厭氧消化與兩級(jí)串聯(lián)SNAD-IFAS組合工藝處理垃圾滲濾液研究

徐 曉 晨， 馮 驍， 楊 蒙， 牛 明 澤， 陳 捷， 楊 鳳 林， 靳 文 堯

( 1.大連理工大學(xué) 環(huán)境學(xué)院 工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024；2.大連東泰有機(jī)廢物處理有限公司， 遼寧 大連 116000；3.大連大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院， 遼寧 大連 116622 )

0 引 言

SNAD工藝雖然具有經(jīng)濟(jì)、高效的優(yōu)勢，但是由于難以控制亞硝化階段以及AnAOB增殖時(shí)間較長(10～14 d)[7]，該工藝仍未廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中.目前很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)SNAD工藝的反應(yīng)機(jī)理和影響因素進(jìn)行研究，但大多數(shù)停留在模擬廢水階段[8-9]，對(duì)垃圾滲濾液實(shí)際廢水的研究較少.此外，目前常見的SNAD反應(yīng)器類型如厭氧反應(yīng)器(UASB)、SBR、CSTR等可以用來培養(yǎng)懸浮污泥絮體，但均存在污泥流失的現(xiàn)象，不易于AnAOB的富集.固定生物膜-懸浮污泥(IFAS)反應(yīng)器中同時(shí)存在懸浮污泥與生物膜，利用填料作為生長載體，有效保護(hù)了AnAOB的生長環(huán)境.同時(shí)利用懸浮污泥與生物膜中具有不同傳質(zhì)阻力的特點(diǎn)，可以滿足功能菌群對(duì)不同反應(yīng)條件的需求，有效提高微生物的降解能力.相比于傳統(tǒng)活性污泥法，SNAD-IFAS工藝具有生物停留時(shí)間長、處理負(fù)荷高、抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[10].

本次實(shí)驗(yàn)旨在探究厭氧消化與兩級(jí)串聯(lián)SNAD-IFAS組合工藝對(duì)垃圾滲濾液的處理能力；對(duì)各工藝單元的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)控與優(yōu)化；對(duì)SNAD系統(tǒng)內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，期望為該工藝處理垃圾滲濾液的實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，由UASB與兩級(jí)串聯(lián)SNAD-IFAS組合而成，反應(yīng)器材質(zhì)均為樹脂玻璃.UASB有效容積為10 L，反應(yīng)器頂部設(shè)有機(jī)械攪拌裝置，轉(zhuǎn)速控制在10 r/min.SNAD1池與SNAD2池的有效容積均為15 L，后續(xù)分別設(shè)有容積為5 L的二沉池；內(nèi)部設(shè)有長26 cm的四葉攪拌器，轉(zhuǎn)速控制在30 r/min；外部覆蓋水浴層，通過水浴加熱使溫度穩(wěn)定在32 ℃；底部布有微孔曝氣頭，通過空氣壓縮機(jī)曝氣，利用轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)氣量；為了防止強(qiáng)光照射對(duì)AnAOB的生長產(chǎn)生抑制作用，反應(yīng)器均用遮光布進(jìn)行避光.

1 厭氧進(jìn)水桶；2 蠕動(dòng)泵；3 UASB反應(yīng)器；4 攪拌器；5 厭氧出水桶；6 SNAD1池；7 pH計(jì)；8 DO儀；9 二沉池；10 SNAD2池；11 K1型填料；12 SNAD出水桶

1.2 實(shí)驗(yàn)用水及污泥接種

垃圾滲濾液的主要水質(zhì)指標(biāo)如表1所示，受季節(jié)及工廠運(yùn)行效果的影響，不同批次的實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)略有不同.在進(jìn)水之前，實(shí)驗(yàn)用水均保存在4 ℃的冰箱中以防止有機(jī)物自然降解.

UASB中接種的厭氧污泥以及IFAS反應(yīng)器中接種的活性污泥和微生物填料均取自大連東泰夏家河污泥處理廠.UASB、SNAD1池、SNAD2池內(nèi)污泥接種比分別為30%、15%、15%，接種后反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度(MLSS)分別為13 082.3、1 578.1、1 520.4 mg·L-1.SNAD1池、SNAD2池內(nèi)投加K1型填料，其內(nèi)徑、厚度、比表面積分別為10 mm、8 mm、700～750 m2/m3.

1.3 檢測項(xiàng)目與分析方法

表1 垃圾滲濾液水質(zhì)指標(biāo)

1.4 高通量測序

實(shí)驗(yàn)第50 d和第96 d分別取SNAD1池及SNAD2池中的活性污泥和生物膜進(jìn)行高通量測序分析，分別記為s1、s2、b1、b2(第50 d 1池污泥、2池污泥、1池生物膜、2池生物膜)，S1、S2、B1、B2(第96 d 1池污泥、2池污泥、1池生物膜、2池生物膜).所有微生物樣品均在8 000 r/min的條件下離心20 min，封裝于10 mL離心管，貯存于-20 ℃冰箱中.微生物的16S rRNA中V3～V4基因片段(329 bp)利用338F和806R引物進(jìn)行擴(kuò)增.

2 結(jié)果與討論

2.1 厭氧消化運(yùn)行效果分析

厭氧消化作為前端處理工藝，主要作用是去除滲濾液中的COD，同時(shí)降低出水中的碳氮比以防止高濃度有機(jī)物對(duì)SNAD中AnAOB的活性產(chǎn)生抑制作用.首先通過調(diào)節(jié)進(jìn)水流量，確定了UASB反應(yīng)器最佳水力停留時(shí)間(HRT).實(shí)驗(yàn)階段控制UASB內(nèi)溫度為32 ℃，pH為8.0～8.3，攪拌轉(zhuǎn)速約為10 r/min，設(shè)置HRT分別為12、24、36、50 h，運(yùn)行結(jié)果如圖2所示.4個(gè)階段反應(yīng)器內(nèi)COD去除率分別為16.7%、44.9%、45.2%、44.9%，說明HRT達(dá)到24 h后，延長HRT不會(huì)進(jìn)一步提高COD去除效果.因此在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，反應(yīng)器的HRT設(shè)置為24 h.在該條件下UASB內(nèi)進(jìn)出水氨氮濃度變化不大，說明有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮效果不明顯.這是因?yàn)槔淆g垃圾滲濾液在填埋過程中絕大部分有機(jī)氮已經(jīng)轉(zhuǎn)化為氨氮，剩余的難降解有機(jī)物可生化性較差[13].在穩(wěn)定運(yùn)行階段UASB內(nèi)進(jìn)水COD濃度為(3 680.2±203.4) mg·L-1，出水COD濃度為(2 028.3±85.6) mg·L-1；進(jìn)出水氨氮、總氮濃度幾乎沒有變化，分別為(1 452.7±70.3) mg·L-1和(1 503.7±33.6) mg·L-1，此時(shí)出水碳氮比在1.3∶1左右.作為SNAD工藝的進(jìn)水，嚴(yán)格控制UASB中出水的碳氮比十分關(guān)鍵，因?yàn)楦邼舛扔袡C(jī)物會(huì)導(dǎo)致異養(yǎng)菌大量繁殖，影響AnAOB的主體地位[14].研究表明，當(dāng)碳氮比為0.8時(shí)具有良好的反硝化-厭氧氨氧化協(xié)同作用；若持續(xù)高于1.6則可對(duì)AnAOB的活性產(chǎn)生抑制作用[15].但同樣有研究發(fā)現(xiàn)，可生物利用的COD對(duì)SNAD系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大影響，而難降解有機(jī)物的存在不會(huì)對(duì)AnAOB的活性產(chǎn)生明顯抑制作用[16].實(shí)驗(yàn)中UASB的出水絕大部分為難降解有機(jī)物，實(shí)際碳氮比遠(yuǎn)小于1.3∶1，因此完全可以滿足后續(xù)SNAD工藝的進(jìn)水需求.

圖2 不同HRT下UASB內(nèi)進(jìn)出水COD濃度及去除率

2.2 SNAD-IFAS反應(yīng)器啟動(dòng)與調(diào)控策略

SNAD-IFAS反應(yīng)器共運(yùn)行96 d，進(jìn)水量為10 L·d-1，SNAD1池與SNAD2池的HRT均為36 h.實(shí)驗(yàn)過程中均以UASB出水作為SNAD反應(yīng)器的進(jìn)水，通過調(diào)整稀釋倍數(shù)以滿足進(jìn)水負(fù)荷的需求.

為了提高菌群的適應(yīng)能力，以低負(fù)荷的方式啟動(dòng)反應(yīng)器，使SNAD進(jìn)水氨氮和COD濃度分別為200.3 mg·L-1和281.7 mg·L-1.控制SNAD1池與SNAD2池的溫度、回流比分別為32 ℃、1∶1.在兩級(jí)串聯(lián)SNAD-IFAS 反應(yīng)體系中，SNAD1池內(nèi)氨氮濃度和pH明顯高于SNAD2池.為了防止SNAD1池內(nèi)游離銨(FA)濃度過高對(duì)AnAOB的活性產(chǎn)生抑制作用，反應(yīng)器內(nèi)需要更多DO以完成亞硝化作用；而SNAD2池進(jìn)水為SNAD1池處理后的出水，氨氮濃度較低并且含有剩余的亞硝氮，因此控制其處于低DO水平以充分進(jìn)行厭氧氨氧化過程.獨(dú)立調(diào)節(jié)曝氣量使兩池DO濃度分別為0.10～0.12 mg·L-1和0.05～0.07 mg·L-1，運(yùn)行結(jié)果如圖3所示.第1～5 d菌群仍處于適應(yīng)期，一部分細(xì)菌未能適應(yīng)滲濾液水質(zhì)而被淘汰，導(dǎo)致SNAD1池和SNAD2池均出現(xiàn)出水COD濃度略高于進(jìn)水的情況(圖3(e)).在此期間SNAD1池的TN去除率可以達(dá)到60%以上，而SNAD2池的微生物活性明顯受到抑制，出水TN甚至?xí)哂谶M(jìn)水(圖3(d)).原因是SNAD2池內(nèi)DO濃度過低，AOB等好氧菌因缺氧而進(jìn)行內(nèi)源呼吸致細(xì)胞死亡，同時(shí)AnAOB也因?yàn)槿狈喯醯獰o法進(jìn)行厭氧氨氧化作用.為解決此問題，提高SNAD2池內(nèi)DO濃度至0.1 mg/L，隨即該池內(nèi)TN去除率顯著增加.至第7 d時(shí)SNAD1池和SNAD2池的TN去除率分別可達(dá)到64.3%和62.3%(圖3(d)).

第20 d時(shí)，SNAD反應(yīng)器進(jìn)水氨氮和COD濃度分別提高至400.1 mg·L-1和536.3 mg·L-1.此時(shí)SNAD1池和SNAD2池的pH分別為7.98和7.73，F(xiàn)A濃度分別為13.2 mg·L-1和1.3 mg·L-1.調(diào)節(jié)兩池DO濃度分別為0.17 mg·L-1和0.11 mg·L-1，TN去除率分別可達(dá)到61.9%和77.3%(圖3(d)).第21～23 d時(shí)，進(jìn)水氨氮濃度提高至534.2 mg·L-1，進(jìn)水負(fù)荷提高過快導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，兩池的TN去除率均明顯下降.為了解除高濃度氨氮對(duì)微生物活性的抑制作用，逐級(jí)降低進(jìn)水負(fù)荷考察反應(yīng)器恢復(fù)情況.至第41 d時(shí)進(jìn)水氨氮濃度降低為210.3 mg·L-1，兩池的運(yùn)行效果逐漸恢復(fù)，開始緩慢提高進(jìn)水負(fù)荷.第48 d系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)進(jìn)水氨氮和COD濃度分別為340.1 mg·L-1和455.7 mg·L-1，SNAD1池和SNAD2池的pH分別為7.79和7.52，DO濃度為0.10 mg·L-1和0.08 mg·L-1，TN去除率分別可達(dá)到44.9%和73.0%(圖3(d)).系統(tǒng)經(jīng)過25 d才能恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，分析原因主要有以下3個(gè)方面：進(jìn)水負(fù)荷和pH驟然提高導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)FA濃度超過35.0 mg·L-1，研究表明FA濃度超過30.0 mg·L-1時(shí)便可能對(duì)AnAOB的活性產(chǎn)生抑制作用[17]；垃圾滲濾液中含有復(fù)雜的重金屬離子和有毒有害物質(zhì)，可以破壞微生物酶結(jié)構(gòu)，影響其生化功能[18]；驟然減少稀釋倍數(shù)導(dǎo)致反應(yīng)器進(jìn)水中鹽度達(dá)到7 000～8 000 mg·L-1，有些微生物未能及時(shí)適應(yīng)高鹽環(huán)境，細(xì)胞可能脫水死亡.以上影響因素中，短期FA抑制可以通過降低負(fù)荷解除，但是毒害物質(zhì)和高鹽環(huán)境則可能導(dǎo)致微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的破壞.因此在處理垃圾滲濾液時(shí)，更適宜采取緩慢提高負(fù)荷的方式，使微生物充分適應(yīng)水質(zhì).后續(xù)實(shí)驗(yàn)采取該方式運(yùn)行，處理效率逐漸提高，微生物未表現(xiàn)出敏感性.第93～96 d時(shí)進(jìn)出水TN濃度分別為602.3 mg·L-1和100.6 mg·L-1，COD濃度分別為878.1 mg·L-1和532.1 mg·L-1，兩級(jí)串聯(lián)SNAD-IFAS系統(tǒng)對(duì)氨氮、TN和COD的去除率分別達(dá)到97.8%、83.3%和39.4%(圖3(a)、(d)、(e)).

2.3 SNAD-IFAS系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)分析

為了考察系統(tǒng)內(nèi)微生物的群落結(jié)構(gòu)，分別對(duì)SNAD1池及SNAD2池的活性污泥和生物膜在門級(jí)(Phylum)和屬級(jí)(Genus)進(jìn)行分析.如表2、3所示，活性污泥和生物膜均以SNAD系統(tǒng)中常見的Chloroflexi、Proteobacteria、Bacteroidetes作為主要優(yōu)勢菌種.Proteobacteria和Bacteroidetes常見于有機(jī)廢水處理中，尤其Bacteroidetes可以處理一些高分子羰基化合物[19].異養(yǎng)反硝化菌Chloroflexi可以起到骨架支撐的作用[20].活性污泥和生物膜的門級(jí)微生物最主要區(qū)別在于Planctomycetes 的分布情況.如表3所示，與AnAOB有關(guān)的Planctomycetes只存在于生物膜上而幾乎不存在于活性污泥中，其豐度分別從22.63%(b1)和16.73%(b2)提高至31.02%(B1)和36.11%(B2).說明SNAD-IFAS系統(tǒng)中形成的生物膜可以高效富集Planctomycetes，使其成為優(yōu)勢菌種.

(d) TN

(e) COD

表2 SNAD反應(yīng)器活性污泥門級(jí)微生物豐度

表3 SNAD反應(yīng)器生物膜門級(jí)微生物豐度

屬級(jí)分析結(jié)果如圖4所示，SNAD系統(tǒng)中常見的AOB(Nitrosomonas)與NOB(Nitrospira)主要存在于活性污泥中，AnAOB(Candidatus-Kuenenia，Candidatus-Brocadia)與DNB(Denitratisoma)則主要存在于生物膜上.這種空間分布主要是受傳質(zhì)阻力的影響，活性污泥中傳質(zhì)阻力較小，有利于好氧菌如AOB和NOB獲得充足的DO和COD；而AnAOB傾向于生長在生物膜的里層，是因?yàn)檩^大傳質(zhì)阻力可以有效保護(hù)其免受外界環(huán)境的抑制作用[21].如圖4(a)所示，從活性污泥角度分析，SNAD1池中的AOB在第96 d的豐度(5.91%)明顯高于第50 d(1.66%)，并且兩階段NOB豐度均低于檢測限(<0.01%)，說明AOB有效富集的同時(shí)NOB生長被有效控制.而SNAD2池由于以微氧的方式運(yùn)行導(dǎo)致s2與S2中AOB豐度偏低，分別為0.21%和1.24%.該池中NOB豐度從1.60%提高至6.28%，說明NOB活性未得到有效抑制.研究表明，F(xiàn)A濃度在0.1～1.0 mg·L-1時(shí)開始對(duì)NOB的活性產(chǎn)生抑制作用，在超過6.0 mg·L-1時(shí)可以完全抑制[22].而本次實(shí)驗(yàn)中由于SNAD2池內(nèi)氨氮濃度經(jīng)常處于較低水平(10.0～20.0 mg·L-1)，pH為7.5～7.8，使得FA濃度低于1.0 mg·L-1，因此無法對(duì)NOB起到完全抑制作用.如圖4(b)所示，從生物膜角度分析，SNAD1池與SNAD2池均以AnAOB作為優(yōu)勢菌種，第50 d時(shí)其豐度分別為21.18%和13.71%，第96 d時(shí)分別達(dá)到26.21%和30.82%，說明采用IFAS的方式有利于AnAOB生長.此外，B1與B2中DNB的豐度分別為9.11%和1.99%，這個(gè)結(jié)果表明DNB可以和AnAOB共生于生物膜.研究表明，DNB通常生長在AnAOB外部，不僅可以分解利用COD，保護(hù)AnAOB的生長環(huán)境，同時(shí)可以去除厭氧氨氧化過程產(chǎn)生的硝態(tài)氮，因此適當(dāng)濃度的DNB有利于AnAOB的富集[23].以上結(jié)果表明，利用IFAS反應(yīng)器膜泥混合的特點(diǎn)，可以滿足功能菌群對(duì)不同生長環(huán)境的需求，使其得到高效穩(wěn)定富集.

(a) 活性污泥

(b) 生物膜

由于時(shí)間原因，本實(shí)驗(yàn)兩級(jí)串聯(lián)SNAD-IFAS 工藝未能實(shí)現(xiàn)處理不經(jīng)稀釋的垃圾滲濾液厭氧出水，在以后的實(shí)驗(yàn)中可以通過延長SNAD-IFAS反應(yīng)器的反應(yīng)停留時(shí)間或者增加污泥濃度來進(jìn)一步提高其進(jìn)水COD和TN的濃度，實(shí)現(xiàn)厭氧消化與兩級(jí)串聯(lián)SNAD-IFAS組合工藝聯(lián)用，為垃圾滲濾液的處理提供更有效的工藝方案.

3 結(jié) 論

(1)利用UASB對(duì)垃圾滲濾液進(jìn)行厭氧消化.控制溫度、pH、攪拌速度分別為32 ℃、8.0～8.3、10 r/min，在HRT為24 h時(shí)達(dá)到最佳去除效率，此時(shí)進(jìn)出水COD濃度分別為(3 680.2±203.4) mg·L-1和(2 028.3±85.6) mg·L-1，去除率在44.9%左右，出水碳氮比在1.3∶1左右，完全可以滿足后續(xù)SNAD工藝的進(jìn)水需求.

(2)SNAD-IFAS反應(yīng)器共運(yùn)行96 d，稀釋UASB出水作為系統(tǒng)的進(jìn)水.SNAD1池與SNAD2池的pH分別為7.8～8.0、7.5～7.8，DO濃度分別為0.1～0.2 mg·L-1、0.08～0.14 mg·L-1，控制兩池溫度、HRT、回流比分別為32 ℃、36 h、1∶1.穩(wěn)定運(yùn)行階段系統(tǒng)進(jìn)水TN和COD濃度分別為602.3 mg·L-1和878.1 mg·L-1，去除率分別可達(dá)83.3%和39.4%.

(3)SNAD-IFAS反應(yīng)器高效富集了AOB、AnAOB、DNB等功能菌群.AOB主要存在于活性污泥中，AnAOB和DNB主要存在生物膜上.SNAD1池與SNAD2池的生物膜均以AnAOB作為優(yōu)勢菌種，豐度分別達(dá)到26.21%和30.82%.