厌氧-好氧-缺氧SBBR 工艺对垃圾渗滤液深度脱氮处理的试验

房新昌,马 良,田彬彬,王 凯,*

(1.山东建筑大学市政与环境工程学院,山东济南 250000;2.山东国辰实业集团有限公司,山东济南 250305)

垃圾的卫生填埋过程、垃圾焚烧厂和垃圾中转站都会产生大量的垃圾渗滤液。 由于垃圾的成分十分复杂,垃圾渗滤液成分复杂,通常含有重金属和高浓度的有机物和大量的氨氮[1-4]。 目前,垃圾渗滤液的处理主要集中在生物处理、物化处理和组合工艺等方面,其中生物处理是核心处理方法。 传统的废水处理对垃圾渗滤液总氮(TN)的去除效果较差[5]。 如何通过生化方法实现对渗滤液进行深度脱氮是目前垃圾渗滤液处理的主要挑战之一。 Wang 等[6]在处理进水NH+4-N 和CODCr质量浓度分别为1 100 mg/L 和6 000 mg/L 的实际垃圾渗滤液时,采用了改良工艺序批式反应器(SBR),SBR 通过内源反硝化(ED)使整个系统最终TN 去除率达到了95%。 然而,这个工艺的周期需要很长时间。 主要原因是反硝化细菌为兼性细菌,在曝气硝化的过程中消耗了体内储存的大量内碳源,影响了后续的ED 效率。 如果增加反硝化细菌在硝化结束后的内碳源含量,则可以有效提高渗滤液的TN 去除效率。 相关学者[7-8]研究还发现,聚羟基脂肪酸酯(PHA)在同步硝化反硝化(SND)过程中起着至关重要的作用。 研究人员[9]通过在SBR 曝气过程中减少溶解氧(DO)浓度来改善系统的SND。 但是,较低的DO 浓度影响SBR的硝化效率,系统整体的脱氮效率相比传统工艺相差不大。 序批式生物膜反应器(SBBR)是在SBR 中添加生物填料的过程,可以增强SND 的能力。 同时,填料的存在也可以保护反硝化菌内部碳源,提高ED 的效果。

本试验研究了SBBR 在厌氧-好氧-缺氧模式下处理渗滤液的启动和驯化情况,探讨了该工艺对渗滤液有机物和TN 的去除情况,将SBBR 和SBR一个周期内的污染物去除情况和周期时长进行了比较,同时对其微生物进行了高通量分析,分析了微生物群落结构的差异。

1 试验材料和方法

1.1 试验装置和运行模式

SBBR 和SBR 的工作体积均为18 L,均包裹在加热带中,使用温控设备将反应器温度控制在 25(±1)℃。 曝气系统通过气泵产生气体,并通过空气流量计调节曝气量。 反应器底部安装曝气装置,曝气时DO 质量浓度保持在2.0～4.0 mg/L。

SBBR 中使用比表面积为348 m2/m 的绳状填料,添加比例约为25%。 本试验反应器的操作模式为进水-厌氧搅拌-曝气硝化-缺氧搅拌-沉淀排水(图1)。 渗滤液在5 min 内加入到反应器内,厌氧搅拌1 h。 使用“氨谷点”“DO 突跃点”“硝酸盐膝”确定硝化和反硝化过程的终点。 沉降时间为0.5 h,排水比分别为5 ∶18。

图1 SBR 和SBBR 的运行模式Fig.1 Operation Mode of SBR and SBBR

1.2 垃圾渗滤液和种污泥

种污泥取自我国济南某生活污水处理厂二沉池,混合液悬浮物(MLSS)质量浓度为4 650 mg/L,混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)质量浓度为 2 170 mg/L,污泥沉降比(SV30) 为33,污泥体积指数(SVI)为78 L/mg。

垃圾渗滤液收集自我国济南某垃圾填埋场,根据取水地点的不同分为早期和晚期。 前期试验采用低C/N 的晚期渗滤液加自来水稀释,后期采用早期晚期混合渗滤液调节C/N 并用自来水稀释,最终全部采用渗滤液原液。 试验不同阶段所用渗滤液的具体水质如表1 所示。

表1 试验期间反应器的进水水质Tab.1 Influent Quality of Reactor during Experiment

1.3 分析方法

1.4 高通量测序和功能分析

采集第127 d 的SBBR 污泥和生物膜混合样品以及SBR 污泥样品。 所有样品均储存在-80 ℃下并通过干冰运输至公司。 高通量测序由Noogene Co., Ltd.(中国北京)进行。 使用GraphPad Prism 8.0 软件进行数据分析。 数据表示为一式三份的平均值。 使用t检验分析每组的差异,p<0.05 表示有统计学意义。

2 结果和讨论

2.1 SBBR 处理垃圾渗滤液的启动与驯化

垃圾渗滤液的氨氮负荷比生活污水高约20 倍,对生活污水处理厂二沉池收集的种泥具有一定毒性。 因此,第一阶段垃圾渗滤液氨氮负荷被稀释为约等于生活污水。 如图2(a)所示,前4 d 进水氨氮质量浓度为60 mg/L,连续3 d 出水氨氮质量浓度<2 mg/L,表明硝化细菌活性良好。 第5 d 增加进水氨氮浓度,稳定硝化后进水负荷增加50%(3～5 d 内出水氨氮浓度变化小于5%视为稳定硝化)。 第37 d,当进水增加至330 mg/L 时,系统仍保持较高的氨氮去除率。 曝气后NO-3-N 质量浓度为146 mg/L,出水氨氮质量浓度仅为2.7 mg/L[图2(b)]。

图2 SBBR 驯化期间的氮素、C/N 以及TN 去除率变化Fig.2 Changes of Nitrogen, C/N and TN Removal Rate during SBBR Acclimation

由图2(b)可知,本阶段渗滤液C/N 较低,因此,一期结束时出水NO-3-N 质量浓度为219 mg/L,反硝化效果较差。 但硝化细菌的数量和活性较强,出水氨氮质量浓度始终<2.8 mg/L。

在第二阶段,通过混合早期和晚期的垃圾渗滤液,C/N 保持在4.9 ∶1。 进水氨氮质量浓度在46 ～57 d 保持在330 mg/L。 由于C/N 的增加,TN 去除率从第一阶段结束时的31.8%迅速增加到此后5 d的90%。 而且出水NO-3-N 质量浓度从211 mg/L 迅速下降至30 mg/L,表明反硝化能力得到了极大的提高。 此阶段结束时,进水氨氮质量浓度为800 mg/L 时,TN 去除率达到98.4%,出水TN 质量浓度较低,为12.1 mg/L。

第三阶段,试验采用未稀释的垃圾渗滤液原液作为进水,氨氮质量浓度为1 200 mg/L。 经过短暂的小幅波动后(85 d 后),TN 去除率仍大于97%。该反应器已运行120 d,实现了垃圾渗滤液原水稳定、深度的脱氮处理,出水TN 质量浓度始终保持在20 mg/L 以下。

2.2 SBBR 和SBR 典型周期中各污染物的变化规律

系统满负荷运行稳定后,分析典型周期中各污染物的变化规律,并对实验室同时运行的SBR 反应器的性能进行比较(同等进水条件下)。

本次周期采用原垃圾渗滤液,进水氨氮和CODCr质量浓度分别为1 200 mg/L 和7 760 mg/L。由于系统不排放污泥,脱氮主要通过SND、ED 和微生物同化进行。

在硝化反应结束时,出现“DO 跳跃点”[图3(c)的a,a']和pH 拐点“氨谷点”[图3(c)的b,b']。 SBBR 和SBR 硝化时间分别为405 min 和315 min。 尽管SBBR 硝化时间较长,但反应过程中并未形成NO-3-N,且TN 质量浓度(126.72 mg/L)比SBR的TN 质量浓度(159.43 mg/L)低。 这可能是生物膜的存在增加了系统中亚硝化单胞菌(AOB)和反硝化细菌的数量,从而导致更完整的短程硝化作用和更彻底的SND。 SBBR 中SND 的份额也较高,去除率达到67%。 与之相对比,SBR 反应器的SND 去除率仅为41%。

图3 一个典型周期内CODCr、氮素以及参数的变化Fig.3 Changes of Nitrogen, CODCr, and Other Parameters in a Typical Cycles

ORP 可以反映系统中氧化态氮的含量。 当硝酸盐还原为0 时,在氧化还原时间曲线中观察到“硝酸盐拐点”,这被认为是反硝化结束的标志。SBBR 和SBR 的“硝酸盐拐点”出现在825 min[图3(c)的c]和1 170 min[图3(c)的c'],缺氧反硝化时间分别为420 min 和855 min。 图3(a)和图3(b)显示,在厌氧搅拌过程中,两个反应器的CODCr显著下降,表明活性污泥吸附了大量的有机物。 而且,该阶段有机物的吸附也为后续缺氧阶段的ED 提供了基础。 好氧阶段结束时,可降解的CODCr被消耗,而缺氧阶段的TN 继续下降,表明反硝化细菌正在利用内部碳源进行反硝化。 相比之下,SBBR 的整个周期时间为13.75 h,比SBR 的19.5 h 短,周期时间提高了约29%。 综上,两组反应器在对渗滤液进行处理时一共有两个主要差异:1) SND 在SBBR中的效果较高,硝化结束时系统TN 浓度较低;2)ED 阶段SBBR 和SBBR 反硝化效果不同。 硝化结束时,SBBR 中的TN 质量浓度约为125 mg/L,需要7 h 完成脱氮。 基于SBR 通过ED 观察到的TN 去除125 mg/L 需要12 h,比SBBR 长约5 h。 这表明生物膜的存在保护了曝气阶段SBBR 中部分反硝化细菌的内部碳源,提高了系统的ED 效率。

2.3 污泥和微生物特性分析

2.3.1 MLSS 和SVI 变化

SBBR 和SBR 的初始MLSS 质量浓度分别为3 850 mg/L 和4 060 mg/L。 在第一阶段,由于进水CODCr较低,活性污泥缓慢增加。 第二阶段以后,进水CODCr明显增加,伴随着两组反应器的污泥浓度增加迅速。 到第三阶段开始时,两个反应器的MLSS 质量浓度升至9 328 mg/L 和8 102 mg/L。 污泥驯化结束时,MLSS 质量浓度分别达到14 958 mg/L 和14 219 mg/L,SVI 分别为59 L/mg 和62 L/mg。 厌氧-好氧-缺氧运行模式下,污泥沉降能力非常强。 因此,虽然系统的MLSS 很高,但泥水分离效果仍然很好,并且出水依然很清澈。 较高的污泥浓度大大提高了系统的脱氮效率。

2.3.2 不同反应器的微生物群落对两个样本组进行测序时, 总共获得了51 888.97 Mbp 的原始数据,每个样本约包含8 648.16 Mbp 的读数。 共获得51 577.08 Mbp 的干净数据,平均8 596.18 Mbp,样本采集后生成3 011 743 666 bp 的Scaftigs。 单一和混合组装的Scaftigs(≥500 bp)均通过MetaGeneMark(V2.10,http:/ /topaz.gatech.edu/GeneMark/)软件预测开放阅读框(ORF),获得4 494 604 个ORF(平均642 086)。 随后通过冗余得到了2 529 322 个ORF,总长度为1 556 Mbp。 完整基因数为736 365 个,占29.11%。 使用blastp 将非冗余(NR)基因目录与MicroNR 数据库(版本2018-01-02,https:/ /www.ncbi.nlm.nih.gov/)进行比对,并使用LCA 算法软件验证序列的物种注释信息。 属和门注释比例分别为46.16%和63.62%。

这两个反应器的微生物群落如图4 所示。 在门水平上,9 个相对丰度的门在SBBR 中占比>1%,在SBR 中共7 个相对丰度的门占比>1%[图4(a)]。由于填料为微生物提供了更多的生长空间,在相同的反应器体积内,相同水力停留时间下获得了更高的生物量,提高了其抗负荷冲击能力[11-12]。 SBBR中发现的最主要门是变形菌门(Proteobacteria)(26.43%),其次是绿弯菌门(Chloroflexi)(20.47%)、浮霉菌门(Planctomycetes) (14.98%)、放线菌门(Actinobacteria)(10.42%)、厚壁菌门(Firmicutes)(2.74%)、Candidatus levybacteria (2.05%)、疣微菌门(Verrucomicrobia) (1.22%)、酸杆菌门(Acidobacteria) (1.10%) 和 Candidatus saccharibacteria (1.04%)。据报道[13-14],变形菌是大部分污水厂的优势菌群,主要参与脱氮除磷和去除有机物。 在厌氧环境中,绿弯菌门可以降解复杂的聚合物[15]。 这两个广泛存在于活性污泥中的门在两个反应器中也具有较高的相对丰度,其中绿弯菌门在SBR 中的比例(28.53%)高于SBBR 中的比例(20.47%),这意味着添加填料减轻了膨胀。 与这两个门一起,浮霉菌也被报道为脱氮过程中的关键参与者,它被记录为两个反应器中第三丰富的门,均约占 15%。 放线菌不仅可以利用简单的化合物,还可以同时利用复杂的有机化合物,包括从垃圾渗滤液中去除氮[16]。

图4 不同反应器中微生物种群Fig.4 Microbial Community of Different Reactors

值得注意的是,两个反应器的微生物群落发生了显著变化。 因此,本研究还比较了相对丰度排名前35 位的属水平微生物群落结构。 在图4(b)中,属于绿弯菌门的Candidatuspromineofilum是SBR 中最主要的属,占17.553 8%,但在SBBR 中仅占7.581 2%。 图4(b)所示 SBBR 中排名前 35 的属没有绝对优势属,这说明SBBR 中菌群更加丰富,深度脱氮是多种菌群协同作用的结果。Thauera和Paracoccus属于变形菌门,可以同时去除碳和氮,并且在 SBBR 中含量很高,分别约为3.93% 和2.76%[13]。Pirellula( 1.998 4%)、Blastopirellula(1.378 7%)和Rhodopirellula(1.187 4%) 在SBBR中的浮霉菌群落中占主导地位,能够进行碳水化合物发酵。Pirellula、Blastopirellula、Thauera、副球菌、Leucobacter和Thermogutta是维持这两个系统的先进反硝化的菌属。 SBBR 中硝化螺旋菌(NOB)的生长受到抑制,仅占0.05%,AOB 相对丰度为0.37%,保证了系统能够积累亚硝酸盐。 相比之下,SBR 中NOB 的丰度为0.32%,与引起硝酸盐出现的AOB(0.31%)相当。

3 结论

(1)SBBR 处理进水氨氮质量浓度为1 200 mg/L,CODCr质量浓度为7 760 mg/L 的垃圾渗滤液,经过85 d 的启动与驯化,可以在不添加任何碳源的条件下,TN 去除率>97%。

(2)与SBR 相比,在相同的运行模式下,填料的添加提供了更加缺氧的微环境,提高了SND 去除率,硝化结束时SBBR 的TN 浓度相比SBR 更低,同时将周期时间相比SBR 缩短了29%。

(3)高通量检测显示,SBBR 中的优势门是变形菌,其次是绿弯菌门、浮霉菌门和放线菌门。 SBR 中的优势门为绿弯菌,其次是变形菌门、浮霉菌门和放线菌门。 在菌属层面,Candidatuspromineofilum是SBR 中最主要的属,约占17.55%,但在SBBR 中仅约占7.58%,SBBR 中排名前 35 的属没有绝对优势属。

垃圾渗滤液的深度脱氮是目前渗滤液达标排放的难点之一。 本研究采用SBBR 处理实际垃圾渗滤液实现了深度脱氮,同时,脱氮效率相比传统的SBR工艺有了较大的提高。 同时文章从微观层面解释了SBBR 相比SBR 脱氮效率高的原因。 本文的研究结果为垃圾渗滤液实现TN 达标排放提供了有效的思路。