低接种量条件下实现厌氧氨氧化快速启动的策略

王思琦, 李贇, 陈福明, 刘淑杰, 王伟. 低接种量条件下实现厌氧氨氧化快速启动的策略[J]. 环境工程学报, 2022, 16(3): 999-1007. doi: 10.12030/j.cjee.202110116
引用本文: 王思琦, 李贇, 陈福明, 刘淑杰, 王伟. 低接种量条件下实现厌氧氨氧化快速启动的策略[J]. 环境工程学报, 2022, 16(3): 999-1007. doi: 10.12030/j.cjee.202110116
WANG Siqi, LI Yun, CHEN Fuming, LIU Shujie, WANG Wei. Strategy on fast start-up of anaerobic ammonia oxidation under low inoculation conditions[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(3): 999-1007. doi: 10.12030/j.cjee.202110116
Citation: WANG Siqi, LI Yun, CHEN Fuming, LIU Shujie, WANG Wei. Strategy on fast start-up of anaerobic ammonia oxidation under low inoculation conditions[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(3): 999-1007. doi: 10.12030/j.cjee.202110116

低接种量条件下实现厌氧氨氧化快速启动的策略

    作者简介: 王思琦(1992—),男,博士,工程师,wangsq@Tsinghua-sz.org
    通讯作者: 王思琦(1992—),男,博士,工程师,wangsq@Tsinghua-sz.org
  • 中图分类号: X703.1

Strategy on fast start-up of anaerobic ammonia oxidation under low inoculation conditions

    Corresponding author: WANG Siqi, wangsq@Tsinghua-sz.org
  • 摘要: 厌氧氨氧化(Anaerobic ammonia oxidation, anammox)是目前最高效节能的脱氮方式,可以在不加碳源的条件下实现自养高负荷脱氮。然而,厌氧氨氧化菌(Anaerobic ammonia oxidizing bacterial, anAOB)因其生长缓慢,会导致污水处理工艺的启动周期较长。因此,为缩短anammox的启动周期,设置了3种不同污泥接种方式(A:接种500 mg·L−1 anAOB; B:接种500 mg·L−1 anAOB+5 000 mg·L−1反硝化菌;C:接种500 mg·L−1 anAOB+5 000 mg·L−1硝化菌)开展anammox启动实验,分析了底物浓度对脱氮效果的影响以及不同接种条件下微生物群落的差异。结果表明,采用向反应器投加500 mg·L−1 anAOB+5 000 mg·L−1反硝化菌的接种方式,可以实现anammox的快速启动;启动30 d后,总氮去除效率(nitrogen removal rate, NRR)可达1.41 kg·(m3·d)−1以上。微生物群落分析结果表明,反应器中主要存在的anAOB为Candaditue Kuenenia;与单独接种anammox污泥相比,接种反硝化污泥和anammox污泥会使Candaditue Kuenenia的相对丰度提高了40.0%,从而使脱氮效率提高了31.2%。底物浓度对anammox过程的影响结果表明,进水NO2-N质量浓度达到500 mg·L−1时会导致游离亚硝酸(FNA)浓度升高,而当FNA质量超过0.05 mg·L−1时,会严重影响anAOB活性,导致反应器出水水质波动;通过降低进水NO2-N浓度,可以使系统恢复。以上研究结果说明,通过接种反硝化菌和anAOB的方式可实现anammox的快速启动,加速实现anammox工艺在污水处理中大规模应用。
  • 随着工业化和城镇化的加速推进,对废水的集中处理备受关注[1]。1932年开始应用的Wuhrmann工艺是最早的脱氮工艺,称之为O/A工艺,遵循硝化、反硝化的流程顺序而设置[2]。然而,在硝化过程中需要供氧,反硝化过程中需要外加碳源,这造成了能耗和碳源的双重浪费。对此,将生物单元的顺序进行倒置,便产生了A/O工艺,A/O工艺成为最早使用的生物脱氮技术。这是工艺单元不同排列顺序构成组合工艺的开端,后续发展的废水生物处理工艺几乎均为厌氧、缺氧/水解、好氧单元的组装(图1)。典型的工艺有A/A/O和O/A/O,组合工艺中的不同单元反应器排序会影响碳源利用和脱氮效果,因此,需要根据废水组成与处理目标选择合适的工艺技术。

    图 1  前置厌氧与前置好氧工艺的演化配置
    Figure 1.  Evolutionary configuration of pre-anaerobic and pre-aerobic processes.

    厌氧置前的工艺可以控制碳源转化为小分子有机物或者甲烷,提高废水的可生化性,为后续反硝化反应提供碳源。HAO等[3]采用A/A/O工艺处理制革废水,考察了沿程溶解性有机物的浓度变化,发现A1的厌氧水解单元能优先去除小分子量的物质和蛋白质,后续的A/O工艺可更彻底地去除残余有机物。O/A/O工艺可在O1单元反应器中好氧降解部分有机物,实现含氮有机物的氨化,有助于硝化反应的实现。李国令等[4]对比了O/A/O和A/O工艺处理同一城镇污水的结果,在O1单元反应器中降解了大部分有机物,可为O2提供良好的硝化环境,因此,O/A/O脱氮效果优于A/O工艺。A/A/O工艺对高毒性工业废水的处理不具有优势,这是因为A1中的微生物增殖速度慢,难以消除毒性抑制作用。兼顾脱氮和除磷是A/A/O工艺的特征,脱氮效率受回流比的影响,无法实现完全脱除总氮,也存在着与除磷菌在碳源利用分配之间的矛盾。然而,前置好氧的O/A/O工艺因大幅度削减了毒性物质而有利于后续单元硝化菌的生长。与A/A/O工艺不同的是,该工艺不能利用废水中存在的易降解有机物作为碳源进行反硝化脱氮,造成一定程度的碳源浪费。由此可见,前置厌氧或者前置好氧对后续的脱氮工艺有着不同的影响机制,A/A/O工艺多用于生活污水[5-6],而O/A/O工艺可能更适合于工业废水[7]

    焦化废水是典型的高碳氮比工业废水,含有多种高浓度有毒物质。其中的有机污染物主要包括酚类[8]、苯系物、杂环芳烃和多环芳烃等物质[9];其无机物中,S2-、SCN、CN等均为典型的毒性物质,并且对废水的COD值有较大的贡献[10]。LI等[11]研究了在相同水力停留时间下A/A/O与A/O工艺分别对焦化废水中COD和NH4+-N的去除效果,发现两者的去除率几乎相同,但A/A/O比A/O工艺对总氮的去除效果更好。汤清泉等[12]比较了A/A/O与O/A/O工艺对焦化废水的处理效果,认为碳氮比是决定二者对总氮去除效果的关键因素。当碳氮比为15~20时可以选择A/A/O工艺,当碳氮比为20~35时则O/A/O工艺效果更好。其原因是:前置好氧单元可以去除高碳氮废水中的有机物而降低后续处理的负荷。本课题组在长期实践的基础上开发了针对焦化废水处理三污泥系统的好氧-水解-好氧流化床脱氮工艺(命名为O/H/O工艺,其中,O1为除碳氨化单元,H为水解脱氮单元,O2为完全硝化单元) [13-15],已有 5个实际工程应用案例,最长运行时间达到12年。O/H/O工艺具有独特的三相分离器,可以保证在不需要污泥回流的情况下实现各个单元反应器独立的污泥特征和生物量,节省了能耗,并促进了污泥生态与水质环境的相容性[16]。新型结构生物三相流化床作为O1反应器,在进水有机负荷达到2.4 kg ·(m3·d)−1 的运行情况下,其耗氧有机物的去除率可以达到93.0%以上,反应器中氧的利用率为50%~60%。面对高毒性、高浓度的焦化废水,A/A/O工艺需要1~2倍稀释后才能进入生物系统,而O/A/O或O/H/O工艺则不需要稀释。

    厌氧、水解、好氧单元不同顺序的排列组合构成了不同的废水生物处理工艺技术。在废水性质转化方面,厌氧单元可提高B/C值[17],而好氧单元可降低B/C值,分别有利于异养反硝化与硝化反应;在脱氮模式中,要考虑硝化反硝化[18]、短程硝化反硝化[19]、厌氧氨氧化[20]、自养反硝化[21]、好氧反硝化[22]等原理的选用、协同及条件控制。A/A/O工艺和O/A/O工艺都需要回流才能保持反应器内的污泥浓度,A/A/O工艺的运行属于单污泥系统,O/A/O工艺中设置了2个二沉池,属于双污泥系统,而O/H/O工艺属于三污泥系统。根据废水的性质选择合适的工艺,可以在达标排放的基础上实现能耗与物耗的减量化。由于目前缺乏不同工艺特征的比较,为此,本文分析了不同工艺的碳源利用模式和脱氮模式,提出了一种代表性的焦化废水组成并通过研究A/A/O、O/A/O、O/H/O的组合工艺对焦化废水中核心污染物的去除及其能耗分配关系,阐明了工艺技术选择的原则,为复杂工业废水生物处理技术的工艺优选提供参考。

    本课题组对国内38个焦化厂进行了实地调查和数据采集,分析了焦化废水的水质特征与地域差异的关系,发现华北、华中、华东地区废水中的COD值略高,华中和西南地区废水的氨氮浓度略低[23]。焦化废水中的含氮物质主要由氨氮、有机氮、SCN、CN等组分构成,由于蒸氨工艺的差异,含氮物质的比例各有不同。综合国内外的焦化废水原水水质[24-26],结合我们的调查,为了消除差异性和增强可比性,本文定义代表性的焦化废水组成为: COD为4 000 mg·L−1,苯酚、NH+4-N、SCN、CN、S2−以及总氮的质量浓度分别为800、 100、 500、 50、 50 和280 mg·L−1

    A/A/O工艺借鉴宝武韶钢公司的运行数据,水量为60 m3·h−1,3个单元反应器的水力停留时间分别为34、22和52 h,COD负荷分别为1.22、1.46和0.47 kg·(m3·d)−1;O/H/O工艺参考实验室和焦化厂的运行数据[27-28],废水处理量为60 m3·h−1,3个单元反应器的水力停留时间分别为36、40和24 h,COD负荷分别为2.30、0.38和0.55 kg·(m3·d)−1;选取韩国某厂实验室数据作为O/A/O工艺的案例[29],实验规模为0.03 L·h−1,3个反应器的水力停留时间分别为28.8、12和19.2 h,进水中添加KH2PO4和Na2CO3以维持碱度,在缺氧池中加入3倍总氮浓度的甲醇作为碳源,工艺装置总水力停留时间为2.5 d。通过实际与假设相结合的方法进行分析,以3个焦化厂的实际废水数据(见表1)来剖析不同工艺的碳源利用和脱氮模式。O/A/O和O/H/O工艺的反应器排列顺序相同,反应器的性能和运行模式不同。因此,在分析碳源利用和脱氮模式时只考虑A/A/O与O/A/O的对比,而在能耗分析时,再考虑O/A/O与O/H/O的差异性。

    表 1  3种工艺实际运行水质
    Table 1.  Actual operating water quality in three processes mg·L−1
    工艺COD挥发酚NH+4-NSCNCN
    A/A/O1 727±60742±69173±12175±1826.2±4.5
    O/A/O2 300±100635±15235±15375±25-
    O/H/O3 451±215973±74245±15450±1725±3
      注:以集水调池的水质作为生物上水。
     | Show Table
    DownLoad: CSV

    根据污染物的降解途径计算了污染物的COD当量和TN当量,结果见表2,在生物系统里,SCN和CN中的氮转化为氨氮[30-31]

    表 2  不同污染物对COD和总氮的贡献
    Table 2.  Contribution of various pollutants to COD and nitrogen mg·mg-1
    当量挥发酚SCNCNS2−NO3NO2
    COD当量2.3801.1000.6152.000-0.348
    N当量-0.2410.538-0.2260.304
     | Show Table
    DownLoad: CSV

    通过分析不同污染物对COD和总氮的贡献,检验废水组成的合理性。如式(1)所示,废水中的含氮量主要由NO3NO2NH+4、SCN、CN以及其他有机氮提供。如式(2)所示,废水中的COD主要由有机物和还原性无机离子构成,其中,挥发酚、苯系物、SCN、S2−的贡献比例比较大,部分难降解的有机物也导致生物出水中检出较高的COD值。

    CTN= 0.226CNO3+0.538CCN+0.241CSCN+CNH+4N+0.304CNO2+C其他含氮物质 (1)
    CCOD= 2.380Cphenol+1.100CSCN+0.615CCN+2.000CS2+0.348CNO2+C其他有机物 (2)

    式中:CTNCNO3CNO2CCNCSCNCNH+4-NC其他含氮物质分别表示总氮、硝酸根、亚硝酸根、氰化物、硫氰化物、氨氮以及其他含氮物质的质量浓度,mg·L−1CCOD为废水中耗氧有机物(以COD计)的质量浓度,mg·L−1CphenolCS2−C其他有机物分别表示废水中苯酚、硫离子以及其他有机物的质量浓度,mg·L−1

    在每一个单元反应器的出水中,都通过以上的方法进行检验,以确定废水组成的合理关系。

    根据式(3)~式(7)计算A/A/O工艺中每个反应器对污染物i总体去除的贡献率,分别以PiA1PiA2PiO表示。根据式(8)~式(13)计算O/A/O每个反应器对污染物i总体去除率,分别以PiO1PiAPiO2表示。

    PiA1=(1+R1)×CiA1-I-CiA1-ECi0×100% (3)
    PiA2=(1+R1+R2)×CiA2-I-CiA2-ECi0×100% (4)
    PiO=(1+R1+R2)×CiO-I-CiO-ECi0×100% (5)
    CiA2-I=(1+R1)×CiA1-E+R1×CiO-E1+R1+R2 (6)
    CiO-I=CiA2-E (7)
    PiO1=(1+R3)CiO1-I-CiO1-ECi0×100% (8)
    PiA=(1+R4+R5)×CiA-I-CiA-ECi0×100% (9)
    PiO2=(1+R4+R5)×CiO2-I-CiO2-ECi0×100% (10)
    CiO1-I=Ci0+R3CiO1-E1+R3 (11)
    CiA-I=CiO1-E+(R4+R5)×CiO2-E1+R4+R5 (12)
    CiO2-I=CiA-E (13)

    式中:i为各种污染物(COD、苯酚、硫氰化物、氰化物、氨氮、亚硝酸根、硝酸根和总氮)。R1R2分别为A/A/O工艺中污泥回流比和硝化液回流比,污泥回流比取值1,硝化液回流比取值3;R3R4R5分别为O/A/O工艺中初沉池回流至O1的污泥回流比、二沉池回流至A的污泥回流比以及硝化液回流比,均取值为1。C0i为未处理废水中污染物i的质量浓度,mg·L−1CiA1ICiA1ECiA2ICiA2ECiOICiOECiO1ICiO1ECiAICiAECiO2ICiO2E分别表示A1、A2、O反应器和O1、A、O2反应器中污染物i的进水和出水的质量浓度,mg·L−1

    排除水力停留时间对工艺对比造成差异,假设A/A/O与O/A/O工艺具有相同的总水力停留时间,结合文献调研和实际考虑,每个工艺各个反应器的体积比为1:1:2,处理水量为60 m3·h−1

    污染物在反应器中会进行到氨化碳氧化、亚硝化氮氧化或硝化氮氧化3种不同的处理阶段,不同阶段的耗氧量分别根据式(14)~式(16)进行计算。

    OS=[aKCODCCOD+CDO]Q24 000 (14)
    OS=[aKCODCCOD+b(1-Kd)×(CN+CCN1.86+CSCN4.14)+(1+RS+Rd)CDO]Q24 000 (15)
    OS=[aKCODCCOD+c(1-Kd)×(CN+CCN1.86+CSCN4.14)+(1+RS+Rd)CDO]Q24 000 (16)
    Kd=(1-NoNi)×100% (17)

    式中:Q为生物系统进水量,m3·d−1abc分别为氧化COD、氨氮到亚硝氮、氨氮到硝态氮的有关的耗氧系数,在本研究中为1.4、3.43、4.57;Os为好氧单元的理论需氧量,kg·h−1CCOD为耗氧有机物(以COD计)的质量浓度,mg·L−1CDO为好氧单元溶解氧的质量浓度,mg·L−1KCOD为COD去除率,%;RsRd分别为活性污泥和硝化液回流比;CNCCNCSCN分别为以脱氮为目标的好氧池中含氨氮、氰化物、硫氰化物的质量浓度,mg·L−1Kd为反硝化率,%;NiNo分别为脱氮系统进、出水总氮的质量浓度,mg·L−1

    A/A/O中的好氧单元主要发挥硝化作用,通过式(16)和式(17)计算可知其耗氧量;O/A/O工艺中,O1易氧化降解耗氧有机物(以COD计),不考虑硝化作用,耗氧量通过式(14)计算可知;在O2中进行硝化作用,耗氧量通过式(16)和式(17)计算可知;O/H/O工艺与O/A/O工艺相似,但不需要污泥回流,因此,在计算O/H/O工艺中O2的曝气能耗时,式(16)的污泥回流比Rs为0。

    污泥回流的能耗是A/A/O与O/A/O工艺所必不可少的,只有通过污泥回流才能保证生物池活性污泥的浓度,回流泵的能耗通过式(18)进行计算。

    WS=KQH (18)
    K=k183.5 (19)

    式中:Ws为污泥回流泵的能耗,kW·h;K是安全系数,由式(19)计算,当水泵功率和污泥回流泵功率超过5 kW时,式(19)中的k取值1.15[32]Q为回流的流量,m3·d−1H为水泵总水头损失,m。

    由于回流污泥含水率高达99.5%~99.9%,所以,污泥回流与废水回流的能耗以相同方法计算。A/A/O与O/A/O工艺的回流比已经明确,O/H/O工艺仅存在硝化液回流,回流比为1,能耗估算值可由泵能耗的公式给出。A/A/O工艺中污泥回流至厌氧池的水头损失为1.5~2 m,硝化液回流至缺氧池的水头损失为1~1.2 m。O/A/O工艺有2个污泥回流系统,二沉池至O1的水头损失为0.5~0.8 m,另一个二沉池至A的水头损失为1~1.5 m。O/H/O不存在污泥回流,硝化液回流的水头损失为1~1.6 m。

    首先考察了2种工艺中COD的沿程变化,分析2种工艺的碳源利用模式差异。由图2可以看出,在A/A/O工艺中,O单元对耗氧有机物(以COD计)的去除效果最好,A1的水解作用使难降解有机物断链、开环,转化为小分子有机酸,为后续的反硝化脱氮所利用;而在O/A/O工艺中,O1对COD的去除率高达90.0%以上,使后续单元工艺主要为脱氮服务。两者不同的是,A/A/O工艺通过微生物反硝化作用去除了废水中的耗氧有机物,而O/A/O工艺则通过生物耗氧直接氧化废水中的耗氧有机物。

    图 2  各工艺沿程COD的变化
    Figure 2.  COD changes along each process.

    LI等[11]对比了A/A/O与A/O工艺的处理效果,指出2个工艺对于有机物和氨氮的去除效果几乎相同,但A/A/O工艺更有利于总氮脱除,这是因为A/A/O工艺设置了产酸阶段。CHAKRABORTY等[33]发现,在A1中COD的去除率为5%~11%,CN降解率为35.0%,没有发现苯酚降解的中间产物和甲烷的生成。王子兴等[34]指出,在A/A/O-MBR工艺处理焦化废水的过程中,单个反应器COD去除率分别为9.2%、73.5%、14.7%;经过GC/MS检测分析,苯酚在A1中的降解率为26.7%,而含氮杂环化合物以及苯系物的去除率分别为49.5%和65.8%。此外,有研究[35]表明,在A/A/O工艺中,A1单元去除污染物效果不明显,COD去除率低于10%;A2单元的COD去除率最高,尤其是易降解有机物在此阶段几乎全部被利用;在O单元中,利用异养微生物好氧氧化残留的有机物,CN和SCN在O2中也被彻底去除。SHARMA[36]研究了厌氧、缺氧、好氧单个单元的处理效果时发现,好氧单元可去除83.3%的CN 和62.0%的COD;当加入氰化物后,好氧单元中COD的去除率下降到52.0%。由此可见,废水组成的复杂性会影响单组分的去除效果。马昕等[37]采用O/A/O工艺处理焦化废水时发现,在O1停留时间为16 h时对COD的去除率达到75.0%,这与我们调查的工艺结果相似。由图2(b)可见,在O/A/O工艺中,O1对COD的去除率很高,浪费了部分有机碳源,而添加的外部有机碳源是造成A单元COD去除率降低的原因之一[38];另一方面,O1中的氨化过程可为O2提供良好的硝化环境。以上研究结果表明,2种工艺对废水中碳源的利用在原理上存在非常大的差异。

    脱氮的效果可通过协调碳源、电子供受体以及DO等因素来实现,故根据2种工艺中氨氮浓度沿流程变化来分析不同脱氮模式的有效性。 由图3可见,虽然O/A/O工艺进水氨氮偏高,但出水氨氮却很低,在O2单元中已经彻底硝化。可见,前置好氧工艺可以为后续O2创造良好的硝化条件。A1去除了27.0%的氨氮,而O1去除了87.5%的氨氮,即在A1中仍然保留着较高浓度的氨氮,而在O1中氨氮几乎完全硝化,这与在进水中是否添加磷盐有关[39]。O1、A1中氨氮浓度的变化以及微生物同化、有机氮氨化、氰化物及硫氰化物氨化等可以同时发生。在工程研究中发现,O1中还存在亚硝化和硝化的可能性[17]

    图 3  各工艺沿程铵离子浓度变化
    Figure 3.  Change in NH4+-N concentration along each process.

    焦化废水中的含氮物质除了铵离子/氨分子外,还有SCN、CN以及含氮有机物。ZHANG等[40]发现,A/A/O中各个单元对氨氮的去除率分别为-2.5%、3%、97%,A1出水中氨氮升高的原因是其他含氮物质氨化作用所致。吕鹏飞等[41]的研究表明,2种流化床工艺的前置厌氧单元对氨氮有少量的降解,氨氮去除率分别为18.1%和35.6%,体现出反应器对于处理效果的影响不同,流化床反应器面对复杂毒性废水比传统的沸腾床反应器表现出更好的耐毒性抑制作用。经过缺氧反应器A2后,氨氮浓度的变化主要有回流导致的直接稀释以及微生物降解的共同作用。GUI等研究了2个A/A/O系统,在硝化液回流比为200%的情况下,氨氮的质量浓度由250 mg·L−1降低至80 mg·L−1[42]。易欣怡等[28]考察了O/H/O工艺的焦化废水处理,发现O1单元能够把氰化物、硫氰化物氧化为氨氮,有机氮全部氨化,从而造成O1出水氨氮浓度的升高;而在H单元中,环状含氮化合物通过水解作用可实现分子开环转变为氨氮,回流液中的硝态氮实现反硝化转变为氮气;接下来的O2单元能够将残余低价状态的含氮化合物转变为硝态氮,所以对氨氮的去除非常彻底。由于多种含氮物质之间具有不同价态转化机制,工艺中合理安排碳源进行脱氮,以及通过回流/超越或微生物功能调控实现总氮的彻底去除将是工艺理论中具有挑战性的研究方向。

    1)各单元反应器的去除效率。能耗分配受工艺的单元反应器组合的影响。单元反应器的不同组合顺序可构成多样的生物处理工艺,前置好氧与厌氧工艺对同一种废水会产生不同的污染物去除效率,较优的工艺应该是在达标排放(即核心污染物去除)的基础上实现时间和空间上的减量化,还要降低二次污染。图4反映了A/A/O和O/A/O工艺污染物浓度的沿程变化。沿流程图中的百分比数据代表反应单元出水污染物浓度占进水中污染物浓度的比例。除了内部降解外,还要考虑因回流引起的反应器内污染物浓度的稀释作用。结合文献调查,综合实际情况,总结出代表性焦化废水典型污染物在单元反应器中的去除效率,如图5所示。其中,假设SCN和CN在O/A/O工艺的O1中完全氨化。

    图 4  典型污染物含量沿各工艺流程的变化
    Figure 4.  The variation of typical pollutant content along each process.
    图 5  典型污染物在各工艺单元反应器中的降解率
    Figure 5.  The degradation rate of typical pollutants in each process unit reactor.

    2)不同工艺的能耗分配。废水中的污染物在不同工艺各单元反应器中的总体去除率如图6所示。A/A/O工艺对污染物的降解主要集中在O单元中,O/A/O工艺的降解则集中在O1单元中。这两者的差异反映了前置好氧工艺与前置厌氧工艺在曝气能耗上的差别。通过式(14)~式(16)计算,各工艺需氧单元的曝气量如图7所示。A/A/O工艺中O单元的需氧量为102.7 kg·h−1,O/A/O中O1和O2的需氧量分别为260.8 kg·h−1和35.1 kg·h−1。由图7可看出,O/A/O工艺的O1大部分的曝气量是用来去除易降解有机物,因此,需氧量较高。但当废水中有机物的浓度很低时(当不考虑有机物耗氧时),A/A/O工艺氧化含氮物质需氧量为100.4 kg·h−1,O/A/O工艺氧化含氮类物质的需氧量为83.9 kg·h−1。因此,对于脱氮性能,O/A/O工艺比A/A/O工艺能耗更高。这归因于:在O1中解除了SCN、CN等有毒物质对A反应器微生物的抑制作用,使得在A中降解的含氮物质相对较多,可以实现O2单元的低能耗硝化反应。因此,当废水中的耗氧有机物的预处理较为彻底时,前置好氧工艺可以实现低耗能高效率脱氮。O/H/O工艺在保留了O/A/O工艺优点的基础上,实现了反应器内部流态化的颗粒污泥特征,氧传质系数是一般活性污泥的2倍左右[43],因此,与O/A/O工艺相比,O/H/O工艺在耗氧量的节能方面更能体现出优势。本课题组根据多年的O/H/O运行经验数据统计得出,在仅考虑脱氮目标时,O/H/O工艺的需氧量约为53.26 kg·h−1

    图 6  不同工艺单元反应器对各污染物的总体去除率
    Figure 6.  Overall removal rate of various pollutants in the unit reactor of different process.
    图 7  各工艺段的曝气量分配
    Figure 7.  Aeration distribution of each process section.

    图4所示的计算可得出,在A/A/O工艺中,进入A2的废水COD为1 140.0 mg·L−1,硝化液回流的硝酸根为84.4 mg·L−1,在A2中主要去除总氮中的硝酸根,其余的氨氮、SCN、CN等含氮物质只是发生了少量的生物降解,经过A2可去除80.0 mg·L−1左右的硝态氮,满足微生物生长的碳源需求量为723.2 g·m−3 (缺氧条件下C∶N∶P = 200∶5∶1),因为废水中含有一定量的有机物,故实际可以供微生物利用的量约为540.0 g·m−3,需要外加碳源122.1 g·m−3 (以甲醇计)。在O/A/O工艺中,进入A单元的废水COD值为633.3 mg·L−1,其总氮类型为硝酸根和氨氮,浓度分别为93.9 mg·L−1和50.0 mg·L−1,在A中降解90.0 mg·L−1的硝态氮,满足微生物正常生长的碳源需求量约为813.6 g·m−3,进入A的废水中可降解有机物的含量约为83.3 g·m−3,不足的碳源需要从外部添加486.9 g·m−3(以甲醇计)。以上的讨论是在不考虑O/A/O工艺中有超越进水的情况,但在实际工程中,往往会使部分集水调节池中的出水以超越O1池的方式进入A池,这样既可以降低O1的曝气能耗,又可减少A单元的外部碳源的需求量。当超越1/3处理量的废水进入A单元时,O1的曝气量变为174.0 kg·h−1 ,超越之后A单元进水的有机物浓度达到977.8 mg·L−1,可供微生物利用的量约为427.8 mg·L−1,因此,折合计算1 m3废水仅需要257.2 g的外加碳源,节省了229.7 g的外部碳源(以甲醇计)。可以看出,O/A/O系统的模式多样性,可以实现总氮的低能耗高效率去除。在实际运行的O/H/O工艺中,由于不需要污泥回流,每个反应器可以灵活调控,因此,O/H/O工艺比O/A/O工艺更容易实现厌氧氨氧化反应,并且可以利用FeS进行自养反硝化脱氮而节省能耗,故实际的O/H/O工艺的外部碳源需求约0~220 g·m−3,具体的需求量取决于厌氧氨氧化与自养反硝化的耦合性能[44]

    污泥回流可以保证生物单元中的污泥浓度即生物量。通过式(18)和式(19)的计算,A/A/O工艺的污泥回流和硝化液回流的总能耗约为42.37 kW·h;O/A/O系统污泥回流与硝化液回流的总能耗约为23.55 kW·h;O/H/O系统只存在硝化液回流,回流能耗约为9.42 kW·h。除了曝气和回流的能耗外,考虑综合因素,3种工艺归纳为2大类:厌氧-缺氧-好氧以及好氧-水解/缺氧-好氧。由于反应器的设置不同,好氧-水解/缺氧-好氧工艺又可以分类为O/A/O和O/H/O,分化出二污泥法和三污泥法,反应器的类型决定了工艺的耗能。若只考虑生物阶段的处理,废水COD在3 000~4 000 mg·L−1、铵离子质量浓度在100~200 mg·L−1时,A/A/O的处理费用为6~8 元·t−1[45,46],O/A/O的处理费用为7~9 元·t−1 [47-49],而O/H/O流化床工艺的处理费用仅为4~5元·t−1,体现了不同技术的成本差异。

    单元工艺的摆放顺序不仅决定了整体工艺运行的能耗,还会对冲击负荷、系统中微生物菌落和处理效果产生很大的影响。李国令等[4]指出,热单胞菌属、脱氯单胞菌属是O/A/O工艺好氧池中的优势菌属;热单胞菌属、脱氯单胞菌属、球形红假单胞菌属是O/A/O工艺缺氧池中的优势菌属。WANG等也发现[50],热单胞菌属与硝酸盐还原酶基因呈正相关,对同时厌氧氨氧化-反硝化系统中的硝酸盐还原起重要作用。 WEI等[15]指出,丛毛单胞菌属在反应器O1中对COD去除起到了关键作用,有助于去除O1反应器中的NH4+-N;硫杆菌则在H反应器中起着主要的反硝化作用,AOB和NOB(亚硝化单胞菌和硝化螺菌)对反应器中硝化作用的贡献最大。三污泥法的O/H/O工艺各单元在污染物组成、去除、功能和微生物群落等方面存在显著进步,有望实现厌氧氨氧化脱氮与深度脱氮的结合,也表明废水水质和反应器的组合对微生物功能分布具有调控功能。

    根据污泥回流的设置与否,A/A/O、O/A/O、O/H/O工艺可以分为单污泥系统、双污泥系统及三污泥系统,3个工艺的主要区别见表3。据报道,A/A/O工艺中A1单元对COD去除效率小于10%,检测不到甲烷的产生[51]。因此,A/A/O工艺仅仅在缺氧和有氧反应器中实现了对COD的去除。由于回流的存在,A/A/O工艺表现为单污泥特征,异养细菌具有较高的比生长速率,因污泥排放量高而导致其在处理高COD/TN废水时,大量自养硝化细菌被排洗。前置好氧工艺对高浓度毒性废水有很好的抗负荷冲击能力,并且O/H/O工艺中的新型结构流化床反应器的强化传质功能与污泥原位分离原理加强了各单元反应器中的微生物能力[22]。在H单元中,根据投加的电子供体不同而具有多种反硝化模式:如利用O1池的剩余COD作为碳源及其他电子供体进行异养反硝化脱氮;通过投加无机还原性电子供体以利用其作为营养源进行自养反硝化脱氮[21,52],还可以避免二次碳源的污染。另外,有研究表明,控制O1反应器在短程硝化水平,可使亚硝酸盐直接得到富集和积累,然后实现厌氧氨氧化模式脱氮,从而使工艺过程节能效果更好[17,19]。可见,复杂废水的脱氮模式多种多样,需要根据实际情况合理选择或耦合新原理,从而进一步实现低能耗、低物耗目标下的总氮去除。

    表 3  不同工艺系统的特点
    Table 3.  Characteristics of different process systems
    工艺污泥系统毒性物质的去除COD/TN脱氮途径能耗影响因素平均运行单价/(元·m-3)优点缺点
    A/A/O单污泥系统A1对大分子有机物的去除11.4异养反硝化一次回流、一次曝气7有利于含氮有机物的水解;反硝化可利用废水中有机物作为碳源不耐冲击负荷,受毒性抑制,需要稀释进水
    O/A/O双污泥系统O1对SCN、CN的去除及氨化12.5异养反硝化、自养反硝化二次回流、二次曝气8耐冲击负荷,进水不需要稀释;硝化效果好耗氧量大,污泥回流频繁,耗能多
    O/H/O三污泥系统O1对SCN、CN的去除及氨化13.8异养反硝化、自养反硝化、厌氧氨氧化及其耦合脱氮二次曝气4.5耐冲击负荷,颗粒污泥耐毒性抑制,硝化效果好,不需要沉淀池;不需要回流耗氧量大
     | Show Table
    DownLoad: CSV

    1)每处理1 m3设定浓度的焦化废水(不考虑O/A/O的超越进水),A/A/O和O/A/O工艺分别需要122.1 g 与486.9 g的外部碳源(以甲醇计)。当废水中的易降解有机物较少且只考虑脱氮目标时,O/A/O工艺的曝气需氧量为83.9 kg·h−1,A/A/O工艺的曝气需氧量为100.4 kg·h−1;当O/A/O工艺中有1/3的进水流量超越至A单元时,其碳源需求量由486.9 g·m−3减至257.2 g·m−3(以甲醇计),曝气量也将显著降低。

    2)由于废水组成的复杂性,污染物的降解效率除了受到彼此的相互制约外,工艺条件和反应器的设计也至关重要。具有高毒性、高碳氮含量的焦化废水,更适合于选择前置好氧的工艺。O/H/O工艺由于其独特的三相分离器的设置而节省了污泥回流部分的能耗,反应器中的颗粒污泥更加耐毒性抑制和抗冲击负荷,并且传氧速率高,工艺耗氧量仅为53.26 kg·h−1,外部碳源的消耗可以由486.9 g·m−3降至0~220 g·m−3

    3)反应器的高效性和可控性,使O/H/O工艺比O/A/O工艺更容易实现自养反硝化与异养反硝化协同脱氮、自养型短程反硝化与厌氧氨氧化的协同脱氮等其他脱氮途径,进而使O/H/O工艺成为一种更具潜力的低能耗、低物耗的生物脱氮技术工艺。针对不同的废水水质与物质组成特征,O/H/O工艺能够对不同功能的单元进行组合和编辑,从时间与空间、药剂与能耗、处理效率等方面追求更加丰富的优化模式,以满足各种不同的出水需求,特别是满足总氮浓度趋零的要求。

  • 图 1  厌氧氨氧化实验流程图

    Figure 1.  Schematic diagram of the anammox experiment

    图 2  进出水氮质量浓度的变化和总氮去除率

    Figure 2.  Variation of influent and effluent nitrogen compounds and total nitrogen removal rate

    图 3  氮去除负荷和去除效率变化

    Figure 3.  Variation of nitrogen load rate and nitrogen removal rate

    图 4  NO2与△NH3−N的比值变化

    Figure 4.  Variation of the ratio of NO2−N removal to NH3−N removal

    图 5  FA和FNA的变化

    Figure 5.  Variation of FA and FNA

    图 6  2组氮素转化衡算

    Figure 6.  Nitrogen conversion and balance of two groups

    图 7  微生物群落组成对比

    Figure 7.  Comparison of the composition of microbial communities

    表 1  厌氧氨氧化反应器不同阶段的运行参数

    Table 1.  Operating parameters of different stages of anammox reactor

    阶段运行时间/d进水NH3-N质量浓度/(mg·L−1)进水NO2-N质量浓度/(mg·L−1)RHRTa/hNLR b/(kg·(m3·d)−1)
    I1~61001000120.8
    7~28100100061.6
    29~48150150041.8
    49~54300300152.88
    II55~65500500183
    66~76500500292.67
    77~965005002122
    III97~116400400182.4
      注:a HRT为水力停留时间;b NLR为总氮负荷。
    阶段运行时间/d进水NH3-N质量浓度/(mg·L−1)进水NO2-N质量浓度/(mg·L−1)RHRTa/hNLR b/(kg·(m3·d)−1)
    I1~61001000120.8
    7~28100100061.6
    29~48150150041.8
    49~54300300152.88
    II55~65500500183
    66~76500500292.67
    77~965005002122
    III97~116400400182.4
      注:a HRT为水力停留时间;b NLR为总氮负荷。
    下载: 导出CSV
  • [1] 赵志瑞, 马斌, 张树军, 等. 高氨氮废水与城市生活污水短程硝化系统菌群比较[J]. 环境科学, 2013, 34(4): 1448-1456.
    [2] 闫家望. 高氨氮废水处理技术及研究现状[J]. 中国资源综合利用, 2018, 36(3): 99-101. doi: 10.3969/j.issn.1008-9500.2018.03.035
    [3] 陈重军, 王建芳, 张海芹, 等. 厌氧氨氧化污水处理工艺及其实际应用研究进展[J]. 生态环境学报, 2014, 23(3): 521-527. doi: 10.3969/j.issn.1674-5906.2014.03.023
    [4] 徐峥勇. 基于亚硝化、厌氧氨氧化与反硝化的脱氮耦合工艺及其控制策略研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2011.
    [5] LI X, LU M Y, HUANG Y, et al. Influence of seasonal temperature change on autotrophic nitrogen removal for mature landfill leachate treatment with high-ammonia by partial nitrification-Anammox process[J]. Journal of Environmental Sciences, 2021, 102: 291-300. doi: 10.1016/j.jes.2020.09.031
    [6] CHEN G, LI J, DENG H, et al. Study on Anaerobic ammonium oxidation (Anammox) sludge immobilized in different gel carriers and its nitrogen removal performance[J]. Journal of Residuals Science & Technology, 2015, 12: S47-S54.
    [7] WANG J X, LIANG J D, SUN L, et al. Granule-based immobilization and activity enhancement of anammox biomass via PVA/CS and PVA/CS/Fe gel beads[J]. Bioresource Technology, 2020, 309: 123448. doi: 10.1016/j.biortech.2020.123448
    [8] 贾方旭, 彭永臻, 杨庆. 厌氧氨氧化菌与其他细菌之间的协同竞争关系[J]. 环境科学学报, 2014, 34(6): 1351-1361.
    [9] VAN DER STAR W R L, ABMA W R, BLOMMERS D, et al. Startup of reactors for anoxic ammonium oxidation: Experiences from the first full-scale anammox reactor in Rotterdam[J]. Water Research, 2007, 41(18): 4149-4163. doi: 10.1016/j.watres.2007.03.044
    [10] HU B L, ZHENG P, TANG C J, et al. Identification and quantification of anammox bacteria in eight nitrogen removal reactors[J]. Water Research, 2010, 44(17): 5014-5020. doi: 10.1016/j.watres.2010.07.021
    [11] BI Z, QIAO S, ZHOU J T, et al. Fast start-up of Anammox process with appropriate ferrous iron concentration[J]. Bioresource Technology, 2014, 170: 506-512. doi: 10.1016/j.biortech.2014.07.106
    [12] WANG T, ZHANG H M, YANG F L, et al. Start-up of the anammox process from the conventional activated sludge in a membrane bioreactor[J]. Bioresource Technology, 2009, 100: 2501-2506. doi: 10.1016/j.biortech.2008.12.011
    [13] CHEN H, HU H Y, CHEN Q Q, et al. Successful start-up of the anammox process: Influence of the seeding strategy on performance and granule properties[J]. Bioresource Technology, 2016, 211: 594-602. doi: 10.1016/j.biortech.2016.03.139
    [14] 王晓霞. ASBR反应器内厌氧氨氧化的快速启动及其脱氮性能研究[D]. 青岛: 青岛大学, 2012.
    [15] PHAN T N, TRUONG T T V, Ha N B, et al. High rate nitrogen removal by ANAMMOX internal circulation reactor (IC) for old landfill leachate treatment[J]. Bioresource Technology, 2017, 234: 281-288. doi: 10.1016/j.biortech.2017.02.117
    [16] WANG S H, Guo J B, LIAN J, et al. Rapid start-up of the anammox process by denitrifying granular sludge and the mechanism of the anammox electron transport chain[J]. Biochemical Engineering Journal, 2016, 115: 101-107. doi: 10.1016/j.bej.2016.09.001
    [17] 王朝朝, 冀颖, 闫立娜, 等. 厌氧氨氧化颗粒污泥UASB反应器的快速启动[J]. 中国给水排水, 2019, 35(11): 15-20.
    [18] 许冬冬, 康达, 郭磊艳, 等. 厌氧氨氧化颗粒污泥研究进展[J]. 微生物学通报, 2019, 46(8): 1988-1997.
    [19] ZHANG Y L, HE S L, NIU Q G, et al. Characterization of three types of inhibition and their recovery processes in an anammox UASB reactor[J]. Biochemical Engineering Journal, 2016, 109: 212-221. doi: 10.1016/j.bej.2016.01.022
    [20] 国家环境保护总局. 水和废水监测分析方法[M]. 4版. 北京: 中国环境科学出版社, 2002.
    [21] PARK, S, BAE, W. Modeling kinetics of ammonium oxidation and nitrite oxidation under simultaneous inhibition by free ammonia and free nitrous acid[J]. Process Biochemistry, 2009, 44(6): 631-640. doi: 10.1016/j.procbio.2009.02.002
    [22] XU L Z J, ZHANG Q, FU J J, et al. Deciphering the microbial community and functional genes response of anammox sludge to sulfide stress[J]. Bioresource Technology, 2020, 302: 122885. doi: 10.1016/j.biortech.2020.122885
    [23] 李媛. 厌氧氨氧化工艺启动和运行特性及其受抑机理研究[D]. 无锡: 江南大学, 2014.
    [24] STROUS M, KUENEN J G, JETTEN M S M. Key physiol-ogy of anaerobic ammonium oxidation[J]. Applied and Environmental Microbiology, 1999, 65(7): 3248-3250. doi: 10.1128/AEM.65.7.3248-3250.1999
    [25] STROUS M, HEIJNEN J J, KUENEN J G, et al. The sequencing batch reactor as a powerful tool for the study of slowly growing anaerobic ammonium-oxidizing microorganisms[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 1998, 50(5): 589-596. doi: 10.1007/s002530051340
    [26] HYOKWAN B, MINKYU C, CHANGSOO L, et al. Enrichment of ANAMMOX bacteria from conventional activated sludge entrapped in poly(vinyl alcohol)/sodium alginate gel[J]. Chemical Engineering Journal, 2015, 281: 531-540. doi: 10.1016/j.cej.2015.06.111
    [27] ZHANG Z, LIU S. Insight into the overconsumption of ammonium by anammox consortia under anaerobic conditions[J]. Journal of Apply Microbiology, 2014, 117(6): 1830-1838. doi: 10.1111/jam.12649
    [28] NIU Q G, HE S L, ZHANG Y L, et al. Process stability and the recovery control associated with inhibition factors in a UASB-anammox reactor with a long-term operation[J]. Bioresource Technology, 2016: 132-141.
    [29] FAHRBACH M, KUEVER J, MEINKE R, et al. Denitratisoma oestradiolicum gen. nov., sp. nov., a 17b-oestradiol-degrading, denitrifying betaproteobacterium[J]. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 2006, 56: 1547-1552. doi: 10.1099/ijs.0.63672-0
    [30] ZHANG Q, WU J, YE Y Y, et al. Microbial and genetic responses of anammox process to the successive exposure of different antibiotics[J]. Chemical Engineering Journal, 2020: 127576.
    [31] ZHOU S, ZHANG Z, SUN Z L, et al. Responses of simultaneous anammox and denitrification (SAD) process to nitrogen loading variation: Start-up, performance, sludge morphology and microbial community dynamics[J]. Science of the Total Environment, 2021, 795: 148911. doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.148911
    [32] XIA Y, WANG Y, WANG Y, et al. Cellular adhesiveness and cellulolytic capacity in Anaerolineae revealed by omics-based genome interpretation[J]. Biotechnology Biofuels, 2016, 9: 111. doi: 10.1186/s13068-016-0524-z
  • 加载中
图( 7) 表( 1)
计量
  • 文章访问数:  6976
  • HTML全文浏览数:  6976
  • PDF下载数:  149
  • 施引文献:  0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-10-25
  • 录用日期:  2021-12-06
  • 刊出日期:  2022-03-10
王思琦, 李贇, 陈福明, 刘淑杰, 王伟. 低接种量条件下实现厌氧氨氧化快速启动的策略[J]. 环境工程学报, 2022, 16(3): 999-1007. doi: 10.12030/j.cjee.202110116
引用本文: 王思琦, 李贇, 陈福明, 刘淑杰, 王伟. 低接种量条件下实现厌氧氨氧化快速启动的策略[J]. 环境工程学报, 2022, 16(3): 999-1007. doi: 10.12030/j.cjee.202110116
WANG Siqi, LI Yun, CHEN Fuming, LIU Shujie, WANG Wei. Strategy on fast start-up of anaerobic ammonia oxidation under low inoculation conditions[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(3): 999-1007. doi: 10.12030/j.cjee.202110116
Citation: WANG Siqi, LI Yun, CHEN Fuming, LIU Shujie, WANG Wei. Strategy on fast start-up of anaerobic ammonia oxidation under low inoculation conditions[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(3): 999-1007. doi: 10.12030/j.cjee.202110116

低接种量条件下实现厌氧氨氧化快速启动的策略

    通讯作者: 王思琦(1992—),男,博士,工程师,wangsq@Tsinghua-sz.org
    作者简介: 王思琦(1992—),男,博士,工程师,wangsq@Tsinghua-sz.org
  • 1. 深圳清华大学研究院,深圳 518057
  • 2. 清研环境科技股份有限公司,深圳 518057
  • 3. 清华大学环境学院,北京 100084

摘要: 厌氧氨氧化(Anaerobic ammonia oxidation, anammox)是目前最高效节能的脱氮方式,可以在不加碳源的条件下实现自养高负荷脱氮。然而,厌氧氨氧化菌(Anaerobic ammonia oxidizing bacterial, anAOB)因其生长缓慢,会导致污水处理工艺的启动周期较长。因此,为缩短anammox的启动周期,设置了3种不同污泥接种方式(A:接种500 mg·L−1 anAOB; B:接种500 mg·L−1 anAOB+5 000 mg·L−1反硝化菌;C:接种500 mg·L−1 anAOB+5 000 mg·L−1硝化菌)开展anammox启动实验,分析了底物浓度对脱氮效果的影响以及不同接种条件下微生物群落的差异。结果表明,采用向反应器投加500 mg·L−1 anAOB+5 000 mg·L−1反硝化菌的接种方式,可以实现anammox的快速启动;启动30 d后,总氮去除效率(nitrogen removal rate, NRR)可达1.41 kg·(m3·d)−1以上。微生物群落分析结果表明,反应器中主要存在的anAOB为Candaditue Kuenenia;与单独接种anammox污泥相比,接种反硝化污泥和anammox污泥会使Candaditue Kuenenia的相对丰度提高了40.0%,从而使脱氮效率提高了31.2%。底物浓度对anammox过程的影响结果表明,进水NO2-N质量浓度达到500 mg·L−1时会导致游离亚硝酸(FNA)浓度升高,而当FNA质量超过0.05 mg·L−1时,会严重影响anAOB活性,导致反应器出水水质波动;通过降低进水NO2-N浓度,可以使系统恢复。以上研究结果说明,通过接种反硝化菌和anAOB的方式可实现anammox的快速启动,加速实现anammox工艺在污水处理中大规模应用。

English Abstract

  • 随着我国餐饮、养殖、制药、食品和皮革等产业的发展,产生了大量的高氨氮废水,如果这些废水排入河流湖泊和地下水,会导致水体富营养化[1-2]。对于此类高氨氮废水,传统的硝化反硝化技术需要大量曝气,在碳氮比较低的情况下还需额外补充大量碳源,产生大量的经济成本。此外,传统的硝化反硝化技术脱氮效率较低,需要较长的水力停留时间(hydraulic retention time, HRT)和较大的占地面积,还会产生大量剩余污泥[3-4]。因此,亟需突破传统脱氮技术运行能耗高、脱氮效率低、占地面积大、剩余污泥产量多等技术瓶颈,开发一种节能、高效、省地和产泥量少的快速脱氮处理技术。厌氧氨氧化(anammox)是迄今最高效节能的脱氮方式[5-6],可以在不加碳源的条件下实现自养高负荷脱氮,污泥产量低。然而,厌氧氨氧化菌(anAOB)的自养性和生长缓慢增加了污水处理工艺的启动期[7]。因此,加快anAOB的生长速率,实现anammox工艺的快速启动及高效脱氮,对于anammox的推广应用及污水处理运行节能减排具有重要的现实意义。

    目前文献中报道的anAOB的倍增周期为10~20 d,anAOB的缓慢生长导致反应器启动时间较长[8]。全球第一座大规模anammox污水处理厂于2002年在鹿特丹建成并投入运行,启动耗时3.5 a,比预期的2 a要长[9]。anAOB的缓慢生长速度和底物的抑制作用以及控制复杂等使得anammox工艺实际应用受到限制[10]。以前的研究通常在反应器中接种厌氧污泥[11]、硝化污泥[12]、反硝化污泥[13],甚至anammox絮凝污泥[14],但由于群落中anammox丰度较低,这些策略通常必须在低进水负荷下启动,导致启动时间更长。显然,尽管anammox工艺已经研究了20多年,但启动周期长仍是其实际应用的主要障碍[15-16]

    Anammox颗粒污泥相对于絮体污泥具有较强的环境适应能力和脱氮性能[17-18],将其作为接种污泥将有助于anammox的启动。此外,贾方旭等[13]关于anAOB与其他细菌之间的协同竞争关系的研究表明,anAOB与硝化菌和反硝化菌在不同条件下存在竞争和协同关系。然而,利用anAOB与其他菌群之间的协同作用加速anammox启动的研究则相对较少,同时硝化菌和反硝化菌相对于anAOB更容易获得。因此,本研究的重点是接种少量成熟anammox颗粒污泥到含有硝化污泥和反硝化污泥的反应器,以验证接种少量anammox颗粒污泥,利用菌群协同机制是否可实现anammox工艺快速启动,并通过氮素转化和氮平衡的计算分析了anammox反应器的脱氮性能,同时采用高通量技术分析了anammox反应器中微生物群落丰度的变化规律。

    • 采用人工配制的模拟废水作为进水,模拟废水的NH3-N、NO2-N和无机碳源使用NH4Cl、NaNO2、NaHCO3按需配置,其他组分包括27.2 mg·L−1 KH2PO4、135.92 mg·L−1 CaCl2·2H2O、300 mg·L−1 MgSO4·7H2O、570 mg·L−1KCl以及1 mL·L−1微量元素I和微量元素II。微量元素I包括5 g·L−1 EDTA和5 g·L−1 FeSO4·7H2O;微量元素II包括15 g·L−1 EDTA、0.014 g·L−1 H3BO4、0.845 g·L−1 MnCl2·4H2O、0.25 g·L−1 CuSO4·5H2O、0.43 g·L−1 ZnSO4·7H2O、0.19 g·L−1 NiCl2·6H2O、0.16 g·L−1 NaSeO4·10H2O、0.22 g·L−1 NaMoO4·2H2O、0.24 g·L−1 CoCl2·6H2O[19]。接种污泥取自实验室培养的anammox种泥、反硝化污泥和硝化污泥,其悬浮固体质量浓度为(mixed liquor suspended solids, MLSS)分别为8 553、6 834和6 532 mg·L−1,挥发性悬浮固体质量浓度(mixed liquid volatile suspended solids, MLVSS)分别为7 095、5 331和5 265 mg·L−1

    • 本研究所用的实验装置如图1所示。实验所用的上流式厌氧污泥床反应器(up-flow anaerobic sludge bed,UASB),反应器由圆柱形有机玻璃制成,内径为7 cm,高为30 cm,工作体积为1 L。反应器内混合液温度通过外置加热带控制,由底部进水,上部溢流出水,底部设置有回流管,部分出水可通过回流管进入反应器内,可通过调整回流液的流量调整反应器回流比(reflux ration, R)。

    • 本研究设置3组实验:A组只接种 500 mg·L−1的anammox污泥,作为空白组;B组接种500 mg·L−1的anammox污泥和5 000 mg·L−1的反硝化污泥;C组接种500 mg·L−1的anammox污泥和5 000 mg·L−1的硝化污泥(污泥质量浓度均以MLSS计)。在整个实验期间,控制3组反应器温度为(35±1) ℃,为了消除pH对反应器性能的影响,通过投加30 g·L−1碳酸氢钠溶液调节系统pH至7.5~8.0。实验分为3个阶段:阶段I(1~54 d),主要考察底物质量浓度对反应器脱氮效果的影响;阶段II(55~96 d),主要考察在高负荷条件下,调整HRT和回流比对反应器脱氮效果的影响;阶段III(97~116 d),通过降低进水负荷考察其对反应器脱氮性能恢复的影响。不同阶段的运行参数见表1。每天取进出水水样并检测水质变化。

    • MLSS、MLVSS、NH3-N、NO2-N和NO3-N用国标法测定[20];COD使用快速测定仪(连华5B-3C,连华科技)测定;DO使用便携式溶解氧仪(HACH-HQ30,哈希水质分析仪器(上海)有限公司)测定和pH使用pH计(FE20K,梅特勒-托利多国际贸易(上海)有限公司)测定;反应器中的游离氨(FA)和游离亚硝酸(FNA)的质量浓度分别按照式(1)和式(2)进行计算[21]

      式中:CFA为游离氨质量浓度,mg·L−1CFNA为游离亚硝酸质量浓度,mg·L−1CNH3N为氨氮质量浓度,mg·L−1CNO2N为亚硝酸盐质量浓度,mg·L−1T为温度,℃。

    • 取3组反应器中不同阶段混合液各 50 mL,8 000 r·min−1下离心去除上清液,剩余固体用于微生物分析。依据 E.Z.N.A.®soil DNA kit 对样品进行 DNA 抽提,并使用凝胶电泳和NanoDrop2000检测提取DNA的质量和纯度;使用338F(5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3’) 和806R(5’-GACTACHVGGGTWTCTAAT-3’) 对16S rRNA基因V3~V4可变区进行PCR扩增。PCR扩增程序为:首先在95 ℃预变性3 min,然后在95 ℃变性30 s,在55 ℃退火30 s,在72 ℃延伸30 s,并执行27个循环,然后在72 ℃稳定延伸10 min,最后在4 ℃进行保存。每个样本3个重复。将同一样本的PCR扩增产物混合后使用2%琼脂糖凝胶回收,利用AxyPrep DNA Gel Extraction Kit 进行回收产物纯化,2%琼脂糖凝胶电泳检测,并用Quantus™ Fluorometer 对回收产物进行检测定量。最后通过Miseq PE300平台进行测序。

    • 3个反应器的进出水氮素变化如图2所示。在第I阶段,在进水负荷相同的条件下,A组和B组的TN去除率随时间延长逐渐升高,在进水总氮质量浓度由200 mg·L−1提高至600 mg·L−1的过程中,2组的TN去除率整体呈现出逐渐升高的趋势。其中,B组的TN去除率最高,平均去除率可达70%左右;A组的TN平均去除率约为60%。这说明反硝化菌的存在有利于促进系统TN的去除。图3反映了3组反应器在脱氮过程中的总氮负荷率和总氮去除效率(NRR)的变化。在第I阶段(0~54 d),在相同的NLR下,B组表现出最高的总氮去除效率,启动30 d后,B组的NRR达到了1.41 kg·(m3·d)−1,相对于A组(0.97 kg·(m3·d)−1)提高了31.2%。这同样说明反硝化菌的存在有利于TN的去除。XU等 [22]关于anammox污泥中anAOB和其他菌之间关系的研究结果也表明,反硝化菌Denitratisoma 的存在可提高anAOB活性。由此可推测,通过接种反硝化菌和anAOB可提高anAOB的活性。相对于A组和B组,C组的TN去除率最低(图2),仅有40%左右,且在后期没有升高的趋势,C组的NRR仅有0.48 kg·(m3·d)−1,低于空白组A组(50.5%)。这可能是由于硝化菌与anAOB存在底物竞争,不利于anAOB的富集增长,这与贾方旭等[8]的研究结果相似。因此,C组运行40 d后停止运行,第II和III阶段主要对比A组和B组的脱氮效果。

      在第II阶段(55~96 d),升高进水NH3-N和NO2-N质量浓度至500 mg·L−1,A组和B组的出水NH3-N和NO2-N波动较大。将HRT从8 h延长到9 h,同时升高回流比R为2,然而出水水质依然有波动,B组较A组波动较小;延长HRT为12 h后,出水水质有所好转,但90 d后依然有上升趋势。这充分证明,当进水总氮质量浓度升至1 000 mg·L−1后,导致系统脱氮效果变差,也说明过高的进水负荷抑制anAOB活性。李媛[23]也做了类似的研究,当进水总氮质量浓度由200 mg·L−1升高到600 mg·L−1、HRT由8 h缩短到6 h时,NRR迅速下降,NRR由1.2 kg·(m3·d)−1下降到1.03 kg·(m3·d)−1

      在第III阶段(97~116 d),为了恢复系统的脱氮性能,提高系统的稳定性,分别降低进水NH3-N和NO2-N质量浓度至400 mg·L−1,系统出水基本稳定,A组和B组的TN去除率稳定在80%以上,NRR维持在1.3 kg·(m3·d)−1左右。这说明通过降低进水负荷能够缓解对anAOB的抑制,有助于系统脱氮性能的恢复。

      图4反映了3组反应器脱氮过程中NO2-N去除量(△NO2-N)与NH3-N去除量(△NH3-N)的比值变化。A、B和C 3组反应器中NO2-N去除量与NH3-N去除量比例开始呈上升趋势,后续趋于稳定,基本保持在1.1左右。由厌氧氨氧化反应方程[24-25]可知,在厌氧氨氧化稳定运行时,NO2-N去除量与NH3-N去除量的理论比值为1.32。本研究的NO2-N去除量与NH3-N去除量的比值与理论值差异较小。其原因为:一是由于进水中含有一定量的溶解氧,会发生亚硝化和硝化作用,导致少量NH3-N转化为NO2-N或者NO3-N;二是菌群在富集过程中可能会释放氧化剂[26]。有研究表明,在低浓度厌氧氨氧化菌培养条件下,系统由于菌群浓度降低会产生氧化剂(超氧化物或羟基自由基),导致中NH3-N的消耗量增高[27]。B组的NO2-N去除量与NH3-N去除量比例在20 d后基本保持稳定,而A组在30 d后才趋于稳定,C组持续表现出较大波动。这充分说明反硝化菌的存在有利于anammox的启动,使anammox在最短的时间内在反应器内起主导作用,而硝化菌与anAOB存在底物竞争,从而导致C组NO2-N去除量与NH3-N去除量比例持续处于较低水平,并且有较大波动,对于anammox的启动具有抑制作用。

      游离氨(FA)和游离亚硝酸(FNA)的质量浓度对于anammox过程具有很大的影响[20]。为了评估FNA和FA对anammox过程的影响,本研究计算了A组和B组anammox过程的FA和FNA,探究高负荷进水条件下anammox受抑制的机理。图5反映了A组和B组脱氮过程中FA和FNA的变化。A组和B组在整个anammox脱氮过程中FA的质量浓度低于30 mg·L−1。已有研究[22]表明,控制FA的质量浓度低于50 mg·L−1对于anammox没有抑制作用。而在第II阶段,FNA的质量浓度已经达到0.05 mg·L−1以上,甚至超过了0.1 mg·L−1。anammox过程FNA质量浓度超过0.05 mg·L−1对于anAOB具有明显的抑制作用[19, 28]。这充分说明,当进水NO2-N质量浓度达到500 mg·L−1时,会导致FNA的质量浓度升高,当FNA的质量浓度超过0.05 mg·L−1时,会抑制anAOB的活性。通过降低进水NO2-N浓度,可使FNA低于0.05 mg·L−1,进而使系统逐渐恢复。

    • 为了进一部分解析A组和B组2种启动方式对anammox启动的差异以及氮素转化的规律,通过对启动30 d后A组和B组的进出水氮素指标核算系统的氮素转化,结果如图6所示。在进水NH3-N为154.3 mg·L−1,在NO2-N为155.0 mg·L−1的条件下,A组的总氮去除率达到52.2%,B组的总氮去除率达到76.2%,2组的总氮去除均是通过anammox实现的,B组比A组提高了24%。这充分说明,反硝化菌的存在有利于提高anAOB的活性。此结果与已有的研究结果一致[20]。此外,A组有30.5 mg·L−1的NH3-N被氨氧化菌氧化成NO2-N,同时有23.3 mg·L−1NO2-N被亚硝酸盐氧化菌氧化成了NO3-N。而B组中有仅有8.7 mg·L−1的NH3-N被氨氧化菌氧化成NO2-N,0.2 mg·L−1NO2-N被亚硝酸盐氧化菌氧化成了NO3-N,硝化反应的占比远低于anammox。该结果说明,B组可为anAOB提供较好的启动环境,更大程度的避免硝化菌等其他杂菌的影响,使anAOB最短的时间在反应器内起主导作用,实现快速启动。

    • 反应器anammox的启动过程是anAOB富集的过程。为了进一部分解析A组和B组接种方式对anAOB菌群丰度的影响,将A组和B组启动30 d后,取样进行高通量测序。细菌种群在属水平上的相对丰度如图7所示。2组反应器中主要的菌属为Candidatus Kuenenia, OLB13Denitratisoma。其中Candidatus Kuenenia是anAOB,在A组中的丰度占比为19.8%,在B组中的丰度占比为28.1%,相对于A组提高了41%。这说明B组的接种方式有利于anAOB菌群丰度的提升,从而促进anAOB的活性。这也充分印证了在第2.1节中的推测。Denitratisoma是常见的反硝化菌属[29],在A组和B组中的丰度占比分别为7.3%和12.6%。ZHANG等[30]的研究表明,Candidatus Kuenenia 的相对丰度与Denitratisoma 的相对丰度趋势具有一定的正相关性,说明 Candidatus KueneniaDenitratisoma 有很强的正相互作用,侧面验证了Denitratisoma的存在有利于体现Candidatus Kuenenia的活性。OLB13属于厌氧菌,是厌氧消化的核心微生物种群之一[31-32]。已有研究[12]表明,脱氮反应系统中OLB13Denitratisoma的存在对于Candidatus Kuenenia 的活性表达具有积极作用。因此,通过反硝化菌和anAOB的同时接种可以为anAOB提供一种较好的增殖环境,从而有利于提高anAOB丰度,促进反应器anammox脱氮效率的提升。

    • 1)向反应器中投加5 000 mg·L−1反硝化污泥(以MLSS计)和500 mg·L−1 anammox污泥(以MLSS计)进行接种,可以实现anammox的快速启动。启动30 d以后,总氮去除负荷可达1.41 kg·(m3·d)−1以上。

      2)进水NO2-N质量浓度达到500 mg·L−1时,会导致FNA质量浓度超过0.05 mg·L−1,从而严重影响anAOB的活性,进而导致反应器出水水质波动;通过降低进水NO2-N质量浓度可以使系统恢复。

      3)本研究所用的脱氮系统中,主导anammox的anAOB为Candaditue Kuenenia,与单独接种anammox污泥相比,接种反硝化污泥和anammox污泥可使Candaditue Kuenenia的丰度提高40.0%,从而使反应器脱氮效率提高了31.2%。

    参考文献 (32)

返回顶部

目录

/

返回文章
返回