短程硝化过程2种亚硝酸盐氧化菌抑制策略探讨杨宗玥

第13卷第1期2019年1月Vol.13,No.1Jan.2019环境工程学报[e-mail]10.12030/j.cjee.201806158中图分类号X703.1文献标识码A杨宗玥,付昆明,廖敏辉,等.短程硝化过程2种亚硝酸盐氧化菌抑制策略探讨[J].环境工程学报,2019,13(1):222-231.YANGZongyue,FUKunming,LIAOMinhui,etal.Discussiononinhibitionstrategiesoftwonitriteoxidizingbacteriainnitritation[J].ChineseJournalofEnvironmentalEngineering,2019,13(1):222-231.短程硝化过程2种亚硝酸盐氧化菌抑制策略探讨杨宗玥，付昆明*，廖敏辉，仇付国，曹秀芹北京建筑大学城市雨水系统与水环境教育部重点实验室，中-荷污水处理技术研发中心，北京100044第一作者：杨宗玥(1995—)，男，硕士研究生。研究方向：水处理技术。E-mail：[e-mail]*通信作者：付昆明(1981—)，男，博士，副教授。研究方向：污水自养脱氮技术等。E-mail：[e-mail]摘要为维持短程硝化稳定，保证亚硝酸盐高效积累，需要对污水处理系统亚硝酸盐氧化菌(NOB)的性质进行深入了解。分别对Nitrospira以及Nitrobacter的动力学参数，以及在活性污泥系统、生物膜系统、颗粒污泥系统中2菌属特性进行比较。经分析后认为，Nitrospira相对于Nitrobacter比增长速率较低，对O2，NO2-底物亲和性较好，适宜生长于低浓度环境中，是A2/O、短程硝化-厌氧氨氧化工艺中的主要NOB菌属；Nitrobacter则适宜在高浓度环境中生长。在颗粒污泥系统中，NOB主要处于污泥内部，由于缺乏O2，NO2-更容易被淘汰出反应器。通过对比短程硝化主要控制参数，认为NOB的抑制策略包括：在活性污泥系统中维持合理的污泥龄(SRT)以及游离氨(FA)浓度；在生物膜系统中对溶解氧(DO)以及水力停留时间(HRT)进行联合控制；在颗粒污泥系统中维持适量剩余NH4+-N，并淘洗出掺杂其中的絮状污泥。此外，利用“饱食饥饿”效应间歇曝气并维持较低的曝停比同样有利于阻止亚硝酸盐被NOB进一步氧化，保证短程硝化稳定运行。关键词短程硝化；亚硝酸盐氧化菌(NOB)；Nitrobacter；Nitrospira；动力学参数；自养脱氮相对于传统的硝化/反硝化工艺而言，全程自养脱氮(completelyautotrophicnitrogenremovaloverni⁃trite,CANON)工艺为污水脱氮过程提供了一种新思路。CANON工艺几乎无需有机碳源、节省57.5%曝气量的特点可以减少污水处理厂的药剂投加量以及能源消耗[1]，具有可持续性。我国市政污水C/N比通常难以满足《室外排水设计规范》(GB50014-2006)推荐值4.0[2]的要求而导致需要投加外加碳源，CAN⁃ON工艺可以避免这一点，故具有广阔的应用前景。然而，由于亚硝酸盐氧化菌(nitrite-oxidizingbacte⁃ria,NOB)与氨氧化菌(ammonium-oxidizingbacteria,AOB)是共生关系，两者生长所需的环境条件较为相似，当系统存在AOB时往往伴有NOB的生长。若NOB大量增殖，NO2-被氧化为NO3-，将制约CANON工艺的实际应用。因此，如何在保证AOB活性的同时对NOB的活性进行抑制，是CANON工艺能够高效脱氮的基础和关键。很多研究者对短程硝化的实现条件进行了研究，但除了在中温条件下SHARON(singlereactorforhighammoniumremovalovernitrite)工艺已投入实际工程应用之外，还没有其他具体应用的工程实例[3]，部分有关NOB抑制策略的研究结果也不一致。目前，SHARON工艺经常与ANAMMOX工艺组合成短程硝化-厌氧氨氧化工艺，但是，在实际应用过程中，SHARON工艺往往不具备中温条件，而导致短程硝收稿日期：2018-06-28；录用日期：2018-11-19基金项目：北京市教育委员会科技发展计划项目(SQKM201710016006)；北京建筑大学市属高校基本科研业务费专项基金资助项目(X18214,X18182)文章栏目：环境生物技术第1期杨宗玥等：短程硝化过程2种亚硝酸盐氧化菌抑制策略探讨化失效。而短程硝化这一基石若被忽视，厌氧氨氧化将无从谈起。因此，如何实现稳定的短程硝化仍是目前需要深入研究的问题。本研究以NOB为重点对其特性进行介绍，并探讨其抑制策略。1NOB的微生物特性NOB主要包含硝化杆菌属Nitrobacter、硝化螺菌属Nitrospira、硝化球菌属Nitrococcus以及硝化刺菌属Nitrospina[4]。其中Nitrobacter和Nitrospira在污水处理系统中最为常见。两者能以氧为电子受体，将NO2-氧化为NO3-并获得能量。两菌属最适环境条件具有一定差异，可在不同环境条件下交替成为优势菌种。动力学参数直接反映了微生物增殖能力以及底物亲和能力，对于Nitrobacter和Nitrospira而言，分别为r型和K型。以r型为增殖方式的Nitrobacter比增长速率μ以及半速率常数Ks均明显高于K型增殖方式的Nitrospira。不同研究得出部分种属NOB的动力学参数见表1。其中Nitrobacter增殖更加迅速，但对底物的亲和性较差，该菌属在底物浓度较高的环境当中可以通过快速增长形成竞争优势。相应地，Nitrospira增殖速率明显较低，但其具有更好的底物亲和性，当系统内营养物质较为匮乏时，可以充分利用仅存的底物，完成细胞生长以及细胞维持过程。姚倩等[17]对污水厂好氧池污泥培养120d，维持混合液NO2-浓度低于2mg·L-1，同时将溶解氧(dis⁃solvedoxygen,DO)值控制在3~4mg·L-1时，荧光原位杂交(fluorescenceinsituhybridization,FISH)分析显示，Nitrospira占活性污泥微生物总量的75%，Nitrobacter仅占微生物总量的0.1%。FUJITANI等[8]控制连续流反应器NO2-浓度低于10mg·L-1，在总计359d培养时间中，Nitrospira在全部微生物中最高占88.3%。KIM等[18]在维持NO2-负荷为0.29kg·(m3·d)-1时，Nitrospira占微生物总数的59%，Nitrobacter仅占5%；而在NO2-负荷为1.0kg·(m3·d)-1时，则以Nitrobacter为优势菌种，占64%，Nitrospira仅占3%。NOGUEIRA等[19]将NO2-浓度短时间内由10mg·L-1提高至80mg·L-1，原先占据优势的Nitrospira逐渐被Nitrobacter取代，且该变化不可恢复。上述实验结论表明，环境条件对于2种NOB菌属具有一定的选择性，当NO2-浓度较低时，Nitrospira为主要NOB菌属。针对2种NOB菌属在增殖性能以及底物亲和性能的差异性方面，有研究指出：Nitrobacter处于底物匮乏环境时会形成聚集体以减少合成以及分解代谢过程的能量损失，传质能力随着聚集体的形成相应降低，微生物生命活动以细胞维持为主；而Nitrospira则是在浓度高峰期时形成聚集体，在低底物环境时生命活动更加旺盛[19]。USHIKI等[20]针对NOB的基因组进行分析，Nitrospira含有编码细胞色素氧化酶bd基因，Nitrobacter则包含编码细胞色素氧化酶c基因，其中氧化酶bd在氧浓度低时会被激活，使细菌在限氧环境下得以完成细胞生长过程。据此认为，电子传递链末端氧化酶的差异是2种NOB存在氧亲和力差异的主要原因。不同的动力学参数导致2种NOB倾向于不同的生长环境。在天然水体当中，Nitrobacter在土壤或水体沉积物当中的丰度为Nitrospira的200~500倍，而Nitrospira多存在于径流当中[21]。针对市政污水厂而言，污水几乎不含NO2-底物，在常规硝化反硝化工艺当中，NO2-于好氧池内生成之后立刻被转化为NO3-，因此，NO2-浓度常年维持在极为有限的水平。这也在一定程度上说明了Nitrospira适合生长在天然水体、污水厂主流系统等低浓度底物环境中。表1Nitrospira与Nitrobacter动力学参数Table1KineticparametersofNitrospiraandNitrobacter菌种NitrospiraNitrospiraNitrospiraNitrobacterNitrobacterNitrobacterμmax/d-10.75[5]0.22[8]0.69±0.10[11]1.84[12]0.58±0.19[13]1.85[15]Ks,O2/(mg·L-1)0.47[6]0.26~0.45[9]0.33±0.14[11]0.43±0.08[7]1.40[14]0.35~0.96[16]Ks,NO2/(mg·L-1)0.90±0.07[7]0.70±0.10[10]0.52±0.14[11]1.30±0.08[7]1.50±0.09[10]2.25±0.51[15]223第13卷环境工程学报2不同系统中的NOB特性2.1活性污泥系统NOB特性活性污泥系统在污水处理中十分常见，主要通过污泥回流维持系统生物量稳定。微生物在各构筑物间循环流动的过程中所处环境条件各异，其环境适应性的优劣是决定其能否成为优势菌种的重要原因。部分NOB具有代谢有机物的能力，Nitrospira无论处于好氧还是厌氧环境都能利用甲酸盐生存，其细胞生长过程与NO2-氧化过程相互独立，不会因NO2-浓度过低而受到限制，在O2、NO2-浓度受限环境下具有更好的适应性[22]。HUANG等[23]对好氧池污泥进行长时间观察后得知，在好氧池内，当NO2-在0~4mg·L-1之间波动时，Nitrospira丰度没有明显变化，而Nitrobacter的丰度呈上升趋势，同样说明Nitro⁃spira增殖过程与NO2-浓度没有直接联系，在NO2-浓度受限条件下可保持稳定的增殖能力。KOCH等[22]通过实验发现，Nitrospira中的一种N.moscoviensis可将污水中的尿素水解为NH4+和CO2，反应过程如式(1)所示：CO(NH2)2+H2O+2H+→CO2+2NH+4(1)AOB利用尿素分解产物NH4+进而为Nitrospira提供底物NO2-，即两者之间可以形成互利共生的交哺关系。这种间接利用尿素作为能量来源的能力使Nitrospira在与其他同样以NO2-为底物的微生物，如其他种属NOB、反硝化菌以及厌氧氨氧化菌对NO2-底物的争夺当中具有竞争优势。相对于异养菌而言，NOB生长更为缓慢，在市政污水源源不断进入处理设施的同时也伴有NOB的流入，这种接种与补充过程是污水厂NOB的重要来源。于莉芳等[24]通过测定NO2-氧化速率对西安市第二、第三污水厂NOB群落与市政污水所含NOB的关系进行估算，两水厂中NOB的连续接种强度分别为0.24、0.11g·(g·d)-1，并认为污水输送过程中存在有跌水或明渠等情况，一定程度上为NOB在管网中增殖创造有利条件。生活污水中有70%的氮元素来自于尿液，新鲜尿液绝大部分的氮元素以尿素形式存在[25]，在Nitrospira的代谢作用下可被转化为NH4+。排水管网同样含有AOB，接种强度约为0.08g·(g·d)-1[26]。在污水逐渐流向水厂的过程中，Nitrospira将污水中的尿素水解为NH4+，供给AOB利用。污水流入至水厂后经过