好氧颗粒污泥同步脱氮特性

第３２卷　第１１期２０１３年　　１１月环　境　化　学ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬＣＨＥＭＩＳＴＲＹＶｏｌ．３２，Ｎｏ．１１Ｎｏｖｅｍｂｅｒ２０１３　２０１３年２月５日收稿．　∗国家水体污染控制与治理科技重大专项（２００９ＺＸ０７２１０⁃００２⁃００２）资助．　∗∗通讯联系人，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]：１０．７５２４／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４⁃６１０８．２０１３．１１．０２４好氧颗粒污泥同步脱氮特性∗柏义生１，２　于鲁冀１，３∗∗　王　震３　范　铮１，２　孔德芳１，２（１．郑州大学环境技术咨询工程公司，郑州，４５０００２；　２．郑州大学环境政策规划评价研究中心，郑州，４５０００２；３．郑州大学水利与环境学院，郑州，４５０００２；）摘　要　通过人工配水模拟味精废水培养出了好氧颗粒污泥，实验结果显示，成熟的好氧颗粒污泥粒径平均为２ｍｍ左右，污泥沉降性能（Ｓｌｕｄｇｅｖｏｌｕｍｅｉｎｄｅｘ，ＳＶＩ）约为２０ｍＬ·ｇ－１左右，污泥浓度（Ｍｉｘｅｄｌｉｑｕｏｒｓｕｓｐｅｎｄｅｄｓｏｌｉｄｓ，ＭＬＳＳ）达到１０ｇ·Ｌ－１；典型周期内，ＣＯＤ、ＮＨ＋４⁃Ｎ和ＴＮ去除率分别为９６．５１％、９３．３０％和７３．０４％，出水ＣＯＤ、ＮＨ＋４⁃Ｎ和ＴＮ浓度分别为５７．７７、６．２５ｍｇ·Ｌ－１和２５．７８ｍｇ·Ｌ－１，出水ＮＯ３⁃Ｎ和ＮＯ２⁃Ｎ浓度分别为１７．５６ｍｇ·Ｌ－１和０．２６ｍｇ·Ｌ－１，废水中的氮一部分转化为ＮＯ２⁃Ｎ和ＮＯ３⁃Ｎ，同时在颗粒内部反硝化菌的作用下，另一部分氮被转化为Ｎ２．结合电子显微镜扫描和变性梯度凝胶电泳技术（ＰｏｌｙｍｅｒａｓｅＣｈａｉｎＲｅａｃｔｉｏｎ⁃ＤｅｎａｔｕｒｉｎｇＧｒａｄｉｅｎｔＧｅｌＥｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ，ＰＣＲ⁃ＤＧＧＥ），分析了好氧颗粒污泥微生物种群结构及优势菌种，从而进一步探讨了好氧颗粒污泥同步脱氮特性．关键词　ＳＢＲ体系，好氧颗粒污泥，同步脱氮．好氧颗粒污泥是在特定的好氧条件下，通过微生物自凝聚作用形成的颗粒状活性污泥，与普通活性污泥相比，它具有不易发生污泥膨胀、抗冲击能力强、能承受高有机负荷，集不同性质的微生物（好氧、兼氧和厌氧微生物）于一体等特点［１⁃３］．具有较高的生物量以及具有多孔结构等，固液分离迅速．近年来，好氧颗粒污泥处理废水已经发展成为污水处理的新型工艺，开展了较多关于好氧颗粒物形成机理、影响因素及废水中污染物的去除特性的研究［４⁃５］．由于好氧颗粒结构上特殊的传质作用，即颗粒表面和周围为好氧环境，内部为典型的缺氧和厌氧环境，可实现多种污染物的去除［６⁃７］，因此好氧颗粒污泥的脱氮特性研究受到很多学者的关注［８⁃９］，但其同步脱氮特性的研究尚不明晰．本研究采用序列间歇式活性污泥法（ＳＢＲ）反应器以厌氧颗粒污泥为接种污泥培养好氧颗粒污泥，观察其成熟过程中的形态变化及处理效果，结合成熟颗粒污泥的微生物结构特征分析，进一步探讨好氧颗粒污泥同步脱氮特性．１　材料与方法１．１　实验材料实验采用人工配水模拟味精废水培养好氧颗粒污泥，因此人工配水水质综合考虑了味精生产废水水质负荷及水质含量配比［１０⁃１２］，人工配水投加物质组成及含量见表１．接种污泥取自某味精污水处理厂厌氧颗粒污泥及ＳＢＲ池中的活性污泥，反应器中接种泥体积为１．５Ｌ，混合液挥发性悬浮固体浓度（Ｍｉｘｅｄｌｉｑｕｏｒｖｏｌａｔｉｌｅｓｕｓｐｅｎｄｅｄｓｏｌｉｄｓ，ＭＬＶＳＳ）与污泥浓度（ＭＬＳＳ）的比值为０．７５，粒径０．５—３．０ｍｍ．１．２　实验方法实验采用ϕ９ｃｍ×１００ｃｍ圆柱形有机玻璃ＳＢＲ反应器，有效容积６．３２Ｌ，排水比为５０％．实验过程中温度在室温（２５—３０℃）下运行，采用直流泵（５０Ｌ·ｍｉｎ－１）从反应器底部进水，空气泵连接微孔曝气头在反应器底部曝气，采用空气流量计控制曝气量为４ｃｍ·ｓ－１，电磁阀控制出水，整个实验操作由时间继电器控制．　１１期柏义生等：好氧颗粒污泥同步脱氮特性２１８７　反应器运行周期为６ｈ，其中进水为２ｍｉｎ，曝气运行３３０ｍｉｎ，沉淀时间５—１５ｍｉｎ，出水３ｍｉｎ，其余为静置时间．反应器进水ＣＯＤ负荷为３—４．５ｋｇ·ｍ－３·ｄ－１．通过不断提高反应器进水的ＣＯＤ、氨氮浓度，并减少沉淀时间，快速培养出好氧颗粒污泥．当颗粒污泥开始出现时，每隔１周对颗粒污泥的形态进行观察，测定颗粒污泥的沉降性能（ＳＶＩ）和污泥浓度（ＭＬＳＳ），并通过扫描电镜观察颗粒污泥的内部结构．好氧颗粒污泥成熟后，选择一个典型周期，系统测定其ＣＯＤ和各形态氮的去除规律，结合微生物群落分析研究同步硝化反硝化机理．１．３　分析方法ＮＨ＋４⁃Ｎ采用纳氏试剂光度法测定；ＮＯ２⁃Ｎ采用Ｎ⁃（１⁃萘基）⁃乙二胺光度法测定；ＮＯ３⁃Ｎ采用酚二磺酸光度法测定；ＴＮ采用过硫酸钾消解法测定；ＣＯＤ采用重铬酸钾微波消解法测定；ｐＨ值采用梅特勒台式ｐＨ计测定；ＤＯ采用ＹＳＩ５５０Ａ便携ＤＯ测定仪测定；ＳＶ３０、ＳＶＩ、ＭＬＳＳ、ＭＬＶＳＳ等按照标准方法［１３］测定．污泥形态采用普通光学显微镜（ＸＳＰ⁃８ＣＣ）结合数码相机（ＣａｎｏｎＺｏｏｍＬｅｎｓ６×ＩＳ）观察，好氧颗粒污泥的微观结构采用扫描电镜（ＨｉｔａｃｈｉＳ⁃３４００ＮⅡ）表征；微生物群落分析采用变性梯度凝胶电泳技术（ＰＣＲ⁃ＤＧＧＥ）．表１　模拟废水成分组成Ｔａｂｌｅ１　Ｔｈｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｓｉｍｕｌａｔｅｄｗａｓｔｅｗａｔｅｒ物质组成浓度／（ｍｇ·Ｌ－１）微量元素组成浓度／（ｍｇ·Ｌ－１）葡萄糖１０００—１５００Ｈ３ＢＯ３１００ＮＨ４Ｃｌ７０—１００ＣｏＣｌ２·６Ｈ２Ｏ１００Ｋ２ＨＰＯ４２０ＣｕＳＯ４·５Ｈ２Ｏ３０ＫＨ２ＰＯ４１０ＦｅＣｌ３·６Ｈ２Ｏ１０００ＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏ４０ＭｎＣｌ２·２Ｈ２Ｏ１１０ＣａＣｌ２３０Ｎａ２Ｍｏ７Ｏ２４·２Ｈ２Ｏ７０ＥＤＴＡ２０ＺｎＳＯ４·７Ｈ２Ｏ１００ＮａＨＣＯ３５６０—８００ＫＩ３０微量元素１．０ｍＬ·Ｌ－１ＮｉＣｌ２６０２　结果与讨论２．１　好氧颗粒污泥的形成及其特性反应器接种污泥，主要来自某味精污水处理厂的厌氧颗粒污泥，如图１（ａ）所示．图１　污泥形态变化Ｆｉｇ．１　ＣｈａｎｇｅｏｆＳｌｕｄｇｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ经过７ｄ培养，污泥颜色逐渐转变为黄色，在水力剪切力下厌氧颗粒解体变小留下内核，反应器中污泥多为絮状，污泥沉降性能较差，污泥浓度ＭＬＳＳ约为２ｇ·Ｌ－１左右，如图２所示．２０ｄ后，反应器中污泥不断生长，并出现少量粒径较小的颗粒污泥，但是多呈块状絮体，污泥颜色为黄色，污泥的表面和周围２１８８　环　　境　　化　　学３２卷存在大量的原生动物、丝状菌和真菌等，此时污泥的沉降性能ＳＶＩ约为８０ｍＬ·ｇ－１左右，污泥浓度ＭＬＳＳ为５ｇ·Ｌ－１左右．５５ｄ后，反应器中形成了粒径为２ｍｍ左右形状不规则、颜色为黄色、结构较为密实的好氧颗粒污泥，如图１（ｂ）所示．图１（ｃ）为４０倍镜下成熟好氧颗粒污泥，其ＳＶＩ稳定在２０ｍＬ·ｇ－１左右，ＭＬＳＳ维持在１０ｇ·Ｌ－１左右．图２　形成阶段ＭＬＳＳ和ＳＶＩ的变化Ｆｉｇ．２　ＴｈｅｃｈａｎｇｅｏｆＭＬＳＳａｎｄＳＶＩｉｎｏｐｅｒａｔｉｎｇｐｈａｓｅｓ形成后的颗粒污泥ＣＯＤ、氨氮和ＴＮ的平均去除率分别为９４％、９７．５％、６８．６％；出水中氮的形态主要是以ＮＯ３⁃Ｎ和ＮＯ２⁃Ｎ为主，两者出水浓度在８—１０ｍｇ·Ｌ－１左右．２．２　好氧颗粒污泥微观结构成熟的好氧颗粒污泥扫描电镜如图３所示．由图３（ａ）可以看到丝状菌的存在，且球状菌和丝状菌相互缠绕形成好氧颗粒污泥的整体骨架结构．从图３（ｂ）中可以清晰看到，颗粒污泥较为密实的结构且表面存在均匀的孔隙，在污泥表面孔隙小，而内部孔隙相对较大．颗粒污泥中的孔隙可以保证营养物质的传递，有利于微生物的新陈代谢．溶解氧从颗粒外部由表面孔隙逐渐传递到颗粒内部，浓度逐渐降低形成氧梯度，在颗粒内部造成缺氧区域，从而为兼性或厌氧微生物创造了适宜的生长环境［１２］．图３　好氧颗粒污泥扫描电镜照片Ｆｉｇ．３　Ｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓｏｆａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅ２．３　系统ＣＯＤ和氮的去除为了考察颗粒污泥系统在运行过程中对污染物的降解规律以及实现同步脱氮的效果，在保持进水水质稳定的条件下，一个典型运行周期内，每隔１ｈ取样１次，对各污染物指标进行监测．从图４可以看出，曝气０．５ｈ反应器内的ＣＯＤ浓度由１６５３．５１ｍｇ·Ｌ－１迅速降至８９３．９７ｍｇ·Ｌ－１，研究表明［１４⁃１５］，好氧颗粒污泥内部孔道与丰富的微生物种群使其对有机碳源具有较强的吸附性能，可在短时间内迅速吸附大量的有机物存留在体内．曝气１ｈ后，ＣＯＤ浓度降至７９３．１５ｍｇ·Ｌ－１，随后６ｈ内的曝气过程中ＣＯＤ的浓度削减量相对较低．　１１期柏义生等：好氧颗粒污泥同步脱氮特性２１８９　从各形态氮去除过程来看，ＮＨ＋４⁃Ｎ和ＴＮ在０．５—６ｈ内被持续降解，系统在反应开始时，由于ＣＯＤ被大量去除，使得系统内的ＤＯ消耗较大，从而抑制了硝化反应．前１ｈ硝化速率较慢，使得反应器内ＮＯ２⁃Ｎ和ＮＯ３⁃Ｎ浓度较低，出水浓度分别为０．２３ｍｇ·Ｌ－１和３．７４ｍｇ·Ｌ－１．因此，反应初期系统对ＴＮ的去除率为１０．６％．１ｈ后，随着ＣＯＤ的不断被去除，系统内的ＤＯ浓度提高至４ｍｇ·Ｌ－１左右，硝化作用增强，ＮＨ＋４⁃Ｎ被快速降解，ＮＨ＋４⁃Ｎ浓度为２６．０４ｍｇ·Ｌ－１，出水ＴＮ浓度为５０ｍｇ·Ｌ－１．７ｈ后，ＤＯ浓度提高到６ｍｇ·Ｌ－１左右，反应器内ＣＯＤ浓度为５７．７７ｍｇ·Ｌ－１，ＮＨ＋４⁃Ｎ被降解至６．２５ｍｇ·Ｌ－１，ＴＮ降至２５．７８ｍｇ·Ｌ－１，ＣＯＤ、ＮＨ＋４⁃Ｎ和ＴＮ去除率分别为９６．５１％、９３．３０％和７３􀆰０４％，此时出水ＮＯ２⁃Ｎ和ＮＯ３⁃Ｎ浓度分别为０．２６ｍｇ·Ｌ－１和１７．５６ｍｇ·Ｌ－１．可以判断系统在硝化菌和亚硝化菌的作用下，ＮＨ＋４⁃Ｎ一部分转化为ＮＯ２⁃Ｎ和ＮＯ３⁃Ｎ，同时在颗粒内部反硝化菌的作用下，另一部分氮被转化为Ｎ２．上述分析可以发现，系统内ＣＯＤ浓度变化较小的情况下，系统中的反硝化过程仍然存在．原因可能是，当向系统进水后，短时间内ＣＯＤ被吸附到颗粒污泥中，这些被吸附的ＣＯＤ部分被微生物存储起来，一部分被用作微生物生长和代谢的能量来源，另一部分有机物碳源在浓度差压力下进入颗粒内部，被颗粒内部孔隙中的反硝化菌所利用，在此进行反硝化作用．由此判断，好氧颗粒污泥对废水中氮的去除存在同步脱氮的作用．图４　典型周期内ＣＯＤ和不同形态氮的变化Ｆｉｇ．４　ＴｈｅｃｈａｎｇｅｏｆＣＯＤａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｏｒｍｓｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｓｉｎａｔｙｐｉｃａｌｐｅｒｉｏｄ２．４　颗粒污泥微生物群落结构及演替微生物群落结构分析的泥样有接种泥（厌氧颗粒污泥和活性污泥）及好氧颗粒污泥（培养出现后第６天、第１０天、第１５天、第２７天、第３２天、第３８天、第４３天）．利用基于１６ＳｒＤＮＡ的ＰＣＲ⁃ＤＧＧＥ技术获得了微生物群落的ＤＮＡ特征指纹图谱，揭示了污泥样品的微生物群落结构，如图５所示．根据ＤＧＧＥ技术原理，图谱中分离出来的条带都是不同种类的微生物１６ＳｒＤＮＡ基因Ｖ３区的ＤＮＡ片段，每个条带可以代表一个微生物种属，条带信号强度越大表示该细菌在污泥中的优势地位越大．借助ＱｕａｎｔｉｔｙＯｎｅ软件对图６的泥样ＤＧＧＥ图谱进行分析，并绘制了各样品泳道相似性示意图，如图６所示．泳道中条带粗细不一，代表各条带相对强度差异．由图６可以看出，反应器内不同时间段微生物群落结构的演变和更替．ＤＧＧＥ条带显示了微生物群落结构在污泥颗粒化过程中不是静态的，而是在不断变化和演替［１６⁃１７］．颗粒化成熟后的条带完全不同于最初的种泥，说明了种泥微生物种群已经完全演替为好氧颗粒污泥微生物种群．当颗粒化形成颗粒时（第６天—第１５天），条带数量不断增加，当颗粒化接近成熟时（第３２天—第４３天），条带数量再一次减少，优势条带的位置也在颗粒化过程中不断移动，显然在颗粒形成和生长阶段，优势菌种在不断进化．２．５　颗粒污泥优势菌种的鉴