城市污水条件下厌氧氨氧化反应器接种污泥筛选

　第１期２０１１年１月华东师范大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥａｓｔＣｈｉｎａＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）Ｎｏ．１　Ｊａｎ．２０１１文章编号：１０００５６４１（２０１１）０１００８７０８城市污水条件下厌氧氨氧化反应器接种污泥筛选陈玉霞，　耿　亮，　黄民生，　林剑波，　何　岩，　朱　勇（华东师范大学资源与环境科学学院，上海　２０００６２）摘要：采用２组平行的厌氧序批式反应器（ＡＳＢＲ），分别以厌氧颗粒污泥、黑臭河道底泥与好氧活性污泥的混合污泥（Ｒ１）和厌氧消化污泥、黑臭河道底泥与好氧活性污泥的混合污泥（Ｒ２）为污泥源，以实际城市污水为进水，在相同的运行环境下同时运行１８０～２１０ｄ，实验结束取出各自培养的内部污泥进行扫描电镜观察其表面形态．结果表明：２组反应器均成功启动了厌氧氨氧化反应，其中Ｒ１反应器在第１３５天开始表现出厌氧氨氧化活性，在稳定运行阶段所达到的ＮＨ＋４Ｎ去除率可达到９７．３５％，ＮＯ２Ｎ去除率达到９９％以上，并培养出了颗粒污泥，启动时间较长；Ｒ２反应器在第１０２天开始表现出厌氧氨氧化活性并开始稳定运行，稳定阶段ＮＨ＋４Ｎ平均去除率可达到９３．１７％，ＮＯ－２Ｎ去除率也达到９９％以上，没有形成颗粒污泥，启动时间更短．电镜结果表明２组ＡＳＢＲ中都可能存在厌氧氨氧化菌．关键词：接种污泥；　颗粒污泥；　ＡＳＢＲ装置；　厌氧氨氧化；　城市污水中图分类号：Ｘ１７２　　文献标识码：Ａ　　犇犗犐：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００５６４１．２０１１．０１．００９　收稿日期：２０１００８　基金项目：国家科技重大专项（２００９ＺＸ０７３１７００６，２００９ＺＸ０７３１７００９）；上海市建设交通委重大科技攻关项目（２００７００７）　第一作者：陈玉霞，女，硕士研究生，研究方向为水环境治理与修复．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]．　通讯作者：黄民生，男，教授，博士生导师．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]．犐狀狅犮狌犾犪狋犲犱狊犾狌犱犵犲狊犲犾犲犮狋犻狅狀犪狀犱狊狋犪狉狋狌狆狅犳犪狀犪犲狉狅犫犻犮犪犿犿狅狀犻犪狅狓犻犱犪狋犻狅狀狉犲犪犮狋狅狉狊犳狅狉狋犺犲狋狉犲犪狋犿犲狀狋狅犳犿狌狀犻犮犻狆犪犾狑犪狊狋犲狑犪狋犲狉ＣＨＥＮＹｕｘｉａ，　ＧＥＮＧＬｉａｎｇ，　ＨＵＡＮＧＭｉｎｓｈｅｎｇ，　ＬＩＮＪｉａｎｂｏ，　ＨＥＹａｎ，　ＺＨＵＹｏｎｇ（犛犮犺狅狅犾狅犳犚犲狊狅狌狉犮犲狊犪狀犱犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犛犮犻犲狀犮犲，犈犪狊狋犆犺犻狀犪犖狅狉犿犪犾犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犛犺犪狀犵犺犪犻　２０００６２，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：　Ｔｗｏｇｒｏｕｐｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｉｘｅｄｓｌｕｄｇｅｓ，ｗｉｔｈｏｎｅｇｒｏｕｐｉｎｃｌｕｄｉｎｇａｎａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅｓ，ｍａｌｏｄｏｒｏｕｓｒｉｖｅｒｓｅｄｉｍｅｎｔｓａｎｄａｅｒｏｂｉｃａｃｔｉｖａｔｅｓｌｕｄｇｅ（Ｒ１），ａｎｄｔｈｅｏｔｈｅｒｉｎｃｌｕｄｉｎｇａｎａｅｒｏｂｉｃｄｉｇｅｓｔｅｄｓｌｕｄｇｅ，ｍａｌｏｄｏｒｏｕｓｒｉｖｅｒｂｏｔｔｏｍｓｌｕｄｇｅａｎｄａｅｒｏｂｉｃａｃｔｉｖａｔｅｓｌｕｄｇｅ（Ｒ２），ｗｅｒｅｕｓｅｄａｓｉｎｏｃｕｌａｉｎｔｗｏｐａｒａｌｌｅｌＡＳＢＲｓｙｓｔｅｍｓｔｒｅａｔｉｎｇａｃｔｕａｌｍｕｎｉｃｉｐａｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒｆｏｒ１８０～２１０ｄ．Ａｔｔｈｅｅｎｄｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅｉｎｎｅｒｃｕｌｔｕｒｅｄｓｌｕｄｇｅｗｅｒｅｏｂｓｅｒｖｅｄｂｙｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｆｏｒａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｉｒｓｕｒｆａｃｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ．Ｉｔｗａｓｆｏｕｎｄｔｈａｔａｎａｅｒｏｂｉｃａｍｍｏｎｉａ华东师范大学学报（自然科学版）２０１１年ｏｘｉｄａｔｉｏｎ（ＡＮＡＭＭＯＸ）ｃｏｕｌｄｂｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙａｃｈｉｅｖｅｄｉｎｔｈｅｔｗｏｓｙｓｔｅｍｓ．ＴｈｅＡＮＡＭＭＯＸｏｃｃｕｒｒｅｄａｆｔｅｒｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆ１３５ｄａｙｓ．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ，ｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｏｆＮＨ＋４Ｎ（９７．３５％）ａｎｄＮＯ－２Ｎ（９９％）ｗｅｒｅｏｂｓｅｒｖｅｄａｔｔｈｅｓｔａｂｌｅｓｔａｇｅｉｎｔｈｅＲ１ｒｅａｃｔｏｒ．Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙ，ｔｈｅＲ２ｒｅａｃｔｏｒｔｏｏｋｏｎｎｏｔａｂｌｅＡＮＡＭＭＯＸａｆｔｅｒ１０２ｄａｙｓ’ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅａｖｅｒａｇｅｄｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｏｆａｍｍｏｎｉａａｎｄｎｉｔｒｉｔｅｗｅｒｅ９３．１７％ａｎｄ９９％ｒｅｓｐｅｃｆｉｖｅｌｙｄｕｒｉｎｇｓｔａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｔａｋｅｎｔｏｇｅｔｈｅｒ，ｔｈｅｍｉｘｅｄｓｌｕｄｇｅｏｆＲ２ｃａｎｂｅｄｅｅｍｅｄａｓａｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｉｄｅａｌｉｎｏｃｕｌｕｍｆｏｒｔｈｅＡＮＡＭＭＯＸｒｅａｃｔｏｒｄｕｅｔｏｉｔｓｑｕｉｃｋｅｒｓｔａｒｔｕｐ．ＴｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅａｎａｍｍｏｘｂａｃｔｅｒｉａｍａｙｅｘｉｓｔｉｎＡＳＢＲｒｅａｃｔｏｒ．犓犲狔狑狅狉犱狊：　ｉｎｏｃｕｌａｔｅｄｓｌｕｄｇｅ；　ｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅ；　ＡＳＢＲｒｅａｃｔｏｒ；　ａｎａｅｒｏｂｉｃａｍｍｏｎｉａｏｘｉｄａｔｉｏｎ；　ｍｕｎｉｃｉｐａｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒ０　引　　言厌氧氨氧化（ａｎａｅｒｏｂｉｃａｍｍｏｎｉｕｍｏｘｉｄａｔｉｏｎ，ＡＮＡＭＭＯＸ）工艺开发始于２０世纪９０年代［１］，该工艺被认为是目前已知最简捷和最经济的废水生物脱氮方法［２５］．厌氧氨氧化生物脱氮是指在厌氧或缺氧条件下，微生物以ＮＨ＋４作为电子供体，以ＮＯ－２或者ＮＯ－３作为电子受体，将ＮＨ＋４、ＮＯ－２或ＮＯ－３转变为Ｎ２的生物氧化过程［１］．与传统的生物脱氮工艺相比，厌氧氨氧化技术具有需氧量低、运行费用低和不需外加碳源等优点，具有重要的潜在应用价值［６］．目前厌氧氨氧化研究主要是在进水氨氮浓度较高的条件下进行的，而对低氨氮浓度条件下的研究较少［７］．Ｋｕｙｐｅｒｓ［８］，周凌［９］和操家顺［１０］研究表明，在低氨氮浓度条件下也可以顺利进行厌氧氨氧化反应．本文以低氨氮浓度的城市污水为研究对象，以两种混合污泥为污泥源，采用厌氧序批式反应器（ＡＳＢＲ）作为厌氧氨氧化反应器，通过对氨氮，硝氮和亚硝氮等指标的监测，污泥颜色变化的观察以及污泥表面的扫描电镜分析等，探讨采用两种污泥源培养厌氧氨氧化污泥的可行性及其启动厌氧氨氧化反应器的差异，为开发新型厌氧氨氧化工艺的系统构建和启动运行技术提供依据．１　材料与方法１．１　实验装置与条件实验装置与工艺流程见图１，其中ＡＳＢＲ反应器采用具上下嘴过滤瓶，分别记为Ｒ１和Ｒ２（下同）．每个反应器均由进水、运行和排水３个部分组成，每个反应器总体积为１Ｌ，装液量为０．４Ｌ，均采用蠕动泵（ＢＴ１００１Ｊ）进水和出水，运行参数为进水０．５ｈ，厌氧生化２１ｈ，静置沉淀２ｈ，排水０．５ｈ，进水与出水均在严格隔绝空气的条件下进行，最后用橡胶塞密封瓶口，涂上凡士林，并在瓶外包裹黑色塑料袋，以防光和氧气对厌氧氨氧化菌混培物的损害，影响厌氧氨氧化作用的进行．将２组反应器置于同一回转式摇床中，控制温度在（３４±１）℃，转速为１２０ｒ／ｍｉｎ，每隔６ｄ取样测定２组反应器中水样，监测ＮＨ＋４Ｎ，ＮＯ－２Ｎ和ＮＯ－３Ｎ等指标，分析和评价其脱氮效能和厌氧氨氧化活性．１．２　接种污泥和实验用水Ｒ１接种的混合污泥为某啤酒废水处理厂ＵＡＳＢ装置中的厌氧颗粒污泥、上海某黑臭河道底泥与某城市污水处理厂曝气池中的好氧活性污泥，按２∶２∶１的比例接种于Ｒ１内，接８８第１期陈玉霞，等：城市污水条件下厌氧氨氧化反应器接种污泥筛选种后的污泥浓度为２３．９ｇ／Ｌ．Ｒ２接种的混合污泥为某城市污水处理厂消化池的厌氧消化污泥、上海某黑臭河道底泥与某城市污水处理厂曝气池中的好氧活性污泥，按２∶２∶１的比例接种于Ｒ２内，接种后的污泥浓度为１２．６ｇ／Ｌ．图１　试验装置示意图Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　　实验用水（水质指标见表１）采用上海市天山污水厂初沉池生活污水，氨氮浓度为２５ｍｇ／Ｌ左右，亚硝氮浓度经人工添加ＮａＮＯ２提高到２５ｍｇ／Ｌ左右．经检测污水中的有机氮含量很低，可忽略不计．表１　进水水质指标Ｔａｂ．１　Ｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｉｎｄｅｘｅｓｏｆｉｎｆｌｕｅｎｔｉｎｒｅａｃｔｏｒｓ指标ｐＨＣＯＤ／（ｍｇ·Ｌ１）ＮＨ＋４Ｎ／（ｍｇ·Ｌ１）ＮＯ－２Ｎ／（ｍｇ·Ｌ１）ＮＯ－３Ｎ／（ｍｇ·Ｌ１）范围７．５～８．２１２０～１６５２４～２６２４～２７０．３～０．９平均７．８１２５２５２５０．６１．３　分析项目与测定方法［１１，１２］氨氮含量采用纳氏试剂比色法测定，亚硝酸盐氮含量采用Ｎ（１荼基）乙二胺光度法测定，硝氮含量采用紫外分光光度法，ｐＨ值用ｐＨ３ＴＣ测定，ＣＯＤ采用重铬酸钾法，ＭＬＳＳ采用标准重量法，颗粒污泥表面特性采用扫描电镜（ＪＳＭ５６１０ＬＶ），各指标的测定（ＣＯＤ，ＮＨ＋４Ｎ，ＮＯ－２Ｎ和ＮＯ－３Ｎ等）的监测均有一组平行样，结果采用平均值．２　结果与讨论２．１　污泥颜色变化稳定运行期间，Ｒ１和Ｒ２中的污泥与接种污泥相比较，颜色都由黑色变为黄褐色（见图２和３），说明污泥中羟胺氧化还原酶中亚铁血红素含量（细胞色素Ｃ）在培养过程中明显增加［１３］．另外，Ｒ１中有颗粒污泥形成，污泥的粒径逐渐变小；而Ｒ２内并没有颗粒污泥形成，仍为絮状污泥．２．２　脱氮性能的比较根据这２组ＡＳＢＲ反应器在启动运行期间的情况并结合相关文献报道［１４，１５］可知，厌氧氨氧化反应器的启动分为３个较为明显的阶段，即污泥适应期、活性提高期和稳定期．由图４和５可以看出，Ｒ１可在２１０ｄ内成功培养出具有厌氧氨氧化活性的污泥，８ｄ为该反应器９８华东师范大学学报（自然科学版）２０１１年的启动适应期，７８～１３５ｄ为启动的活性提高期，１３５～２１０ｄ为稳定运行期．Ｒ２反应器共运行１８０ｄ，启动适应期约为６０ｄ，６０～１０２ｄ为启动的活性提高期，１０２～１８０ｄ为稳定运行期．图２　Ｒ１接种前后污泥颜色对比Ｆｉｇ．２　ＣｏｎｔｒａｓｔｏｆｓｌｕｄｇｅｃｏｌｏｒｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｉｎｏｃｕｌａｔｉｏｎｉｎＲ１ｒｅａｃｔｏｒ图３　Ｒ２接种前后污泥颜色对比Ｆｉｇ．３　ＣｏｎｔｒａｓｔｏｆｓｌｕｄｇｅｃｏｌｏｒｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｉｎｏｃｕｌａｔｉｏｎｉｎＲ２ｒｅａｃｔｏｒ图４　氨氮变化情况比较Ｆｉｇ．４　ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｃｈａｎｇｅｓｏｆＮＨ＋４Ｎ０９第１期陈玉霞，等：城市污水条件下厌氧氨氧化反应器接种污泥筛选　　由图４可知，在启动适应期，Ｒ１前９天出水ＮＨ＋４Ｎ浓度高于进水浓度，这是源泥中的异养反硝化菌利用有机物和亚硝氮进行反硝化作用的结果．随着反硝化作用的逐渐减弱，ＮＨ＋４Ｎ去除率逐渐升高．Ｒ２前期ＮＨ＋４Ｎ去除率很低，甚至会出现去除率为负值的情况．从第２４天开始，２组ＡＳＢＲ反应器的ＮＨ＋４Ｎ去除率开始缓慢提高，到后半段，ＮＨ＋４Ｎ平均去除率可达到４０％以上，进入活性提高期后，其中，Ｒ１的ＮＨ＋４Ｎ去除率进入稳定上升阶段，从３８％升高到９６％；Ｒ２的ＮＨ＋４Ｎ去除率进入稳定上升阶段，从３７％升高到９３％；进入稳定运行期后，Ｒ１的ＮＨ＋４Ｎ去除率稳定在９７％以上，Ｒ２的ＮＨ＋４Ｎ去除率稳定在９３％以上．图５　亚硝氮变化情况比较Ｆｉｇ．５　ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｃｈａｎｇｅｓｏｆＮＯ－２Ｎ　　由图５可见，在启动适应期，Ｒ１由于反硝化作用使出水ＮＯ－２Ｎ浓度保持在２ｍｇ／Ｌ以下，ＮＯ－２Ｎ去除率略有降低，Ｒ２由于反硝化作用的减弱，ＮＯ－２Ｎ去除率略有降低，从９８％降低到７７％．进入活性提高期后，