序批式生物膜反應(yīng)器快速啟動厭氧氨氧化過程研究

序批式生物膜反應(yīng)器快速啟動厭氧氨氧化過程研究

厭氧氨基氧化細菌以no2--n作為電子受體，直接將氨氮氧化為氮。與傳統(tǒng)的硝化反硝化相比，厭氧氨氧化是一種更高效、更經(jīng)濟的脫氮方法，不僅可以節(jié)省50%以上的能源和100%以上的有機碳源，還可以減少溫室氣體的排放。近年來，厭氧氨氧化菌的富營養(yǎng)化一直是國內(nèi)外的研究熱點。然而，大多數(shù)厭氧氨酸是嚴格自養(yǎng)生殖菌，生長速度慢，而且對氧氣等外部環(huán)境因素敏感，因此很難進行富營養(yǎng)化。為有效保護厭氧氨氧化菌不受有害環(huán)境因子的影響,可以借助其他脫氮菌群(如好氧氨氧化菌,反硝化菌等)實現(xiàn)多個微生物種群之間互利共生.目前實現(xiàn)該目標最常見的手段是形成生物膜或培養(yǎng)顆粒污泥.已有研究證實好氧氨氧化菌、反硝化菌和厭氧氨氧化菌可以共存,厭氧氨氧化菌存在于顆粒污泥或生物膜的內(nèi)層,而其他菌群則分布在外層.本試驗采用序批式生物膜反應(yīng)器(SBBR),通過引入填料形成多菌群共存的生態(tài)系統(tǒng).加入的填料易掛膜,系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的大量的氮氣同時對填料進行反沖洗,不容易堵塞,成功的啟動了SBBR反應(yīng)器.1材料方法1.1填料單元和填料試驗裝置采用序批式生物膜反應(yīng)器(圖1),反應(yīng)器主體由有機玻璃制成,有效容積1L,內(nèi)置改性微生物膜載體(大連宇都環(huán)境工程技術(shù)有限公司),其主要成分為高密度聚乙烯和生物酶的增強成分.填料用的纖維網(wǎng)裝好,便于拆卸.填料單元料粒為環(huán)形,環(huán)形的外徑為10mm,比重為0.965~0.968,比表面積為3m2/g,載膜后比重為0.98,填充比為33%左右.由時間繼電器配合2臺蠕動泵控制進水和出水.SBBR運行策略為:進水10min,反應(yīng)680min,靜沉20min,排水10min.水浴加熱保持SBBR內(nèi)溫度35℃左右,控制進水pH值在7.8左右.為了防止光合細菌和藻類的生長影響氨氮去除,反應(yīng)器外部用遮光布包裹.1.2微量元素的測定SBBR采用本試驗室升流式厭氧固定床(UAFB)反應(yīng)器內(nèi)的掛膜填料(附著厭氧生物膜污泥)作為接種污泥.在接種前,UAFB反應(yīng)器已在室溫下靜置14個月.啟動初期人工廢水的主要成分如下:NH4Cl為133.7~374.5mg/L,NaNO2為35~483mg/L,KHCO3為500mg/L,KH2PO4為10mg/L,MgSO4·7H2O為60mg/L,CaCl2·2H2O為5mg/L,FeSO4為6.25mg/L,EDTA為6.25mg/L,微量元素為1.25mL/L.微量元素的成分如下:ZnSO4·7H2O為430mg/L,CuSO4·5H2O為250mg/L,MnCl2·4H2O為990mg/L,NiCl2·6H2O為190mg/L,CoCl2·6H2O為240mg/L,H3BO4為414mg/L,NaSeO4·10H2O為210mg/L,NaSeO4·10H2O為220mg/L.1.3硝酸鹽氮、h值的測定方法氨氮采用納氏試劑分光光度法測定;亞硝酸鹽氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法進行的測定;硝酸鹽氮采用硝酸根電極法進行測定;pH值和DO用德國WTW(pH/Oxi340i)手提式多參數(shù)測試儀進行測定;總氮采用具備TN測定附件的TOC-VCPN-6000進行測定.1.4t-rf生物測序與t-rflp分析定期取微生物樣品存放于-25℃冰箱中保存,利用上海生工公司提供的小劑量細菌提取試劑盒進行DNA提取,選取的引物為針對16SrRNA基因的引物8F與1492R,PCR產(chǎn)物經(jīng)試劑盒法(上海生工)純化后,進行連接轉(zhuǎn)化.篩選后的克隆文庫送測序公司(上海生工)進行測序.在每個T-RFLP圖譜中,計算每個峰(T-RF)的峰面積與所有峰總面積的比率來表征每個T-RF的含量.由于存在一定誤差,對于小于50bp的片段舍去不進行分析,舍去相對數(shù)量小于1%的T-RF.建立克隆文庫,并對陽性克隆進行測序與T-RFLP分析,識別T-RFLP中不同峰(T-RF)對應(yīng)的微生物種類.2試驗結(jié)果2.1高效脫氮期iii-eSBBR反應(yīng)器從啟動開始共運行107d,圖2反映了該期間反應(yīng)器的脫氮情況可以看到,SBBR的啟動期主要分為3個階段:第I階段:脫氮不穩(wěn)定期.該階段從啟動日開始持續(xù)約27d.在不穩(wěn)定期,氨氮和亞硝酸鹽氮的含量按照理論值1:1.32加入,氨氮起始濃度為70mg/L,亞硝酸鹽氮濃度為93mg/L.試驗發(fā)現(xiàn)在此期間氨氮和亞硝酸鹽氮的去除不穩(wěn)定,亞硝酸鹽氮的去除率幾乎達到100%,但是出水氨氮濃度不降反升.在此階段出水幾乎檢測不到硝酸鹽氮.第II階段:脫氮過渡期.第28~55d,由于不穩(wěn)定期底物的去除效果不佳,氨氮和亞硝酸鹽氮進水濃度同時降低到49mg/L.氨氮開始少量去除,亞硝酸鹽氮的平均去除率和初期相比降低50%左右.此時總氮濃度在98mg-N/L,其平均去除率僅為20%左右.從第56~90d,氨氮和亞硝酸鹽氮濃度進一步降低到35mg/L,二者去除效果仍然不明顯.平均去除率均在10%左右,其中出水氨氮在30mg/L以上,亞硝酸鹽氮的出水濃度略低于氨氮濃度.總氮去除率約為20%.反應(yīng)器在運行80d以后在此階段出水硝酸鹽氮的濃度同樣幾乎為零.第III階段:高效脫氮期.從第90d開始,氨氮和亞硝酸鹽氮的進水濃度仍然為35mg/L,反應(yīng)器的出水氨氮和亞硝酸鹽氮含量快速下降,出水氨氮低于10mg/L,最低達到7.1mg/L,出水亞硝酸鹽氮含量為零.和前一階段相比,總氮去除率大幅提高,氨氮的去除率達到87.3%,亞硝酸鹽氮幾乎全部去除,而產(chǎn)生的硝酸鹽氮含量較前兩個階段有明顯提高.從95d開始逐漸提高底物濃度,此時反應(yīng)器最高總氮負荷為0.67kg-N/m3·d略高于文獻報道的氮的負荷.2.2反應(yīng)器氨氮、亞硝酸鹽氮的去除根據(jù)其化學反應(yīng)方程(1),亞硝酸鹽氮與氨氮的去除比為1.32:1,產(chǎn)生的硝酸鹽氮和去除的氨氮之間的比值為0.26:1.通過測定反應(yīng)器去除氨氮、亞硝酸鹽氮和產(chǎn)生的硝酸鹽氮之間的關(guān)系可以初步判定反應(yīng)器是否出現(xiàn)厭氧氨氧化現(xiàn)象.研究發(fā)現(xiàn)SBBR前期氨氮和亞硝酸鹽氮的去除沒有明顯的規(guī)律,反應(yīng)器運行60d后,氨氮和亞硝酸鹽氮已接近理論值1:1.32,產(chǎn)生的硝酸鹽氮和氨氮的比值接近零.但是從第90d以后,降解的亞硝酸鹽氮和氨氮的比值仍然接近理論值1.32,產(chǎn)生的硝酸鹽氮和去除的氨氮之間比值接近0.26(圖3).2.3污泥t-rf分析反應(yīng)器運行期間,定期從反應(yīng)器中取不同時間的填料進行比較觀察(圖4).從填料的掛膜情況來看,第20d填料內(nèi)部開始有少量微生物沉積;第51d,內(nèi)部和外部有成層的生物膜;在運行到第81d后,生物膜較厚,生物膜呈現(xiàn)黃褐色.將生物膜刮下置于40倍光學顯微鏡下觀察,發(fā)現(xiàn)污泥顏色有明顯的變化.第51d及其之前污泥大多呈棕黑色,但是在第81d以后,污泥顏色逐漸變淺(圖5).T-RFLP圖譜(圖6)表明,污泥接種20d時T-RF峰多而雜,物種多樣性最大.T-RF為72bp、100bp和420bp的三類峰相對明顯.51d時,主要T-RF為111bp、421bp、438bp、452bp和469bp.81d時,主要的T-RF為67bp、437bp、452bp和468bp.3討論3.1高效脫氮期微生物的變化在脫氮不穩(wěn)定期氨氮出水濃度高于進水濃度.亞硝酸鹽氮去除率較高,出水幾乎不含硝酸鹽氮.主要原因是反應(yīng)器接種初期某些微生物死亡,造成細胞分解產(chǎn)生有機氮,進而轉(zhuǎn)變成氨氮,同時系統(tǒng)中的反硝化菌利用有機碳源進行反硝化,導致亞硝酸鹽氮的去除率較高,出水中幾乎不含硝酸鹽氮.反硝化利用的有機碳源可能來源于某些微生物死亡釋放的有機碳,也有可能是接種污泥中帶入的有機碳(接種時是掛膜的填料,為避免種泥從填料上沖洗下來,沒有進行清洗).在前兩階段的運行過程中有機碳的含量在20mg/L左右,進出水濃度變化不大.進入過渡期,氨氮和亞硝酸鹽氮有少量成比例去除,說明底物主要是被厭氧氨氧化菌利用,但是厭氧氨氧化菌的數(shù)量較少,活性較低,利用的底物較少,產(chǎn)生的硝酸鹽的量也較少.不適應(yīng)SBBR環(huán)境的微生物種群逐漸被淘汰出系統(tǒng),但是由于所剩少量的反硝化菌活性較強,出水硝酸鹽氮濃度仍較低.此時厭氧氨氧化菌可能成為系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)勢菌種,底物利用率較低.進入高效脫氮期后,氨氮和亞硝酸鹽氮的出水濃度明顯下降且開始成比例去除,硝酸鹽氮的濃度和前2個時期相比有一定提高.同時監(jiān)測反應(yīng)器內(nèi)TOC含量有明顯的變化,由前兩階段的大于20mg/L降低到10mg/L以下,反硝化的作用由于缺少有機碳源而減弱.厭氧氨氧化作用逐漸增強,此時厭氧氨氧化菌達到了一定的數(shù)量,底物的利用率有明顯的上升,厭氧氨氧化菌開始成為系統(tǒng)的優(yōu)勢菌(圖7).3.2sbbr系統(tǒng)的微生物厭氧氨氧化菌的世代時間長,對環(huán)境(如氧分子)敏感.袁怡等發(fā)現(xiàn)進水不除溶解氧的反應(yīng)器會使厭氧氨氧化現(xiàn)象滯后.另外,厭氧氨氧化菌培養(yǎng)過程中污泥的流失是造成厭氧氨氧化菌富集培養(yǎng)失敗的重要原因.本試驗研究表明SBBR反應(yīng)器具有獨特的優(yōu)勢:SBBR填料為厭氧氨氧化菌提供了良好的生長微環(huán)境.盡管厭氧氨氧化菌嚴格厭氧,但是由于外層生物膜(主要是好氧菌或兼性菌)的保護作用,在生物膜內(nèi)層的厭氧氨氧化菌并未因反應(yīng)器無蓋而受到影響.經(jīng)過一段時間的運行,厭氧氨氧化現(xiàn)象逐漸明顯,亞硝酸鹽氮和氨氮的比值開始接近理論值1.32(圖3),這與以往的研究結(jié)果非常接近.從污泥形態(tài)上來看,污泥逐漸從黑棕色變成黃褐色(圖5),也表明厭氧氨氧化菌的濃度逐漸增大.SBBR填料承載污泥效果明顯.由于磁力攪拌作用不強,污泥幾乎全部附著在填料層,為形成生物膜提供了良好的基礎(chǔ).試驗發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器底部水質(zhì)澄清,減少了出水時污泥沉淀時間.SBBR具備較強的抗沖擊負荷能力和對環(huán)境的適應(yīng)能力.厭氧氨氧化菌生長的適宜溫度在35℃左右,但是本試驗采用常溫進水,冬季哈爾濱自來水溫度甚至低至4~5℃.盡管如此,進入高效脫氮期后并沒有發(fā)現(xiàn)脫氮速率波動的情況.另外,進水溶解氧始終大于1.0mg/L,反應(yīng)器與空氣接觸(敞口運行),進入反應(yīng)器20min后,溶解氧的濃度低于0.5mg/L.因此,低溫進水和較高溶解氧對反應(yīng)器的影響不大.SBBR啟動速度快,效率高,不易堵塞,反應(yīng)器啟動時間相對較短.SBBR反應(yīng)器僅用3個月即實現(xiàn)厭氧氨氧化過程,與同類研究相比,啟動時間大大縮短.IKUO研究證實縮短HRT和加大氨氮和亞硝酸鹽氮的摩爾比有利于提高總氮負荷,但是氨氮和亞硝酸鹽氮的轉(zhuǎn)化率較低,而SBBR系統(tǒng)通過縮短HRT,提高氮的負荷.HRT從72h縮短至12h后,氨氮和亞硝酸鹽氮的轉(zhuǎn)化率沒有受到影響.同時,從反應(yīng)器外壁可以觀察到大量得氣泡,由于底部攪拌的作用,從反應(yīng)器底部向上溢出,可能對填料有一定的清洗作用,避免堵塞造成短流.3.3微生物群落演替T-RFLP圖譜上每一個末端限制性酶切片段(T-RF)至少代表一種微生物(如圖7).每個峰面積和總峰面積的比值(Pi)反映出該物種的相對數(shù)量.反應(yīng)器運行前20d的微生物種類較多,物種相對含量相差不大.51d時,微生物種類逐漸減少.81d時,菌種變得比較單一.從20d到81d,1號菌種因不適應(yīng)反應(yīng)器環(huán)境而逐漸被淘汰(相對數(shù)量由8.28%減少到2.47%).3號菌種是淡水環(huán)境中較常見的厭氧氨氧化菌Anammoxoglobuspropionicus,其相對含量由11.61%(51d)增加到40.06%(81d).反應(yīng)器運行到后期,Anammoxoglobuspropionicus成為系統(tǒng)的優(yōu)勢菌種.2號菌種從小于1%增加到9.13%,4號菌種的數(shù)量從2.99%增加到14.08%,關(guān)于其功能和屬性還有待進一步研究.微生物相對含量的變化體現(xiàn)了微生物群落演替的過程.這個變化過程影響了系統(tǒng)脫氮能力,同時為3個脫氮時期的劃分提供了理論依據(jù).4效脫