,排出上清液后定容至 3L,加入丙酸钠使其 COD为300mg/L,在厌氧条件下进行2h的充分释磷,将污泥再次清洗后均分为3份,分别加蒸馏水定容至 1L,然后加入磷酸二氢钾使烧杯内磷的浓度与厌氧 2h后的磷浓度相同,其中2份不曝气,加入一定量的亚硝酸钠溶液和硝酸钾溶液,另一份进行曝气将 DO保持在2.0mg/L左右,运行3h,分别测定3个烧杯内的磷浓度变化情况,计算出不同类型聚磷菌所占的比例.

1.5.2 功能菌活性测定 通过比氨氧化速率(以N/VSS计)和比亚硝酸盐氧化速率(以 N/VSS计)表征颗粒污泥系统内AOB和NOB的活性,测量方法如下[13]:分别取S1、S2、S3内缺氧处理后的3L泥水混合物,将污泥清洗后等量分为2份,加入丙酸钠调节COD为300mg/L,加入碳酸氢钠调节pH值,分别投加氯化铵和亚硝酸钠控制 NH4+-N和 NO2--N初始浓度分别为30,10mg/L,将DO维持在3.5mg/L,曝气 150min,每间隔 30min取样测定 NH4+-N 和NO2--N的浓度变化情况.

1.6 计算公式

本试验碳源利用率计算方法如式(1):

式中:厌氧比释磷速率为厌氧段的释磷量与厌氧时间之比;厌氧比COD降解速率为厌氧段COD的消耗量与厌氧时间之比;厌氧比释磷速率和厌氧比COD降解速率的单位分别以 P/SS和 COD/SS计,mg/(g·h).

2 结果与讨论

2.1 运行期间系统内的COD和TP去除情况

如图3所示,进水的COD约为300mg/L,3个阶段COD的平均去除率分别达到了90.98%、91.94%和91.77%,出水的COD均满足了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级 A 标准.厌氧末 COD的去除率接近于出水的 COD去除率,COD在厌氧段被大量去除,主要是通过 DPAOs将其转化为内碳源(聚羟基脂肪酸酯)进行储存,同时去除反应器内上一周期少量残存的NOx--N[14].在厌氧/微好氧和 A/(O/A)n交替的运行方式下,不同的厌氧/微好氧与 A/(O/A)n运行时间配比下系统均可以实现良好的内碳源储存.

图3 系统内COD、TP的变化情况Fig.3 Variation of COD and TP concentration in the system

在不同运行时间配比下,TP的去除率受到一定影响.阶段S2的释磷量大于阶段S1和阶段S3,在阶段S1内,由于厌氧/微好氧持续时间增加,TP的去除率表现出先升高后降低的趋势,这是由于厌氧/微好氧条件有利于富集反硝化聚磷菌,强化系统内反硝化吸磷作用,但系统运行后期出现了少量丝状菌,系统内AOB减少,微好氧区刺激了反硝化菌生长,限制了聚磷微生物的释磷现象,导致除磷效率出现下降[15].厌氧/微好氧与 A/(O/A)n运行时间配比从 3:1降低到1:1时,TP的平均去除率有所上升;当厌氧/微好氧与 A/(O/A)n运行时间配比再降低到 1:3时,TP的去除率出现了小幅降低.ΔP/ΔCOD 可以表征DPAOs对有机碳源的利用率,计算得出 3个阶段的ΔP/ΔCOD 大致为0.20、0.24 和 0.22.ΔP/ΔCOD 的差异表明厌氧/微好氧运行时间过长或过短都会对系统内DPAOs的活性产生负面影响,S3略有降低可能是因为聚糖菌等与聚磷微生物产生竞争,所以释磷量降低.S1、S2和S3的阶段末期平均出水TP浓度分别约为0.89,0.22,0.45mg/L,TP的平均去除率分别达到了88.29%、95.87%和93.12%.

2.2 运行期间系统内的N去除情况

如图4所示,阶段S1内NH4+-N的去除率下降,分析原因可能是较长的微好氧环境导致了部分AOB菌群难以维持长期稳定,限制了NH4+-N的去除.研究表明 DO为1.00～2.00mg/L的低 DO环境会淘汰一些AOB菌群[16].阶段S2的氮去除率上升,系统内氨氮的去除率达到了96.61%,TN的去除率达到了 92.00%,这一阶段内系统的脱氮性能较好,可能是因为采用联合厌氧/微好氧的A/(O/A)n交替运行方式有利于AOB与DPAOs的生长,而适宜的厌氧/微好氧与A/(O/A)n运行时间配比能够更好的维持系统内脱氮和除磷的平衡,提高了反硝化聚磷菌的活性.阶段 S3进一步缩短厌氧/微好氧运行时长后,TN的去除率略有降低,可能是因为提高A/(O/A)n运行时长强化了 AOB的富集,亚硝酸盐积累率升高,但缩短厌氧/微好氧运行时长后导致反硝化聚磷菌的活性降低,亚硝酸盐不能被充分利用,所以出水中含有少量 NO2--N,TN的去除率略低于S2阶段.3个阶段内均未发生NO3--N的积累,证实了厌氧/微好氧与A/(O/A)n交替运行方式下可以很大程度地淘洗 NOB,维持系统良好的短程硝化效果.

图4 运行期间氮浓度的变化情况Fig.4 Variation of N concentration during operation

2.3 不同运行时间配比下的好氧颗粒污泥特性

2.3.1 各阶段内颗粒污泥的形态及粒径分布 如图5可见,3个阶段的颗粒污泥结构均较为完整.本研究在整个运行过程中保持了相对较低的 DO水平,我们可以看到 S1阶段内颗粒污泥的边缘形成了微量丝状菌,与Guo等[17]研究中提到低 DO水平容易诱发污泥的丝状菌膨胀相符合.此外,还观察到阶段S1的颗粒污泥粒径略小,在S1整个阶段内颗粒生长速度也较为缓慢,颗粒结构较S2和S3而言略显松散.这可能是因为曝气速率较低,形成的水动力剪切力较小,影响了颗粒与氧气的接触作用;但颗粒内具有一定的氧气梯度,且缺氧条件时间较长,满足反硝化聚磷菌的生长环境,所以依旧具备短程硝化反硝化除磷能力.在S2和S3阶段内均未出现丝状菌的过度生长,可能是因为厌氧/微好氧的持续时间短于 S1,且A/(O/A)n频繁交替的运行方式有利于抑制丝状菌的繁殖.S2的颗粒大多是球状或椭球状,颗粒结构密实.S3的颗粒虽然粒径最大,但是出现了不规则形状,可能是因为曝气强度较大导致颗粒的生长速度快,内部异养菌缺氧环境减少导致细胞不规则.表2为第1,28,58,88d的颗粒粒径分布情况.S3的颗粒生长最快,但是颗粒结构密实程度小于 S2,间接证明了过长或过短的厌氧/微好氧运行时间均会导致颗粒结构的密实程度下降,微生物的富集量有所降低.S3颗粒粒径偏大,底物和氧气传质受限,可能是颗粒内源呼吸形成的中间代谢产物在内部聚集降低了微生物的活性;同时,阶段 S3的除磷效率偏低,一方面可能是出现了亚硝酸盐的少量积累,另一方面可能是粒径较大导致氧传质阻力较大,反应速率降低,限制了缺氧段内磷的吸收[18-21].

图5 不同阶段下的显微镜颗粒形态Fig.5 Microscope particle morphology in different stages

表2 不同阶段的粒径分布情况Table 2 Particle size distribution in different stages

2.3.2 各阶段内污泥的MLSS、MLVSS、f及SVI值变化 由图6可见,当厌氧/微好氧与A/(O/A)n运行时间配比依次为3:1、1:1和1:3时,SVI值呈现出先减小后增大的趋势,这可能是因为阶段S1内出现少量丝状菌生长,污泥结构与S2和S3相比较为松散,沉降性能相对较差,而阶段 S2的污泥 SVI值为33.00～34.00mL/g,说明在厌氧/微好氧与 A/(O/A)n运行时间配比为1:1时,形成的颗粒更为稳定致密,表现出更加良好的沉降性能.由整个运行期间系统内的污泥浓度变化情况可以看出,阶段S1内出现了少量污泥流失情况,在缩短厌氧/微好氧运行时间后,系统内的污泥量上升.阶段S2内的f值最大,系统内的生物量水平最高,且系统的脱氮除磷性能最好,证实S2系统内的微生物活性较高.

图6 不同运行阶段MLSS、MLVSS、SVI及f值变化情况Fig.6 Variation of MLSS, MLVSS, SVI and f in different stages

2.3.3 EPS含量及三维荧光分析 EPS存在于细胞外部及微生物聚集体内部,通常被视为细胞聚集的关键,蛋白质和多糖是其主要成分.EPS组分的差异会导致微生物特征和颗粒性质的变化,影响着颗粒污泥的结构、传质及沉降性能[22].如图7所示,接种污泥后,EPS少量增加,可能是微生物需要释放 EPS适应新环境[23],随后EPS逐渐降低到69.60mg/gVSS,分析原因可能是反硝化菌等开始竞争碳源,导致EPS含量降低.研究表明,EPS含量可能与微生物类型有关,与反硝化细菌相比,PAOs及 DPAOs产生EPS的能力更强[24].阶段 S2内 EPS含量升高到92.60mg/gVSS,说明厌氧/微好氧与 A/(O/A)n运行时间配比为1:1时DPAOs的活性增强,微生物代谢处于平衡状态.阶段S3进一步降低厌氧/微好氧运行时间后,EPS略有波动,EPS含量的变化与SVI的变化呈现出负相关,这与之前的研究相符[25].

图7 不同运行阶段下的EPS变化情况Fig.7 Variation of EPS in different stages

PN是好氧颗粒污泥的核心,可以中和羧基和磷酸基的负电荷,降低污泥表面的负电荷[26];PS构建了颗粒污泥的网状骨架,有利于颗粒结构的稳定性[27],PN/PS也影响着污泥的稳定性.阶段S1内PS分泌量增加,可能是污泥在新环境中通过增加PS支撑结构的稳定,相应的PN/PS下降,与颗粒的结构松散有关.在阶段S2缩短厌氧/微好氧运行时间占比后,PN的分泌量增加,PN/PS从3.7增加到4.3,由于PS是亲水性物质,而PN是疏水性物质[28],PN/PS比值升高保证了 EPS的主要疏水特性,有利于促进缓慢生长微生物的聚集.阶段S2内PN/PS的增加提高了污泥的相对疏水性,保持了密实的颗粒结构及稳定的微生物活性.阶段S3进一步缩短厌氧/微好氧运行时间占比后PS减少,PN/PS略有上升,但污泥的沉降性能和脱氮除磷能力都略有降低.

由图8可见,每个光谱图都显示出3类特征峰:峰C1、峰C2和峰C3的Ex/Em分别为280～300nm/340～370nm、340～360nm/440～460nm 和 430～470nm/520～540nm.研究表明[29],峰 C1为色氨酸类蛋白物质,峰C2和峰C3为腐殖酸类物质.在整个运行过程中,EPS的主要成分均为蛋白质和腐殖酸类,不同的厌氧/微好氧与A/(O/A)n运行时间配比对EPS的组成影响不大.荧光强度的高低反映出EPS的浓度不同.当厌氧/微好氧与 A/(O/A)n运行时间配比从 3:1减小为1:1时,C1的强度明显升高,表示蛋白类物质含量升高;继续减小为1:3后,峰C1的强度有所下降,但仍高于阶段S1,这与PN的浓度变化相符,峰C2和C3的强度有所增强,腐殖酸类物质含量升高.蛋白类物质在维持颗粒污泥结构稳定中起着重要作用,通过峰强度变化可以表明厌氧/微好氧与 A/(O/A)n运行时间配比为1:1时颗粒结构更稳定.

图8 不同阶段的三维荧光分析Fig.8 Analysis with EEM spectra in different stages

2.4 不同运行时间配比下系统的功能菌数量及活性分析

由图9可以看出,3个阶段聚磷菌的分布显示出一定差异,但是总体而言系统内均实现了较为稳定的缺氧反硝化吸磷,说明厌氧/微好氧与 A/(O/A)n交替运行模式实现了反硝化聚磷菌的稳定富集.除磷性能差异是系统内各类聚磷菌占比不同造成的,不同的运行时间配比对反硝化聚磷菌的富集产生了一定的影响.

图9 各阶段内不同类型聚磷菌分布Fig.9 The distribution of different types of phosphorus accumulating bacteria in different stages

由图10可见,S1阶段内AOB活性下降,以亚硝酸盐为电子受体的反硝化聚磷菌活性也相应下降,占比为50.21%,这与阶段 S1系统内脱氮除磷性能的降低相符.S2内以亚硝酸盐为电子受体的DPAOs含量最高,达到了 57.76%,说明运行时间配比为1:1时更有利于反硝化聚磷菌的富集.通过图10可以看出,阶段S2的AOB活性最高,比氨氧化速率相较于 S1有明显提高,可能是充足的 A/(O/A)n运行时长能够促进 AOB的生长,更大程度地抑制了NOB的活性,提高了系统的脱氮效率.在S3继续缩短厌氧/微好氧运行时间后,AOB的活性有所下降,但系统的脱氮性能没有明显波动,分析原因可能是具有反硝化作用的聚糖菌与聚磷菌争夺碳源,维持了系统的脱氮性能.通过批次试验说明厌氧/微好氧与A(O/A)n运行时间占比为1:1时能够维持系统内AOB与DPAOs的生长平衡,具有更好的短程硝化反硝化除磷性能.

图10 各阶段内比氨氧化速率、比亚硝酸盐氧化速率Fig.10 The SAOR and the SNOR in different stages

3 结论

3.1 在厌氧/微好氧与 A/(O/A)n交替运行模式下,整个运行期间对 COD的平均去除率始终保持在90%以上.厌氧/微好氧与A/(O/A)n运行时间配比为1:1时,系统内TP的平均去除率达到了95.87%,TN的平均去除率达到了92.00%,具有良好的污染物去除性能.

3.2 厌氧/微好氧与 A/(O/A)n运行时间配比对好氧颗粒污泥的结构和沉降性能有一定的影响.厌氧/微好氧与A/(O/A)n运行时间配比为1:1时,系统内颗粒污泥的结构更为密实,EPS含量达到了 92.60mg/gVSS,PN/PS也维持在较高水平.

3.3 厌氧/微好氧与 A/(O/A)n运行时间配比影响了系统内功能菌的活性及富集情况.厌氧/微好氧与A/(O/A)n运行时间配比为3:1、1:1和1:3时,系统内DPAOs的占比分别为50.21%、57.76%和 53.42%,且配比为1:1时ΔP/ΔCOD数值最大,比氨氧化速率(以 N/VSS计)达到了 4.57mg/(g·h),AOB 与 DPAOs的活性较高.