不同运行策略对反硝化颗粒污泥培养的影响_边永欢.pdf

文章编号:1009-6094(2023)02-0556-11不同运行策略对反硝化颗粒污泥培养的影响*边永欢1，2，季飞1，2，赵大密1，2，廉静1，2(1 河北科技大学环境科学与工程学院，石家庄 050018;2 河北省污染防治生物技术重点实验室，石家庄 050018)摘要:反应器运行环境对反硝化颗粒污泥培养具有重要影响，在上流厌氧污泥床反应器内研究了不同运行策略培养颗粒污泥的脱氮效率、污泥性能和菌群结构，同时对比分析了快速和慢速提升氮负荷策略培养反硝化颗粒污泥的性能。结果表明:耦合提升策略培养反硝化颗粒污泥的脱氮效率达到 93.29%以上，悬浮挥发性固体质量浓度为 46.29 g/L，粒径主要分布在 2.36 3.35 mm，胞外聚合物为 119.03 mg/gVSS，反硝化优势菌 Proteobacteria 在颗粒污泥菌群中所占比例为 61.92%;相较于慢速提升氮负荷策略，快速提升氮负荷策略促使污泥脱氮效率增加了 5.48%，挥发性悬浮固体质量浓度增加了 20.11 g/L，粒径为 2.36 3.35 mm 的污泥占比增加了 10%左 右，胞 外 聚 合 物 增 加 了 7.27 mg/g VSS，Proteobacteria 所占比例增加了 5.11%。研究表明，耦合提升策略能够培养出脱氮效率高且性能良好的反硝化颗粒污泥，快速提升氮负荷能够促进颗粒污泥脱氮效率增加、性能更好。关键词:环境工程学;反硝化颗粒污泥;培养;性能;菌群中图分类号:X522文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2021.1957*收稿日期:20211103作者简介:边永欢，讲师，从事流体力学、水污染防治工程研究;廉静(通信作者)，教授，从事水处理理论及技术研究，。基金项目:国家自然科学基金项目(51678387);大学生创新创业训练项目(2021012)0引言钢铁、军工、化肥等行业生产工艺通常会产生硝酸盐废水1 3，硝酸盐废水污染生态环境，危害人类健康。生物脱氮技术因处理硝酸盐废水经济有效而得到广泛应用，其中优质菌群培养是生物脱氮工艺成功运行的关键因素4。上流厌氧污泥床(Up flowAnaerobic Sludge Bed，UASB)工艺培养的颗粒污泥容易富集反硝化优质菌群，具有沉降性能好、脱氮效率高等优点5，因此在生物法处理硝酸盐废水方面得到广泛研究。杨珊珊等6 在 UASB 反应器中以甲醇作为碳源培养反硝化颗粒污泥，当氮负荷提升至6.44 g/(Ld)时出现了严重污泥上浮现象。王泓等7 研究发现，提升氮负荷利于颗粒污泥的形成，但氮负荷提升到一定程度时，基质对脱氮效果产生抑制作用。除氮负荷及其提升策略影响颗粒污泥性能外，上升流速也是影响脱氮效率的重要因素，2002年崔波等8 建立了模拟 UASB 反应器内废水上升流速的数学模型，模拟结果表明污泥床为主要去除区，且采用回流工艺流程可明显提高去除率。2016 年Xue 等9 以不同上升流速在 UASB 反应器内培养反硝化颗粒污泥，结果表明污泥在高流速作用下颗粒化形成周期缩短了 14 d。上述研究仅仅分析了氮负荷或上升流速单因素提升策略对颗粒污泥性能的影响，而实际培养颗粒污泥通常采用两者耦合提升策略，因此较难将研究成果直接应用到实际 UASB 反应器，而耦合提升策略更符合 UASB 反应器实际运行状况。本文以石家庄桥西污水处理厂絮状污泥为接种污泥，通过调控回流蠕动泵功率和配水硝酸盐氮浓度的方式实现氮负荷和上升流速耦合提升的效果，并研究耦合提升策略培养反硝化颗粒污泥的脱氮效率、污泥性能和菌群结构，同时对比分析快速和慢速提升氮负荷策略培养反硝化颗粒污泥的性能，为实际工程培养反硝化颗粒污泥提供参考。图 1试验装置流程示意图Fig 1Schematic diagram of experimentalequipment process1材料与方法1.1试验装置试验装置流程示意图如图1 所示，UASB 反应器材料为有机玻璃，内径为 80 mm，高为 750 mm，有效容积 3.5 L;顶部设三相分离器，沿反应器不同高度设 4 个 取 样 口。试 验 在 通 过 调 控 回 流 蠕 动 泵(BT1002J，保定兰格恒流泵有限公司)功率和配655第 23 卷第 2 期2023 年 2 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 2Feb，2023水硝酸盐氮质量浓度的方式，实现氮负荷和上升流速耦合提升的效果，并将此反应器标记为 RL;为了分析快速提升氮负荷对反硝化颗粒污泥培养的影响，在另一反应器内(标记为 RH)保持上升流速相同的提升速率，加速提升氮负荷。考虑到温度对反硝化作用的重要影响，参考已报道的研究成果10，将两反应器运行温度保持在(30 2)。1.2接种污泥试验接种污泥为桥西污水处理厂污泥浓缩池回流污泥，接种污泥呈灰色絮状，混合液悬浮固体(Mixed Liquor Suspended Solids，MLSS)质量浓度为15.53 g/L，混合液挥发性悬浮固体(Mixed LiquorVolatile Suspended Solids，MLVSS)质量浓度为 5.00g/L，MLVSS 和 MLSS 质量浓度比值为 0.33，脱氮效率为 88.18%。表 1运行参数Table 1Operation parametersUASB阶段D/dUin/(Lh1)RU/(Lh1)in/(mgL1)HRT/hN/(gL1d1)RL1 201.000.251.25803.500.5521 401.000.451.451383.500.9541 601.000.651.652433.501.6761 801.000.851.854323.502.9681 1001.001.052.057803.505.35RH1 201.000.251.25803.500.5521 401.200.211.451382.921.1341 601.400.181.652432.502.3361 801.600.161.854322.194.7381 1001.800.142.057801.949.651.3废水成分试验配水以 CH3OH(分析纯，天津永大化学)，NaNO3(分析纯，天津博迪化工)和 K2HPO43H2O(分析纯，天津博迪化工)分别作为碳、氮和磷源，质量比为 40 10 1。配水中微量元素体积比为 0.10mL/L，微量元素溶液组成为 0.10 mg/L MgSO47H2O(分析纯，天津永大化学)，0.10 mg/L CaCl2(分析纯，天津市大茂化学)，0.50 mg/L MnSO4H2O(分析纯，天津市大茂化学)，0.10 mg/L FeSO47H2O(分析纯，天津市大茂化学)，0.01 mg/L CuSO45H2O(分析纯，天津市大茂化学)，0.01 mg/L Na2MoO42H2O(分析纯，天津市大茂化学)，0.01 mg/L Na2WO42H2O(分析纯，天津市大茂化学)，0.02 mg/L NiCl26H2O(分析纯，天津市大茂化学)，0.50 mg/L C10H16N2O8(分析纯，天津永大化学)。1.4运行条件试验分 5 个阶段运行，运行时间(D)、进水流速(Uin)、回流比(R)、上升流速(U)、配水硝酸盐氮质量浓度(in)、水力停留时间(HRT)和氮负荷(N)见表 1 的 RL部分，其中进水蠕动泵控制进水流速(Uin)，按照回流比计算回流流速，并通过回流蠕动泵控制回流流速，进水流速和回流流速之和为上升流速(U)，同时由进水流速(Uin)和反应器有效容积计算水力停留时间(HRT)，配水硝酸盐氮质量浓度(in)与水力停留时间(HRT，单位:h)的比值为氮负荷，因此在进水蠕动泵功率不变的情况下，增加回水蠕动泵功率可提升上升流速(U)，增加配水硝酸盐氮质量浓度(in)可提升氮负荷，最终实现了上升流速(U)和氮负荷(N)耦合提升策略。试验还考虑了保持上升流速(U)的提升策略不变、加快氮负荷(N)的提升策略对培养反硝化颗粒污泥的影响，具体试验参数见表 1 的 RH部分。表 1 的运行参数显示了两反应器的试验条件，两反应器的初始培养条件相同，即上升流速(U)和氮负荷(N)分别为 1.25L/h 和 0.55 g/(Ld);在氮负荷和上升流速耦合提升的阶段中，两反应器上升流速(U)每次提升的量相同，为 0.20 L/h，但氮负荷(N)每次提升的百分比不同，RL反应器为 75%5%，RH反应器为 105%5%。1.5分析方法硝酸盐氮(NO3N)采用紫外分光光度法测定11，粒径、MLSS 质量浓度和 MLVSS 质量浓度分别湿式筛分法、重量法测定11;通过氢氧化钠 甲醛7552023 年2 月边永欢，等:不同运行策略对反硝化颗粒污泥培养的影响Feb，2023提取法12 处理污泥样本，并利用总有机碳测定仪(TOCVcph，岛津技迩(上海)商贸有限公司)测定提取液中的总有机碳含量，用以表示胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，EPS)，EPS 中蛋白质(Protein，PN)和多糖(Polysaccharide，PS)含量分别采用考马斯亮蓝法和蒽酮硫酸法测定13;EPS经过 三 维 荧 光 光 谱 仪(AquaLog，HORIBA JobinJvon)扫描得到矩阵光谱，并用平行因子分析 EPS组分。1.6高通量测序为了研究反硝化颗粒污泥形成及运行过程中菌群结构特点，分析了其建库和测序、高通量测序结果，建库和测序工作委托上海生工科技有限公司(上海，中国)完成，高通量测序在 Miseq(Illumina，上海生工生物工程有限公司)测序平台上完成。采用通用引物(341F:CCTACGGGNGGCWGCAG 和 805R:GACTACHVGGGTATCTAATCC)对 颗 粒 污 泥 细 菌16S rRNA 基因的 V3 V4 高变区进行高通量测序，测序深度的数据量为 5 万 6 万条，由稀释曲线可知该测序深度覆盖率高，能够提供较多物种亲缘关系的 碱 基 信 息，分 析 软 件 为 USEARCH(RobertEdgar，上海生工生物工程有限公司)，分析前后进行了均一化处理。2结果与讨论2.1耦合提升策略培养污泥的脱氮效率在耦合提升策略培养反硝化颗粒污泥过程中，进水 NO3N 浓度及其去除率的变化如图 2 所示。第 I 阶段(第 0 20 d)，反应器在氮负荷 0.55g/(Ld)、上升流速 1.25 L/h 条件下运行，培养开始时接种污泥微生物未适应环境条件，污泥脱氨效率迅速下降至 50.88%(第 4 d)，之后脱氮效率逐步提升，在第 12 20 d 后脱氮效率均超过 90.00%;第阶段(第 21 40 d)，氮负荷和上升流速分别提升至 0.95 g/(Ld)和 1.45 L/h，微生物受培养条件变化的影响，污泥脱氮效率出现小幅度下降，之后波动上升，其值处于 92.53%98.75%;第阶段(第41 60 d)，氮负荷和上升流速分别提升至 1.66g/(Ld)和 1.65 L/h，污泥脱氮效率在 92.07%100.00%上下波动，均值为 98.10%;第阶段(第61 80 d)，氮负荷和上升流速分别提升至 2.96g/(Ld)和 1.85 L/h，污泥脱氮效率达到 95.56%以上，波动变化也趋于平稳;第阶段(第 81 100d)，氮负荷和上升流速分别提升至 5.35 g/(Ld)和 2.05 L/h，颗粒污泥处于成熟期，其脱氮效率波动变化更加平稳，基本超过 93.29%。接种污泥培养开始时微生物因外界培养条件的变化，导致其脱氮效率大幅度下降，待微生物适应培养条件，污泥脱氮效率逐步提升;随着氮负荷和上升流速耦合提升，培养条件变化进一步刺激微生物，污泥脱氮效率上下波动变化，但变化幅度逐步减小，平均脱氮效率逐步增大;颗粒污泥成熟期时，脱氮效率相对较高且稳定。污泥脱氮效率的变化