腐殖酸预处理对活性污泥中硝化菌活性的影响刘瑾瑾

第４９卷　第８期２０１７年８月　哈　尔　滨　工　业　大　学　学　报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＨＡＲＢＩＮＩＮＳＴＩＴＵＴＥＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖｏｌ􀆰４９Ｎｏ􀆰８Ａｕｇ．２０１７　　　　　　ＤＯＩ：１０．１１９１８／ｊ．ｉｓｓｎ．０３６７⁃６２３４．２０１６１２０４５腐殖酸预处理对活性污泥中硝化菌活性的影响刘瑾瑾，袁　悦，李夕耀，薛兆骏，彭永臻（北京工业大学国家工程实验室，北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京１００１２４）摘　要：为考察腐殖酸（ＨＡ）预处理对硝化菌———氨氧化菌（ＡＯＢ）和亚硝酸盐氧化菌（ＮＯＢ）活性的影响，将不同质量浓度梯度的腐殖酸（ＨＡ）分别投加到全程硝化污泥Ｓｃ１（硝化活性较低）和Ｓｃ２（硝化活性较高）以及短程硝化污泥Ｓｐ（硝化活性较高），预处理２４ｈ，每种污泥均采用相同的ＨＡ质量浓度梯度（０、８０、１６０、２４０ｍｇ／Ｌ）处理．结果表明，当采用８０ｍｇ／Ｌ（５０ｍｇ／ｇＭＬＶＳＳ）的ＨＡ预处理后，污泥Ｓｃ１的ＮＯＢ活性就有了显著提高，硝化反应过程中的硝态氮积累率（ＲＮＡ）由不投加ＨＡ预处理时的２６．３２％增加至７８．８２％，而氨氧化速率（ＲＡＯ）没有显著变化，表明ＨＡ预处理对ＡＯＢ的活性没有影响而提高了ＮＯＢ的活性．对于污泥Ｓｃ２，投加不同质量浓度的ＨＡ预处理既没有改变ＲＡＯ也没有影响ＲＮＡ，这说明对于活性较好的ＡＯＢ和ＮＯＢ，ＨＡ预处理并没有进一步提高其活性，同时也不会抑制其活性．对于污泥Ｓｐ，ＨＡ的预处理没有破坏其短程效果，基本没有ＮＯ３－－Ｎ的积累．因此，ＨＡ预处理对于ＡＯＢ活性基本没有影响，但是影响了ＮＯＢ的活性，在其活性不高时，能提高其活性，在其活性高时，既不会被进一步提高也不会被抑制．关键词：硝化菌活性；活性污泥；腐殖酸；氨氧化速率ＲＡＯ；硝态氮积累率ＲＮＡ中图分类号：Ｘ７０３文献标志码：Ａ文章编号：０３６７－６２３４（２０１７）０８－００１５－０５Ｅｆｆｅｃｔｏｆｐｒｅ⁃ｔｒｅａｔｍｅｎｔｗｉｔｈｈｕｍｉｃａｃｉｄｓｏｎｔｈｅａｃｔｉｖｉｔｙｏｆｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａｉｎａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅＬＩＵＪｉｎｊｉｎ，ＹＵＡＮＹｕｅ，ＬＩＸｉｙａｏ，ＸＵＥＺｈａｏｊｕｎ，ＰＥＮＧＹｏｎｇｚｈｅｎ（ＮａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＡｄｖａｎｃｅｄＭｕｎｉｃｉｐａｌＷａｓｔｅｗａｔｅｒＴｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄＲｅｕｓｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＢｅｉｊｉｎｇｆｏｒＷａｔｅｒＱｕａｌｉｔｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＷａｔｅｒＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＲｅｃｏｖｅｒｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１２４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅａｉｍｏｆｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔｕｄｙｗａｓｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｐｒｅ⁃ｔｒｅａｔｍｅｎｔｗｉｔｈｈｕｍｉｃａｃｉｄｓｏｎｔｈｅａｃｔｉｖｉｔｙｏｆｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａ（ａｍｍｏｎｉａｏｘｉｄｉｚｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａ（ＡＯＢ）ａｎｄｎｉｔｒｉｔｅｏｘｉｄｉｚｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａ（ＮＯＢ））ｉｎａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｐｒｏｃｅｓｓｅｓ．ＶａｒｉｅｄｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆＨＡ（０，８０，１６０，２４０ｍｇ／Ｌ）ｗｅｒｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｐｒｅｔｒｅａｔ（２４ｈ）ｔｈｒｅｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｌｕｄｇｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｃｏｍｐｌｅｔｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｗｉｔｈｌｏｗ／ｈｉｇｈａｃｔｉｖｉｔｙ（Ｓｃ１／Ｓｃ２），ａｎｄｔｈｅｐａｒｔｉａｌｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅ（Ｓｐ）．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｎｉｔｒａｔｅａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｒａｔｅ（ＲＮＡ）ｏｆＳｃ１ｉｎｃｒｅａｓｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｆｒｏｍ１０．７３％ｔｏ５３．９３％ａｆｔｅｒｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｗｉｔｈ８０ｍｇ／ＬｏｆＨＡ（５０ｍｇ／ｇＭＬＶＳＳ），ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙｔｈｅａｍｍｏｎｉａｏｘｉｄａｔｉｏｎｒａｔｅｓ（ＲＡＯ）ｃｈａｎｇｅｄｉｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．ＩｎｔｅｒｍｓｏｆＳｃ２，ｎｅｉｔｈｅｒｔｈｅＲＡＯｎｏｒｔｈｅＲＮＡｃｈａｎｇｅｄｕｎｄｅｒｅａｃｈｔｅｓｔｅｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．ＦｏｒＳｐ，ｎｏＮＯ３－－Ｎａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｗａｓｏｂｓｅｒｖｅｄａｆｔｅｒｔｈｅｐｒｅｔｒｅｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅＨＡｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｄｉｄｎｏｔｄｅｓｔｒｕｃｔｉｔｓｐａｒｔｉａｌｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｉｎｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ，ＨＡｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｉｍｐｒｏｖｅｄｔｈｅａｃｔｉｖｉｔｙｏｆＮＯＢｗｈｉｃｈｗｉｔｈｌｏｗｏｖｅｒａｌｌｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｃｔｉｖｉｔｙ，ｗｈｉｌｅｅｘｈｉｂｉｔｅｄｉｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｎＡＯＢａｃｔｉｖｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａａｃｔｉｖｉｔｙ；ａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅ；ｈｕｍｉｃａｃｉｄｓ；ａｍｍｏｎｉａｏｘｉｄａｔｉｏｎｒａｔｅｓ；ｎｉｔｒａｔｅａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｒａｔｅ收稿日期：２０１６－１２－１４基金项目：国家重点研发计划课题（２０１６ＹＦＣ０４０１１０２）；北京市教委资助项目作者简介：刘瑾瑾（１９９３—），女，硕士；彭永臻（１９４９—），男，博士生导师，中国工程院院士通信作者：彭永臻，[e-mail]　　含氮生活污水不加处理就排放会导致水体的富营养化，目前，城市生活污水处理厂常采用生物法去除其中的氮［１］．传统的生物脱氮技术包括好氧硝化和缺氧反硝化两个过程，其中硝化过程中氨氮首先被氨氧化菌（ＡＯＢ）氧化成亚硝态氮，再由亚硝态氮氧化菌（ＮＯＢ）氧化成为硝态氮，而对于反硝化菌来说，无论是亚硝态氮还是硝态氮都可以作为最终电子受体完成向气态氮还原的过程［２］．将硝化过程控制在亚硝化阶段的短程生物脱氮技术不仅节约了４０％的碳源和２５％的曝气量，而且提高了硝化和反硝化效率，缩短了反应时间［３］．基于短程生物脱氮的显著优点，如何实现稳定的短程硝化成为了污水处理方向的研究热点［４－５］．实现短程生物脱氮的关键是将硝化控制在亚硝化阶段，即抑制系统中亚硝态氮氧化菌（ＮＯＢ）的活性［６］．目前实现途径主要有控制温度［７］、ｐＨ［８］、ＤＯ［９］、游离氨（ＦＡ）［１０］和游离亚硝酸（ＦＮＡ）质量浓度［１１－１２］以及缩短污泥龄［６］和调整运行方式［１３］等．近来，有研究报道腐殖酸（ＨＡ）对硝化过程中亚硝酸积累有明显的促进作用［１４－１５］．腐殖酸是大分子聚合物，化学结构复杂，带有羧基、酚基、酮基等活性基团［１６］，其相对分子质量为１０２～１０６，主要包括富里酸、黄腐酸和黑腐酸．腐殖酸（ＨＡ）普遍存在于自然环境中，Ｗｉｌｅｎ等［１７］在研究活性污泥主要化学成分时发现腐殖酸是除蛋白质之外所占比重最大的高分子化合物；佟娟等［１８］在剩余污泥碱性发酵液中也发现了腐殖酸的存在，并且李欢等［１９］研究了采用碱破解方法提取污泥中腐殖酸的方法．因此，基于已有的研究报道，可以利用污泥发酵液中的腐殖酸实现短程生物脱氮．张邵园等［１５］在生物膜反应器中发现ＨＡ对ＮＯＢ的抑制作用要高于ＡＯＢ，从而通过控制腐殖酸的负荷在７ｄ左右的时间内出现并维持了亚硝酸积累；陈银广等［１４］通过是否投加腐殖酸（ＨＡ）的批次试验表明了腐殖酸的投加在１ｈ内会引起更多的亚硝酸积累．然而，已有的研究关于接种污泥本身是否具有短程硝化效果以及ＨＡ对硝化菌（ＮＯＢ）的抑制范围并没有明确的说明．因此，本实验通过接种不同类型污泥并分别投加不同质量浓度的ＨＡ，探究了ＨＡ是否依然能实现生物短程硝化．１　试　验１．１　试验水质及污泥来源试验用水均为配水，构成如下：ＮＨ４Ｃｌ（２０ｍｇ／Ｌ）、ＮａＮＯ２（２０ｍｇ／Ｌ），ＫＨ２ＰＯ４（４０ｍｇ／Ｌ），ＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏ（２０ｍｇ／Ｌ），ＣａＣｌ２·２Ｈ２Ｏ（１０ｍｇ／Ｌ），ＺｎＳＯ４·７Ｈ２Ｏ（０．１２ｍｇ／Ｌ），Ｈ３ＢＯ３（０．１５ｍｇ／Ｌ），ＣｕＳＯ４·５Ｈ２Ｏ（０．０３ｍｇ／Ｌ），ＫＩ（０．１８ｍｇ／Ｌ），ＭｎＣｌ２·４Ｈ２Ｏ（０．１２ｍｇ／Ｌ），ＣｏＣｌ２·６Ｈ２Ｏ（０．１５ｍｇ／Ｌ），ＥＤＴＡ（１０ｍｇ／Ｌ），ＦｅＣｌ３·６Ｈ２Ｏ（１．５ｍｇ／Ｌ）．试验所用接种污泥分别取自：硝化活性遭到破坏的Ａ２Ｏ反应器好氧段污泥，硝化活性较低，表示为Ｓｃ１；稳定运行的Ａ２Ｏ反应器好氧段污泥，具有良好的全程硝化效果，表示为Ｓｃ２；某以实际生活污水为处理对象的中试ＳＢＲ反应器，具有较好的短程硝化效果，表示为Ｓｐ．试验所用腐殖酸购买于天津市光复精细化工研究所．１．２　试验装置及运行运用人工配水进行了不同质量浓度的ＨＡ预处理不同类型活性污泥的试验．第一组试验为探究ＨＡ对硝化性能不好的污泥（Ｓｃ１）的影响．试验前将活性污泥用蒸馏水淘洗３遍，并用人工配水定容到有效容积为５Ｌ的反应瓶内，此时混合液悬浮固体质量浓度（ＭＬＳＳ）约为２０００ｍｇ／Ｌ．挥发性悬浮固体质量浓度（ＭＬＶＳＳ）约为１６００ｍｇ／Ｌ，然后将混合液均分为５份，分别放入有效容积为１．５Ｌ的抽滤瓶内，编号为１～５，内有转子和ｐＨ及ＤＯ探头，采用磁力搅拌器调节转速．为测定活性污泥的起始硝化活性，直接加入氯化铵贮备液和亚硝酸钠贮备液，使混合液的初始ＮＨ４＋－Ｎ质量浓度和ＮＯ２－－Ｎ质量浓度为１５～２０ｍｇ／Ｌ，然后曝气３ｈ．此外，用３ｍｏｌ／Ｌ的盐酸溶液和２ｍｏｌ／Ｌ的氢氧化钠溶液调节初始ｐＨ为７．５～８．０，维持ＤＯ在５ｍｇ／Ｌ左右，排除ｐＨ和溶解氧在硝化过程中的影响．１号反应器设为空白试验，２～５号反应器分别投加０、８０、１６０、２４０ｍｇ／Ｌ（对应于０、５０、１００、１５０ｍｇ／ｇＭＬＶＳＳ）的ＨＡ进行预处理，时间为２４ｈ．反应时每隔１５ｍｉｎ取样分析ＮＨ４＋－Ｎ、ＮＯ３－－Ｎ、ＮＯ２－－Ｎ的变化．按上述方法分别使用硝化活性好的污泥（Ｓｃ２）和短程硝化效果良好的污泥（Ｓｐ）同时进行第２组和第３组试验．１．３　分析项目与方法１．３．１　常规项目检测方法ＮＨ４＋－Ｎ、ＮＯ３－－Ｎ、ＮＯ２－－Ｎ由ＬＡＣＨＡＴＱｕｉｋｃｈｅｍ８５００型流动注射仪测定（ＬａｃｈａｔＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，Ｍｉｌｗａｕｋｅｅ，Ｗｉｓｃｏｓｉｎ）；ＭＬＳＳ及ＭＬＶＳＳ采用重量法检测；ｐＨ、ＤＯ和温度采用ＷＴＷ、Ｍｕｌｔｉ３４０ｉ型便携式多功能ｐＨ／ＤＯ测定仪监测．１．３．２　非常规项目检测方法腐殖酸（ＨＡ）的测定采用修正的Ｆｏｌｉｎ⁃Ｌｏｗｒｙ法．采用腐殖酸作为标准物，将２０ｇＮａ２ＣＯ３和４ｇＮａＯＨ溶于１Ｌ蒸馏水得到试剂Ａ，取１ｍＬ样品，加入０．４ｍＬ试剂Ａ，迅速混合并将混合液在室温下静置１０ｍｉｎ，加入Ｆｏｌｉｎ－酚试剂，迅速混合后静置３０ｍｉｎ，溶液呈淡蓝色，使用分光光度计在波长为７３５ｎｍ处测定吸光度值．１．４　计算方法１．４．１　氨氮氧化率（ＲＡＯ）的计算方法ＲＡＯ＝ρ始（ＮＨ４＋－Ｎ）－ρ末（ＮＨ４＋－Ｎ）ρ始（ＮＨ４＋－Ｎ）×１００％．（１）式中：ρ（ＮＨ４＋－Ｎ）始为曝气开始时氨氮质量浓度，ρ末（ＮＨ４＋－Ｎ）为曝气结束时氨氮质量浓度．１．４．２　硝态氮积累率（ＲＮＡ）的计算方法　　ＲＮＡ＝ρ末（ＮＯ－３－Ｎ）ρ末（ＮＯ－２－Ｎ）＋ρ末（ＮＯ－３－Ｎ）×１００％．（２）式中：ρ末（ＮＯ３－－Ｎ）为曝气结束时硝态氮质量浓度，ρ末（ＮＯ２－－Ｎ）为曝气结束时亚硝态氮质量浓度．１．４．３　反应速率的计算方法１）比氨氧化速率（ＲＳＡＯ）计算公式　ＲＳＡＯ＝（ρ始（ＮＨ＋４－Ｎ）－ρ末（ＮＨ＋４－Ｎ））×１４４０ρ（ＭＬＶＳＳ）×ｔＮ．（３）式中：ρ始（ＮＨ４＋－Ｎ）为曝气开始时氨氮质量浓度·６１·哈　尔　滨　工　业　大　学　学　报