氨氮浓度对CANON工艺性能及微生物特性的影响

中国环境科学2014,34(7)：1715~1721ChinaEnvironmentalScience氨氮浓度对CANON工艺性能及微生物特性的影响张肖静1,李冬2,梁瑜海2,何永平2,张玉龙2,范丹2,张杰1*(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江哈尔滨150090；2.北京工业大学水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室,北京100124)摘要：为了考察氨氮浓度对CANON反应器启动过程、运行性能及微生物特性的影响,在2个相同的常温MBR反应器内同时接种取自城市污水厂的普通活性污泥,在限氧条件下启动CANON工艺.其中R1进水氨氮保持80mg/L不变,通过逐渐减小HRT启动,R2则保持HRT不变,通过逐渐增加进水氨氮启动.启动成功后,2个反应器分别在不同氨氮浓度下稳定运行相同时间后,取泥样做扫描电镜观察反应器内微生物形态.同时采用克隆-测序分析技术对2个反应器内全细菌进行16SrRNA分析,鉴定反应器内功能微生物种属.结果表明,R1和R2的启动时间分别为78,50d.TN去除负荷分别达到0.9,0.7kg/(m3·d)以上.反应速率测定结果表明,高氨氮运行的反应器内亚硝化菌和厌氧氨氧化菌具有较高的活性,NOB被抑制或淘洗的较为彻底.SEM及克隆测序结果表明,2个反应器中的功能微生物均为亚硝化单胞菌和待定斯图加特库氏菌,R1中存在少量硝化杆菌,而R2中几乎检测不到硝化菌.因此,高氨氮下运行的反应器具有更高的活性及稳定性.关键词：CANON；氨氮；MBR；HRT；DO中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2014)07-1715-07EffectofammoniaconcentrationontheperformanceandmicrobialcharacteristicsofCANONprocess.ZHANGXiao-jing1,LIDong2,LIANGYu-hai2,HEYong-ping2,ZHANGYu-long2,FANDan2,ZHANGJie1*(1.StateKeyLaboratoryofUrbanWaterResourceandEnvironment,SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China；2.KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China).ChinaEnvironmentalScience,2014,34(7)：1715~1721Abstract：InordertostudytheinfluenceofammoniaconcentrationonCANONprocess,conventionalactivatedsludgewasseededtotwoidenticalMBRatambienttemperature,whichwerenamedR1andR2,respectively.Underoxygen-limitedcondition,R1wasstarted-upbydecreasingHRT,whileR2wasstarted-upbyincreasinginfluentammoniaconcentration.ThenR1andR2werefedwithammoniaof80and200mg/L,respectively.SEMandclone-sequencingwereusedtoanalyzethemorphologyandmicrobialcommunityofthefunctionalbacteria.Thestart-upperiodofR1andR2were78and50d,andtheNRRwere0.9and0.7kg/(m3·d),respectively.ThebioactivityofAerAOBandAnAOBinthereactorfedwithhighammoniawashigherthanthatofthereactorwithlowammonia,whilethatofNOBshowedacontraryresult.ResultsofSEMandclone-sequencingindicatedthatNitrosomonasandCandidatusKueneniastuttgartiensispredominatedinthetworeactors,andasmallamountofNitrobacterexistedinR1.Thus,thereactorfedwithhighammoniaperformedastrongerstability.Keywords：CANON；ammonianitrogen；MBR；HRT；DO近年来低C/N废水的排放量越来越多,同时一部分废水有机碳源被转化为生物能源利用,从而导致传统脱氮工艺-硝化反硝化所需碳源不足,进而限制了脱氮效率[1].全程自养脱氮工艺(CANON)是近年发展起来的新型脱氮工艺,该工艺可利用好氧氨氧化细菌(AerAOB)和厌氧氨氧化菌(AnAOB),在不消耗有机碳源的条件下实现脱氮,同时可节省63%的曝气量,被认为是最经济有效的脱氮途径[2-4].目前CANON工艺已经在一收稿日期：2013-09-26基金项目：国家自然科学基金(51222807);国家重大科技专项水专项(2012ZX07202-005);城市水资源与水环境国家重点实验室开放基金(QAK201005).*责任作者,中国工程院院士,[e-mail]1716中国环境科学34卷些高温高氨氮废水中得到成功应用,但是常温低氨氮废水中的应用还存在启动时间长及去除负荷低等问题[5-6],这是因为低氨氮不利于AerAOB和AnAOB的生长及对NOB的抑制.因此,比较不同氨氮下CANON反应器的启动过程及运行效果,确定氨氮浓度对反应器运行的影响,将有利于该工艺在低氨氮废水中的应用,从而推动该工艺的发展.另一方面,CANON工艺的高效稳定运行基于AerAOB和AnAOB的协同作用,氨氮作为两种功能微生物的重要基质,其浓度不仅影响工艺的效能及稳定性,同时对反应器内微生物种群特征也有影响,而目前关于不同氨氮下微生物形态及种群特征的比较研究还较少.MBR反应器可以将所有微生物截留在反应器内,达到较高的生物浓度[7],使反应器的去除负荷得到提高,并且适于长泥龄微生物例如AerAOB和AnAOB的生长[8-9].因此,本试验在2个相同的MBR反应器内,分别采用较低氨氮(80mg/L)和较高氨氮(200mg/L)两种进水启动CANON工艺,比较了启动时间及去除效果,以及3种功能微生物的活性.同时,利用扫描电镜(SEM)及克隆-测序技术分析了2个反应器内的微生物形态及功能微生物的种群特征.1材料与方法1.1反应器设置试验中采用2个设置完全相同的圆柱形MBR反应器(图1),分别记为R1和R2.反应器材料为有机玻璃,有效容积分别为5.5L和13.2L.反应器内部放置聚偏氟乙烯中空纤维膜组件(厦门,鲲扬),膜孔径0.1μm,有效面积0.2m2.反应器置于直径为70cm的水浴中,保证恒温25℃运行.1.2接种污泥及废水接种污泥取自以A2/O工艺运行的北京高碑店污水处理厂的回流污泥(12.9g/L),分别接入R1和R2.进水采用人工配水,以(NH4)2SO4为主要基质,投加NaHCO3保证以CaCO3计的碱度与氨氮的浓度比为8左右,并添加KH2PO4(0.136g/L),MgSO4·H2O(0.3g/L),CaCl2(0.3g/L)及微量元素[10](1mL/L).2个反应器的运行均包括2个阶段,在第1阶段,采用逐渐增加进水氨氮负荷(ALR)的方式抑制NOB并富集AerAOB,其中R1进水氨氮保持80mg/L不变,逐渐缩短水力停留时间(HRT)(8→5→3.5→2.4h),R2保持HRT为6.5h,进水氨氮逐渐增加(70→100→150→200mg/L),DO均为0.2mg/L以下.第2阶段,R1和R2的DO均降为0.1mg/L左右,启动CANON工艺.启动成功后,R1在进水氨氮为80mg/L,HRT为1.9h的条件下运行,R2在进水氨氮为200mg/L,HRT为6.5h的条件下运行.试验期间污泥龄为100d,反应温度25℃,2个反应器的pH均没有刻意控制,维持在7.6左右.2456789101231111图1MBR反应器示意Fig.1SchematicdiagramofMBR1.进水;2.进水泵;3.膜组件;4.出水泵;5.出水;6.鼓风机;7.气体流量计;8.搅拌器;9.在线pH;10.在线DO;11.水浴1.3化学分析方法及反应速率的测定NH4+-N:纳氏试剂分光光度法;NO2--N:N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;NO3--N:紫外分光光度法;碱度:ZDJ-2D电位滴定仪;DO、pH、T:WTW多电极便携式测定仪.反应速率的测定:在试验的第170~180d,从稳定运行的R1和R2各取出1L混合液,放入2个1L的烧杯内,底部放置曝气环,设机械搅拌.分别测定CANON反应速率、Anammox反应速率及硝化反应速率,用来表征AerAOB和AnAOB的协同活性、AnAOB的活性以及NOB的活性.测定3种速率时,烧杯内温度均为25℃,碱度为进7期张肖静等：氨氮浓度对CANON工艺性能及微生物特性的影响1717水总氮的10倍,pH为7.6左右,内置膜组件,膜出水回流至烧杯内.每隔1h取出水测定三氮,待出水中三氮浓度不再发生变化时停止反应.测定CANON反应速率时,进水只配氨氮(135mg/L),曝气量0.2L/min.测定Anammox速率时,进水配亚氮(75mg/L)与氨氮(60mg/L),不曝气.测定硝化反应速率时,进水只配亚氮(135mg/L),曝气量0.2L/min.CANON和Anammox反应速率按式(1)计算,硝化反应速率按式(2)计算:[][]CANON,nammoxTN-TN=MLSSAVt⋅始末(1)--33NO-N-NO-N=MLSSVt⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦⋅始末硝化(2)1.4SEM及微生物群落分析方法在第178d从2个反应器内分别取出混合液10mL,5000r/min离心去上清.SEM的检测方法为:在沉淀中加入2.5%的戊二醛5mL,置于4℃冰箱中固定4h;用0.1mol/L,pH8.0的磷酸缓冲溶液冲洗3次,每次10min;分别用浓度为30%,50%,70%,90%的乙醇进行脱水,每次15min,再用100%的乙醇脱水3次,每次15min;然后加入100%乙醇:乙酸异戊酯=1:1的混合液及纯乙酸异戊酯各一次进行置换,每次15min;对样品真空干燥后,喷金,通过扫描电镜(HITACHIS-4300)观察污泥形态.微生物群落特征分析的方法为:在2个反应器均实现稳定的CANON工艺后,同时从2个反应器中取泥样进行分析.首先采用上海生工的DNA抽提试剂盒对泥样的基因组DNA进行提取,提取后以0.8%的琼脂糖凝胶电泳进行检验.之后对提取的基因组DNA进行全细菌16SrRNA的PCR扩增,扩增引物采用通用引物对27f(5’-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3’)和1492r(5’-GGTTACCTTGTTACGACTT-3’).扩增程序为:98℃预变性1.5min;25个循环:98℃,10s,55℃,45s,72℃,80s;72℃,7min.PCR产物利用PCR纯化试剂盒(上海生工)纯化之后,采用PMD19-T载体系统进行克隆(日本,TaKaRa).从2个反应器的克隆平板分别挑取同等数