低温对CANON型序批式生物膜反应器脱氮的影响

中国环境科学2019,39(4)：1533~1541ChinaEnvironmentalScience低温对CANON型序批式生物膜反应器脱氮的影响王振1*,朱振华2,丁亚男1,吴少贤1,李苏青1,刘晓霞3(1.安徽农业大学资源与环境学院,农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室,安徽合肥230036；2.德州职业技术学院,山东德州253034；3.浙江省农业技术推广中心,浙江杭州310020)摘要：探究了4种低温水平下基于亚硝化的全程自养脱氮(CANON)型序批式生物膜反应器(SBBR)的运行效果及其氮素转化机制.结果表明,当CANON型SBBR在不同的低温水平下稳定运行后,其脱氮微生物优势菌群发生了不同程度的变化,随之改变了系统的氮素转化途径及其脱氮性能.当温度15℃时,SBBR中AOB和anammox菌的丰度与活性未受到明显抑制,CANON作用始终是系统脱氮的主要途径,SBBR对TN的平均去除率亦较为理想;而当温度15℃时,anammox菌的丰度与活性在10,5℃下分别出现不同程度的降低,进而改变了SBBR的氮素转化途径,使其脱氮性能出现不同程度的恶化.在10℃时,NOB的增殖及其活性的提高使硝化/反硝化作用取代CANON作用成为SBBR脱氮的主要途径,此时系统对TN的去除率骤降至(16.87±4.79)%;在5℃时,反硝化过程中第1步还原反应的停滞与反硝化菌对NO2--N利用率的提高使SBBR中氮素的去除依赖于CANON作用和短程硝化/反硝化作用的协同,系统对TN的去除率为(54.83±3.68)%.关键词：序批式生物膜反应器(SBBR)；低温；基于亚硝化的全程自养脱氮(CANON)；厌氧氨氧化；氮素转化中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2019)04-1533-09EffectoflowtemperatureonnitrogenremovalinasequencingbatchbiofilmreactorwithCANONprocess.WANGZhen1*,ZHUZhen-hua2,DINGYa-nan1,WUShao-xian1,LISu-qing1,LIUXiao-xia3(1.AnhuiProvinceKeyLaboratoryofFarmlandEcologicalConservationandPollutionPrevention,SchoolofResourcesandEnvironment,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei230036,China；2.DezhouVocationalandTechnicalCollege,Dezhou253034,China；3.ZhejiangAgriculturalTechnologyExtensionCenter,Hangzhou310020,China).ChinaEnvironmentalScience,2019,39(4)：1533~1541Abstract：Thetreatmentperformanceandunderlyingmolecularmechanismsofnitrogentransformationinasequencingbatchbiofilmreactor(SBBR)withthecompleteautotrophicnitrogenremovalovernitrite(CANON)processwereinvestigatedatfourdifferentlowtemperaturesinthisstudy.Aftereachsystemachievedthestablestutusinthelowtemperatureenvironment,differentlowtemperaturesresultedindifferentdegreesofvariationsinthenitrogenremovalperformanceandtransformationpathwaysoftheSBBRs,whichwasmainlybecausetheoriginaldominantbacterialcommunitiesfornitrogenremovalinthesystemchangedwiththetemperatureduringtheoperation.Whenthetemperaturewasabove15°C,theabundancesandactivitiesofaerobicammoniaoxidizingbacteria(AOB)andanammoxbacteriaintheSBBRhadnotbeensignificantlyinhibited,theCANONprocesswasthedominantmethanisminthenitrogenremoval,andtheidealaverageremovalratesoftotalnitrogenwerealsoachieved.Whenthetemperaturewasbelow15°C,theabundanceandactivitityofanammoxbacteriaexperienceddifferentdegreesofreductionat10and5°C,whichledtothechangeofmainpathwayfornitrogentransformationinSBBRs,thusthevariousdegreesofdeteriorationinthenitrogenremovalperformance.At10°C,theproliferationandincreasedactivitiesofnitriteoxidizingbacteria(NOB)madethenitrification/denitrificationprocessreplacedCANONtobecometheprimaryrouteofTNremovalintheSBBRwiththeTNremovalefficiencyofthesystemdeclinedto(16.87±4.79)%.At5°C,thestagnationofreductionprocessinthe1ststageofdenitrificationandtheincreasedcapacityofdenitrifierstocompeteforNO2--NcausedtheremovalofnitrogeninSBBRtorelyonboththeCANONprocessandthenitrification/denitrificationprocess.Thenitrogenremovalrateatthisstatuswas(54.83±3.68)%inthesystem.Keywords：sequencingbatchbiofilmreactor(SBBR)；lowtemperature；completelyautotrophicnitrogenremovalovernitrite(CANON)；anammox；nitrogentransformation基于亚硝化的全程自养脱氮(CANON)工艺是近年发展起来的一种新型脱氮工艺.该工艺依赖于好氧氨氧化菌(AOB)和厌氧氨氧化(anammox)菌的协同关系,可在单级反应体系中同时实现短程硝化与anammox反应[1].相比于传统脱氮技术,CANON工艺可节省63%的耗氧量和将近100%的外加有机碳源[2],因而在污水生物脱氮过程中具有诸多优势.收稿日期：2018-09-10基金项目：国家自然科学基金资助项目(51508002);安徽省重点研究与开发计划项目(201834040011);农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室开放基金项目(FECPP201704);安徽省高校优秀青年人才支持计划项目(gxyqZD2017016)*责任作者,副教授,[e-mail]1534中国环境科学39卷近年来,越来越多的研究尝试将该工艺用于城市生活污水的处理,以期为其中氮素的高效去除寻找新途径[3-4].然而,由于该类污水的水温相对较低且变化幅度较大(5~20)℃[5-6],CANON工艺需应对低温带来的挑战.研究表明,当CANON工艺稳定运行时,反应装置的运行温度宜维持在30~35℃,以确保系统内短程硝化和anammox反应之间的动态平衡[7].然而,由于CANON系统中微生物种类的多样性及其相互间的复杂关系,当其在低温下运行时,现有相关研究得出的结论却并不统一.有研究指出,当温度低于25℃时,CANON系统中的短程硝化过程易遭破坏,anammox菌的活性亦会受到不同程度的抑制,由此会影响系统的脱氮性能及其稳定性[8-9].也有研究发现,温度的降低(30℃→12℃)虽会对anammox菌的活性产生抑制,甚至会引起亚硝酸盐氧化菌(NOB)的增殖,但CANON系统仍能正常运行,其中的脱氮微生物优势菌群并无显著变化[10-12].本文以CANON型序批式生物膜反应器(SBBR)为试验装置,通过改变其运行温度,考察了不同低温水平下系统脱氮性能及其微生物特性的变化,建立了各低温水平下SBBR脱氮性能和微观生物学特征之间的定量响应关系,并对不同低温水平下系统中每种形态氮素的转化途径进行了解析,旨在揭示CANON工艺在不同低温条件下的脱氮机制,进而完善该工艺的调控策略,为其高效稳定运行及工程化应用提供参考.1材料与方法1.1试验装置与运行方式试验装置为有效容积均为6.0L的4套SBBR(图1).各SBBR均每天运行4个周期,每个周期时长为360min,由进水期(15min)、间歇曝气期(270min)、沉淀期(30min)、排水期(15min)和闲置期(30min)5个阶段组成.各SBBR在每个周期内的进水和排水体积均为4.0L.在间歇曝气期间,SBBR采用15min曝气/15min搅拌的方式循环运行,充氧泵通过装置底部的曝气头向系统中曝气,曝气速率设置为0.50L/min.前期研究中,笔者将各系统温度设为35,℃以生活污水为系统进水、短程硝化污泥和厌氧氨氧化污泥为种泥,采用上述运行方式强化了各SBBR中的CANON作用,使其对TN和NH4+-N的去除率均稳定在91.02%和94.16%左右.本研究将上述SBBR划分为4组(标记为S-A、S-B、S-C和S-D),根据城市生活污水的温度变化范围设置4种低温水平(20,15,10和5)℃运行.在经历了70d的适应期后,其脱氮性能相继趋于稳定,随后4组SBBR进入为期181d的试验阶段.图1SBBR试验装置Fig.1SchematicoftheSBBR1.2进水水质试验用水为安徽农业大学园区内生活污水.原水经厌氧预处理后,取上清液作为各组SBBR进水.其中COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN和TP浓度分别为(109.40±37.72),(41.45±1.80),(0.80±0.27),(0.72±0.18),(42.97±2.85),(8.64±2.39)mg/L,进水pH值为(7.74±0.58).1.3分析方法1.3.1水样采集及分析方法每天采集各SBBR进出水水样进行分析,水样中COD、TN、NH4+-N、NO3--N和NO2--N的测定方法均参照《水和废水监测分析方法》(第四版)[13].1.3.2生物膜样品采集各SBBR运行稳定后,定期(1次/15d)采集各系统中的生物膜样品以用于后续相关分析.1.3.3亚硝酸化活性、硝酸化活性、短程反硝化活性、反硝化活性与厌氧氨氧化比活性(SAA)的测定各SBBR中生物膜样品的亚硝酸化活性、硝酸化活性、短程反硝化活性、反硝化活性和SAA分别利用序批式试验进行测定[14-15].其中,短程反硝化指NO2--N被还原为N2的生物化学过程[16].测定时,