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氨氮污废水处理技术研究 时间:2018-04-18 点击量:

氨氧化细菌( ammonia-oxidizing bacteria,AOB)和亚硝酸盐氧化细菌( nitrite-oxidizing bacteria,NOB)统称为硝化细菌,是实现生物硝化过程的功能微生物。 首先由 AOB 将 NH +4 氧化为 NO -2 完成亚硝化,之后由 NOB 将 NO -2 氧化至 NO -3 ,完成全部硝化过程,第一步被称为短程硝化,较之于全程硝化可节约 25% 的氧气消耗。 实际中因运行条件所限,短程硝化难以维持,亚硝化反应生成的 NO -2 很快被氧化为NO -3。目前我国污水处理厂普遍采用活性污泥工艺进行生物脱氮,但普遍面临硝化速率较低、低温季节尤为严重的问题。 因污水中硝化细菌浓度和硝化速率成正比,且硝化速率直接影响污水处理工艺的处理效果,为此,一些研究人员采用添加载体填料、细胞固定化生物活性填料或生物添加等方式增加反应器内硝化细菌浓度,以提高硝化反应速率。

  已有研究报道,研究人员采用选择性培养基从污水处理反应器中成功分离出具有较高硝化能力的硝化细菌菌株,试图通过扩大培养以提高污水处理硝化速率;但是纯种细菌生态系统脆弱,对实际污水的适应能力较差,而复合菌群因具有生物多样性而更具优势。本研究以筛选和富集硝化细菌菌群并且实现高氨氮氧化能力为目标,以此为基础,重点考察了 pH 值和硝化细菌浓度对氨氮氧化速率的影响,以期为实际中提升氨氮污废水处理的氨氮氧化速率提供理论指导。

  1  材料与方法

  1. 1  实验装置和原水

  本研究采用一内径为 16 cm,高度为 50 cm 的细菌发酵罐( Labfors,INFORS 公司,瑞士)为实验装置,有效容积为 6 L,上部为圆柱形,底部为半球状。 采用穿孔管曝气,气体流量计调节曝气量控制溶解氧(DO)浓度;温度传感器在线监测反应器内水温的变化,控制温度(28 ± 1)℃;搅拌转速 100 r·min - 1;由蠕动泵自动加碱(Na2CO3 和 NaHCO3 )调节 pH、补充碱度并作为碳源;反应器上方设置一取样口,用于取样、进水、虹吸排水和测定溶解氧。

  接种污泥取某污水处理厂 A2/ O 工艺回流污泥。 原水采用人工配水,由高浓度基础液和去离子水配制成预期浓度,其中 NH +4 -N(NH4Cl)浓度随反应速率升高而逐渐提高,其他水质指标平均值约为:PO3 -4 -P(KH2 PO4 和 K2HPO4·3H2O) 20 mg·L - 1,MgSO4·7H2O 30 mg·L - 1,CaCl2 15 mg·L - 1,FeSO4·7H2O 30 mg·L - 1,NaCl 20 mg·L - 1,微量元素 1 mL·L - 1。 成分:ZnSO4·7H2O 0. 5 g·L - 1,MnCl2·4H2O 0. 5 g·L - 1,CoCl2·6H2O 0. 4 g·L - 1,CuSO4·5H2O 0. 4 g·L - 1,NiCl2·6H2O 0. 2 g·L - 1,Na2MoO4·2H2O 0. 05 g·L - 1,EDTA 1 g·L - 1。

  1. 2  实验方法

  采用间歇方式运行,每天运行 2 周期,每周期分为进水、反应、污泥沉淀、排水 4 阶段。 好氧反应 DO初始范围 1. 2 ~ 2. 5 mg·L - 1,pH 值范围 6. 8 ~ 7. 7。 运行近 1 个月以筛选和富集硝化细菌菌群。

  此外,考察 pH 值对氨氮氧化速率的影响。 有效容积 6 L,尽管在硝化细菌筛选和富集培养期间,NOB活性受到一定程度抑制,表现为较低初始游离氨( FA)浓度下,间歇式反应 NH +4 -N 氧化过程中产生亚硝酸盐积累;但以此为相同背景,反应全程 pH 值分别为 6. 5 ± 0. 1、7. 0 ± 0. 1、7. 5 ± 0. 1 和 8. 0 ± 0. 1,由自动加碱装置调节 pH 以保持初始水平,采用间歇运行方式,各组实验初始 NH +4 -N 浓度和 DO 水平均分别控制在65 mg·L - 1和 2. 5 mg·L - 1左右。 间歇运行时间以保证 NH +4 -N 尽可能氧化完全为宜。 因 NH +4 -N 氧化接近结束时 DO 升高导致菌体自身氧化分解,因此系统污泥浓度(MLSS)有所减少。

  在此基础上,考察细菌浓度对氨氮氧化速率的影响。 通过沉淀排水保留污泥,之后进水至 3 L,相当于反应有效容积缩小 50% ,污泥浓度(硝化细菌浓度)提高 1 倍,反应全程 pH 值为 7. 3 ± 0. 1,初始 NH +4 -N浓度和 DO 水平同 pH 影响实验。

  1. 3  测定方法

  进行化学分析前,样品先采用中速定性滤纸过滤。 分析项目 NH +4 -N、NO -2 -N、NO -3 -N 浓度和 MLSS 按照国家环境保护总局规定的标准方法测定。 DO 浓度采用 WTW Oxi315i 溶解氧仪进行测定。 游离氨( free ammonia,FA)浓度按式(1)计算:

  式中:FA 为游离氨浓度,mg·L - 1;[NH +4 -N]表示 NH +4 -N 浓度,mg·L - 1;T 为温度,℃。

  以一定反应时间内开始和结束时 NH +4 -N 浓度减少量计算氨氮氧化速率,按式(2)计算:

  式中:AOR 为氨氮氧化速率,mg·( L·h) - 1;[NH +4 -N]表示 NH +4 -N 浓度,mg·L - 1;t 表示反应时间,h。

  由于实验过程中每周期换水后系统剩余少量 NO -2 -N、NO -3 -N,因此以每周期反应开始和结束时 NO -2 -N 和 NO -3 -N 浓度计算生成量,以评价亚硝酸盐积累率,按式(3)计算:

  式中:[NO -2 -N] 开始为反应初始 NO -2 -N 浓度,mg·L - 1;[ NO -2 -N] 结束为反应结束 NO -2 -N 浓度,mg·L - 1;[NO -3 -N] 开始为反应初始 NO -3 -N 浓度,mg·L - 1;[NO -3 -N] 结束为反应结束 NO -3 -N 浓度,mg·L - 1。

  注:若生成量为负值,则按零计算。

  1. 4  荧光原位杂交(FISH)分析

  采用荧光原位杂交( fluorescence in situ hybridization,FISH)技术对培养后的活性污泥中 AOB、NOB和总细菌进行检测,以考察硝化细菌菌群筛选和富集效果,所用探针序列见表 1。 并采用 OLYMPUS BX51荧光显微镜对杂交后的每个污泥样品随机拍摄 10 ~ 20 张照片,之后用 Image-Pro Plus 6. 0 软件对种群数量进行分析。

  注:1) EUBmix 由 EUB338、EUB338II 和 EUB338Ⅲ按摩尔浓度比1 ∶ 1 ∶ 1 混合组成,其甲酰胺浓度( FA)不受限制,可遵循另一种目标探针的甲酰胺浓度,本研究遵循 NIT3 为 40% 。

表 1  FISH 分析中采用的探针序列、目标细菌和荧光标记

  2  结果与讨论

  2. 1  硝化细菌菌群筛选和富集效果

  为快速实现硝化细菌菌群的筛选和富集,本研究温度设定为 28 ℃ 左右利于硝化细菌生长。 实验第 1 天采用间歇运行方式考察接种污泥的氨氮氧化速率约 15 mg·( L·h) - 1,为全程硝化污泥,接种污泥浓度 3 784 mg·L - 1。 培养近 1 个月时,采用间歇式运行,pH 为 7. 3 ± 0. 1,第 1 小时氨氮氧化速率达到 47. 21 mg·( L·h) - 1,是接种污泥的 3 倍多,如图1 所示。 然而污泥浓度相对于启动初期明显降低。由此可以反映出,在此期间硝化细菌在适宜的运行条件下得以大量生长,且活性污泥中其他细菌逐渐被淘洗出反应器,从而硝化细菌的浓度升高,成为优势菌群。

  2. 2  pH 值对氨氮氧化速率、亚硝酸盐积累和硝酸盐生成的影响

  在硝化细菌筛选和富集期间,发现 pH 波动对氨氮氧化速率产生明显影响,为此重点考察 pH 值对氨氮氧化速率的影响,初始 DO 浓度均控制为 2. 5 mg·L - 1左右以排除低溶解氧导致亚硝酸盐积累。 结果如图 2 所示,pH 分别为 6. 5 ± 0. 1、7. 0 ± 0. 1、7. 5 ± 0. 1 和 8. 0 ± 0. 1 时,NH +4 -N 由 65 mg·L - 1左右至基本反应完全,时间分别为 5 h、3 h、2 h 和 100 min,反应结束时,亚硝酸盐积累率分别为 0、0、23. 65%和 55. 29% 。

  通过观察各 pH 值下氨氮氧化时间和亚硝酸盐积累的变化,分析 pH 对氨氮氧化速率和亚硝酸盐积累影响的原因,主要包括以下 2 个方面: 1) pH 影响硝化细菌的生长;2) pH 影响 FA 水平,进而影响 NOB的活性。 研究表明,微生物的生长繁殖与所处环境的 pH 值密切相关,不同微生物生长所需的最佳 pH 范围有所差异,普遍认为,适宜 AOB 生长的 pH 范围为 7. 0 ~ 8. 5,NOB 为 6. 0 ~ 7. 5;因此,pH 处于 6. 5 的低水平下,对 AOB 的生长产生不利影响,氨氮氧化速率明显减慢,进而影响硝化第 2 步反应速率,导致整个硝化过程反应速率较慢。 而 pH 处于8. 0 的高水平下,利于 AOB 生长,氨氮氧化速率加快。 由此可以说明在适当范围内,pH 值升高利于提高氨氮氧化速率。

  此外,游离氨( FA)对硝化细菌的活性产生抑制作用,且 AOB 比 NOB 承受 FA 的抑制能力更强,其抑制作用的阈值一般在 10 ~ 150 mg·L - 1和 0. 1 ~ 1. 0 mg·L - 1。 根据公式(1) ,提高 pH 值,FA 水平随之提高,达到对 NOB 产生抑制作用的阈值范围,即产生亚硝酸盐积累,且 NOB 抑制程度与 FA 水平呈正相关。 以本实验 NH +4 -N 浓度65 mg·L - 1、温度28 ℃、pH 分别为 6. 5、7. 0、7. 5 和8. 0 计,采用公式(1)计算得 FA 浓度,结果如表 2 所示。

 

表 2  不同 pH 下的游离氨(FA)浓度

  在图 2( a)中,pH 值为 6. 5 时,初始 FA 浓度为0. 17 mg·L - 1,相对于 NOB 的抑制作用阈值 0. 1 ~1. 0 mg·L - 1处于较低水平,基本未对 NOB 产生抑制,硝化反应第 1 步生成的 NO -2 -N 几乎同步转化为NO -3 -N,反应过程中几乎无 NO -2 -N 积累,NO -2 -N 曲线基本呈水平状态,属于全程硝化。

  在图 2( b)中,pH 值为 7. 0 时,初始 FA 浓度为0. 55 mg·L - 1,对 NOB 产生一定程度的抑制。 反应开始前 60 min,FA 抑制作用明显,NO -2 -N 浓度逐渐上升,但 NO -3 -N 浓度高于 NO -2 -N 浓度,第 60 分钟时,NO -2 -N 积累量达到最高值 15. 20 mg·L - 1。 此后着反应的进行,NH +4 -N 浓度降低,FA 随之降低,对 NOB 的抑制作用逐渐减弱,氨氮完全氧化时,NO -2 -N部氧化为 NO -3 -N,整个反应过程仍属于全程硝化。

  在图 2( c)和( d)中,pH 值 7. 5 和 8. 0 时,初始 FA 浓度分别达到 1. 72 mg·L - 1和 5. 18 mg·L - 1,NOB 抑制作用较强,NO -2 -N 峰值在 90 min 和 75 min 时分别达到 31. 16 mg·L - 1和 39. 11 mg·L - 1,pH高,NO -2 -N 峰值越大,表明 FA 对 NOB 的抑制作用越强。 反应结束时,NO -3 -N 和 NO -2 -N 共存,亚硝酸盐累率分别达到 23. 65%和 55. 29% 。 由此表明反应过程中 FA 抑制了 NOB 的活性,导致了 NO -2 -N 积累。

  综上所述,4 组实验结果呈现出相似的变化趋势,随着反应的进行,NH +4 -N 浓度逐渐降低、NO -2 -N度呈现先上升后下降的趋势,NO -3 -N 浓度一直升高。 结果表明在一定氨氮底物浓度和温度条件下,pH越高,FA 浓度越大,对 NOB 的抑制作用越强,反应结束时亚硝酸盐积累率越高。

  2. 3  硝化细菌浓度对氨氮氧化速率的影响

  采用提高污泥浓度的方式进一步提高反应器内硝化细菌浓度,初始 DO 浓度均控制为 2. 5 mg·L - 1左右以排除低溶解氧导致氨氮氧化速率降低。 结果如图 3 所示,污泥浓度提高 1 倍,氨氮氧化速率显著提高,氨氮氧化完成的时间由150 min 缩短至105 min,反应时间缩短45 min,用时为6 L 的70% ,第1 小时的氨氮氧化速率由 36. 52 mg·( L·h) - 1提高至 56. 93 mg·( L·h) - 1。 由此表明硝化细菌浓度提高,反应速率加快,氨氮氧化完成时间提前。 而郑敏等通过小试实验同样得出,通过向反应器内投加包埋硝化细菌填料和附着生物膜填料,以人工强化方式增加硝化细菌数量,氨氮去除效果均优于未投加填料的活性污泥系统,并且采用提高 MLVSS 的方式可以强化氨氮氧化速率的结论。

  此外,如图 3 所示,有效容积 6 L 时,NO -2 -N 峰值出现较晚,90 min 时才出现最高值 27. 58 mg·L - 1;而 3 L 时,NO -2 -N 峰值出现时间较早,45 min 时即达到 25. 68 mg·L - 1。 表明提高硝化细菌浓度,NO -2 -N氧化为 NO -3 -N 的速率加快,因此氨氮氧化完成时基本无 NO -2 -N 积累。

  2. 4  FISH 分析

  采用 FISH 技术分析筛选和富集培养后活性污泥中 AOB 和 NOB 在总细菌中的数量比例结果如图4 所示。 根据面积比例计算平均值,统计获得 AOB 和 NOB 分别约占细菌总数的 35% 和 42% ( Ni-trobacter:40% ,Nitrospira:2% ) ,表明系统以适宜硝化细菌生长的参数运行,可以实现硝化细菌菌群的筛选和富集,获得以 AOB 和 NOB 占有绝对数量优势的高纯度硝化细菌菌群,从而实现系统内活性污泥的种群优化。

  3  结论

  1)采用适宜 AOB 和 NOB 共同生长的反应条件可以成功筛选和富集高纯度硝化细菌菌群,保留接种污泥中硝化细菌的菌群组成,同时实现高氨氮氧化速率。

  2)在一定氨氮底物浓度和温度条件下,提高 pH 值则 FA 升高,利于实现短程硝化,亚硝酸盐积累率与FA 水平呈正相关,此外在适当范围内提高 pH 值有助于提高氨氮氧化速率。

  3)反应体系内较高的硝化细菌浓度是实现高氨氮氧化速率的重要物质基础。

 

 

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