微氧同步产甲烷反硝化系统颗粒污泥形成特性_吕姗姗.pdf
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1、42化工环保ENVIRONMENTAL PROTECTION OF CHEMICAL INDUSTRY2023年第 43卷第 1期微氧同步产甲烷反硝化系统颗粒污泥形成特性吕姗姗1,2,周 鑫1,2,海 岩1,2,赵瑞强1,2,韩瑞洪1 摘要 采用微氧改良膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器处理高浓度有机含氮废水(COD 4 000 mg/L,NO3-N质量浓度300 mg/L),通过预曝气和逐步缩短水力停留时间(HRT)的方式,经过89 d运行成功培养出具有同步产甲烷反硝化(SMD)功能的颗粒污泥。当HRT为12 h时,甲烷产量可达(9 054.91 261.2)mL/d,同时COD去除率为92.
2、4%1.5%,TN去除率为88.1%3.3%,SMD处理效能最佳。污泥由最初的絮状污泥转变为圆润紧实的大粒径颗粒污泥。污泥胞外聚合物(EPS)分析显示,蛋白质和多糖含量显著增加。三维荧光光谱表征发现,成熟微氧颗粒污泥具有旺盛的EPS分泌和代谢能力。高通量测序证实,成熟颗粒污泥中产甲烷菌和反硝化菌均得到了快速增殖。关键词 微氧颗粒污泥;水力停留时间;产甲烷;反硝化;形成特性 中图分类号 X703 文献标志码 A 文章编号 1006-1878(2023)01-0042-08 DOI 10.3969/j.issn.1006-1878.2023.01.007Formation characteriza
3、tion of granular sludge in a micro-oxygen system for simultaneous methanogenesis and denitrification L Shanshan1,2,ZHOU Xin1,2,HAI Yan1,2,ZHAO Ruiqiang1,2,HAN Ruihong1(1.College of Environmental Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,Jinzhong 030600,China;2.Shanxi Innovation Center
4、 for Postgraduate Education of Municipal Engineering,Jinzhong 030600,China)Abstract:A micro-oxygen modified expanded granular sludge bed(EGSB)reactor was used to treat high concentration organic nitrogenous wastewater with 4 000 mg/L of COD and 300 mg/L of NO3-N mass concentration.The granular sludg
5、e with simultaneous methanogenesis and denitrification(SMD)function was successfully developed after 89-day operation through pre-aeration and stepwise reduction of HRT.At an HRT of 12 h,the SMD performance was optimal with the methane production up to(9 054.91 261.2)mL/d,COD removal rate of 92.4%1.
6、5%,and TN removal rate of 88.1%3.3%.The sludge was transformed from original flocculated sludge to fruity and tight large-sized granular sludge.Analysis of sludge extracellular polymer(EPS)shows that the content of protein and polysaccharide increased significantly.Three-dimensional fluorescence spe
7、ctrum(3D-EEM)indicates vigorous EPS secretion and metabolism capacity of the mature microaerobic granular sludge.High-throughput sequencing results confirm the rapid proliferation of both methane-producing and denitrifying bacterial genus in the mature granular sludge.Key words:micro-aerobic granula
8、r sludge;hydraulic retention time(HRT);methanogenesis;denitrification;formation characteristics 收稿日期 2022-03-18;修订日期 2022-10-20。作者简介 吕姗姗(1995),女,河北省泊头市人,硕士生,电话 19831021362,电邮 LSS。通讯作者:周鑫,电话 13353416195,电邮 。基金项目 国家自然科学基金项目(21607111);山西省基础研究计划项目(20210302123198);山西省高等学校大学生创新创业训练计划项目(20210106)。颗粒污泥技术因有机
9、负荷高、不易发生污泥膨胀、占地小、抗冲击能力强等优势受到国内外研究者广泛关注。上流式厌氧污泥床(UASB)及其变型(膨胀颗粒污泥床(EGSB)、内循环(IC)反应器等)由于具有大高径比、高上升流速和强水流剪切力的特性,成为颗粒污泥培养的首选反应器构型1。同步产甲烷反硝化(SMD)是指在厌氧代谢过程中,产酸菌和产甲烷菌将绝大多数有机物转化为甲烷,同时反硝化菌利用部分有机底物将硝酸盐(1.太原理工大学 环境科学与工程学院,山西 晋中 030600;2.山西省市政工程研究生教育创新中心,山西 晋中 030600)43第1期还原为氮气的过程。由于SMD能够同步去除废水中COD和NO3-N并回收生物甲烷
10、,因此在高浓度有机含氮废水处理中具有很好的应用前景2。李晓惠等3进一步证实了厌氧颗粒污泥同步产甲烷反硝化的可行性。KARIM等4在UASB中发现,厌氧颗粒污泥具有产甲烷菌、反硝化菌和兼性厌氧菌共存的结构,对提高同步反硝化产甲烷性能具有重要意义。近年来,微氧消化因具有比厌氧消化更高效的产甲烷性能而成为研究热点5-6。HUSSAIN等7证实,微有氧条件下污泥产甲烷过程能够顺利实现,且系统产甲烷性能高于厌氧条件。进一步研究发现,微氧曝气能增强水解作用并促进兼性微生物快速将有机物分解为短链脂肪酸(乙酸、丙酸等),降低厌氧代谢中间产物对产甲烷菌的抑制,使其产甲烷活性获得极大提高8-10。然而,目前尚未见
11、关于微氧SMD颗粒污泥的培养过程及特性表征的相关研究。本工作采用微氧改良EGSB反应器,通过逐步缩短水力停留时间(HRT)的方式,研究了微氧颗粒污泥的处理性能、形成过程及相关特性,旨在为高浓度有机含氮废水颗粒污泥处理技术提供前期支撑。1 材料和方法1.1 试剂和材料实验用污泥取自某污水处理厂厌氧消化池,MLSS(混合液悬浮固体浓度)为18.7 g/L,具有良好的产甲烷活性,接种体积约占EGSB反应器的47%。实验用废水为模拟废水,碳源、氮源和磷源分别由葡萄糖、硝酸钠、磷酸二氢钾提供,COD、NO3-N、磷酸二氢钾质量浓度分别约为4 000,300,60 mg/L。进水中加入1 mL/L微量元素
12、储备液,主要成分参照文献 11,进水pH控制在7.20.3。实验所用试剂均为分析纯,实验用水为去离子水。1.2 实验装置和流程反应器采用微氧改良EGSB,通过在传统EGSB内部增加填料区,以提高反应器内生物总量并避免污泥上浮流失,并通过控制反应器为微氧条件促进甲烷产生。反应器为有机玻璃制成,包含反应区和三相分离区两大部分,总有效容积17 L,高度为1.9 m,如图1所示。上部填充聚氨酯海绵填料,填充率为25%,填充高度0.35 m。顶端三相分离器用于气体收集和污泥沉淀。反应器整体采用黑色不透光纸包裹以避光,采用温控器控制温度为(352)。1 进水桶2 进水蠕动泵3 进水管4 污泥区5 填料区6
13、 三相分离器7 出水管8 出水池9 回流泵10 湿式气体流量计11 排泥管12 取样口13 加热装置32111129871065413图1 反应器示意图反应器之前采用60 h的HRT,已稳定运行104 d。本实验通过逐步缩短HRT的方式提高水流剪切力,以促进颗粒污泥快速形成。实验共分为4个阶段:阶段(127 d,HRT 48 h),阶段(2839 d,HRT 24 h),阶段(4073 d,HRT 12 h),阶段(7489 d,HRT 6 h),共运行89 d。实验过程采用进水预曝气方式维持反应器内微氧(DO 0.30.5 mg/L)环境,以促进甲烷产生。1.3 分析方法出水经0.45 m滤
14、膜过滤后采用哈希快速测定仪(DR1900型,美国哈希公司)测定COD、三氮浓度和DO。采用称重法得到水样MLSS、MLVSS(混合液挥发性悬浮固体浓度)、SVI(污泥体积指数)和VSS(挥发性悬浮固体浓度)。采用气相色谱仪(GC5890N型,TCD检测器,OV-101型色谱柱,南京科捷公司)测定气体成分。采用光学体视显微镜(SZM型,贝朗科技公司)和扫描电子显微镜(X-MaxN型,英国Oxford公司)拍摄颗粒污泥照片,参照文献 12 制备颗粒污泥SEM样品。采用苯酚-硫酸法测定颗粒污泥胞外聚合物(EPS)中多糖(PS)含量13,采用Folin-Lowry法测定其中蛋白质含量(PN)14。采用
15、三维荧光光谱仪(3D-EEM)(RF6000型,日本岛津公司)分析颗粒污泥EPS特性,扫描速率12 000 nm/min,激发波长(ex)200550 nm,步长2 nm;发射吕姗姗等.微氧同步产甲烷反硝化系统颗粒污泥形成特性442023年第 43卷化工环保ENVIRONMENTAL PROTECTION OF CHEMICAL INDUSTRY波长(em)200550 nm,步长5 nm。设定2 000,5 000,5 000 g的相对离心力将待测污泥样品分别离心15 min,用0.45 m滤膜过滤后依次得到可溶性EPS(S-EPS),松散结合EPS(LB-EPS),紧密结合EPS(TB-E
16、PS)。采用高通量测序平台(Illumina-MiSeq型,生工生物工程(上海)股份有限公司)对反应器初始污泥(第1天)和成熟颗粒污泥(第73天)进行微生物群落分析。2 结果与讨论2.1 反应器运行效果反应器各运行阶段的处理效果详见表1(每天取样一次,取平均值)。随着HRT的不断缩短,有机负荷不断增大,气体产量和甲烷产量呈现快速上升趋势,而COD去除率则呈现逐渐下降趋势,HRT为12 h时COD去除率保持在92%左右,进一步减至6 h时COD去除率显著下降到75%左右。氮去除方面,随着HRT的缩短,NO3-N浓度呈现先相对稳定再有所下降的趋势,但根据其初始浓度可知去除率始终保持在99%以上。出
17、水TN中主要是NH4+-N,说明系统内部发生了异化硝酸盐还原为铵(DNRA)的过程,这在高进水碳氮比废水厌氧处理研究中较为常见15-16。整体而言,在阶段(HRT 12 h),气体组分中甲烷的体积分数为48.9%,甲烷产量达(9 054.91 261.2)mL/d,此时COD去除率达92.4%1.5%,TN去除率达88.1%3.3%,反应器同步产甲烷反硝化性能最佳。若进一步缩短HRT到6 h,虽然甲烷产量有所提高,但COD和TN去除率均明显下降,说明在过短的HRT和极高负荷条件下,系统处理不彻底,出水水质有恶化的趋势。表1 反应器各运行阶段的处理效果阶段气体产量/(mLd-1)甲烷产量/(mL
18、d-1)出水质量浓度/(mgL-1)COD去除率/%TN去除率/%出水pHCODNO3-NNO2-NNH4+-N 4 701.01 901.8 2 671.71 091.144.015.60.60.4 0.70.4 24.23.698.90.788.52.9 7.880.2812 652.45 935.7 6 762.52 600.9175.010.30.70.3 0.30.66.72.896.60.197.42.6 7.980.3218 505.54 175.7 9 054.91 261.2304.06.30.50.3 0.20.1 35.23.192.41.588.13.3 7.710.1
19、436 268.51 644.512 538.81 189.9 1 013.5113.5 1.00.5 0.80.6 46.73.774.63.679.54.9 7.680.11为探究各阶段反硝化途径的脱氮量,结合表1并采用氮素平衡方法进行定量分析(式(1)(4)。由于系统始终未排泥,故离开系统进水中的氮主要由两部分组成:出水TN,反硝化产生的N2。氮物料衡算结果见表2。由表2可知,随着的HRT缩短,通过反硝化去除的氮负荷快速持续升高,氮平均去除量由2.33 g/d显著升高至17.11 g/d,表明在高负荷条件下,系统依然具有良好稳定的脱氮效果。m(Ninf)=m(Neff)+m(N2 den
20、)(1)m(Ninf)=Q(NO3-Ninf)(2)m(Neff)=Q(NH4+-Neff)+(NO2-Neff)+(NO3-Neff)(3)m(N2 den)=m(Ninf)-m(Neff)(4)式中:Q为进水流量,L/d;m(Ninf)和m(Neff)分别为进水和出水中的TN量,g/d;m(N2 den)为反硝化产生的N2量,g/d;(NH4+-Neff),(NO2-Neff),(NO3-Neff)分别为出水中NH4+-N,NO2-N,NO3-N的质量浓度,(NO3-Ninf)为进水中NO3-N的质量浓度,g/L。表2 氮物料衡算结果阶段m(Ninf)/(gd-1)m(Neff)/(gd-
21、1)m(N2 den)/(gd-1)阶段 2.60.22 2.33阶段 5.10.14 4.96阶段10.21.22 8.98阶段20.43.2917.112.2 颗粒污泥的浓度及沉降性能图2显示了反应器运行各阶段污泥的浓度和沉降性能。随着HRT的缩短,MLSS从第1天时的18.7 g/L升至最高值93.5 g/L,相应的SVI则从最初的43.4 mL/g降为6.4 mL/g,表明系统有机负荷快速上升,引起MLSS快速升高;同时,由于上升水流的剪切力不断提高,逐渐淘洗出了一些轻质絮状漂浮污泥,使得污泥床内部污泥颗粒粒径增大,污泥沉45第1期降加快。此外,MLVSS/MLSS从0.6升至0.9,
22、表明在缩短HRT的过程中,污泥中有机组分占比不断增加,微氧条件下水解发酵、产甲烷和反硝化细菌大量繁殖,污泥活性显著提高。圆润,粒径可达1.01.5 mm,并逐渐变为黑灰色。至第89天时,颗粒污泥颜色进一步转变为灰色和棕褐色为主,颗粒污泥粒径大部分在1.02.0 mm。上述结果表明,逐步缩短HRT的方式使水流剪切力增大,导致颗粒污泥边缘逐渐变得圆润,进而促进了大颗粒污泥的形成。再加上微氧曝气和进水有机负荷的增加,使得反应器内的微生物快速繁殖,促使微生物细胞快速分泌EPS,进而增加黏附作用17,并有助于甲烷生成18。成熟的微氧同步产甲烷反硝化颗粒污泥更加紧实,表面轮廓均匀光滑。对第39天和第73天
23、的颗粒污泥形成过程进行了SEM分析(图4)。在颗粒污泥形成初期(第39天),在水流冲刷的作用下,污泥已发生显著的团聚现象,整体粒径增大,但颗粒污泥边缘还较为粗糙,不圆润,其微生物相主要由大量的丝状菌不规则缠绕构成。而在颗粒污泥成熟期(第73天),颗粒污泥表面变得圆润饱满,有明显的轮廓,内部密实,微生物相中发现丝状菌排列更加规则,同时还发现有杆菌。这些菌群可能与微氧条件下充足有机底物环境中的微生物代谢过程相关19,适宜的水力负荷可加速污泥颗粒化进程,并保持功能菌群结构相对平衡稳定,从而提高出水水质。102030405060708090100MLSS/(gL-1)MLSSMLVSS/MLSSSVI
24、第1天第27天第39天第73天第89天运行时间0.600.650.700.750.800.850.900.95MLVSS/MLSS05101520253035404550SVI/(mLg-1)图2 反应器运行各阶段污泥的浓度和沉降性能2.3 颗粒污泥的形成过程图3展示了反应器运行过程中污泥的颗粒化过程。第1天时污泥粒径微小且结构松散,多以黑色絮状污泥为主。运行至第39天时出现了较大块的颗粒污泥,此时颗粒污泥边缘呈不规则的毛刺状,表面微生物之间发生黏附团聚现象。第73天时,反应器内出现明显污泥颗粒化现象,污泥外形变得十分图3 反应器运行各阶段污泥的OM(上排)和SEM(下排)照片运行时间/d:a
25、,A 1;b,B 27;c,C 39;d,D 73;e,E 891 cm1 cm1 cm1 cm1 cm5 000 m5 000 m5 000 m5 000 m5 000 mabcdeABCDE2.4 颗粒污泥的EPS分析EPS对颗粒污泥的聚集和稳定具有至关重要的作用。图5分析了反应器运行各阶段污泥EPS的含量及组成变化。随着运行时间的延长,EPS含量(PS含量+PN含量)增长显著,表明微生物细胞分泌胞外聚合物能力逐渐增强。从EPS结构看,固着性EPS(TB-EPS和LB-EPS)占比提高更为突出,较多的固着性EPS使得颗粒污泥内部结构更加坚固紧实,污泥絮凝和沉降性能更加良好。EPS组成方面,
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