低溶解氧环境下全程硝化活性污泥的特性

中国环境科学2017,37(5)：1769~1774ChinaEnvironmentalScience低溶解氧环境下全程硝化活性污泥的特性高瑶远,彭永臻*,包鹏,郭思宇,王淑莹(北京工业大学国家工程实验室,北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心,北京100124)摘要：为了了解低溶解氧下硝化活性污泥的特性以及相关微生物的种群结构,以人工配水模拟实际生活污水,在SBR反应器中,培养驯化低溶解氧硝化活性污泥,溶解氧浓度为0.3~0.5mg/L,成功驯化后检测其种群数量及结构并对其进行影响因素的分析.结果表明,低氧驯化的硝化活性污泥最适温度为25℃,最适pH值为8.5;在pH值为7.5,温度为20℃,溶解氧在0.5~4mg/L的条件下,比氨氧化速率和比亚硝氧化速率基本保持在0.3和0.6mgN/(mgMLSS⋅d)左右.通过高通量测序,低氧驯化的硝化反应器中主要亚硝酸氧化微生物为Nitrospira菌属,占总菌属的33%;主要氨氧化微生物为Nitrosomonas菌属,占总菌属的7%.关键词：低溶解氧；硝化细菌；温度；pH值中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2017)05-1769-06Thecharacteristicofactivatedsludgeinnitrifyinglow-DOreactor.GAOYao-yuan,PENGYong-zhen*,BAOPeng,GUOSi-yu,WANGShu-ying(NationalEngineeringLaboratoryforAdvancedMunicipalWastewaterTreatmentandReuseTechnology,EngineeringResearchCenterofBeijing,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China).ChinaEnvironmentalScience,2017,37(5)：1769~1774Abstract：ThecharacteristicsandmicrobialcommunityofnitrifyingbacteriacultivatedatthelowDOconcentrationof0.3~0.5mg/Linasequencingbatchreactor(SBR)wasinvestigatedinthisstudy.Thebacterialabundanceanddiversitywereanalysedwithdifferentinfluencingfactorsaftersuccessfulcultivationoftheactivesludge.Resultsshowedthat,theoptimumtemperatureforlow-DOnitrifyingbacteriawas25℃,andtheoptimumpHwas8.5.UndertheconditionofpH7.5at20℃,specificammoniaoxidaterateandspecificnitriteoxidateratewere0.3and0.6mgN/(mgMLSS⋅d)withDOof0.5~4mg/L,respectively.HighthroughputsequencinganalysisrevealedthatNitrospiragenuswasthedominantnitriteoxidizingbacteria(NOB)accountingfor33%ofwholecommunity,andNitrosomonaswasthemajorammoniumoxidizingbacteria(AOB)accountingfor7%inthelow-DOnitrificationreactor.Keywords：lowdissolvedoxygen；nitrifyingbacteria；temperature；pH活性污泥法是应用最为广泛的主流污水脱氮处理技术[1-3].溶解氧是其设计和运行最重要的参数之一[4-5],由此带来的曝气能耗和费用约占污水处理厂总能耗的50%~80%[6-8].目前,关于低溶解氧脱氮技术的研究大多集中于利用低溶解氧启动或维持短程硝化[9],如,短程硝化反硝化[10]、短程硝化厌氧氨氧化一体化[11-12]等.近年的研究表明以低溶解氧条件运行的反应器同样可以进行稳定的全程硝化[13-14],而低溶解氧条件下的全程硝化反应也同样具有进一步实现节能降耗脱氮的应用前景.另外,城镇污水处理厂的活性污泥中硝化细菌的含量一般低于5%,限制了硝化系统的反应速度.如果能够富集活性污泥中的硝化细菌并降低曝气能耗,将使传统污水处理工艺在节能减排的同时提高处理效率.本研究利用模拟实际污水在低溶解氧条件下对全程硝化活性污泥进行长期驯化,考察硝化细菌生长和富集情况,利用高通量检测系统对其菌群结构进行了分析,并研究温度、pH和溶解氧对低氧全程硝化活性污泥氨氧化活性及亚硝酸氧化活性的影响,以期为实际污水厂在低溶解氧条件下实现稳定高效的硝化效果、节约能耗提供收稿日期：2016-09-27基金项目：国家自然科学基金资助项目(51478013);北京市教委资助项目*责任作者,教授,[e-mail]1770中国环境科学37卷可靠的理论依据.1材料及方法1.1实验装置及运行参数SBR反应器为圆筒形由有机玻璃制成,总容积为10L(有效容积为8L).用加热棒将反应器内温度控制在(25±1℃),机械搅拌器转速为100r/min,使反应器内各处混合均匀,保证各处条件相同.pH值为7.5~8.0.用气体流量计控制溶解氧浓度在0.3~0.5mg/L.进水、曝气、沉淀、排水等操作由数控装置自动控制,采用瞬时进水、恒定供气的运行方式,周期运行.在第一阶段一个周期为417min,进水7min,曝气搅拌360min,静沉30min,出水20min;第二阶段曝气搅拌改为600min,其余条件与第一阶段相同.1.2实验用水及接种污泥实验采用配水模拟生活污水,磷浓度为3~7mg/L,以NH4Cl作为氨氮来源,第一阶段氨氮浓度50~70mg/L,第二阶段氨氮浓度80~125mg/L.每升配水中,其他成分如下:0.8gNaHCO3,0.04gK2HPO4和0.02gMgSO4·7H2O以及0.5mL的微量元素溶液.每升溶液中微量元素成分为[15]:1.25gEDTA,0.55gZnSO4·7H2O,0.4gCoCl2·6H2O,1.275gMnCl2·4H2O,0.4gCuSO4·4H2O,0.05gNa2MoO4·2H2O,1.375gCaCl2·2H2O,1.25gFeCl3·6H2O.接种污泥取自北京工业大学家属区生活污水的短程硝化反硝化中试SBR反应器,硝化效果良好.1.3小试试验为了考察温度、pH值、溶解氧对低氧驯化的硝化菌的影响,分别做了如下小试:取反应器内500mL泥水混合物5份,300r/min离心,将离心后的活性污泥分别加入容积为500mL的小试反应器内,加入氨氮浓度为50mg/L、亚硝浓度为20mg/L的配水使泥水混合物达到500mL.分别做以下3组小试:(1)温度设为10、15、20、25、30℃,控制溶解氧为0.5mg/L,pH值为7.5;(2)pH设为7、7.5、8、8.5、9,控制溶解氧为0.5mg/L,温度为20℃;(3)溶解氧设为0.5、1、2、3、4mg/L,控制pH为7.5,温度为20℃.间隔5分钟取样,连续一小时,检测三氮浓度随时间的变化,计算比氨氧化速率(SAOR,mgN/(mgMLSS·d))和比亚硝氧化速率(SNOR,mgN/(mgMLSS·d)).404[NHN][NHN]SAOR=MLSSTT++−−−×330[NON][NON]SNOR=MLSSTT−−−−−×式中:T是时间,d;[NH4+-N]0是氨氮初始浓度,mg/L;[NH4+-N]T是反应T时间后氨氮浓度,mg/L;MLSS是污泥浓度,mg;[NO3--N]0是硝态氮初始浓度,mg/L;[NO3--N]T是反应T时间后硝态氮浓度mg/L.1.4分析项目及方法氨氮:纳氏试剂比色法;亚硝态氮:N-1-萘基乙二胺比色法;硝态氮:紫外分光光度法;其他指标按标准方法测定.温度、pH及DO值均采用WTWMulti-340i及相应检测探头(WTW公司,德国)进行在线监测;污泥浓度(MLSS):重量法;污泥沉降比(SV):30min沉降法.1.5DNA提取及高通量测序启动反应器后,第150d已达到稳定并提取活性污泥样品.样品通过冻干机冷冻干燥处理后保存,利用FastDNASpinKitforSoil(QBIOgenInc.,Carlsba,CA,美国)DNA提取试剂盒提取反应器活性污泥样品的总DNA.扩增污泥样品16SrRNA基因V3和V4[16],所用引物为338F(ACTCCTACGGGAGGCAGCA)和806R(GGA-CTACHVGGGTWTCTAAT).PCR扩增的20µL体系配置如下:4µL5×FastPfuBuffer、2µLdNTPs、0.4µL前/后引物、0.4µLFastPfuPrimer、10ng样品DNA并用ddH2O补齐20µL.反应条件为:首先预加热95℃2min;随后进行25周期扩增反应(变性95℃30s,退火55℃30s,延伸72℃40s);终止延伸72℃10min.DNA扩增样品利用IlluminaMiSeq测序仪进行测序.2结果与讨论2.1低氧全程硝化反应器运行工况低氧驯化过程中反应器进水氨氮浓度和出水中氨氮、亚硝态氮、硝态氮浓度如图1所示.阶段Ⅰ为启动初期,进水NH4+-N浓度为60mg/L左右,曝气搅拌时间为360min,硝化效果良好,出5期高瑶远等：低溶解氧环境下全程硝化活性污泥的特性1771水的NH4+-N、NO2--N浓度基本维持在0.1~0.3mg/L左右.阶段Ⅱ为30d以后,在第30d提高进水NH4+-N浓度至120mg/L左右,提高浓度之后的一段时间系统运行不佳,硝化反应不完全,亚硝态氮浓度升高,出水氨氮40mg/L左右,逐渐增加曝气搅拌时间到600min,随后几天出水氨氮和亚硝态氮浓度逐渐降低,再次保持在0.1~0.3mg/L左右.这由于提高进水NH4+-N浓度导致溶解氧供给不足,硝化速率降低,进而造成出水氨氮升高,但经过驯化以及提高HRT,硝化菌活性恢复,硝化时间增加,使得第二阶段后期出水氨氮降低,硝化效果恢复良好.204060801001201401600255075100125150175阶段Ⅱ浓度(mg/L)时间(d)NH4+-N进水NH4+-N出水NO2--N出水NO3--N出水阶段Ⅰ图1反应器低氧驯化过程中进水NH4+-N和出水NH4+-N、NO2--N、NO3--N浓度Fig.1InfluentconcentrationofNH4+-NandeffluentconcentrationofNH4+-N,NO2--N,andNO3--NduringthelowDOdomesticatedperiod204060801001201401600600120018002400300036004200MLSSSV时间(d)MLSS(mg/L)1020304050SV(%)图2低氧驯化过程中污泥浓度和污泥沉降比Fig.2MLSSandSVofreactorduringthelowdissolvedoxygendomesticatedperiod在低氧驯化的过程中,污泥浓度的变化如图2所示,可以看出污泥浓度(MLSS)和污泥沉降比(SV)随着驯化时间的增加而下降,MLSS的下降是因为进水中无COD,导致需要消耗有机物的异养菌(好氧异养菌,厌氧反硝化菌等)大量死亡.到80d时,MLVSS为1070mg/L,MLVSS/MLSS为0.86,MLSS和SV都趋于稳定,说明经过80d的低氧驯化,硝化细菌性能良