反硝化厭氧甲烷氧化與厭氧氨氧化耦合顆粒污泥脫氮效能

劉春爽, 李 偉, 于海彤, 張慧娟, 張璐瑤, 趙東風(fēng), 劉 芳, 趙朝成

(中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院,山東青島 266580)

關(guān)鍵字:反硝化厭氧甲烷氧化; 厭氧氨氧化; 顆粒污泥; 脫氮

傳統(tǒng)生物脫氮主要通過硝化和反硝化來實現(xiàn)[1-2]。厭氧氨氧化工藝能夠直接以亞硝酸鹽為電子受體將氨氮轉(zhuǎn)化為氮氣,無需有機(jī)碳源,可節(jié)約60%的曝氣量并減少90%的剩余污泥產(chǎn)量,被譽(yù)為最經(jīng)濟(jì)的脫氮技術(shù)之一[3-4],目前已被廣泛應(yīng)用于污泥厭氧消化液、禽畜養(yǎng)殖廢水等高氨氮廢水處理領(lǐng)域[5-9]。厭氧氨氧化工藝脫氮時會將約20%亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽,使得其理論最大總氮去除率僅為89%,實際應(yīng)用時受進(jìn)水水質(zhì)限制其總氮脫除率僅能達(dá)到70%。近年來發(fā)現(xiàn)的反硝化厭氧甲烷氧化微生物包括反硝化厭氧甲烷氧化古菌[7]和反硝化厭氧甲烷氧化細(xì)菌[10],能夠以甲烷為電子供體實現(xiàn)硝酸鹽或亞硝酸鹽的轉(zhuǎn)化,為厭氧氨氧化工藝總氮去除率的提供了有力保障。Xie等[11]采用甲烷基質(zhì)生物膜反應(yīng)器(MBfR),證實反硝化厭氧甲烷氧化微生物與厭氧氨氧化菌協(xié)同作用能夠?qū)崿F(xiàn)560 mg·L-1·d-1的氨氮和470 mg·L-1·d-1的亞硝酸鹽同步去除,并不累積硝酸鹽。然而厭氧氨氧化菌和厭氧甲烷氧化微生物均為自養(yǎng)菌,存在生長緩慢、世代時間長等問題,以生物聚集體形式存在的污泥形式(顆粒污泥或生物膜)將更有利于該過程的規(guī)?；瘧?yīng)用。反硝化厭氧甲烷氧化和厭氧氨氧化大都以絮狀和生物膜形式存在,關(guān)于厭氧甲烷氧化微生物與厭氧氨氧化微生物耦合顆粒污泥研究報道較少。筆者以反硝化厭氧甲烷絮狀污泥和厭氧氨氧化顆粒污泥為接種污泥,構(gòu)建反硝化厭氧甲烷氧化與厭氧氨氧化耦合顆粒污泥系統(tǒng),解析該耦合顆粒污泥的性質(zhì)和脫氮性能。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置和接種污泥

試驗采用改進(jìn)的升流式厭氧污泥床(UASB)反應(yīng)器(圖1),其反應(yīng)區(qū)容積為1.0 L,總?cè)莘e為2.9 L。反應(yīng)器回流管內(nèi)置中空纖維膜(內(nèi)徑為200 μm,外徑為300 μm,TEJIN,Japan)與甲烷氣瓶(壓力為0.12 MPa)相連用于CH4的供給,所用氣體為混合氣體含95% CH4和5% CO2,反應(yīng)器內(nèi)溶解性甲烷質(zhì)量濃度為16～18 mg/L。由蠕動泵從底部進(jìn)水,出水經(jīng)三相分離器進(jìn)行水、氣、液分離后部分回流,剩余由三角堰排出。反應(yīng)器溫度控制在(30±1) ℃。反應(yīng)器外部用遮光布覆蓋避光。

圖1 UASB反應(yīng)器Fig.1 UASB reactor

以厭氧氨氧化顆粒污泥和反硝化厭氧甲烷氧化絮狀污泥(體積比為10∶1)的混合污泥為接種污泥,為避免反硝化厭氧甲烷氧化微生物從反應(yīng)器中流失,同時促進(jìn)反硝化厭氧甲烷氧化與厭氧氨氧化耦合顆粒污泥快速形成,接種通過較低的內(nèi)循環(huán)使反硝化厭氧甲烷氧化絮狀污泥不斷在厭氧氨氧化顆粒污泥床層內(nèi)反復(fù)流動,促進(jìn)反硝化厭氧甲烷氧化微生物在厭氧氨氧化顆粒污泥上定殖,同時脈沖進(jìn)水,保證氨氮和亞硝酸鹽質(zhì)量濃度均低于50 mg·L-1,間歇培養(yǎng)20 d。其中接種污泥中的厭氧氨氧化污泥的平均粒徑為0.52 mm,VSS(揮發(fā)性懸浮物)質(zhì)量濃度為12.3 g/L;反硝化厭氧甲烷氧化污泥中VSS質(zhì)量濃度為1.8 g/L。

1.2 試驗用水

反應(yīng)器進(jìn)水為人工模擬廢水,其組成為(NH4)2SO4和NaNO2(提供NH4+-N和NO2--N,具體質(zhì)量濃度按需配置),KH2PO4質(zhì)量濃度為0.075 g/L,CaCl2·2H2O質(zhì)量濃度為0.2 g/L,MgSO4·7H2O質(zhì)量濃度為0.2 mg/L,NaHCO3質(zhì)量濃度為0.2 g/L,微量元素濃縮液 I、II,各加入0.5和0.2 mL/L[11],具體成分與Xie等[11]報道相同。

1.3 化學(xué)分析方法

NH4+-N分析采用納氏試劑比色法[13],NO2--N采用乙二胺分光光度法[14],NO3--N采用酚二磺酸法[14]。pH值、污泥SS(固體懸浮物)和VSS質(zhì)量濃度采用常規(guī)測定方法[14]。顆粒污泥的粒徑分布采用激光粒度分析儀器測定[15]。

1.4 微生物分析方法

試驗結(jié)束后采用FISH技術(shù)解析顆粒污泥內(nèi)反硝化厭氧甲烷氧化微生物和厭氧氨氧化微生物的空間分布,具體步驟與Ettwig等[16]報道相同。采用高通量測序技術(shù)分析顆粒污泥的微生物組成,采用土壤試劑盒(Mo Bio Laboratories, Carlsbad, California,美國)提取顆粒污泥DNA,之后的16S rRNA 基因擴(kuò)增,測序和分析步驟按照Hulsen等[17]報道方法進(jìn)行。反硝化厭氧甲烷氧化菌和厭氧氨氧化菌活性計算方法與Nie等[18]報道相同。

2 結(jié)果分析

2.1 UASB反應(yīng)器氮去除效果

脈沖培養(yǎng)后,改進(jìn)型UASB反應(yīng)器連續(xù)流進(jìn)水, NH4+-N和NO2-N質(zhì)量濃度保持500和530 mg/L不變,HRT(水力停留時間)由初始的9.6 d逐漸縮短到0.9 d,反應(yīng)器共運(yùn)行160 d。連續(xù)流進(jìn)水后,反應(yīng)器出水硝酸鹽迅速下降,第5 d時質(zhì)量濃度低于0.5 mg/L,并在之后很長時間內(nèi)維持穩(wěn)定,說明此時反硝化厭氧甲烷氧化微生物能夠很好地被厭氧氨氧化顆粒污泥吸附并截留在反應(yīng)器內(nèi)部,構(gòu)成了反硝化厭氧甲烷氧化和厭氧氨氧化耦合顆粒污泥的雛形。

隨著進(jìn)水HRT由9.6 d逐漸降低到2.1 d(反應(yīng)器運(yùn)行0～64 d)的過程中,出水亞硝酸鹽未檢出,氨氮質(zhì)量濃度低于10 mg/L(圖2),出水硝酸鹽質(zhì)量濃度低于1.5 mg/L,說明反硝化厭氧甲烷氧化微生物與厭氧氨氧化微生物協(xié)同作用較好,總氮去除負(fù)荷達(dá)490.5 mg·L-1·d-1。進(jìn)一步降低HRT到1.2 d(反應(yīng)器運(yùn)行65～99 d),出水亞硝酸鹽質(zhì)量濃度低于0.5 mg/L,出水硝酸鹽質(zhì)量濃度先增加到30 mg/L,后降低到12 mg/L。出水氨氮質(zhì)量濃度先增加到10 mg/L,后降低到4.6 mg/L?？偟コ?fù)荷先降低后增加至843.9 mg·L-1·d-1,與進(jìn)水總氮負(fù)荷858.3 mg·L-1·d-1接近。當(dāng)HRT進(jìn)一步下降至0.9 d(反應(yīng)器運(yùn)行100～160 d),出水亞硝酸鹽質(zhì)量濃度仍維持低于0.5 mg/L,出水氨氮和硝酸鹽質(zhì)量濃度略有增加,分別達(dá)到43.5和34.3 mg/L。出水氨氮的增加可能是由于體系內(nèi)反硝化厭氧甲烷氧化細(xì)菌的富集作用,使得亞硝酸鹽和氨氮消耗不平衡。出水硝酸鹽的增加,可能是由于體系負(fù)荷增加,使得反硝化厭氧甲烷氧化古菌活性受到影響,從而使得硝酸鹽去除效果變差。此時,總氮去除負(fù)荷約為1 050 mg·L-1·d-1,總氮去除率為92.5%。

圖2 UASB 反應(yīng)器處理效果Fig.2 Performance of UASB reactor

由于功能微生物以耦合顆粒污泥的存在,使得反硝化厭氧甲烷氧化古菌的活性達(dá)95.2 mg·L-1·d-1(表1),明顯高于現(xiàn)有懸浮態(tài)反硝化厭氧甲烷氧化微生物的13～40.32 mg·L-1·d-1[15],但略低于MBfR形式的反硝化厭氧甲烷氧化微生物的122.2 mg·L-1·d-1[7]。此外,本文中微生物以顆粒污泥形式存在,為后期溶解性CH4和含氮污染物的同步脫氮提供了新思路。

表1 耦合顆粒污泥性質(zhì)

2.2 耦合顆粒污泥特性

經(jīng)過160 d培養(yǎng)耦合，顆粒粒徑為0.32～1.73 mm,平均粒徑為0.76 mm(圖3)。耦合顆粒污泥中VSS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.8 g/L,與反應(yīng)器所接種的厭氧氨氧化顆粒污泥相比,粒徑和污泥質(zhì)量濃度分別增加1.46和1.28倍。耦合顆粒污泥為淡紅色、圓形或橢圓形。反應(yīng)器內(nèi)耦合顆粒污泥的形成使得反硝化厭氧甲烷氧化微生物能夠在體系內(nèi)很好的截留,并維持較高的污泥質(zhì)量濃度,沉降性能較好,SVI為62.5 L/g,實際應(yīng)用時有利于減小反應(yīng)池容積。

圖3 耦合顆粒污泥的光學(xué)攝影及其粒徑分布特征Fig.3 Optical photograph of coculture granules and its particle size distribution

FISH技術(shù)分析表明,顆粒內(nèi)含有反硝化厭氧甲烷細(xì)菌、反硝化厭氧甲烷氧化古菌和厭氧氨氧化菌(圖4),其中反硝化厭氧甲烷氧化古菌和反硝化厭氧甲烷氧化細(xì)菌位于顆粒污泥的外層,厭氧氨氧化菌位于耦合顆粒污泥的內(nèi)層,此種分布可能是由于甲烷的供給是通過沉淀區(qū)出水回流供給。與此同時,耦合顆粒污泥的總氮去除負(fù)荷穩(wěn)定在1.0 g·L-1·d-1作用時,所需時間為160 d,明顯少于現(xiàn)有研究報道中的400 d[9]。采用厭氧氨氧化顆粒污泥快速吸附反硝化厭氧甲烷氧化絮狀污泥的方式啟動,促進(jìn)了耦合顆粒污泥的形成,大大縮短了工藝的啟動時間。

圖4 耦合顆粒污泥的FISH分析結(jié)果Fig.4 FISH analysis results of coupled granular sludge

2.3 耦合顆粒污泥微生物多樣性

高通量測序結(jié)果表明,門水平的主要功能微生物有Proteobacteria, Bacteroidetes, Planctomycetes, Chloroflexi, Armatimonadetes, Actinobacteria, Patescibacteria, Euryarchaeota和Rokubacteria .所占豐度分別為27.73%、21.88%、16.21%、11.65%、4.76%、3.22%、2.66%、2.1% 和1.2%(圖5)。屬水平的主要功能微生物有Candidatus Brocadia,Comamonas,Burkholderiaceae,Denitratisoma,OLB8,Moheibacter,Ignavibacterium,Fimbriimonadales,Castellaniella,Rhodanobacter,Candidatus Methanoperedens,Chitinophagaceae sp,Acanthopleuribacter和Candidatus Methylomirabilis,豐度分別為14.47%、6.71%、4.96%、4.49%、4.3%、4.1%、3.6%、3.53%、2.4%、2.2%、2.1%、1.88%、1.66% 和1.2%。其中Candidatus Brocadia為典型的厭氧氨氧化微生物,Candidatus Methanoperedens為主要的反硝化厭氧甲烷氧化古菌,其主要作用為將厭氧氨氧化菌代謝轉(zhuǎn)化生成的NO3-進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為NO2-,Candidatus Methylomirabilis為主要的反硝化厭氧甲烷氧化細(xì)菌,其能夠?qū)Ⅲw系內(nèi)的NO2-轉(zhuǎn)化為N2。Candidatus Brocadia,Candidatus Methanoperedens和Candidatus Methylomirabilis協(xié)同作用實現(xiàn)完全脫氮,使得總氮去除率達(dá)92.5%。

圖5 耦合顆粒物泥內(nèi)微生物在門水平和屬水平分布Fig.5 Relative abundance of microorganisms in co-culture granular sludge at Phylum level and Genus level

3 結(jié) 論

(1)采用改進(jìn)的UASB反應(yīng)器,以反硝化厭氧甲烷氧化絮狀污泥和厭氧氨氧化顆粒污泥的混合污泥(體積比為1∶10)為接種污泥,在溫度為30 ℃,通過逐漸縮短HRT的方法,經(jīng)過160 d運(yùn)行,成功培養(yǎng)出反硝化厭氧甲烷氧化與厭氧氨氧化耦合顆粒污泥,其氨氮和亞硝酸鹽的脫除速率分別為 588.9和523 mg·L-1·d-1;反硝化厭氧甲烷氧化活性達(dá)95.2 mg·L-1·d-1。

(2)耦合顆粒污泥為淡紅色,圓形或橢圓形;平均粒徑為0.76 mm,VSS質(zhì)量濃度為15.8 g/L,SVI為62.5 L/g。FISH結(jié)果顯示反硝化厭氧甲烷氧化微生物位于耦合顆粒的外層,厭氧氨氧化菌位于耦合顆粒的內(nèi)層。

(3)耦合顆粒污泥內(nèi)主要的厭氧氨氧化菌為Candidatus Brocadia,豐度為14.47%;反硝化厭氧甲烷氧化細(xì)菌和反硝化厭氧甲烷氧化古菌分別屬于Candidatus Methanoperedens屬和Candidatus Methylomirabilis 屬,所占比例為2.1%和1.2%,三者協(xié)同作用實現(xiàn)完全脫氮,總氮去除率達(dá)92.5%。