自营养脱氮反应器快速启动影响因素研究_陈海.pdf

收稿日期：2022-06-07基金项目：山东省高等学校科技计划（J17KA198）；济南大学科技计划项目（XBS2001）作者简介：陈海，男，高级工程师，主要研究方向为市政工程。通讯作者：王嘉斌，男，教授，博士，主要研究方向为市政工程。引文格式：陈海，张欣源，朱玲利，等.自营养脱氮反应器快速启动影响因素研究 J.市政技术，2023，41（3）：171-175.（CHEN H，ZHANG XY，ZHU L L，et al.Study on influencing factors of quickly starting for the autotrophic nitrogen removal reactor J.Journal of municipaltechnology，2023，41（3）：171-175.）文章编号：1009-7767（2023）03-0171-05第41卷第3期2023年3月Vol.41，No.3Mar.2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.03.171Journal of Municipal Technology自营养脱氮反应器快速启动影响因素研究陈海1，张欣源2，朱玲利3，王嘉斌2*（1.大连市市政设计研究院有限责任公司，辽宁 大连 116011；2.济南大学 土木建筑学院，山东 济南 250022；3.南京市政设计研究院有限责任公司，江苏 南京 210018）摘要：构建了 3 组自营养脱氮反应器，采用对比试验研究了接种污泥和 pH 等因素对自营养脱氮反应器启动效能的影响规律，解析了其作用原理。研究结果表明，接种 11 比例厌氧氨氧化污泥和反硝化污泥的混合污泥，自营养脱氮反应器启动更快，并具有较好的脱氮效能，氨氮去除率稳定在 90%以上；pH 为 7.68.0 时对自营养脱氮反应器的启动影响较小，pH 为 8.58.9 时表现出对厌氧氨氧化菌的抵制作用，亚硝酸盐积累现象明显，不能正常启动自营养脱氮反应器。分子生物学解析表明，不同接种污泥以及不同 pH 环境均会造成反应器中菌落结构的差异性变化，关键功能菌群相对丰度减小，会影响到自营养脱氮反应体系的平衡，反应器脱氮效能下降。关键词：自营养脱氮；快速启动；接种污泥；pH；分子生物学中图分类号：X 703.3文献标志码：AStudy on Influencing Factors of Quickly Starting for the AutotrophicNitrogen Removal ReactorChen Hai1，Zhang Xinyuan2，Zhu Lingli3，Wang Jiabin2*（1.Dalian Municipal Design and Research Institute Co.，Ltd.，Dalian 116011，China；2.School of Civil Engineering and Architecture，Jinan University，Jinan 250022，China；3.Nanjing Municipal Design and Research Institute Co.，Ltd.，Nanjing 210018，China）Abstract：Three groups of autotrophic nitrogen removal reactors were constructed.The effects of inoculated sludgeseeding and pH on the start-up efficiency of the reactors were studied by comparative experiments，and the actionprinciples were analyzed.The research results show that autotrophic nitrogen removal starts faster when the mixedsludge is mixed with anaerobic ammonia oxidation and denitrifying sludge in the proportion of 1 to 1，and has betternitrogen removal efficiency with the stable ammonia nitrogen removal rate above 90%；The effect of pH on the start-up speed of autotrophic nitrogen removal reactor is lower when pH is 7.68.0；When pH is 8.58.9，it has resis-tance to anaerobic ammonia oxidizing bacteria，nitrite accumulates obviously and the reactor will not start normally.Molecular biology analysis shows that both different inoculated sludge and pH environment will cause differentchanges in the community structure in the reactor.The reduction of the relative abundance of key functional bacteriawill affect the balance of the autotrophic nitrogen removal reaction system and reduce the nitrogen removal efficiencyof the reactor.Key words：autotrophic nitrogen removal；quick start；inoculated sludge；pH；molecular biologyJournal of Municipal Technology第41卷氮素是导致水体富营养化的元凶之一，过量的氮素进入天然水体会促使藻类迅速生长，进而大量消耗水中的溶解氧，破坏水生态平衡1。在传统的生物脱氮系统中，脱氮一般包括氨化、硝化和反硝化3个过程：首先，废水中的含氮有机物在生物处理过程中被好氧或厌氧异养型微生物氧化分解为氨氮2；其次，氨氧化菌以O2作为电子受体将铵根离子氧化为亚硝酸根离子，形成的亚硝酸根离子在亚硝酸盐氧化菌作用下以O2作为电子受体被进一步氧化为硝酸根离子3-4；最后，反硝化细菌以有机物作为电子供体将硝酸根离子反硝化生成氮气5。传统硝化-反硝化脱氮技术应用广泛，其运行稳定、出水效果好6-7，但也存在着处理能耗高、碳源需求量大等问题。自营养脱氮工艺作为新型脱氮技术之一，具有脱氮效率高、运行成本低等优点，在处理高氨氮、低C/N废水方面有着广阔的应用前景8-9。自营养脱氮工艺是利用氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的共同作用进行脱氮，因此实现氨氧化菌与厌氧氨氧化菌的共存、共生并维持良好的反应平衡是自营养脱氮工艺稳定运行的关键10-11。通常氨氧化菌会与亚硝酸盐氧化菌在水处理工艺中共存，但亚硝酸盐氧化菌在硝化反应中会把亚硝酸根转化为硝酸根，导致亚硝酸根无法积累，使除氮效果减弱12-13。所以需要抑制亚硝酸盐氧化菌的活性以及找到适合氨氧化菌与厌氧氨氧化菌生长的条件，才能使自营养脱氮反应器快速启动。笔者拟通过对比试验研究接种污泥和pH等因素对自营养脱氮反应器启动过程的影响规律，并通过分子生物学分析解析其机理。1试验装置与检测方法试验用反应器由有机玻璃管制成，如图1所示。反应器内径为80 mm，高1.0 m；管壁上设置出水口，用以取样和排水；进水口设于反应器下部；反应器底部设排泥口，用于排出剩余污泥。反应器中保持35 恒温运行，使用温度控制仪保证恒温；使用内循环泵实现水力搅拌，保证良好的泥水混合。反应器内安装曝气头，通过阀门控制曝气量；反应器避光运行，防止光线对厌氧氨氧化菌产生影响。采用氯化铵和磷酸氢二钾模拟废水中的氨氮和三代磷酸盐，由碳酸氢钠提供碳源，使用NaOH调节废水pH。接种污泥分别为实验室自行培养的厌氧氨氧化污泥和济南某中水处理站的反硝化污泥。试验中微生物样品DNA提取采用OMEGA公司的土壤DNA提取试剂盒，PCR扩增采用GC-338F和518R为引物，扩增条带采用DGGE图谱进行分析。2试验组织与结果分析笔者构建了3组反应器，分别为R1、R2、R3，其中R1接种反硝化污泥，R2、R3接种厌氧氨氧化污泥与反硝化污泥的混合污泥，混合比例为11（体积比）；R1、R2、R3均控制接种污泥质量浓度为3 000 mg/L，反应器序批式运行，运行周期为24 h，每周期充放比50%，HRT=48 h，溶解氧质量浓度在0.50.9 mg/L，温度控制在35。R1、R2反应器pH为7.68.0，R3反应器pH为8.58.9。在运行初期向进水中同时投加氨氮与亚硝态氮，启动14 d后不再继续投加亚硝态氮。2.1接种污泥的影响接种污泥对反应器处理效能的影响如图24所示。由图24可以看出，由于接种污泥不同，2组反应器内的氮转移过程表现出了不同的特点。2组反应器的出水氨氮质量浓度在初期均出现了升高甚至高于进水氨氮质量浓度的现象，这可能是因为接种污泥不适应新环境导致细菌自身裂解释放氨氮造成的。随着接种污泥逐步驯化，出水氨氮质量浓度逐步降低并最终维持在一个较低的水平。R1反应器在图1试验用反应器Fig.1 Experimental reactor172第3期进水停止投加亚硝态氮后依旧形成了较明显的亚硝态氮积累，R2反应器在运行22 d之后出水氨氮、亚硝态氮质量浓度均很低，出水硝态氮质量浓度稳定，说明氨氧化菌在自营养脱氮反应器内可以有效完成氨氮到亚硝态氮的短程硝化反应。因R1反应器接种污泥为反硝化污泥，短期内较难形成有效的厌氧氨氧化菌富集，反硝化现象在一定程度上还存在，因此反应器内出现亚硝态氮积累现象，且出水硝态氮质量浓度较低。R2反应器能更快地适应驯化环境，接种污泥中厌氧氨氧化菌的存在使得短程硝化产生的亚硝态氮可以通过厌氧氨氧化途径去除，因此出水氨氮、亚硝态氮质量浓度均很低。通过上述分析可知，接种混合污泥可以更快速地完成自营养脱氮反应器的启动，且脱氮效能更佳。2.2pH的影响硝化细菌和厌氧氨氧化菌由于自身的生理特性不同，有不同的适宜pH范围，pH过高或过低都不利于细菌生长。pH对反应器处理效能的影响如图3、5、6所示。由图3、5、6可以看出，在R3反应器启动初期，出水氨氮质量浓度略有波动，出水亚硝态氮、硝态氮质量浓度较高，亚硝态氮积累较明显，说明pH为8.58.9时厌氧氨氧化、反硝化过程受到了抑制，而短程硝化过程可以有效进行。全程硝化进行的并不彻底，可能与接种污泥为混合污泥且反应器中DO质量浓度偏低有关。至反应器启动驯化结束，R3反应器出水硝态氮和亚硝态氮质量浓度均较高，这说明图2R1反应器处理效能Fig.2 Treatment efficiency of Reactor R1图3R2反应器处理效能Fig.3 Treatment efficiency of Reactor R2图4R1、R2反应器氨氮去除率Fig.4 Ammonia nitrogen removal rates of Reactor R1 and R2图5R3反应器处理效能Fig.5 Treatment efficiency of Reactor R3陈海等：自营养脱氮反应器快速启动影响因素研究173Journal of Municipal Technology第41卷表1目的条带对比结果Tab.1 Comparison results of target strips条带编号最相似菌株登录号相似度/%最相似类群2691011131821232526DechloromonashortensisNitrospiradefluviiProteiniclasticumruminisPseudomonasknackmussiiB13VibrioalfacsensisGalbibactermarinusSulfurimonasautotrophicaBacillustoyonensisAquabacteriumparvumElizabethkingiaanophelisIamiamajanohamensisNR_042819NR_074700NR_115875NR_121733NR_118129NR_108285NR_074451NR_121761NR_024874NR_116021NR_041634999699100939399100999090ProteobacteriaNitrospiraeFirmicutesProteobacteriaProteobacteriaBacteroidetesProteobacteriaFirmicutesProteobacteriaBacteroidetesActinobacteriapH为8.58.9时厌氧氨氧化菌的活性受到了抑制，在此pH范围内很难成功启动自营养脱氮反应器。当pH为7.68.0时可以成功启动自营养脱氮反应器。2.3接种污泥和pH对反应器中优势菌群结构的影响为进一步解析接种污泥和pH对自营养脱氮反应器启动过程的影响机理，分别取R1、R2、R3反应器启动培养40 d后的污泥样品，使用OMEGA公司的土壤DNA提取试剂盒提取DNA，经细胞裂解与分离纯化后采用GC-338F和518R为引物来扩增16SrDNA序列得到DNA片段，采用DGGE图谱进行分析，结果如图79所示。经测序并与GenBank序列比对，获得条带对比结果如表1所示。对比上述测序结果可知，接种污泥对反应器中优势菌群结构的影响较大，R2反应器相较于R1反应器的DGGE图谱相似性只有9.7%。R1反应器中Proteiniclasticumruminis（条带9）、Pseudomonasknack-mussiiB13（条带10）、Sulfurimonas autotrophica（条带18）、Bacillus toyonensis（条带21）为优势菌群，分别图6R2、R3反应器氨氮去除率Fig.6 Ammonia nitrogen removal rates of Reactor R2 and R3图7基因组DNA提取（M：DL2000）Fig.7 Genomic DNA extraction（M：DL2000）图8GC-PCR检测（M：DL2000）Fig.8 GC-PCR detection（M：DL2000）图9DGGE凝胶电泳与量化分析胶图Fig.9 DGGE gel electrophoresis and quantitative analysis gel map174第3期属于厚壁菌门、变形菌门；R2反应器中Nitrospiradefluvii（条带6）、Vibrioalfacsensis（条带11）、Aquabac-terium parvum（条带23）、Iamia majanohamensis（条带26）为优势菌群，分别属于硝化螺旋菌门、变形菌门、放线菌门。其中Aquabacteriumparvum为-变形菌纲的伯克霍尔德氏菌科，具有固氮作用。R2反应器的物种丰富度要高于R1反应器，硝化螺旋菌门Nitrospiradefluvii（条带6）的存在可能是导致R2反应器亚硝酸盐质量浓度较低的原因。R3反应器相较于R2反应器的DGGE图谱相似性为24.2%，其优势菌群有变形菌门Dechloromonashortensis（条带2）、Vibrio alfacsensis（条带11），硝化螺旋菌门Nitrospira defluvii（条带6），拟杆菌门Gal-bibacter marinus（条带13）、Elizabethkingia anophelis（条带25），厚壁菌门Bacillus toyonensis（条带21），放线菌门Iamia majanohamensis（条带26）。R2、R3反应器中都有硝化螺旋菌门Nitrospira defluvii（条带6）的存在，pH在7.68.9之间时对硝化细菌影响较小。Aquabacterium parvum（条带23）不能较好地适应pH为8.58.9的环境，这可能是R3反应器中出现亚硝态氮积累的原因。3结论1）接种厌氧氨氧化污泥与反硝化污泥的混合污泥更有利于自营养脱氮反应器的快速启动，反应器可在22 d左右完成启动并具有较好的脱氮效能。2）pH对自营养脱氮反应器的启动有较大影响，pH保持在7.68.0之间有利于自营养脱氮反应器的快速启动，pH在8.58.9之间时会对厌氧氨氧化菌的活性造成较大影响，使得自营养脱氮反应器不能完成启动。3）不同接种污泥以及不同pH环境均会造成反应器中菌落结构的差异性变化，3个反应器DGGE图谱相似性较低，接种混合污泥的反应器物种丰度度较高，优势菌群氨氧化效能较好；Aquabacteriumparvum不能较好地适应8.58.9的pH环境，会引起反应器中亚硝态氮的积累，破坏自营养脱氮反应体系的平衡。参考文献1李薇.溶解氧水平对富营养化水体底泥氮磷转化影响的研究D.南京：南京理工大学，2014.（LI W.Study on the impact ofDO on the release of nitrogen and phosphorus from sediment ineutrophic waterD.Nanjing：Nanjing University of Science&Technology，2014.）2康淑琴.短程硝化-厌氧氨氧化工艺处理高氨氮废水的研究D.武汉：武汉理工大学，2008.（KANG S Q.Study on ammo-nium-rich wastewater treatment with partial nitrification-ANAM-MOXprocessD.Wuhan：WuhanUniversityofTechnology，2008.）3JUAN C A M，ALEJANDRO H C，NOEMI E Z，et al.Nitrificationandaerobic denitrification in anoxic-aerobic sequencing batch re-actorJ.Bioresource technology，2016，200：380-387.4NISHIGAYA Y，FUJIMOTO Z，YAMAZAKI T，et al.Optimizedinhibition assays reveal different inhibitory responses of hydrox-ylamine oxidoreductases from beta-and 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