利用egsb反應(yīng)器培養(yǎng)厭氧氨氧化顆粒污泥

利用egsb反應(yīng)器培養(yǎng)厭氧氨氧化顆粒污泥

厭氧氨氧化顆粒污泥培養(yǎng)厭氧氨基氧化（anammox）是指抗感染的細(xì)菌。在厭氧條件下，亞硝酸鹽被用作電子受體氧化銨鹽，最終產(chǎn)生氮和氣體。少量硝酸鹽氮的過程?；诖诉^程開發(fā)的厭氧氨氧化工藝與傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)相比,可節(jié)省60%左右的曝氣量和100%有機(jī)碳源,并減少溫室氣體的排放。然而厭氧氨氧化菌生長繁殖慢,世代時間長,對外界環(huán)境因子變化較敏感,這些因素限制了該技術(shù)在實(shí)際廢水處理中的進(jìn)一步應(yīng)用與推廣。顆粒污泥具有良好沉降性能,抗水力沖擊能力強(qiáng),可持留大量生物體,保證反應(yīng)器高效穩(wěn)定運(yùn)行,使厭氧氨氧化污泥顆粒化是解決以上問題的很好途徑,成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。Lu等研究了在高速UASB反應(yīng)器中厭氧氨氧化顆粒污泥的結(jié)構(gòu)、密度和沉降性能,結(jié)果表明,厭氧氨氧化顆粒形狀不規(guī)則,表面有氣孔,由于胞外聚合物的堵塞,顆粒內(nèi)部產(chǎn)生的氮?dú)獠粩嗯蛎?內(nèi)部氣穴的大小隨著顆粒的增大而變大,導(dǎo)致顆粒密度的降低,容易隨出水排出。Helio等和Dapena-Mora等均應(yīng)用SBR反應(yīng)器培養(yǎng)厭氧氨氧化顆粒污泥,培養(yǎng)時間較長,均大于200d,同時總氮去除負(fù)荷低于2.0kgN·muf02d3·duf02d1,同時Helio等應(yīng)用FISH技術(shù),表明厭氧氨氧化菌相對含量在85.0%±1.8%。任宏洋等采用好氧氨氧化污泥和厭氧氨氧化污泥同時接種于厭氧氨氧化膨脹顆粒污泥床(expandedgranularsludgebed,EGSB)反應(yīng)器中,培養(yǎng)完全自營養(yǎng)脫氮顆粒污泥,總氮去除速率為0.101kgN·muf02d3·duf02d1。而唐崇儉等同樣應(yīng)用EGSB反應(yīng)器,經(jīng)過230d的穩(wěn)定運(yùn)行,逐步將水力停留時間由6.9h縮短至0.30h,容積基質(zhì)氮去除速率為50.75kgN·muf02d3·duf02d1,得到的厭氧氨氧化顆粒污泥的平均粒徑為(2.51±0.91)mm。這些研究表明通過不同的培養(yǎng)方法,厭氧氨氧化污泥均可實(shí)現(xiàn)顆?；?但培養(yǎng)過程耗時較長,不利于實(shí)際工程的應(yīng)用,如何縮短厭氧氨氧化顆粒污泥的培養(yǎng)時間有著重要意義。本研究采用EGSB反應(yīng)器培養(yǎng)厭氧氨氧化顆粒污泥,根據(jù)反應(yīng)器的脫氮效能隨時調(diào)整進(jìn)水基質(zhì)濃度,通過觀察污泥形態(tài)調(diào)控反應(yīng)器的上升流速,同時考察系統(tǒng)的生物量變化、顆粒污泥結(jié)構(gòu)以及粒徑分布情況,深入探討厭氧氨氧化顆粒污泥快速形成過程中的關(guān)鍵控制因素。此外,利用FISH技術(shù)、掃描電子顯微鏡與透射電子顯微鏡技術(shù),研究厭氧氨氧化顆粒污泥的結(jié)構(gòu)與厭氧氨氧化菌的分布情況。1材料和方法1.1反應(yīng)器ro3本試驗(yàn)采用膨脹顆粒污泥床(expandedgranularsludgebed,EGSB)反應(yīng)器培養(yǎng)厭氧氨氧化顆粒污泥,試驗(yàn)裝置如圖1所示。反應(yīng)器的有效體積為1.53L,反應(yīng)區(qū)1L,沉淀區(qū)0.53L,高徑比為20。反應(yīng)器主體為有機(jī)玻璃材質(zhì),用橡膠墊對反應(yīng)器進(jìn)行密封,外部用自制電熱毯對反應(yīng)器進(jìn)行加熱,從而控制反應(yīng)溫度,整個裝置用遮光布包裹,防止光照阻礙厭氧氨氧化菌的生長。每日早晚各一次對含氮模擬廢水曝氮?dú)?5~30min,控制進(jìn)水溶解氧濃度低于0.8mg·Luf02d1,pH在7.5~8.3之間,利用溫度控制儀保證反應(yīng)器內(nèi)部溫度穩(wěn)定在(35±2)℃。啟動初期水力停留時間(HRT)為12h,通過調(diào)節(jié)反應(yīng)器外循環(huán)回流比,反應(yīng)器內(nèi)部上升流速穩(wěn)定在3.0m·huf02d1。1.2微生物處理的流程本試驗(yàn)將好氧硝化顆粒污泥和厭氧氨氧化種泥同時接種于EGSB反應(yīng)器內(nèi)作為接種污泥,好氧硝化顆粒污泥和厭氧氨氧化種泥的體積比為1:(2.0~2.3),接種污泥MLSS為3730mg·Luf02d1。其中好氧硝化顆粒污泥取自運(yùn)行穩(wěn)定的SBR反應(yīng)器,厭氧氨氧化種泥取自序批式生物膜反應(yīng)器(SBBR)的掛膜填料(附著厭氧生物膜污泥),其中SBBR反應(yīng)器的總氮去除速率為1.072kgN·muf02d3·duf02d1。試驗(yàn)過程采用含氮模擬廢水,主要成分是:NH4Cl97.5~900mg·Luf02d1、NaNO2127.7~1352mg·Luf02d1、KHCO31000mg·Luf02d1、KH2PO450mg·Luf02d1、MgSO4?7H2O200mg·Luf02d1、CaCl2?2H2O151mg·Luf02d1、維生素0.25ml·Luf02d1、微量元素0.31ml·Luf02d1。1.3多參數(shù)測試方法氨氮采用納氏試劑分光光度法進(jìn)行測定;亞硝酸鹽氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法進(jìn)行測定;硝酸鹽氮采用麝香草酚分光光度法進(jìn)行測定;混合液懸浮固體濃度(MLSS)和混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度(MLVSS)采用重量法進(jìn)行測定。pH和溶解氧采用德國WTW(pH/Oxi340i)手提式多參數(shù)測試儀測定。排泥口和3個采樣口分別取10ml左右泥水混合物,混合均勻后去除上清液,將10ml純泥樣采用英國MalvernMS2000型激光粒度分析儀測定污泥粒徑分布情況,平均45d測定一次。1.4掃描電鏡觀察取適量顆粒污泥樣品經(jīng)戊二醛固定、乙醇梯度脫水、乙酸異戊酯置換、臨界點(diǎn)干燥、離子濺射噴金處理后使用日本HitachiS-4700型掃描電鏡儀對樣品進(jìn)行觀察并拍照。取適量顆粒污泥樣品經(jīng)戊二醛固定、乙醇梯度脫水、包埋劑固定,用LKB-V型超薄切片機(jī)對顆粒進(jìn)行超薄切片,然后固定到銅網(wǎng)上,用乙酸雙氧鈾和檸檬酸鉛對切片雙重染色后,在JEM100-SX透射電鏡上觀察并拍照。1.5fish試驗(yàn)研究采用編號為AMX820(AAAACCCCTCT-ACTTAGTGCCC)的探針進(jìn)行FISH試驗(yàn)。生物樣品(約1.5ml)經(jīng)戊二醛固定、乙醇梯度脫水后與CY5標(biāo)記的探針雜交,全菌用DAPI染色,清洗后的玻片在649nm激發(fā)波長下使用LSM510激光共聚焦顯微鏡進(jìn)行觀察,粉紅色熒光為ANAMMOX菌,而藍(lán)色為全菌。2結(jié)果與討論2.1反應(yīng)器總體情況的調(diào)控2.1.1進(jìn)水基質(zhì)濃度的調(diào)控基質(zhì)濃度對厭氧顆粒污泥的形成至關(guān)重要,基質(zhì)濃度的不斷提高,促進(jìn)微生物生長代謝。厭氧氨氧化顆粒污泥的培養(yǎng)過程基質(zhì)濃度的調(diào)控共分為3個階段。第一階段是厭氧氨氧化菌的富集階段(圖2),啟動時基質(zhì)濃度較低,5d后提高到40mg·Luf02d1,此時氨氮和亞硝酸鹽氮去除率在80%以上,而出水硝酸鹽氮出現(xiàn)積累,通過嚴(yán)格控制進(jìn)水溶解氧濃度,使厭氧氨氧化菌逐漸富集并淘汰系統(tǒng)中的氨氧化細(xì)菌(ammonia-oxidizingbacteria,AOB)和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(nitrite-oxidizingbacteria,NOB)?；|(zhì)濃度過低,微生物生長緩慢,會延長顆粒污泥的培養(yǎng)時間,出現(xiàn)氨氮和亞硝酸鹽氮同步去除率80%以上時,提高含氮模擬廢水中氨氮和亞硝酸鹽氮的濃度,20d時進(jìn)水氨氮與亞硝酸鹽氮的濃度提高到200mg·Luf02d1。第二階段是厭氧氨氧化顆粒污泥初步形成階段,保持進(jìn)水氨氮與亞硝酸鹽氮的濃度為200mg·Luf02d1,HRT由12h縮短至8.5h,保證進(jìn)水氮負(fù)荷,34d時反應(yīng)器內(nèi)已有較小的厭氧氨氧化顆粒出現(xiàn)。第三階段是厭氧氨氧化顆粒污泥增長階段,需要保持系統(tǒng)內(nèi)一定的基質(zhì)壓力,較高的基質(zhì)濃度有利于底物在顆粒內(nèi)部傳遞,促進(jìn)厭氧氨氧化菌的生長,同時,微生物分泌的胞外聚合物(extracellularpolymericsubstances,EPS)有利于細(xì)胞之間相互黏附、聚集,促進(jìn)顆粒污泥的形成。然而,Kimura等研究發(fā)現(xiàn)亞硝酸鹽濃度274mg·Luf02d1是抑制ANAMMOX菌活性的分水嶺,所以,反應(yīng)器運(yùn)行34d后,保持進(jìn)水氨氮與亞硝酸鹽氮濃度分別穩(wěn)定在227mg·Luf02d1和273mg·Luf02d1,通過縮短HRT提高反應(yīng)器的進(jìn)水氮負(fù)荷。2.1.2上升流速的調(diào)控上升流速是ANAMMOX菌快速顆?；闹匾蛩?。前21d為反應(yīng)器的啟動階段,上升流速3m·huf02d1(表1),反應(yīng)器內(nèi)微生物主要有接種的厭氧氨氧化絮狀污泥和好氧硝化顆粒污泥,此時既要保證厭氧氨氧化絮狀污泥與好氧硝化顆粒污泥充分接觸,還要防止由于水流速過快導(dǎo)致絮狀厭氧氨氧化污泥的流失。隨著生物量的增加,由于水力的篩選作用,絮狀污泥在反應(yīng)器上部,此時需增大反應(yīng)器外循環(huán)回流比,提高反應(yīng)器內(nèi)部上升流速至4.5m·huf02d1,使反應(yīng)器內(nèi)污泥與基質(zhì)混合均勻,同時部分好氧顆粒污泥隨水流逐漸淘汰排出反應(yīng)器。反應(yīng)器運(yùn)行34d左右,已有較小的厭氧氨氧化顆粒出現(xiàn)。提高上升流速至6m·huf02d1,可以把絮狀污泥與顆粒污泥分開,密度較小的絮體污泥則進(jìn)入懸浮層區(qū),或被淘汰出反應(yīng)器,從而有利于顆粒污泥的生長。在反應(yīng)器運(yùn)行后期(56d后),上升流速逐漸提高到9m·huf02d1,較高的上升流速不僅有利于顆粒污泥的生長與篩選,而且有利于顆粒污泥間氣體的逸出并提高氣體上升速度,較高的表觀氣速(0.025m·suf02d1)下促進(jìn)顆粒污泥的生長。上升流速的不斷提高,逐漸增大了水流剪切力,較大的水流剪切力可以提高污泥的EPS含量和細(xì)胞疏水性,同時加速了污泥在反應(yīng)器中的運(yùn)動以及翻滾過程,有利于顆粒污泥的形成。EGSB反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行80d時污泥粒度分布為0.01~2.0mm,其中粒徑處于0.5~2.0mm范圍內(nèi)的顆粒污泥占65%以上(圖3),而平均粒徑為0.556mm。厭氧氨氧化顆粒污泥的增長伴隨著總氮去除率的不斷提高,運(yùn)行89d后,總氮負(fù)荷達(dá)4.76kgN·muf02d3·duf02d1。2.2厭氧氨氧化顆粒污泥2.2.1EGSB反應(yīng)器的脫氮效能EGSB反應(yīng)器共運(yùn)行89d(圖4),主要分為兩個階段。第一階段為反應(yīng)器的啟動階段,啟動初期NH+4-N和NOuf02d2-N的消耗很少,在0.02kgN·muf02d3·duf02d1左右,而NOuf02d3-N積累超過0.03kgN·muf02d3·duf02d1,這是由于系統(tǒng)內(nèi)存在的亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(NOB)將一部分NOuf02d2-N氧化+為NOuf02d3-uf02dN。隨著進(jìn)水基質(zhì)濃度的不斷升高uf02d,NH4-N和NO2-N的消耗不斷增加,8d時,NO3-N再次出現(xiàn)積累,因此反應(yīng)器運(yùn)行12d后,延長進(jìn)水的曝氣時間,盡量控制反應(yīng)器內(nèi)部為厭氧環(huán)境,不斷淘汰系統(tǒng)中的亞硝酸鹽氧化細(xì)菌,使得氨氮和亞硝酸鹽氮同步去除,厭氧氨氧化菌逐漸成為優(yōu)勢菌種。16d后NO3-N的積累量逐漸減少,反應(yīng)器中可能存在反硝化作用,而接種的好氧硝化顆粒污泥在厭氧環(huán)境中不斷被淘汰,成為有機(jī)碳源被反硝化細(xì)菌(denitrifyingbacteria,DNB)利用。第二階段為反應(yīng)器高效脫氮階段,反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行后通過縮短HRT提高進(jìn)水總氮負(fù)荷(圖4),HRT6.3h時,氮的去除效果有明顯的下降,9d后氨氮和亞硝酸鹽氮的去除率恢復(fù)到80%以上;縮短HRT至3.4h時,系統(tǒng)3d后對氨氮和亞硝酸鹽氮的去除率達(dá)到80%以上,可見厭氧氨氧化顆粒污泥較厭氧氨氧化生物膜有更強(qiáng)的抗負(fù)荷沖擊能力。反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行89d時,對總氮負(fù)荷去除率達(dá)到4.758kgN·muf02d3·duf02d1。與現(xiàn)有同類研究結(jié)果相比(趙志宏等應(yīng)用SBR反應(yīng)器156d培養(yǎng)出厭氧氨氧化顆粒污泥,NRR為0.3kgN·muf02d3·duf02d1;高彥寧等應(yīng)用復(fù)合式厭氧氨氧化反應(yīng)器180d培養(yǎng)出厭氧氨氧化顆粒污泥,NRR為6.6kgN·muf02d3·duf02d1。),本研究利用厭氧氨氧化生物膜培養(yǎng)厭氧氨氧化顆粒污泥時間較短,且可達(dá)到較高總氮負(fù)荷。2.2.2EGSB反應(yīng)器厭氧氨氧化效能根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式(1)可以看出,厭氧氨氧化過程中,去除的亞硝酸鹽氮與氨氮的比值為1.32:1,生成的硝酸鹽氮和去除的氨氮的比值為0.26:1。通過計算反應(yīng)器中銨鹽、亞硝酸鹽的去除以及產(chǎn)生的硝酸鹽之間的關(guān)系(圖5)可以初步判定是否存在厭氧氨氧化現(xiàn)象。反應(yīng)器剛啟動時厭氧氨氧化現(xiàn)象不明顯,反應(yīng)器內(nèi)脫氮功能微生物種類較多,有ANAMMOX、AOB、Nuf02dOB、DNB+等,前12d的ΔNOuf02d2-N/ΔNH+4-N與ΔNO3-N/ΔNH4-N的比值沒有規(guī)律(圖5)。隨著反應(yīng)器的運(yùn)行,通過對溶解氧的控制,大部分AOB和NOB被逐漸淘汰,但是實(shí)驗(yàn)條件的限制無法控制反應(yīng)器為嚴(yán)格厭氧環(huán)境,系統(tǒng)中會存在少量氨氧化細(xì)菌和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌,導(dǎo)致ΔNOuf02d2-N/的ΔN值H大++4-于N0.低26于。理反論應(yīng)值器穩(wěn)1.3定2運(yùn),uf02d行而3Δ8NdOuf02d后3-+N,/ΔΔNNOHuf02d3+4--NN/ΔNH4-N略低于0.26,ΔNO2-N/ΔNH4-N明顯低于1.32,此時雖然反應(yīng)體系中厭氧氨氧化菌為優(yōu)勢菌種,但依然存在氨氧化細(xì)菌,導(dǎo)致氨的額外消耗,使ΔNOuf02d2-N/ΔNH+4與ΔNOuf02d3-N/ΔNH+4-N下降。2.3顆粒表面微生物形態(tài)分析2.3.1顆粒污泥表面形態(tài)投加的好氧硝化顆粒污泥表面粗糙[圖6(a)],易于破碎。52d時,好氧硝化顆粒污泥完全破碎,厭氧氨氧化顆粒污泥在不斷形成[圖6(b)]。投加好氧硝化顆粒污泥作為接種污泥主要有兩個作用,作為載體和接種物。好氧硝化顆粒污泥在反應(yīng)器運(yùn)行過程中首先破碎成小顆粒,這些小顆粒具有生物親和性,有利于微生物固著,此時小顆粒起到了載體的功能,作為厭氧氨氧化顆粒的內(nèi)核,可加快厭氧氨氧化污泥顆?；^程。好氧硝化顆粒污泥可消耗反應(yīng)器中微量的溶解氧,為厭氧氨氧化菌提供厭氧環(huán)境。隨著厭氧氨氧化菌的顆?；?反應(yīng)器內(nèi)部分好氧硝化顆粒污泥逐漸被淘汰,隨出水排除系統(tǒng)。反應(yīng)器運(yùn)行80d后,厭氧氨氧化顆粒[圖6(c)]大小在0.5~0.6mm之間,形狀不規(guī)則,表面不平坦,整個顆粒是由多個小型顆粒聚集在一起形成的,顆粒表面可觀察到明顯的空隙。本研究中厭氧氨氧化顆粒內(nèi)部微生物排列十分致密,圖6(d)顯示了顆粒內(nèi)部粒子的積聚結(jié)構(gòu)為包裹在薄膜內(nèi)的簇狀粒子團(tuán),這種結(jié)構(gòu)與Arrojo等和Tang等研究結(jié)果相似。同時,可以清楚觀察到單個厭氧氨氧化菌[圖6(d)],大小在0.8~1.0uf06dm,符合現(xiàn)有文獻(xiàn)報道的厭氧氨氧化菌的形態(tài)結(jié)構(gòu)。這些均表明反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行80d時成功培養(yǎng)出厭氧氨氧化顆粒污泥。2.3.2顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)與微生物分布接種污泥中含有ANAMMOX菌[圖7(a)],而在成熟的厭氧氨氧化顆粒污泥中(80d),ANAMMOX菌在總菌中占有絕對優(yōu)勢[圖7(b)],同時ANAMMOX菌大部分分布在顆粒污泥內(nèi)部,與現(xiàn)有文獻(xiàn)報道一致。TEM照片[圖7(c)]同樣表明顆粒內(nèi)部是由大小不同的小顆粒聚集在一起形成的,小顆粒之間存在一定空隙,如黃色標(biāo)記處,這些空隙可能是厭氧氨氧化菌產(chǎn)生的氮?dú)饩奂谝黄饛念w粒內(nèi)部排除的氣孔,其有利于基質(zhì)底物在厭氧氨氧化顆粒污泥內(nèi)部的傳遞。直徑較大的顆粒污泥通常有一個空腔,這是由于基質(zhì)不足引起顆粒內(nèi)部細(xì)胞自溶造成的,大而空的顆粒污泥容