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LU Jieluo, WANG Xiaoji, ZHU Jiahao, LIU Hui, GE Fei. Acceleration of NaHCO3 on the removal of nitrogen and phosphorus in urban sewage by the symbiosis system of Oedogonium brevicingulatum and activated sludge[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(4): 1344-1353. doi: 10.12030/j.cjee.202009148
Citation: LU Jieluo, WANG Xiaoji, ZHU Jiahao, LIU Hui, GE Fei. Acceleration of NaHCO3 on the removal of nitrogen and phosphorus in urban sewage by the symbiosis system of Oedogonium brevicingulatum and activated sludge[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(4): 1344-1353. doi: 10.12030/j.cjee.202009148

Acceleration of NaHCO3 on the removal of nitrogen and phosphorus in urban sewage by the symbiosis system of Oedogonium brevicingulatum and activated sludge

  • Corresponding author: GE Fei, gefei@xtu.edu.cn
  • Received Date: 21/09/2020
    Available Online: 10/04/2021
  • The symbiosis system of algae and bacteria has the advantages of high efficiency, low consumption, and resource utilization in sewage treatment. However, the COD of most urban sewage treatment plants has been generally lower than expected thus reduces the removal rate of nitrogen and phosphorus in the upgrading process of achieving the level A discharged standard of urban sewage (GB 18918-2002). On the basis of constructing a symbiosis system of O. brevicingulatum and activated sludge, an external carbon source was used to promote its removal effect of nitrogen and phosphorus from urban sewage. The results showed that the optimized process conditions for the symbiosis system of O. brevicingulatum and activated sludge were as follow: the dry weight ratio of algae and bacteria was 3∶1, the initial biomass was 0.3 g·L−1, the aeration rate was 0.2 L·min−1, and the aeration and intermission interval was 6 h/6 h. After comparison of the four external carbon sources, NaHCO3 was determined as more suitable carbon source than CH3COONa, C6H12O6 and Na2CO3. Adding 100 mg·L−1 NaHCO3 in the simulated sewage, the removal rates of ammonia nitrogen (NH+4-N), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) and COD were 98.7%, 78.6%, 71.6% and 100%, respectively. Through evaluating the effect of NaHCO3 on the growth of O. brevicingulatum and activated sludge by Monod kinetic method, the growth acceleration of O. brevicingulatum by NaHCO3 was more than that of activated sludge. Furthermore, a self-designed biofilm reactor with the symbiosis system was used to treat actual urban sewage, the nitrogen and phosphorus indicators in the effluent could reach the level A discharged standard of urban sewage after when NaHCO3 was added to increase the carbon source concentration in the influent.
  • 大量含氮废水的排放会造成水体富营养化现象。从成本和去除效果考虑,生物脱氮是公认的最佳脱氮方法[1-3]。厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation,Anammox)工艺可以解决传统硝化反硝化存在的剩余污泥产量高、碳源和能源消耗等问题[4]。在缺氧条件下,厌氧氨氧化菌利用亚硝酸盐氮(NO2-N)为电子受体,将氨氮(NH4+-N)转化为氮气,其具有节约碳源、能耗和污泥产量少等优点[5-6]。在与Anammox组合的工艺中,如何高效稳定地获取NO2-N是工艺运行的关键。短程硝化[7-8]、短程反硝化(partial denitrification,PD)[9]工艺等可为厌氧氨氧化工艺提供NO2-N。从反应路径和节省物耗能耗等方面来讲,短程硝化是提供亚硝酸盐氮的最佳方法。但其在实际应用中抑制亚硝酸盐氧化菌(nitrite oxidizing bacteria,NOB)难度大,控制要求高,很难高效稳定的实现NO2-N积累[4,10-13]

    PD工艺是指通过调控相关条件,将全程反硝化(NO3-N→NO2-N→NO→N2O→N2)控制在NO2-N阶段[14]。PD工艺的关键在于以NO2-N为产物的反硝化菌属的富集[15-16]。目前影响PD工艺NO2-N积累的主要因素有C/N、pH、反应时间、反应器类型、碳源类型以及温度等。CAO等[17]在长期运行研究中发现,上流式厌氧污泥床反应器的亚硝酸盐积累率(nitrite accumulation rate,NAR)仅为51.0%,而序批式反应器(sequencing batch reactor,SBR)中的NAR稳定高于80%。袁怡等以乙酸钠为唯一碳源进行研究,发现高NAR通常发生在低C/N条件下。DU等[18]发现,C/N对高NAR的短程反硝化污泥影响不大,认为系统富集的Thauera菌是只能还原NO3-N为NO2-N的短程反硝化菌。基于此,不少研究者均实现了稳定的亚硝酸盐氮累积率[19-22]。在PD工艺的研究中,既有以硝酸钠作为NO3-N来源[23-24],也有以硝酸钙作为NO3-N来源[25-26],但两者对PD快速启动以及微生物变化的影响却鲜有报道。此外,关于磷元素添加对PD工艺的反硝化性能及微生物种群的影响也需进一步研究。

    因此,本研究以乙酸钠为碳源,在SBR中通过硝酸钠和硝酸钙的交替投加、微量元素的投加量以及C/N比的改变,考察了不同条件对反硝化的性能及NO2-N积累的影响,并分析了反应器微生物种群演替特征,以期为短程反硝化的快速启动及稳定运行提供参考。

    本研究采用容积为40 L的圆柱形塑料容器(敞口)为反应器,有效容积为30 L。采用2个蠕动泵分别进行加水和排水,并通过电动搅拌器进行搅拌。实验在缺氧的条件下运行,温度为25~30 ℃。本实验共运行111 d,分为表1中所示的4个阶段。每天需进行2次洗泥,用蠕动泵抽排上清液至10 L,再用自来水冲洗底泥,加水至30 L,打开搅拌机30 s,后静置沉淀10 min,再重复1次上述步骤。随后运行1个周期,1个周期包括进水(15 min)、反应(表1)、沉淀(30 min)、排水(15 min)、闲置5个阶段。反应时间为搅拌时间,闲置时间为结束反应后至隔天洗泥前,根据进水硝酸盐氮还原率(nitrate reduction rate,NRR)以及亚硝酸盐氮积累率(nitrite accumulation rate,NAR)的改变而改变,在前者几乎完全还原的基础上,后者累积达到最大时,停止搅拌。在搅拌开始后2 min和结束后2 min取水样测定NO3-N和NO2-N,并测定温度、pH。

    表 1  短程反硝化SBR运行阶段
    Table 1.  Operation stage of partial denitrification SBR
    阶段时间/d反应时间/minCOD/N换水比/%
    1~36360370
    37~61480370
    62~76480370
    77~80480470
    81~84120~300470
    85~11170470
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    实验用水采用人工配水,主要成分是以硝酸钠(阶段Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ)、硝酸钙(只阶段Ⅱ)和无水乙酸钠配制的100 mg·L−1的 NO3-N以及300~400 mg·L−1 的COD;其他组分如下所示:0.10 mg·L−1 MgSO4·7H2O,0.40 mg·L−1 CaCl2,0.05 mg·L−1 KH2PO4(阶段Ⅲ、Ⅳ)。本实验SBR反应器接种泥为城市污水厂的污泥经短暂驯化后的反硝化污泥,污泥质量浓度为9.20 g·L−1。阶段Ⅰ结束时测得污泥质量浓度为1.40 g·L−1,在阶段Ⅱ~Ⅳ,控制污泥质量浓度在1.40~1.60 g·L−1

    在PD启动成功后(阶段Ⅳ)进行1次典型周期实验。在第0、30、75、90、105、135、195、255和315 min取水样,测定NO3-N、COD和NO2-N。其他实验条件与长期实验中阶段Ⅳ相同。

    在前3个阶段的最后一天(第36、61、76天)以及阶段Ⅳ稳定运行8 d时(第85天)从反应器中采集污泥样品,编号分别为P1、P2、P3和P4。测序工作由上海生工生物工程股份有限公司负责进行,测序方法见文献[27]

    整个实验过程每天取进、出水样进行检测,采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定NO2-N,采用紫外分光光度法测定NO3-N,采用多参数便携式水质分析仪(WTW Multi 3630 IDS)测定温度和pH,采用连华科技多参数水质测定仪(5B-6C)进行测定。COD为校准值,因为NO2-N对 COD 测定贡献为 1.14 g·g−1(以 COD/NO2-N计)[28];硝酸盐氮还原率(NRR)、亚硝酸盐氮积累率(NAR)根据文献[21]计算。

    1)硝酸钠和硝酸钙为NO3-N来源对反硝化性能影响的对比。如图1(a)所示,阶段Ⅰ和Ⅱ中NO3-N来源分别为NaNO3以及Ca(NO3)2,NO3-N质量浓度为(100±5) mg·L−1。接种污泥前1~6 d,反应后NO3-N的平均质量浓度大于60 mg·L−1, NRR小于40%。由图1(b)可见,第1 天时,反应后NO2-N质量浓度为25.1 mg·L−1,第2~6 天反应后NO2-N质量浓度呈下降趋势,至1.6 mg·L−1。这主要是因为接种泥源中反硝化菌属所占比例较低,且受进水条件影响导致活性被抑制,从而使得反应器反硝化性能较差。在阶段Ⅰ第7~36 天中,出水NO3-N质量浓度由(100±5) mg·L−1下降至(50±5) mg·L−1,NRR大于50%,反硝化性能比前一周明显增强。此时,出水NO2-N质量浓度接近于0,反应器仍然不具备短程反硝化性能。而出水COD为215 mg·L−1,说明并不是因为缺少有机碳源导致反硝化性能差。在阶段Ⅱ(37~61 d),将原配水中所用NaNO3换为Ca(NO3)2后, NRR下降至20%,反硝化性能明显变差,且反应器出水NO2-N质量浓度为0.15 mg·L−1

    图 1  长期实验中反应器氮素质量浓度、NRR及NAR的变化
    Figure 1.  Changes of reactor nitrogen compounds, nitrate and nitrite accumulation rate in long-term experiments

    对比阶段Ⅰ与阶段Ⅱ,将NO3-N来源由NaNO3换为Ca(NO3)2,反应时间由360 min延长至480 min,但反硝化性能反而变弱。Ca2+会与水中的磷酸盐结合,生成钙的配合物或沉淀,使得水中可供微生物利用的磷的含量减少。FERNANDEZ-NAVA等[26]发现随着反硝化反应器中钙盐质量浓度的增加,生物量生长速率和反硝化速率会受到抑制。娄红春等[29]在稳定运行的活性污泥反应器中引入不同浓度的Ca2+,来观测污泥形状、微生物酶活性、pH变化等,结果表明,过量的Ca2+引起污泥中无机成分增加,生物酶的催化活性降低,从而影响微生物的活性。而微生物的活性也直接影响着整个系统的性能。周昌琴等[30]发现随着脱氮系统中的Ca2+浓度增加,影响微生物的酶的活性受到一定程度的抑制,包括过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶和蛋白酶4种酶。此外,反应器中投加Ca2+后,pH有所降低(图2)。其原因是Ca2+会消耗CO3产生少部分碳酸钙沉淀,使系统中的pH平衡遭到破坏。因此,阶段II进出水的pH明显小于阶段I进出水的pH。而NO3-N还原为N2是一个酶还原的过程,主要取决于电子生产、转移和利用,溶液中离子质量浓度和pH的会影响相关还原酶的活性,从而影响了反硝化性能。QIAN等[28]研究表明,当pH为9.0时,反应器的反硝化性能远高于pH为5.0和7.0;当pH为9.0、进水NO3-N质量浓度为30~40 mg·L−1时,出水质量浓度几乎为零。这与本实验中阶段Ⅰ所得结果基本一致。CAO等[17]的研究表明,系统配水为硝酸钠与甲醇,并通过相关操作控制系统pH维持在7.5,当进水NO3-N为40 mg·L−1时,50 min左右已经全部被还原。值得注意的是,本研究中pH与前者接近,在480 min的反应时间内,NO3-N仅还原了20 mg·L−1左右。由此可以说明,在启动短程反硝化过程中,高pH有利于反硝化的进行;过量的Ca2+可通过影响pH直接或间接抑制微生物活性,从而导致反硝化性能降低。

    图 2  阶段Ⅰ、阶段Ⅱ的pH变化
    Figure 2.  pH changes in stage I and stage II

    图1可见,当阶段Ⅲ反应时间为480 min时,反应器中的NO3-N仍然未被完全还原,但与阶段Ⅰ(1~36 d)相比,NRR>62%,反硝化性能有明显提升;对比配水条件,阶段Ⅲ仅比阶段Ⅰ新增了磷酸二氢钾、硫酸镁和氯化钙。在62~69 d内,反应后NO3-N质量浓度平均为35 mg·L−1左右,呈现先下降后上升的趋势,且在此期间,反应后NO2-N质量浓度几乎降至0;在随后的7 d内,NRR对比之前有明显的上升, NO2-N的累积率为10%。这也说明以NO2-N为产物的短程反硝化菌的生长环境有所改善,使得系统的PD性能有明显的提升。磷源在微生物的代谢中其重要作用,磷源用于合成生物细胞中核酸、磷脂、辅酶及其他化合物,缺乏磷源易造成SBR系统中活性污泥丝状菌膨胀。滕李军等[31]通过控制不同磷源比例,考察了不同C/N/P比对SBR系统的脱氮影响,发现在磷源占比较低的系统内,系统中微生物活性较低,脱氮效果不佳;在C/N/P=100/5/1和C/N/P=100/5/0.8时,系统微生物活性较高,脱氮效果较好,而当系统中磷不足时,无法产生足量微生物分解有机物。因此,在短程反硝化实际应用中,废水进水中如果磷源不足时,应及时补充磷源。

    2 )阶段Ⅳ典型周期实验分析。由图1可见,当C/N比增加到4之后,在第77~80天中, NO3-N的质量浓度由反应前的100 mg·L−1降低至反应后的0 mg·L−1左右,NRR大于99%。这表明系统已具备高效的反硝化性能。此外,反应后NO2-N的质量浓度为0 mg·L−1,几乎没有NO2-N的累积。当反应时间由480 min降至300 min时,NAR由10%升高至27%,停止搅拌时NO2-N质量浓度为24.58 mg·L−1;进一步将反应时间缩短至240 min时,NAR升高至38%;缩短至120 min时,NAR增大至约80%。研究人员普遍认为,NAR大于80%是PD反应器成功启动的标志[32]。这说明本研究成功启动了短程反硝化。在此后的运行中,由于短程反硝化菌的富集,PD性能有了进一步的提升。缺氧运行时间由120 min降低至70 min,NO3-N已全部被还原, NAR稳定在80%及以上(均值83.8 %)。这说明反应器已具备稳定高效的PD性能,且略优于文献所报道结果[19, 21-22]。在启动PD工艺的过程中,当NO3-N已被完全还原,缩短反应时间有利于NO2-N的累积。

    图3为阶段Ⅳ稳定阶段典型周期内氮素的转化、COD的去除以及pH的变化图。由图3可见,在反应器初始阶段(0~75 min)内,由于碳源充足,NO3-N与COD在短时间内被迅速转化和消耗,pH随着有机物的消耗也相应地升高。NO2-N的质量浓度呈直线上升且在反应器中迅速累积,由7.27 mg·L−1增加至97.94 mg·L−1,75 min时系统NAR达到周期内峰值,此时NAR为92%,高于文献报道的平均水平。在随后的240 min内,由于基质匮乏,除了pH有明显降低外,其他指标均维持在一定水平且略有降低;pH由9.364降至8.697,NO2-N仍然保持较高水平,反应结束时质量浓度仅降低至93.35 mg·L−1,NAR仍然保持在89%。这表明反应器PD性能已达到较优状态。而NO3-N和COD在反应结束时仍然未被完全反应,分别为3.22 mg·L−1和7.47 mg·L−1,还原率和去除率分别为97%和98%。在实验的75 min后继续搅拌,NO2-N浓度并没有显著下降。这是因为反硝化菌可以利用的有机物几乎完全被消耗,碳源的匮乏使得反硝化速率较低。

    图 3  阶段Ⅳ反应器典型周期内氮素转化、COD的去除以及pH的变化曲线
    Figure 3.  Variation curves of nitrogen conversion, COD removal and pH in typical cycle of stage IV

    1)生物多样性。本研究采用Shannon指数和ACE指数对样品微生物进行综合评估。Shannon指数的大小与微生物生物多样性的高低以及污泥中微生物的均匀程度成正比。ACE指数的高低与污泥样品中的微生物群落丰富度呈正比。ACE指数越高,表明污泥样品中的群落丰富度越高。微生物数据统计结果表明,4个阶段的污泥样品Shannon指数和ACE指数分别为3.38、1.91、2.50、2.93和714.48、650.16、644.91、615.11。污泥样品的Shannon指数排序为P1>P4>P3>P2,ACE指数排序为P1>P2>P3>P4。造成这种差异的原因是微生物的均匀程度不同。综合各指数可以看出,污泥样品P4中微生物的群落丰富度较低,种群分布较均匀,富集程度较高,微生物系统较为稳定。

    2)各阶段微生物门水平变化。图4为不同条件下反应器中活性污泥在门水平上的微生物特征。由图4可见,在4个阶段中,相对丰度最高的是Proteobacteria(变形菌门),其次是Chloroflexi(绿弯菌门)以及Bacteroidetes(拟杆菌门)。在阶段Ⅰ~Ⅳ中微生物相对丰度存在一定的差别。在阶段Ⅰ中分别为变形菌门(50.79%)、绿弯菌门(20.89%)、拟杆菌门(3.85%);在阶段Ⅱ中分别为变形菌门(88.72%)、绿弯菌门(3.70%)、拟杆菌门(0.88%)。而在阶段Ⅲ中,变形菌门(77.17%)、拟杆菌门(7.01%)、绿弯菌门(6.31%);在阶段Ⅳ中,变形菌门(74.71%)、拟杆菌门(5.19%)、绿弯菌门(8.27%)这3个门的总比例接近90%。这进一步地证明了反应器中相关功能菌富集程度高[23]。其中,变形菌门在反应器中处于主导地位,大多数与脱氮相关的功能菌(如氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌和反硝化菌等)都属于变形菌门,在各阶段丰度依次为P2>P3>P4>P1。变形菌门的相对丰度在阶段Ⅱ进一步增大,占绝对的主导地位。高丰度的变形菌门是反应器能取得高效稳定的NAR的基础,但反应器的NRR和NAR反而降低了,可见过量的Ca2+会对菌群的脱氮功能的实现产生负面影响。在此前关于短程反硝化的研究中也表明,变形菌门通常在反应器中占比较高(44%~82%)[32]。这与本研究所得结果相似。绿弯菌门和拟杆菌门可以降解易溶有机物和胞外聚合物[33],而Ca2+可以将水中可溶性的蛋白质和多糖絮凝沉淀[34]。这可能是绿弯菌门和拟杆菌门的相对丰度在阶段Ⅱ幅减小的原因之一。拟杆菌门在氮循环中还能起到反硝化的作用[35-36],所以在阶段Ⅳ中拟杆菌门占比(8.27%)大于前3个阶段。

    图 4  反应器门水平微生物群落柱状图
    Figure 4.  Bar chart of the microbial community at the phylum level of SBR reactors

    3)各阶段微生物属水平变化。图5为反应器4个阶段污泥样品在属水平上的微生物特征。由图5可见,反应器在4个阶段中,unclassified_Rhodobacteraceae(红杆菌科)所占比例都比较大,分别为23.89%、63.69%、54.22%、36.29%。Nitrosomonas(亚硝化单胞菌属)也有一定占比,在4个阶段的样品中相对丰度分别为0.87%、0.96%、0.99%、1.18%。亚硝化单胞菌属是自养型AOB,在有氧条件下能将NH4+-N氧化为NO2-N。在阶段Ⅰ,占比超过10%的其余菌属分别为unclassified_Rhodocyclaceae(16.81%),unclassified_Anaerolineaceae(12.83%)。Rhodocyclaceae(红藻科)是反硝化系统中经常被发现的一种反硝化聚磷菌,在污水厂除磷中起到重要作用,但也不具备脱氮性能[37-38]Longilinea菌属和Ignavibacterium菌属的占比也相对较高,分别为9.28 %及5.50 %,而Thauera (陶厄氏菌属),占比仅为0.39%。与其他阶段不同的是,阶段Ⅰ中Ignavibacterium菌属是其他阶段的数百倍,是反应器中占优势地位的反硝化菌[39]。由于反硝化菌占比较低,使得阶段Ⅰ中NRR不高。与其他以硝酸钠作为NO3-N的阶段相比,在阶段Ⅱ中,系统中的反硝化菌Ignavibacterium在两周时间几乎消失,且Thauera菌也仅有0.14%,在4个阶段中处于最低水平。这也说明在乙酸钠为碳源的反应器中,过多的Ca2+会影响反硝化菌ThaueraIgnavibacterium的富集,使得反应器的反硝化性能变差。阶段Ⅱ中优势菌属为红杆菌科。有研究表明,红杆菌科多为化学异养菌,可以促进胞外聚合物EPS的分泌[40],被认为是重要的反硝化菌群[41-42],并且能够降解复杂的有机物[43]。作为反硝化菌,unclassified_Rhodobacteraceae的相对丰度由阶段Ⅰ时的23.89%增加到阶段Ⅱ的63.69%,其在反应器中主导菌属的地位得到进一步巩固。有研究[44]表明,微生物群落的多样越高,反应器脱氮效率越高。在本研究中,阶段Ⅱ时PD反应器内的微生物多样性是整个启动过程中最低的,可见过量的Ca2+会将无法适应的细菌淘汰出PD反应器,从而降低短程反硝化系统的微生物多样性,影响反应器的反硝化性能。在阶段Ⅲ中, Thauera相比阶段Ⅱ时数量翻了16倍,短程反硝化菌的富集较为迅速。研究显示,对于缺磷的系统会限制细菌的生长[45],投加磷酸盐可以富集异养反硝化菌和反硝化聚磷生物(denitrifying phosphorus accumulation organisms,DPAOs),从而提高反应器的反硝化性能[46]。这也表明适量的磷源有利于短程反硝化菌的富集。因此,在实际废水处理中,如若进水含磷量较少的话可以适量补充,有利于反硝化的顺利进行。在阶段Ⅳ中,反应器的平均NAR为83.8%,而Thauera是反应器中的优势菌属之一,占比高达17.25 %。Thauera已经被确定为短程反硝化过程中高效产生NO2-N的功能性细菌,在先前关于PD的研究中被广泛检测到,且在微生物群落中占据主导地位[15, 47]

    图 5  反应器属水平微生物群落柱状图
    Figure 5.  Bar chart of the microbial community at the genus level of SBR reactors

    4)微生物功能预测分析。本研究基于FAPROTAX分析绘制heatmap对微生物功能进行预测,FAPROTAX是基于目前对可培养菌的文献资料手动整理的原核功能注释数据库。由图6可知,NO3-N的还原(nitrate reduction)在各阶段占比与各阶段的NRR呈正相关,P4(9.14%)>P3(2.65%)>P1(1.64%)>P2(0.89%)。这进一步验证了在阶段Ⅳ中,反应器的反硝化性能最强;与此同时,阶段Ⅳ中氮呼吸(nitrogen respiration)、硝酸盐呼吸(nitrate respiration)和亚硝酸盐呼吸(nitrite respiration)的占比也是最高的,分别为9.91%、9.11%和8.83%。这使得反应器在阶段Ⅳ保持着高效稳定的NRR,比其他研究所得结果略高[22]。此外,反应器中存在部分的好氧氨氧化(aerobic ammonia oxidation),这是微生物中亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)的存在导致的。一方面,本研究中PD反应器是在敞口条件下搅拌运行的,并非严格缺氧环境,由于搅拌使得空气中的氧气进入反应器,为氨氧化细菌的生长创造了有氧环境;另一方面,氨氧化所需底物NH4+-N来源于微生物的内源过程,利用微生物代谢、衰亡产生的蛋白质或其他含氮有机物,产生NH4+-N,从而为氨氧化提供反应底物。

    图 6  微生物FAPROTAX分析
    Figure 6.  Microbial FAPROTAX Analysis

    1)以乙酸钠为碳源时,Ca2+质量浓度过高会抑制反硝化。以NaNO3为NO3-N的来源时,硝酸盐氮还原率维持在50%左右;相同条件下,以Ca(NO3)2为NO3-N的来源时,硝酸盐氮还原率仅有20%。在实际废水处理中,适量的磷有利于反硝化脱氮的顺利进行。长期运行下亚硝酸盐氮积累率平均为83.8%。

    2)当碳氮比(COD/NO3-N)提高为4时,反应器实现了稳定的短程反硝化,硝酸盐氮还原率大于98%,平均NAR为83.8%。

    3)在反应器中变形菌门和拟杆菌门占主导地位。NO2-N积累的关键功能菌属是Thauera菌属,其最高占比为17.25%。以Ca(NO3)2为NO3-N的来源时,Thauera菌属占比仅为0.14%。

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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Acceleration of NaHCO3 on the removal of nitrogen and phosphorus in urban sewage by the symbiosis system of Oedogonium brevicingulatum and activated sludge

Abstract: The symbiosis system of algae and bacteria has the advantages of high efficiency, low consumption, and resource utilization in sewage treatment. However, the COD of most urban sewage treatment plants has been generally lower than expected thus reduces the removal rate of nitrogen and phosphorus in the upgrading process of achieving the level A discharged standard of urban sewage (GB 18918-2002). On the basis of constructing a symbiosis system of O. brevicingulatum and activated sludge, an external carbon source was used to promote its removal effect of nitrogen and phosphorus from urban sewage. The results showed that the optimized process conditions for the symbiosis system of O. brevicingulatum and activated sludge were as follow: the dry weight ratio of algae and bacteria was 3∶1, the initial biomass was 0.3 g·L−1, the aeration rate was 0.2 L·min−1, and the aeration and intermission interval was 6 h/6 h. After comparison of the four external carbon sources, NaHCO3 was determined as more suitable carbon source than CH3COONa, C6H12O6 and Na2CO3. Adding 100 mg·L−1 NaHCO3 in the simulated sewage, the removal rates of ammonia nitrogen (NH+4-N), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) and COD were 98.7%, 78.6%, 71.6% and 100%, respectively. Through evaluating the effect of NaHCO3 on the growth of O. brevicingulatum and activated sludge by Monod kinetic method, the growth acceleration of O. brevicingulatum by NaHCO3 was more than that of activated sludge. Furthermore, a self-designed biofilm reactor with the symbiosis system was used to treat actual urban sewage, the nitrogen and phosphorus indicators in the effluent could reach the level A discharged standard of urban sewage after when NaHCO3 was added to increase the carbon source concentration in the influent.

  • 我国《水污染防治行动计划》明确规定,在重点的湖泊(水库)等水质要求敏感的区域排放的污水必须达到城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918-2002)一级A排放要求[1]。虽然目前我国污水处理设施在数量上已达4 000多个,但在处理能力以及处理设施上的发展并不平衡。目前部分城镇污水处理厂在出水一级A提标改造中对氮磷的去除效果并不十分理想,需要进一步研发新技术以改进现有技术,提高脱氮除磷效率[2]。藻菌共生体系是利用藻类和细菌2类生物之间在协同作用处理污水的一种生态系统[3]。污水中的有机物经好氧菌分解产生NH+4-N、PO34和CO2等无机物,为藻类提供营养,合成自身细胞组织;藻类光合作用释放的O2又可供好氧菌继续氧化有机物[4]。藻菌共生体系能有效去除污水中含碳、氮、磷等的污染物,具有运行成本低、无二次污染以及藻、菌生物资源可再利用的特点,在城镇污水处理研究中受到广泛关注并得到了实际应用[5]

    碳源是藻类与菌类进行生命活动时不可或缺的条件之一。藻类可利用无机碳源进行光合作用合成有机碳[6],菌类利用有机或无机碳源为细胞生长提供能量以及合成碳骨架[7],因此,外在碳源的缺乏直接影响藻菌共生体系的稳定生长及其污水处理效率。然而,我国城镇污水处理厂的进水COD普遍偏低,部分进水甚至低于100 mg·L−1。因此,在藻菌共生体系等生物处理工艺运行中可考虑通过补充合适的碳源来进一步提升脱氮除磷效率[8]

    本研究以某城镇污水厂中鉴定出的优势脱氮除磷藻种短带鞘藻(Oedogonium brevicingulatum)为藻源,以该厂好氧池中活性污泥为菌源,构建并优化了短带鞘藻-活性污泥共生体系。从乙酸钠、葡萄糖、碳酸钠和碳酸氢钠4种外加碳源中筛选出最适宜该体系的外加碳源,对其脱氮除磷处理效果进行了评价,并使用其处理某城镇污水,以期为该藻菌共生技术的实际应用提供技术参数[9]

1.   材料与方法
  • 在前期研究中,采用PCR-DGGE分子生物学方法筛选并鉴定某污水处理厂中的优势藻种为丝状短带鞘藻(Oedogonium brevicingulatum)[10]。从中国科学院武汉水生所国家淡水藻库购置的纯种短带鞘藻作为实验所用藻种。接种前用超纯水将藻细胞清洗3次,随后在无菌操作台中用接种环将藻细胞接种于含300 mL改良BG11培养基的锥形瓶中,摇匀,并用透气膜封口。将锥形瓶置于光照恒温培养箱中培养,培养条件设置为:温度(25±1) ℃、光照强度6 000 lx、光暗比12 h∶12 h[11]。每天定时摇瓶3次,防止藻类贴壁生长。

    实验所用活性污泥取自某城市污水处理厂A2O处理工艺中的好氧池。将取回的活性污泥曝气24 h以去除杂质,再用葡萄糖、可溶性淀粉、NH4Cl、K2HPO4、KH2PO4按照C∶N∶P为100∶5∶1的比例配置营养盐培养活性污泥,每天更换营养盐3次,曝气间歇时间为12 h∶12 h。

  • 实验前期,对某城镇污水处理厂二沉池进水的主要污染物进行了为期1年的跟踪监测并计算年平均值,NH+4-N、TN、TP和COD分别为15.4、21.5、1.5和102.4 mg·L−1,按照该污水厂主要污染物的年平均进水浓度,分别采用NH4Cl、KNO3、K2HPO4和葡萄糖来配置实验用模拟城镇污水。

    在反应器运行期间,采用该城镇污水厂二沉池4月份的实际进水,主要污染物进水水质指标NH+4-N、TN、TP和COD平均值分别为16.5、27.5、1.4和87.4 mg·L−1。实验过程中水温控制在(25±1) ℃[12],pH控制在7.0~8.0[13-14]

  • 实际污水处理采用课题组研究设计的固定化藻菌共生生物膜反应器[15]。该反应器的总高度为0.5 m,总容积为17 L,通体由透明有机玻璃制成,固定化材料为聚乙烯弹性立体填料,生物反应区的高度为0.25 m,有效直径为0.25 m。反应器结构实物图见图1

  • 用恒重的定量滤纸过滤并称量一系列不同湿重梯度的短带鞘藻,然后将短带鞘藻和滤纸置于103~105 ℃的烘箱中烘至恒重,利用差减法得出藻的干重质量,再分别以藻湿重和藻干重为横、纵坐标来绘制藻的干、湿重关系标准曲线,得到式(1);短带鞘藻叶绿素的测定采用丙酮提取法[16],取一系列不同湿重的藻体,分别测定总叶绿素含量,作出总叶绿素—藻湿重标准曲线,得到式(2)。

    用量筒准确量取100 mL混合均匀的活性污泥混合液后过滤,将载有活性污泥的滤纸移入103~105 ℃的烘箱内烘至恒重,利用差减法求得活性污泥干重质量,最后将活性污泥干重质量除以体积确定活性污泥浓度。培养过程中每2~3 d对出水中的沉淀物在光学显微镜下进行观察。当视野中观察到累枝虫(Epistylislacustris)伴随钟虫(Vorticellidae)一起出现时,表明出水活性污泥的培养进入成熟期且可用于后续的实验。

    NH+4-N的测定采用纳氏试剂分光光度法(GB 7479-1887);TN、TP的测定分别采用便携式总氮测定仪(深昌鸿PWN-810 B)和钼酸铵分光光度法(GB 11893-1989);COD的测定采用微波消解滴定法(GB 11914-1989);pH采用便携式pH计(雷磁PHS-3E)测定。

  • 采用Monod动力学方程(式(3))建立短带鞘藻和活性污泥生长动力学模型,描述稳态时碳酸氢钠限制条件下对短带鞘藻和活性污泥生长的影响。

    式中:μ为比生长速率,d−1μm为最大比生长速率,d−1S为限制性碳酸氢钠浓度,mg·L−1KS为半饱和常数,mg·L−1。根据该动力学方程可分别求出短带鞘藻和活性污泥的动力学参数。

2.   结果与讨论
  • 在5 d的实验周期中,首先对短带鞘藻-活性污泥共生体系进行工艺参数优化[17]。考察了初始藻菌干重比(1∶1、2∶1、3∶1、5∶1)、初始生物量(0.2、0.3、0.4、0.5 g·L−1)、曝气量(0、0.2、0.4、1 L·min−1)和曝气间歇时间(1、3、6、24 h)对短带鞘藻-活性污泥共生体系脱氮除磷的影响。结果表明,在初始藻菌比为3∶1,初始生物量0.3 g·L−1,曝气量0.2 L·min−1和曝气间歇时间6 h∶6 h的条件下,短带鞘藻-活性污泥共生体系对各污染物去除率最优。如图2所示,在实验第5天时,NH+4-N、TN、TP和COD的去除率分别为83.7%、67.6%、64.7%和100%。

  • 碳源是藻类与菌类进行生命活动时不可或缺的因素之一。目前由于雨污分流不彻底,污水管网收集不充分,城镇污水处理厂进水普遍存在COD偏低的问题,部分进水小于100 mg·L−1[18]。在本研究中,某城镇污水厂在A2O工艺运行中通过比较葡萄糖和乙酸钠后,加入了乙酸钠来提升脱氮除磷效率。因此,为进一步提升藻菌共生体系的脱氮除磷效率,解决进水碳源不足的问题,可考虑通过补充合适的外加碳源。本研究考察了2种有机碳源(乙酸钠、葡萄糖)和2种无机碳源(碳酸钠、碳酸氢钠)对短带鞘藻-活性污泥共生体系去除氮磷和COD的影响。如图3(a)图3(b)所示,外加有机碳源(乙酸钠和葡萄糖)的实验组对NH+4-N和TN的去除速率高于外加无机碳源(碳酸钠和碳酸氢钠)的实验组,其中葡萄糖为外加碳源的实验组脱氮效率最高。该体系中氮的去除主要靠藻菌共同作用,藻类通过吸收氮素将其合成为自身细胞,菌类硝化作用将氨氮转化为亚硝酸盐和硝酸盐后通过反硝化作用将硝态氮和亚硝态氮转化为氮气[19]。有机碳源的加入增强了菌类的活性,进而提高了脱氮效率[20]

    与脱氮的效果不同,如图3(c)所示,当外加碳源为无机碳时,对TP的去除效果更好且TP< 0.5 mg·L−1,达到一级A排放标准。在第6 h时,外加碳源为碳酸氢钠的实验组先于碳酸钠TP达到一级A标准,且相比于外加碳源为葡萄糖和乙酸钠的实验组其对TP的去除率分别提高了6.0%和14.4%。在该藻菌体系中,藻对磷的同化吸收和表面吸附为主要的除磷途径,无机碳源更容易被藻类利用[21],新细胞合成速率加快,除磷效率得到提高。在本研究中,如图3(d)所示,4个实验组在第6 h时COD的去除率虽均能达到100%,但是,添加无机碳源的实验组在6 h内对COD的去除率更高。综合评价,碳酸氢钠是该体系的最适外加碳源。

    进一步考察了碳酸氢钠初始浓度对该藻菌共生体系去除氮、磷和COD的影响。由图4(a)图4(b)可知,当初始碳酸氢钠初始浓度为100 mg·L−1时,对NH+4-N和TN的去除率最高,分别为98.7%和78.6%。初步分析,投加碳酸氢钠改变了体系初始HCO3浓度,进而导致初始pH也不同。如图5所示,当初始碳酸氢钠浓度为75~125 mg·L−1时,pH维持在7.1~8.8,适合藻菌体系的生长,随着碳酸氢钠投加量的增加175 mg·L−1的实验组pH达到9.4~10.3,过高的pH不利于藻菌体系脱氮[22]。如图4(c)所示,各实验组在0~4 h里TP的浓度波动较大,随后TP浓度开始持续降低,直至平稳。造成上述现象的主要原因:一方面是由于碳酸氢钠的加入使pH发生变化,部分藻菌共生体表面附着的磷溶入水中造成TP浓度的短暂升高;另一方面是体系在脱氮除磷的过程中会使氮磷比发生变化,从而引起藻类向水中释放磷以维持自身细胞生长[23]。在12 h实验周期结束时,碳酸氢钠初始浓度为100 mg·L−1和125 mg·L−1的实验组TP浓度达到一级A标准,分别为0.42 mg·L−1和0.48 mg·L−1。COD的去除效果如图4(d)所示,在4个实验组中并未表现出明显的差异,均能达到一级A排放标准。

    外加碳酸氢钠的投加时间对体系脱氮的影响如图6(a)图6(b)所示,在体系脱氮过程中,藻菌生物体利用污水中的碳源作为能源支撑同化吸收以及分解转化水中的氮素。加入碳酸氢钠后,短带鞘藻持续吸收水中的氮元素以合成自身细胞等物质,因此,在补充碳源后的数小时内NH+4-N和TN的浓度开始快速下降。如图6(c)所示,TP浓度在0~3 h内出现波动,这可能是因为藻在最初的延滞生长期吸收磷并储存于体内,随着环境变化和生长需要会将体内部分的磷释放出来[24]。如图6(d)所示,外加碳酸氢钠的投加时间对体系去除COD的影响不大。而第3 h由于碳源的加入短带鞘藻的活性增强,快速吸收水中以及藻中释放出来的磷。综合考虑各污染物的去除情况,在第3 h补充碳酸氢钠的实验组有着更好的脱氮除磷性能,在实验周期12 h时结束时,出水中NH+4-N、TN、TP和COD分别为0.14、6.54、0.43和0 mg·L−1

  • 为确定碳酸氢钠对共生体系中短带鞘藻和活性污泥去除氮、磷与COD的影响,分别设置了单藻和单泥实验组。由图7(a)可以看出,短带鞘藻加碳酸氢钠实验组在实验第4 h时 NH+4-N浓度最先达到一级A标准。活性污泥加碳酸氢钠实验组与单泥实验组在对TN、TP的去除效果如图7(b)图7(c)所示,二者并未表现出明显差异,且在12 h实验周期结束时,活性污泥加碳酸氢钠实验组和单泥实验组中TP的浓度分别为0.82 mg·L−1和0.72 mg·L−1,均未达到一级A排放标准。这是由于加入碳酸氢钠后,活性污泥中的硝化菌逐渐成为优势菌种,加快吸收水中的NH+4-N,并将其氧化为硝酸盐或亚硝酸盐,但厌氧条件下反硝化菌缺少有机碳源的补充,硝态氮还原成氮气的过程缓慢;在对TP的去除上,好氧状态下活性污泥中的聚磷菌吸收正磷酸盐,但在厌氧状态下会向水体中释磷[25]。而短带鞘藻利用外加的碳酸氢钠作为碳源,持续吸收水体中的氮磷和有机物来合成自身细胞,相比于活性污泥外加碳酸氢钠的实验组其对TN和TP的去除率分别提高了11.5%和42.4%。相较于其他实验组,短带鞘藻外加碳酸氢钠实验组达到一级A排放标准的时间更短且效果更好。如图7(d)所示,各实验组在对COD的去除效果上未表现出明显差异。

  • 采用Monod动力学方程(式(3))计算拟合,获得外加碳酸氢钠后短带鞘藻和活性污泥生长动力学参数。短带鞘藻和活性污泥都能较好的拟合Monod模型(R2分别为0.943和0.862),此外 ,短带鞘藻的比生长速率(μm)为0.276 d−1,大于活性污泥(0.144 d−1);而半饱和常数(Ks)为0.77 mg·L−1,远低于活性污泥的15.28 mg·L−1,这表明短带鞘藻对碳酸氢钠的亲和性要优于活性污泥。因此,该体系外加碳酸氢钠后更多地促进了短带鞘藻的生长,提升了脱氮除磷的效果。

  • 将某城镇污水厂进水加入到课题组研究设计的藻菌共生生物膜反应器中连续运行30 d。以脱氮除磷效果为评价指标,初步评价了该体系在反应器中对实际城镇污水的处理效果。在反应器运行的0~10 d里,设置水力停留时间(HRT)为8 h,如图8所示,NH+4-N、TP的浓度波动较大,均不能达到一级A标准。因此,在11~20 d,将HRT调整为12 h,NH+4-N、TP及COD的出水波动明显较前10 d平稳,但出水中NH+4-N、TP和TN仍无法稳定达标。虽然继续延长反应器的HRT可有效增加反应器对污染物的去除效率[26],但HRT过长会增加污水处理的成本,因此,在反应器运行的最后10 d中设置HRT为12 h,另投加前期实验中筛选出的最佳外加碳源碳酸氢钠100 mg·L−1来提高反应器的处理效率。结果表明,出水中的NH+4-N、TP、TN和COD分别为3.7、13.0、0.4和34.2 mg·L−1,均达到一级A排放标准。

3.   结论
  • 1)构建了短带鞘藻-活性污泥共生体系,并确定了最佳工艺条件为初始藻菌干重比3∶1、初始生物量0.3 g·L−1、曝气量0.2 L·min−1和曝气间歇时间6 h∶6 h,在此条件下,对NH+4-N、TN、TP和COD的去除率分别为83.7%、67.6%、64.7%和100%。

    2)筛选出最适宜的外加碳源为碳酸氢钠。在12 h的实验周期中,3 h往短带鞘藻-活性污泥共生体系投加100 mg·L−1的碳酸氢钠,该体系对NH+4-N、TN和TP的去除率分别提高了15.6%、6.3%和10.0%,实验周期结束时出水中NH+4-N、TN、TP和COD分别为0.14、6.54、0.43和0 mg·L−1,各污染物浓度均达到一级A排放标准。

    3)外加碳酸氢钠主要促进了共生体系中短带鞘藻的生长。

    4)当投加碳酸氢钠为100 mg·L−1、HRT为12 h时,固定化藻菌共生反应器出水中的氮、磷及COD均能达到一级A排放标准且运行稳定。

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  • 表 1  短程反硝化SBR运行阶段
    Table 1.  Operation stage of partial denitrification SBR
    阶段时间/d反应时间/minCOD/N换水比/%
    1~36360370
    37~61480370
    62~76480370
    77~80480470
    81~84120~300470
    85~11170470
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