亚硝氮对厌氧氨氧化EGSB反应器启动的影响

2023-12-14石永辉张益豪秦哲史天茜武新颖赵春霞路达

河北大学学报（自然科学版） 2023年6期

石永辉,张益豪,秦哲,史天茜,武新颖,赵春霞,路达

(河北大学生态环境系,河北保定 071002)

当污水处理厂季节性关闭、日常维护及放假期间,或在厌氧氨氧化生物量储存及运输条件下,厌氧氨氧化菌处于饥饿状态[3].长时间处于饥饿状态的厌氧氨氧化污泥对亚硝氮比较敏感[4],因此需要研究确定厌氧氨氧化菌对亚硝氮敏感程度,以缩短厌氧氨氧化的启动或恢复时间.然而少有学者研究不同的进水条件下对厌氧氨氧化反应器启动过程的影响.此外,厌氧氨氧化技术面临启动时间长、对环境敏感等问题,制约了其进一步发展,世界上第1座应用厌氧氨氧化工艺的荷兰污水处理厂其启动时间长达3.5 a,因此探索合适的进水基质质量浓度以缩短启动时间,加快细菌活性的恢复,为厌氧氨氧化工艺的实际工程应用提供参考.本文通过探索不同亚硝氮质量浓度对反应器启动的影响,得出了启动期间较合适的进水亚硝氮质量浓度.

1 材料与方法

1.1 接种污泥与实验用水

实验用水为人工配置的模拟废水.每天处理水量为4 L,以NH4Cl和NaNO2充当氮源,进水基质(氨氮与亚硝氮物质的量比为1∶1)质量浓度分别为100 mg/L和140 mg/L,CaCl20.150 g/L,KH2PO40.010 g/L,MgSO40.300 g/L,KHCO30.500 g/L,加入微量元素Ⅰ和Ⅱ各1 mL,微量元素Ⅰ配比(g/L):EDTA·2Na 5.00,FeSO4·7H2O 5.00;微量元素Ⅱ配比(g/L):ZnSO4·7H2O 0.430,H3BO40.0140,CuSO4·5H2O 0.250,CoCl2·6H2O 0.240,MnCl2·4H2O 0.990,NaMoO4·2H2O 0.220,NiCl2·6H2O 0.190,EDTA·2Na 19.1.

1.2 实验装置

厌氧氨氧化启动采用膨胀颗粒污泥床反应器(EGSB),反应器构造如图1.反应器由有机玻璃制成,内径200 mm,高650 mm,配有30 mm厚的水浴夹层保证温度.实验期间废水由进水口加入,外循环保证反应器内基质混合均匀,温度为(35±1)℃,曝20 min N2保证厌氧环境.实验期间取样从出水口采集.

图1 EGSB反应器结构Fig.1 EGSB reactor structure diagram

1.3 分析方法

反应器运行结束后,取反应器内混合均匀的污泥进行高通量测序分析.引物序列使用靶向16S rRNA的V3～V4高变区.

2 结果与分析

2.1 反应器的启动及稳定

启动期间2个反应器进水总氮质量浓度(氨氮与亚硝氮物质的量比为1∶1)分别为100 mg/L和140 mg/L,pH(8.00±0.10),DO 0.100 mg/L以下保证厌氧环境.启动过程共分为3个阶段,分别为迟滞期、提升期和稳定期,如图2～4所示.

a.R1反应器;b.R2反应器图3 反应器氮去除率变化Fig.3 Nitrogen removal efficiency in reactor of reactor

a.反应器R1;b.反应器R2图4 反应器物质的量比变化Fig.4 Variation of stoichiometric ratios of reactor

第10天2个反应器开始展现不同特征.反应器R1出水氨氮和亚硝氮同时下降,表明反应器R1进入提升期.由于基质抑制,反应器R2进入提升期的时间比反应器R1晚18 d.反应器R2 10～27 d出水氨氮质量浓度逐渐下降,但是出水亚硝氮质量浓度和进水基本持平,亚硝氮平均去除率仅有5.96%.出水硝酸盐氮质量浓度没有明显增长,对此有2种可能.一是厌氧氨氧化菌以细菌自溶产生的有机物为电子供体进行部分硝酸盐异化还原(DNRA)过程产生氨氮[9].另一种是反硝化菌进行反硝化作用去除硝酸盐.根据图2可知出水氨氮没有增加,因此可以排除DNRA反应,硝酸盐氮没有增加是反硝化菌的作用.

第43天反应器R1生物量流失1/4,氨氮出水质量浓度从8.51 mg/L升高到36.4 mg/L,TN去除率从58.0%剧减到15.6%,之后氨氮去除率又快速恢复.经过4 d出水氨氮降到8.00 mg/L,出水亚硝氮质量浓度为25.7 mg/L.根据出水硝酸盐氮变化来看,生物量流失后厌氧氨氧化菌受到较大冲击,氨氮去除效果的快速恢复说明AOB受生物量流失影响较小.第52 d厌氧氨氧化性能基本恢复到之前水平,Kwak W等[10]使用流化床膜生物反应器(FMBR)经过100 d左右的时间才恢复到原有水平.这说明EGSB比FMBR反应器更能抵抗生物量流失的冲击.

2.2 反应器的抗冲击性能

第67天停止外循环,发现R1出水质量浓度上升,氨氮和亚硝氮质量浓度分别从3.34 mg/L和0.130 mg/L升高到15.2 mg/L和10.9 mg/L,说明外循环对厌氧氨氧化反应器具有促进作用,可以使反应器内基质混合均匀,利于厌氧氨氧化菌获得营养物质.反应器R2出水氨氮质量浓度与R1相当,出水亚硝氮质量浓度比R1高.开启外循环5 d后反应器R1出水质量浓度恢复正常,R2经过6 d性能恢复.这说明系统即使受到水力条件冲击后也能快速恢复.

由于进水氮素比不是理论比例1∶1.32,所以出水有氨氮剩余[12].第79天提高进水亚硝氮质量浓度,2个反应器氨氮质量浓度分别从50.0 mg/L升高到66.0 mg/L,70.0 mg/L到92.4 mg/L.经过1 d后反应器R1出水氨氮下降到0.420 mg/L,亚硝氮为3.31 mg/L.最终R1氨氮和亚硝氮去除率为99.8%、99.1%,TN去除率最大为70.2%.R2与R1类似,经过2 d后氨氮和亚硝氮去除率达到99.1%和95.6%,最终TN平均去除率为70.4%.这说明进水比对厌氧氨氧化反应器性能具有重要影响.

第88天取出1/4的细菌,2个反应器出水氨氮和亚硝氮质量浓度上升,硝酸盐氮质量浓度下降,TN去除率下降10%左右.R2反应器经过2 d后性能恢复,氨氮和亚硝氮去除率达到99.5%和99.7%.R1经过9 d后出水氨氮质量浓度平均值为11.1 mg/L,氨氮平均去除率仅有79.9%.第97天提高R1进水亚硝氮质量浓度到80.0 mg/L以增加厌氧氨氧化反应基质,提高厌氧氨氧化活性.经过3 d出水氨氮下降,第100天将进水亚硝氮质量浓度恢复到66.0 mg/L.这是因为亚硝酸盐氧化菌(NOB)与厌氧氨氧化菌竞争底物亚硝酸盐,导致氨氮无法被完全消耗.

2.3 菌群分析

反应器内氮转化去除是由其中微生物共同作用的结果,对反应器内微生物进行分析.表1展示了2个反应器微生物多样性比较.2个反应器的Goods coverage指数都在99.9%以上,表明样品采集能代表污泥群落组成.根据Chao1指数可知,R1反应器的物种总数大于R2.Simpson和Shannon指数越大则样品多样性越高,从表1可知R2的多样性大于R1.

表1 样品Alpha多样性

图5展示了门水平上的群落结构.由于接种的是储藏的成熟污泥,所以本实验优势菌门与接种活性污泥的实验[11,13-14]结果不同,与接种成熟污泥的Wang等[15]相似,优势菌门是厌氧氨氧化菌所属的Planctomycetes门.2个反应器的前5个优势菌门相同,分别为Planctomycetes、Proteobacteria、Bacteroidetes、Chloroflexi、Acidobacteria,但是每个菌门丰度不同.对功能菌所属的Planctomycetes门R1(54.8%)高于R2(46.4%),R2经历基质抑制导致最终功能菌丰度较低.2个反应器中都有较高丰度的Proteobacteria门,大部分氮转化相关菌都属于Proteobacteria门,例如亚硝酸盐氧化菌、反硝化菌、氨氧化菌等[16-17].Chloroflexi门可以降解反应器中的溶解性有机物或者细菌分泌物,为反硝化菌提供电子供体.Proteobacteria门包含的反硝化菌[18],通过利用Chloroflexi提供的电子供体保持自身活性.2个反应器内Chloroflexi门丰度接近,分别为8.96%和9.07%.但是反应器R1的Proteobacteria门相对丰度比R2低6.88%,与2个反应器进水亚硝氮质量浓度不同有关.反应器R2进水基质质量浓度高于R1,AOB、NOB和反硝化菌可利用的基质更多因此丰度更高.

图5 细菌门水平分布Fig.5 Taxonomic classification of the bacterial communities at phylum levels

从图6可知,本实验反应器细菌在属水平上的优势菌属为Candidatus_Jettenia,相对丰度在反应器R1、R2中达到54.1%和45.3%.R2中较高亚硝氮质量浓度对厌氧氨氧化菌富集造成了抑制.没有检测到其他厌氧氨氧化菌属,文献[19]提出使用合成废水培养的厌氧氨氧化菌属普遍为Candidatus_Brocadia和Candidatus_Kuenenia,而Candidatus_Jettenia主要分布于垃圾渗滤液厌氧处理系统、淡水生态系统和海洋生态系统,但是牛晚霞等[20]和Li等[21]在合成废水培养的反应器中也检测到了Candidatus_Jettenia.Denitratisoma是TIN转化相关属,能够完成完全反硝化,属于Proteobacteria门,为革兰氏阴性菌[22].反应器内存在部分细菌溶解、衰老和死亡,因此Denitratisoma可以生存[23],反应器R1和R2中丰度分别为4.33%和6.15%.

图6 细菌属水平分布Fig.6 Taxonomic classification of the bacterial communities at genus levels

通过对比细菌群落门和属水平可以看出,虽然反应器R1中功能细菌相对丰度比R2更高,但是R1对外界冲击的抵抗性能更差,这与反应器R1中Proteobacteria门丰度较低有关.Proteobacteria门包含大部分的氮转化相关细菌,在较高丰度下可以与厌氧氨氧化菌协同配合应对基质质量浓度变化.Bacteroidetes、Chloroflexi为反硝化菌提供碳源,反应器R1中2种菌门相对丰度之和比R2低.而Acidobacteria则可以代谢单碳化合物与反硝化菌竞争碳源,R1中Acidobacteria门相对丰度更高.反应器R2中的反硝化功能相关菌丰度比R1高.综合作用下R1的TN去除率比R2更高.