不同粒径的厌氧氨氧化颗粒污泥脱氮性能研究

中国环境科学2014,34(12)：3078~3085ChinaEnvironmentalScience不同粒径的厌氧氨氧化颗粒污泥脱氮性能研究郑照明,刘常敬,郑林雪,张美雪,陈光辉,赵白航,李军*(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：通过血清瓶批试研究了温度为25℃时,粒径为R1(2.5mm),R2(1.5~2.5mm),R3(0.5~1.5mm)的厌氧氨氧化(anammox)颗粒污泥的脱氮特性.R1,R2,R3的厌氧氨氧化TN去除速率分别为0.555,0.423,0.456kgN/(kgVSS⋅d),R1的TN去除活性最大,R2和R3的TN去除活性相差不大.anammox颗粒污泥的厌氧氨氧化TN去除、亚硝态氮反硝化、硝态氮反硝化、好氧氨氧化、好氧亚硝态氮氧化速率平均值分别为0.478,0.028,0.037,0.050,0.033kgN/(kgVSS⋅d).扫描电镜显示anammox颗粒污泥表面存在孔洞,有助于缓解粒径对传质效率的不利影响.颗粒污泥外部以球状菌为主,可能为好氧氨氧化菌(AOB),有助于缓解氧气对anammox菌的抑制作用;颗粒污泥内部以火山口状的细菌为主,可能为anammox菌.关键词：厌氧氨氧化；颗粒污泥；粒径；脱氮特性；传质作用中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2014)12-3078-08Thenitrogenremovalperformanceofanammoxgranulesofdifferentsizes.ZHENGZhao-ming,LIUChang-jing,ZHENGLin-xue,ZHANGMei-xue,ZHAOBai-hang,CHENGuang-hui,LIJun*(KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China).ChinaEnvironmentalScience,2014,34(12)：3078~3085Abstract：Thenitrogenremovalperformanceofanammox(anaerobicammoniumoxidation)granulesindifferentsizesR1(above2.5mm),R2(1.5~2.5mm),andR3(0.5~1.5mm)wereinvestigatedbyserumbottlebatchtestsunder25℃.ThespecificanammoxactivitiesofgranulesR1,R2,R3were0.555,0.423,0.456kgN/(kgVSS⋅d),respectively.ThevalueofR1wasthehighest,whilethevaluesofR2andR3weresimilar.Theaveragespecificanammoxactivity,denitrificationactivityofnitrite,denitrificationactivityofnitrate,aerobicammoniumoxidationactivityandaerobicnitriteoxidationactivitywere0.478,0.028,0.037,0.050,0.033kgN/(kgVSS⋅d),respectively.TheSEMindicatedthatsomeholesliedintheouterpartofanammoxgranule,whichredusedtheadverseeffectsofparticlesizeonmasstransferefficiency.Intheouterpartofanammoxgranule,bacteriaweremainlyspherical,whichmaybeAOB.Intheinnerpartoftheanammoxgranule,thebacteriaweremainlycrater-shaped,whichshouldbeanammoxbacteria.Owingtothisstructure,theanammoxbacteriumwasabletorelievefromtheadverseeffectsofoxygen.Keywords：anammox；granules；granulessizes；nitrogenremovalperformance；transportproperties厌氧氨氧化是一种新型的生物脱氮工艺,有助于减少脱氮过程中碳源的投加和能源的浪费,但是anammox菌生长缓慢,倍增时间长达11d[1-2],对反应器的持流能力要求很高.目前关于厌氧氨氧化的研究主要是在脱氮机理、培养条件和影响因素上[3-5].李祥等[4]的研究表明,厌氧氨氧化活性污泥对不利条件的抵抗性差,当进水Cu2+浓度达到4mg/L和Zn2+的浓度达到8mg/L时,厌氧氨氧化活性污泥的活性将受到抑制.研究表明颗粒污泥具有良好的沉降性能、抗冲击负荷能力,能够提高反应器的处理效能.刘常敬等[5]的研究表明,以anammox颗粒污泥为核心的UASB反应器可以抵抗苯酚的毒性,实现厌氧氨氧化和反硝化的耦合脱氮.世界上第一个生产性anammox反应器于2002年在荷兰鹿特丹建成,随着anammox收稿日期：2014-03-07基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2014ZX07201-011);北京市自然科学基金资助项目(8122005);国家自然科学基金青年基金(51308010);北京市教委面上项目(KM201210005028)*责任作者,教授,[e-mail]12期郑照明等：不同粒径的厌氧氨氧化颗粒污泥脱氮性能研究3079颗粒污泥的形成,最高总氮容积去除负荷达到9.5kgN/(m3⋅d)[6].唐崇俭等采用以anammox颗粒污泥为核心的EGSB反应器处理模拟废水,通过缩短水力停留时间至0.3h,总氮容积去除负荷达到50.75kgN/(m3⋅d)[7].粒径对anammox颗粒颗粒污泥的活性具有重要影响.有研究表明,厌氧氨氧化活性主要发生于颗粒污泥表面1mm厚度的范围内[8],当颗粒污泥粒径大于2mm时,颗粒污泥内部将会处于饥饿状态,使得颗粒污泥的活性下降.Peng等[9]对粒径为M1(1.5mm),M2(1.0~1.5mm),M3(0.5~1.0mm)的anammox颗粒污泥厌氧氨氧化活性的研究表明,M2的活性最大,M1和M3的活性相差不大.实际培养得到的anammox颗粒污泥往往是以厌氧氨氧化菌为主,几种脱氮细菌并存的复合体,然而,关于anammox颗粒污泥的复合脱氮特性少有全面的研究.本实验拟研究粒径对anammox颗粒污泥脱氮性能的影响,筛选3种粒径的anammox颗粒污泥,考察其在脱氮性能和污泥特性的差别,并对anammox颗粒污泥的复合脱氮特性进行全面研究.1材料与方法1.1颗粒污泥来源78103921444456图1UASB-生物膜反应器示意Fig.1SchematicdiagramofUASB-biofilmreactor1.进水口;2.进水泵;3.反应器;4.取样口;5.填料;6.三相分离器;7.出气口;8.出水口;9.热水循环套管;10.恒温水浴箱反应器装置如图1所示,anammox颗粒污泥取自实验室UASB-生物膜反应器底部[10].反应器有效容积76L,采用黑色软性材料包裹以避光,反应器上2/3部分添加直径为10cm的聚氯乙烯球形填料以减少污泥的流失.进水NH4+-N平均值为40~45mg/L,NO2--N控制为45~50mg/L,其余组分和微量元素控制参照文献[2].反应器温度为24~26℃,进水由浓水和未经消氧的自来水组成,DO为3~4mg/L,pH值不控制,HRT为1.5h,TN平均容积去除负荷为1.5kg/(m3⋅d).污泥经测序,主要细菌种类为厌氧氨氧化菌CandidatusBrocadiafulgida(JX852965-JX852969).污泥取出后,先用自来水冲洗3遍以去除表面的残留基质,再用孔径为0.5,1.5,2.5mm的不锈钢筛网过滤得到粒径为R1(2.5mm),R2(1.5~2.5mm),R3(0.5~1.5mm)的颗粒污泥.anammox颗粒污泥照片如图2所示,颜色为砖红色,刻度尺最小刻度为1mm.图2颗粒污泥照片Fig.2Photoofanammoxgranules(A)R1,(B)R2,(C)R33080中国环境科学34卷1.2批试试验水质试验采用人工配水,主要氮素成分为NH4Cl,NaNO2,KNO3,碳源为乙酸钠,其余组分和微量元素控制参照文献[2].各脱氮活性测定时的配水组分见表1.表1脱氮活性测定时的主要配水组分(mg/L)Table1Thesyntheticwastewaterusedformeasuringnitrogenremovalperformance(mg/L)活性测定指标厌氧氨氧化亚硝态氮反硝化硝态氮反硝化好氧氨氧化好氧亚硝态氮氧化氨氮7000700亚硝态氮80700070硝态氮007000乙酸钠030030000碳酸氢钠00084001.3批试试验装置和程序批试试验采用500mL血清瓶[11],进行不同粒径颗粒污泥的脱氮特性测定.污泥浓度的确定:用分析天平称取14g左右某一粒径湿污泥,将污泥和模拟配水一起放入有效容积为500mL血清瓶中.同时取5g左右该粒径湿污泥用滤纸包好,经烘箱和马弗炉处理,烘干时间及温度同常规污泥浓度测量条件相同,得到干物质/湿泥、挥发性物质/湿泥的比值,反算血清瓶中的MLSS,MLVSS.厌氧氨氧活性的测定参照文献[11-12],采用血清瓶批试实验研究颗粒污泥的厌氧氨氧化活性.为了保证颗粒污泥的厌氧氨氧化活性,进行如下操作:(1)配置泥水混合液;(2)启动恒温磁力搅拌器,转速为200r/min,盖紧瓶塞,通氮气30min(氮气纯度99.999%);(3)停止通氮气,将血清瓶将连同磁力搅拌器放入25℃的恒温培养箱中.为了准确反映颗粒污泥在25℃条件下的厌氧氨氧化活性,待血清瓶中温度升至25℃后开始取样,每隔1h取样测定NH4+-N、NO2--N、NO3--N浓度,每次取样体积5mL.亚硝态氮和硝态氮反硝化活性测定[13]:操作方法同厌氧氨氧化活性的测定,以乙酸钠为碳源.好氧氨化活性测定参照文献[14]:(1)配置泥水混合液,以碳酸氢钠补充碱度;(2)往血清瓶中鼓入空气,曝气量控制为250mL/min,启动恒温磁力搅拌器,转速为200r/min,将血清瓶将连同磁力搅拌器放入25℃的恒温培养箱中,待血清瓶中温度升至25℃后开始取样,每隔1h取样测定NH4+-N、NO2--N、NO3--N浓度,每次取样体积5mL.好氧亚硝态氮氧化活性测定:操作方法同好氧氨氧化活性测定.1.4分析方法NH4+-N:纳氏试剂光度法;NO2--N:N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;NO3--N:麝香草酚分光光度法;MLSS、MLVSS:重量法;DO、温度:WTW/Multi3420测定仪;颗粒污泥粒径筛分:GB6003.1-1997标准检验筛;粒径分析:采用nanomeasure软件对照片进行分析;扫描电镜:HitachiS-4300扫描电子显微镜;数码照片:iPhone5;沉降速度的测定:让颗粒污泥自由通过高度为410mm的量筒,测其速度;扫描电子显微镜(SEM)样品制备主要步骤:固定、冲洗、脱水、置换干燥、粘样、镀膜.2结果与讨论2.1粒径对anammox颗粒污泥脱氮性能的影响2.1.1厌氧氨氧化活性如图3所示,在底物浓度充足的情况下,NH4+-N和NO2--N的降解均表现出较好的线性关系.对线性底物降解