氮負(fù)荷對(duì)短程反硝化耦合厭氧氨氧化生物膜系統(tǒng)脫氮性能的影響

彭永臻， 王錦程， 李翔晨， 杜 睿， 劉 瑩

(1.北京工業(yè)大學(xué)城鎮(zhèn)污水深度處理與資源化利用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室, 北京 100124;2.中山公用水務(wù)有限公司， 廣東 中山 528400)

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

采用有效容積均為10.0 L的序批式反應(yīng)器(sequencing batch reactor,SBR)構(gòu)建短程反硝化耦合厭氧氨氧化生物膜系統(tǒng)(見(jiàn)圖1). 利用支架將填料固定于反應(yīng)器內(nèi)部. R1反應(yīng)器采用邊長(zhǎng)為1.5 cm立方體結(jié)構(gòu)的聚氨酯海綿填料(單個(gè)填料體積為3.375 cm3，密度低于1 g/cm3，比表面積為2 395 m2/m3)；R2反應(yīng)器采用圓柱體結(jié)構(gòu)的聚乙烯空心環(huán)填料(直徑為2.5 cm，高為1.2 cm，密度低于1 g/cm3,比表面積為500 m2/m3).

圖1 短程反硝化耦合厭氧氨氧化生物膜反應(yīng)器示意圖Fig.1 Diagram of partial denitrification coupling with anammox biofilm reactor

1.2 短程反硝化耦合厭氧氨氧化生物膜系統(tǒng)運(yùn)行

表1 不同階段各反應(yīng)器運(yùn)行條件Table 1 Operational conditions of each reactor at different phases

1.3 試驗(yàn)用水和接種污泥

R1和R2接種污泥取自穩(wěn)定運(yùn)行2 a以上的短程反硝化耦合厭氧氨氧化懸浮污泥SBR[16]. 接種污泥為粒徑小于0.2 mm的絮體污泥. 接種后污泥質(zhì)量濃度(MLVSS)分別為2.78和2.40 g/L.

1.4 氮素轉(zhuǎn)化特性批次試驗(yàn)

1.5 EPS提取和測(cè)定

取反應(yīng)器中掛膜填料，通過(guò)熱提取法對(duì)生物膜EPS進(jìn)行分層提取[23]. EPS提取物經(jīng)過(guò)0.45 μm孔徑的聚偏二氟乙烯膜過(guò)濾后，采用Lowry-Folin法，以牛血清蛋白為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，對(duì)EPS中蛋白質(zhì)(PN)進(jìn)行定量分析；采用蒽酮法，以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，測(cè)定EPS中多糖(PS)含量[22].

1.6 常規(guī)檢測(cè)方法

2 結(jié)果與討論

2.1 不同氮負(fù)荷下R1長(zhǎng)期脫氮效果

2.2 不同氮負(fù)荷下R2長(zhǎng)期脫氮效果

圖3 R2反應(yīng)器不同氮負(fù)荷條件下長(zhǎng)期運(yùn)行脫氮性能變化Fig.3 Long-term performance of nitrogen removal in R2 at different nitrogen loading rates

進(jìn)一步通過(guò)物料平衡分析得出，R2厭氧氨氧化對(duì)TN去除的貢獻(xiàn)率高達(dá)97.4%，表明NLR降低并未對(duì)厭氧氨氧化菌與反硝化菌對(duì)底物競(jìng)爭(zhēng)能力產(chǎn)生不利影響，自養(yǎng)脫氮始終為最主要去除途徑. 有研究認(rèn)為，雖然厭氧氨氧化與反硝化作用能夠共存，但易受基質(zhì)濃度的影響而出現(xiàn)反硝化不斷增強(qiáng)及厭氧氨氧化運(yùn)行不穩(wěn)定的問(wèn)題[26]. 張?jiān)姺f等[27]研究發(fā)現(xiàn)，利用厭氧氨氧化耦合反硝化工藝處理低基質(zhì)生活污水時(shí)，碳氮比為2.0時(shí)厭氧氨氧化受到抑制，導(dǎo)致TN去除率降低. 林興等[28]研究認(rèn)為，處理低氨氮廢水的短程硝化/厭氧氨氧化系統(tǒng)中亞硝酸鹽氧化菌活性難以得到長(zhǎng)期有效抑制，最終短程硝化受到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致脫氮效率大大降低. 本研究中，不同生物載體的生物膜系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行結(jié)果均證明，短程反硝化耦合厭氧氨氧化工藝在氮負(fù)荷變化及處理低濃度廢水時(shí)具有穩(wěn)定高效脫氮的重要優(yōu)勢(shì).

2.3 生物膜氮素轉(zhuǎn)化特性與活性變化

為探究不同系統(tǒng)中短程反硝化與厭氧氨氧化過(guò)程氮素轉(zhuǎn)化特性，定期取掛膜填料進(jìn)行批次試驗(yàn). 不同進(jìn)水基質(zhì)濃度下R1與R2生物膜氮素和COD變化如圖4所示，可以看出，不同生物填料生物膜具有相似基質(zhì)代謝轉(zhuǎn)化規(guī)律.

圖4 R1和R2系統(tǒng)不同進(jìn)水質(zhì)量濃度下氮及COD轉(zhuǎn)化規(guī)律Fig.4 Characteristics of nitrogen and COD conversion at different substrates concentration in R1 and R2 reactors

2.3.2 厭氧氨氧化脫氮活性變化

此外，對(duì)比同一系統(tǒng)的2種主要氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程發(fā)現(xiàn)，R1生物膜的厭氧氨氧化活性受影響程度小于短程反硝化活性. 相反，R2生物膜的厭氧氨氧化活性較短程反硝化活性降低更為明顯，聚氨酯海綿填料更適宜于短程反硝化耦合厭氧氨氧化工藝在低負(fù)荷條件下長(zhǎng)期運(yùn)行. 這可能與本試驗(yàn)采用的聚氨酯海綿填料比表面積較大有關(guān)，其更有利于微生物附著生長(zhǎng)和生物膜形成. 有研究表明，當(dāng)?shù)?fù)荷降低時(shí)，懸浮污泥厭氧氨氧化SBR系統(tǒng)脫氮效率和活性均受到抑制而顯著降低[29]. 投加填料為厭氧氨氧化菌提供了更加穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)生物膜中厭氧氨氧化菌的豐度顯著高于懸浮污泥系統(tǒng)[30]. 這也證明本研究中生物膜的形成對(duì)耦合系統(tǒng)中厭氧氨氧化脫氮效率和長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性起到了重要作用. 高夢(mèng)佳等[31]研究結(jié)表明，處理低濃度廢水的厭氧氨氧化生物膜反應(yīng)器中，海綿填料生物膜脫氮速率高于懸浮塑料填料生物膜，且前者厭氧氨氧化菌豐度更高. 因此，針對(duì)不同基質(zhì)濃度和運(yùn)行方式，選擇適宜生物載體有助于發(fā)揮最佳自養(yǎng)脫氮性能.

2.4 不同生物膜系統(tǒng)EPS產(chǎn)生特性與變化規(guī)律

EPS是微生物分泌黏附在細(xì)胞表面的大分子聚合物，能夠促進(jìn)細(xì)胞聚集和維持穩(wěn)定的微生物群落結(jié)構(gòu)[19]. 在污水處理系統(tǒng)中，EPS與生物膜的形成密切相關(guān)，研究EPS分泌特性及變化規(guī)律有助于深入理解氮負(fù)荷對(duì)短程反硝化耦合厭氧氨氧化生物膜代謝特性的影響機(jī)制.

長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程R1和R2生物膜EPS含量變化如圖5所示. 階段1和2中，R1生物膜EPS含量變化較小，運(yùn)行末期有所升高，達(dá)到300.84 mg/g(見(jiàn)圖5(a)). 其中，溶解性EPS(S-EPS)含量變化較小，松散型EPS(LB-EPS)含量隨NLR降低略有升高. 緊密型EPS(TB-EPS)比例最高，階段1和2中其含量有所降低，但在運(yùn)行末期開(kāi)始增加，達(dá)到234.3 mg/g. 這是由于系統(tǒng)長(zhǎng)期在低基質(zhì)濃度下運(yùn)行，微生物分泌更多EPS有助于聚集生長(zhǎng)和生物膜結(jié)構(gòu)的維持.

圖5 不同運(yùn)行階段R1和R2生物膜EPS含量變化Fig.5 EPS concentrations in R1 and R2 at different operational phases

R2系統(tǒng)EPS變化趨勢(shì)不同，氮負(fù)荷降低過(guò)程中微生物分泌EPS量不斷增加，由于運(yùn)行末期微生物代謝活性顯著降低，EPS含量減少(見(jiàn)圖5(b)). 其中，TB-EPS上升較快，在運(yùn)行末期其含量高于R1. 有研究表明，TB-EPS分泌過(guò)多會(huì)對(duì)生物膜傳質(zhì)產(chǎn)生不利影響[32]，這可能是導(dǎo)致運(yùn)行末期R2厭氧氨氧化活性顯著降低的原因之一. 這也進(jìn)一步解釋了本研究中聚氨酯填料更適合于短程反硝化耦合厭氧氨氧化系統(tǒng)在低負(fù)荷下長(zhǎng)期穩(wěn)定脫氮. 可見(jiàn)，生物膜系統(tǒng)中EPS的組成和分布規(guī)律對(duì)菌群代謝活性具有一定的指示作用，同時(shí)也是影響系統(tǒng)脫氮性能的重要因素.

此外，兩系統(tǒng)EPS均以PN為主要成分(見(jiàn)圖6)，但其含量存在較大差異. R1生物膜EPS中PN含量明顯高于R2，且在運(yùn)行階段1和2中變化較小，運(yùn)行末期表現(xiàn)出緩慢上升趨勢(shì). 相比之下，R2生物膜EPS中PN含量在運(yùn)行末期大幅升高(見(jiàn)圖6(b)). 有研究表明，蛋白質(zhì)具有較高黏結(jié)強(qiáng)度和能力[20]，當(dāng)受到外界環(huán)境的脅迫時(shí),微生物能夠通過(guò)分泌蛋白質(zhì)來(lái)應(yīng)對(duì)[33]. 結(jié)合兩系統(tǒng)厭氧氨氧化活性變化，可以推測(cè)， EPS中PN對(duì)短程反硝化耦合厭氧氨氧化菌群聚集生長(zhǎng)及活性維持有重要作用，低負(fù)荷條件下微生物產(chǎn)生更多蛋白質(zhì)有助于維持自身生長(zhǎng)和代謝活性. 此外，穩(wěn)定的PN/PS比例則有利于短程反硝化耦合厭氧氨氧化生物膜系統(tǒng)維持不同菌群之間活性的平衡.

圖6 不同運(yùn)行階段R1和R2 生物膜EPS中蛋白質(zhì)與多糖含量變化Fig.6 Variation of protein and polysaccharide concentrations in EPS of R1 and R2 at different phases

3 結(jié)論

3) 不同填料對(duì)生物膜活性與EPS產(chǎn)生影響較大，長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行條件下，微生物分泌更多EPS，蛋白質(zhì)含量升高有助于其應(yīng)對(duì)氮負(fù)荷變化.

4) 短程反硝化有效強(qiáng)化厭氧氨氧化脫氮穩(wěn)定性，短程反硝化耦合厭氧氨氧化生物膜工藝在低基質(zhì)廢水處理領(lǐng)域具有重要實(shí)際意義和應(yīng)用前景.