好氧亞硝化顆粒污泥特性的研究

好氧亞硝化顆粒污泥特性的研究

近年來，一些新的生物脫氮技術(shù)已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。例如，同時(shí)硝化反硝化技術(shù)（snd）、sharon技術(shù)（sharon）、feli氰化反應(yīng)的聯(lián)合技術(shù)（oxygen限制硝化作用的遺傳因素，odan）和晉江工藝（compositionofagricultural’a’s。這些工藝的共同基礎(chǔ)是硝化技術(shù)，該技術(shù)只能將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸氮。因此，與傳統(tǒng)的生物脫氮工藝相比，這些新技術(shù)可以縮短生物脫氮的路徑，降低運(yùn)營成本。亞硝化工藝主要由一大類統(tǒng)稱為氨氧化細(xì)菌(ammoniaoxidationbacteria,AOB)的自養(yǎng)細(xì)菌實(shí)現(xiàn),其生長緩慢,所以通常反應(yīng)器中AOB的生物量不易提高,導(dǎo)致目前多數(shù)亞硝化工藝的負(fù)荷較低;同時(shí),亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(nitriteoxidationbacteria,NOB)通常會(huì)與AOB共同生長,導(dǎo)致亞硝化工藝難以長期穩(wěn)定運(yùn)行.筆者在小試曝氣上流式污泥床(AUSB)反應(yīng)器中成功實(shí)現(xiàn)了亞硝化工藝的高效穩(wěn)定運(yùn)行[進(jìn)水NH+4-N負(fù)荷穩(wěn)定在2.5kg/(m3·d)左右時(shí),氨氮去除率和亞硝化率均可達(dá)90%以上],并成功培養(yǎng)獲得了性能良好的好氧亞硝化顆粒污泥,而目前有關(guān)好氧亞硝化顆粒污泥的報(bào)道還較少,因此,本試驗(yàn)從物理特性和微生物特性2個(gè)方面對(duì)亞硝化顆粒污泥的進(jìn)行了初步研究.1材料和方法1.1溶解氧分析ss氨氮:納氏試劑比色法;亞硝酸氮和硝酸氮:DX-100型離子色譜;COD:TL-1A型污水COD速測儀;溶解氧:Thermo810A型溶解氧儀;掃描電鏡照片:Quanta200型掃描電鏡;SS和VSS:標(biāo)準(zhǔn)重量法;顆粒污泥沉速分布:清水靜沉測速法.顆粒污泥粒徑分布:取一定量顆粒污泥,用孔徑為0.8、1.0、1.2和1.4mm的篩網(wǎng)順序篩選顆粒污泥,將各個(gè)篩網(wǎng)上的顆粒污泥進(jìn)行收集計(jì)數(shù),然后計(jì)算不同粒徑范圍的顆粒污泥個(gè)數(shù)占總量的百分比.1.2細(xì)菌多樣性分析從反應(yīng)器中取出顆粒污泥后立即用新配制的4%多聚甲醛溶液固定,PBS緩沖液洗滌后,用乙醇、水、叔丁醇混合物處理,再用石蠟進(jìn)行包埋后切片,切片厚度為8μm,展片之后移入涂有Vectaboud的載玻片上,干燥后用TBA、乙醇及二甲苯等進(jìn)行脫蠟.采用ROX標(biāo)記的AOB探針NSO190(5′CGATCCCCTGCTTTTCTCC3′)和FITC標(biāo)記的NOB探針NIT3(5′CCTGTGCTCCATGCTCCG3′)對(duì)顆粒污泥切片進(jìn)行雙重雜交,雜交溫度46℃,甲酰胺濃度分別為55%和40%,同時(shí)利用DAPI染色確定污泥中所有微生物的背景,其它參考Pynaert等人的試驗(yàn)步驟,最后在激光共聚焦顯微鏡上掃描成像.1.3試驗(yàn)裝置及測定參照Verhagen等人的方法分別配制AOB和NOB的培養(yǎng)基,用若干10mL試管分裝培養(yǎng)基,在121℃下滅菌20min后備用.從反應(yīng)器中取出污泥樣品,充分分散后,按系列稀釋法各分別接種3支試管.將所有試管置于30℃生化培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng)28d后取出觀察,并根據(jù)三管MPN法檢索表計(jì)算結(jié)果.2結(jié)果與討論2.1反應(yīng)器的亞硝化率筆者利用AUSB反應(yīng)器對(duì)亞硝化工藝進(jìn)行了較長期的研究,根據(jù)運(yùn)行條件的不同,中溫條件下的工藝研究大致可以分為3個(gè)階段:①第1~140d,AUSB在DO為3mg/L和pH值為7.5的條件下實(shí)現(xiàn)了硝化工藝到亞硝化工藝的轉(zhuǎn)變,進(jìn)水NH+4-N負(fù)荷為2.5kg/(m3·d)時(shí),反應(yīng)器的亞硝化率(亞硝化率指出水中亞硝酸氮在總硝態(tài)氮中的比值)可達(dá)95%,但氨氮去除率只有70%左右.②第141~171d,為了提高反應(yīng)器的氨氮去除效果,AUSB內(nèi)的DO由3mg/L提高到了5mg/L,其它條件維持不變,結(jié)果表明反應(yīng)器的氨氮去除率和亞硝化率可同時(shí)穩(wěn)定在90%以上.③第209~309d,通過向進(jìn)水中添加葡萄糖研究了有機(jī)物對(duì)亞硝化工藝的影響,在此階段,進(jìn)水氨氮濃度維持在600~700mg/L,而有機(jī)物濃度(COD)維持在100mg/L左右,隨著有機(jī)物的持續(xù)加入,反應(yīng)器內(nèi)的DO逐漸下降,導(dǎo)致氨氮去除率也隨之下降,從第286d起,增加反應(yīng)器曝氣量,使得DO濃度又恢復(fù)至較高水平,結(jié)果氨氮去除率也逐漸恢復(fù)至90%左右,在此階段,反應(yīng)器的亞硝化率沒有受到進(jìn)水中有機(jī)物的影響,一直穩(wěn)定在95%以上.2.2亞硝化顆粒污泥的其它物理特性由于接種污泥中有一定量的厭氧產(chǎn)甲烷顆粒污泥,因此從運(yùn)行初期開始,AUSB反應(yīng)器內(nèi)部就有少量顆粒污泥.隨著反應(yīng)器在好氧條件下運(yùn)行時(shí)間的增加,部分接種的厭氧顆粒污泥發(fā)生了解體,但其中多數(shù)一直保持著顆粒形態(tài),只是其外形和顏色均發(fā)生了較明顯變化,特別是其顏色的變化較為明顯,最初的接種厭氧顆粒污泥呈深黑色,逐漸變淺成為灰色、褐色,最終成為棕色,甚至部分呈棕紅色,這與典型的厭氧顆粒污泥和好氧顆粒污泥的顏色均有所不同.當(dāng)AUSB反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的亞硝化工藝(運(yùn)行至第165d)時(shí),其內(nèi)部顆粒污泥的外觀和表面的細(xì)菌形態(tài)如圖1所示.由圖1可知,在AUSB反應(yīng)器中存在著大量呈良好顆粒狀的棕色顆粒污泥,其外形均為較規(guī)則的橢球狀,多數(shù)顆粒的粒徑均在1.0mm以上.電鏡照片還顯示,亞硝化顆粒污泥表面主要生長著幾種大小不同的球菌和少數(shù)桿菌或絲菌,多數(shù)球菌直徑約為0.5~1μm,部分細(xì)菌被可能是胞外多聚物的物質(zhì)所包裹.AUSB反應(yīng)器運(yùn)行至硝化工藝向亞硝化工藝轉(zhuǎn)變后,反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥占污泥總重量的比例就一直穩(wěn)定在25%左右,除了顏色發(fā)生明顯變化外,顆粒污泥的其它物理特性如VSS/SS、粒徑分布和沉降速度等也有不同程度的變化.不同運(yùn)行階段反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥的平均VSS/SS如圖2所示.由圖2可知,接種時(shí)顆粒污泥的VSS/SS約為85%,隨著反應(yīng)器的運(yùn)行,顆粒污泥的VSS/SS逐漸降低,在反應(yīng)器運(yùn)行的階段1和階段2,該比值下降至70%左右.此后隨著亞硝化工藝的高效穩(wěn)定運(yùn)行該比值開始回升,在反應(yīng)器運(yùn)行的階段3,顆粒污泥的VSS/SS又恢復(fù)至80%左右,即穩(wěn)定的亞硝化顆粒污泥與接種產(chǎn)甲烷顆粒污泥相比較,其VSS/SS相差不大.由于VSS通?？勺鳛楹饬课勰嘀形⑸锪康闹笜?biāo),因此,圖2顯示了隨著亞硝化工藝的穩(wěn)定運(yùn)行,顆粒污泥中微生物的數(shù)量經(jīng)過了先略有減少、隨后又逐漸增加的變化過程.接種AUSB反應(yīng)器時(shí),產(chǎn)甲烷顆粒污泥經(jīng)過了篩選,所有顆粒污泥的粒徑都大于0.8mm,粒徑大于1.0mm的顆粒污泥約占總數(shù)的53.6%.隨著反應(yīng)器的運(yùn)行,顆粒污泥的粒徑分布發(fā)生了變化.對(duì)不同運(yùn)行階段反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥的粒徑分布進(jìn)行比較,結(jié)果如圖3所示.由圖3可知,反應(yīng)器運(yùn)行初期,顆粒污泥的粒徑有變小的趨勢,在反應(yīng)器運(yùn)行的第1階段,小于0.8mm的顆粒污泥約占到總數(shù)的20.5%.隨著反應(yīng)器的運(yùn)行,顆粒污泥的粒徑又逐漸增大,在反應(yīng)器運(yùn)行的第2和3階段,小于0.8mm的顆粒污泥分別只占總數(shù)的17.4%和8.5%,而且在第3階段,粒徑大于1.0mm的顆粒污泥占到了總數(shù)的70.1%.粒徑分布的結(jié)果表明,由于運(yùn)行條件從厭氧變?yōu)楹醚?從處理有機(jī)廢水到處理高氨氮廢水,接種至反應(yīng)器內(nèi)的產(chǎn)甲烷顆粒污泥發(fā)生了部分解體和重新再生長等變化.在反應(yīng)器的不同運(yùn)行階段,還對(duì)不同粒徑范圍的顆粒污泥的沉速進(jìn)行了比較,結(jié)果如圖4所示.從中可知,與亞硝化顆粒污泥相比,不同粒徑范圍的接種顆粒污泥的沉速均較大.在反應(yīng)器運(yùn)行的3個(gè)階段中,粒徑大于0.8mm的顆粒污泥的沉速變化不大,而粒徑小于0.8mm的顆粒沉速變化較大,這可能是由于產(chǎn)甲烷顆粒污泥在解體的過程中形成一些粒徑較小的無機(jī)顆粒造成的.從圖4中還可看出,當(dāng)粒徑大于0.8mm時(shí),亞硝化顆粒污泥的粒徑越大,其沉速也越大,而且二者之間呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系.根據(jù)王妍春等人的研究,當(dāng)粒徑與沉速之間呈現(xiàn)較好線性關(guān)系時(shí),可采用阿蘭(Allen)公式對(duì)顆粒污泥粒徑與沉速的關(guān)系進(jìn)行數(shù)學(xué)描述.利用該式進(jìn)行計(jì)算后發(fā)現(xiàn),穩(wěn)定的亞硝化顆粒污泥的濕密度約為1022kg/m3,與普通厭氧產(chǎn)甲烷顆粒污泥的密度相比略輕.從VSS/SS、粒徑分布和沉降速度等結(jié)果可以看出,穩(wěn)定的亞硝化顆粒污泥的物理特性與普通產(chǎn)甲烷顆粒污泥相比只是略有差異,更大的差別在于顆粒污泥功能的轉(zhuǎn)變,即通過在AUSB反應(yīng)器內(nèi)長期的運(yùn)行培養(yǎng),接種時(shí)的厭氧產(chǎn)甲烷顆粒污泥已逐漸轉(zhuǎn)變成為具有良好亞硝化活性的好氧顆粒污泥,這表明顆粒污泥內(nèi)微生物的組成發(fā)生了顯著的變化,因此,本文還對(duì)亞硝化顆粒污泥的微生物特性進(jìn)行了研究.2.3aod和nob的數(shù)量AOB是實(shí)現(xiàn)亞硝化工藝的功能微生物,為了證明AUSB反應(yīng)器中的顆粒污泥確實(shí)具有亞硝化活性,首先利用FISH技術(shù)對(duì)顆粒污泥中是否存在AOB進(jìn)行了驗(yàn)證.由于NOB和AOB總是伴生的,而二者的數(shù)量關(guān)系又決定了氨的氧化過程是停留在亞硝化階段還是徹底硝化,因此,對(duì)顆粒污泥中的NOB也進(jìn)行了研究.本研究選取活性污泥中常見的亞硝化單胞菌和硝化桿菌作為AOB和NOB的代表,利用NSO190和NIT3探針,研究了AUSB反應(yīng)器運(yùn)行至第1d、第35d、第81d和第156d時(shí)顆粒污泥中的AOB和NOB的空間分布(圖略).結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著反應(yīng)器的運(yùn)行,顆粒污泥切片上的熒光信號(hào)越來越強(qiáng).此外,熒光信號(hào)的位置顯示,在第35d和第81d的顆粒污泥中,AOB主要分布在顆粒污泥表層,而NOB則多分布在表層之下,這可能與2種細(xì)菌的代謝特性有關(guān):AOB對(duì)溶解氧的親和能力大于NOB,所以AOB占有優(yōu)先利用溶解氧的位置;而NOB要利用AOB的代謝產(chǎn)物亞硝酸鹽,所以NOB緊挨著AOB生長.顆粒污泥上熒光信號(hào)的強(qiáng)度和位置表明,在AUSB反應(yīng)器內(nèi)確實(shí)形成了以AOB為主的顆粒污泥,這些亞硝化顆粒污泥可能是AOB附著在接種的厭氧產(chǎn)甲烷顆粒污泥表面形成的.反應(yīng)器運(yùn)行至第156d時(shí),進(jìn)水NH+4-N負(fù)荷為2.5kg/(m3·d),氨氮去除率為99%,亞硝化率為98%,即AUSB反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定運(yùn)行.此時(shí),AOB的熒光信號(hào)很強(qiáng),而NOB熒光信號(hào)明顯減弱,這表明AOB已成為顆粒污泥中的優(yōu)勢菌,AOB在數(shù)量上的絕對(duì)優(yōu)勢是亞硝化反應(yīng)器能夠高效穩(wěn)定運(yùn)行的主要原因.為了進(jìn)一步說明AOB和NOB的數(shù)量多少與亞硝化工藝穩(wěn)定運(yùn)行之間的關(guān)系,利用三管MPN方法對(duì)污泥中的AOB和NOB的數(shù)量進(jìn)行了定量研究,結(jié)果如圖5所示.由圖5可知,反應(yīng)器運(yùn)行初期,AOB和NOB的數(shù)量相當(dāng),隨著亞硝化工藝的穩(wěn)定運(yùn)行,到第1階段的中期(第87d),污泥中的AOB數(shù)量已明顯多于NOB.到第1階段即將結(jié)束(第121d)時(shí),由于沒有及時(shí)增加反應(yīng)器的供氧量,導(dǎo)致氨氮的去除率略有下降,較低溶解氧和較高的游離氨對(duì)NOB的抑制作用明顯大于AOB,因此,AOB和NOB的數(shù)量差距進(jìn)一步加大.反應(yīng)器運(yùn)行至第2階段(第158d)時(shí),AOB和NOB的數(shù)量繼續(xù)增加,分別達(dá)到每gVSS1.6×1014和3.6×109個(gè).由于增加了反應(yīng)器內(nèi)的溶解氧,NOB的生長速度明顯增加,使得AOB和NOB的數(shù)量差距略有縮小,但AOB的數(shù)量仍然高于NOB4個(gè)數(shù)量級(jí),因此,溶解氧的增加對(duì)反應(yīng)器的亞硝化率影響不大,亞硝化率仍保持在90%以上.前已述及,反應(yīng)器運(yùn)行至第3階段時(shí)考察了有機(jī)物對(duì)亞硝化工藝的影響.從圖5可以看出,此階段的前期,由于反應(yīng)器的曝氣量保持恒定,隨著利用有機(jī)物的異養(yǎng)菌逐漸增加,AOB和NOB能利用的溶解氧隨之減少,因此AOB和NOB的生長都受到了影響,二者的數(shù)量明顯減少;而試驗(yàn)后期,由于增加了反應(yīng)器的曝氣量,異養(yǎng)菌、AOB和NOB都有足夠溶解氧可以利用,所以AOB和NOB又恢復(fù)了良好的生長狀態(tài),二者的數(shù)量明顯增加.此外,從圖5還可以看出,在此階段,由于AOB的數(shù)量遠(yuǎn)多于NOB,所以反應(yīng)器保持了良好的亞硝化狀態(tài),亞硝化率一直穩(wěn)定在95%以上.由于MPN法是通過富集培養(yǎng)的方法對(duì)細(xì)菌進(jìn)行計(jì)數(shù)的,在自然界中可培養(yǎng)微生物數(shù)量只占實(shí)際微生物數(shù)量的不到10%.而在培養(yǎng)過程中,被富集的微生物可能只是最適合在培養(yǎng)條件下生長的種類,不一定是在環(huán)境中起主要作用的微生物.因此,孫寓姣等還利用定量PCR技術(shù)對(duì)AUSB反應(yīng)器中不同運(yùn)行時(shí)間的顆粒污泥進(jìn)行了研究和驗(yàn)證,結(jié)果表明,隨著反應(yīng)器亞硝化功能的強(qiáng)化,顆粒污泥中的AOB逐漸增加,穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)AOB甚至可占到真細(xì)菌總數(shù)的48.5%.綜合上述結(jié)果可知,AUSB反應(yīng)器從硝化工藝向亞硝化工藝轉(zhuǎn)化時(shí),AOB逐漸增多;隨著亞硝化工藝的穩(wěn)定運(yùn)行,反應(yīng)器內(nèi)形成了以AOB為優(yōu)勢菌的顆粒污泥;由于亞硝化顆粒污泥的存在,AUSB反應(yīng)器內(nèi)保有較高的生物量,使得亞硝化工藝能夠在高負(fù)荷條件下實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的運(yùn)行.3顆粒污泥的形成機(jī)理從VSS/SS和粒徑分布的結(jié)果可以看出,在反應(yīng)器的不同運(yùn)行階段,微生物數(shù)量的改變導(dǎo)致顆粒污泥發(fā)生了部分解體和重新再生長等變化,這表明本研究中的亞硝化顆粒污泥可能是AOB以接種的產(chǎn)甲烷顆粒污泥為載體,附著生長形成的.而FISH結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了產(chǎn)甲烷顆粒污泥向亞硝化顆粒污泥的轉(zhuǎn)變,即運(yùn)行初期顆粒污泥對(duì)于AOB的探針沒有響應(yīng),而到運(yùn)行后期熒光標(biāo)記的探針顯示AOB越來越多的聚集在顆粒污泥的表層.因此,可以推測在此研究中,亞硝化顆粒污泥的形成過程大致分為如下4個(gè)步驟:①AUSB反應(yīng)器采用混合污泥接種,運(yùn)行初期反應(yīng)器內(nèi)就有顆粒污泥,此時(shí)的顆粒污泥與普通的厭氧產(chǎn)甲烷顆粒污泥沒有區(qū)別,部分厭氧顆粒污泥在連續(xù)曝氣條件下會(huì)發(fā)生解體;②由于進(jìn)水采用無機(jī)自配水,以及反應(yīng)器在好氧條件下運(yùn)行,因此,反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥中的厭氧異養(yǎng)細(xì)菌由于缺乏營養(yǎng)逐漸死亡,而與此同時(shí),新生成的AOB和NOB會(huì)逐漸附著到顆粒污泥或顆粒碎塊的外層,形成初始的好氧顆粒污泥;③隨著反應(yīng)器亞硝化性能的提升,AOB在反應(yīng)器中得到了進(jìn)一步富集,而NOB的生長受到了抑制,因此,附著在顆粒污泥外層的AOB逐漸增加,而NOB的數(shù)量則在對(duì)減少,因此,逐漸形成了具有亞硝化功能的好氧顆粒污泥;④AOB不斷附著到顆粒外層,一方面使得顆粒污泥粒徑增大,另一方面也使得營養(yǎng)物質(zhì)更難以進(jìn)入顆粒污泥內(nèi)層,造成顆粒污泥內(nèi)部細(xì)菌的衰亡,因此,隨著反應(yīng)器的長期穩(wěn)定運(yùn)行,最終形成