2021, Vol. 53
2. 城市水资源与水环境国家重点实验室(哈尔滨工业大学)，哈尔滨 150090
2. State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment (Harbin Institute of Technology), Harbin 150090, China
目前，厌氧氨氧化工艺逐渐成为污水处理的研究热点，但厌氧氨氧化菌倍增时间长达11~19 d[1]，细胞产率低并且对温度、溶解氧以及生长基质等周围环境极其敏感[2].一般认为，温度、pH、溶解氧波动过大及底物抑制会导致厌氧氨氧化菌活性降低，一旦处于环境不利，之后的活性将难以恢复[2-3].有研究表明，在厌氧氨氧化污泥复壮期间，少量的AOB菌利用系统中微量的氧将NH4+-N氧化为NO2--N，与厌氧氨氧化菌竞争底物，进而延长厌氧氨氧化污泥复壮的时间[4-5]，因此，探究厌氧氨氧化系统快速复壮的策略引起了广泛关注.
研究表明，间歇搅拌方式使反应器保持较低的流化状态形成较低的溶解氧环境，有利于抑制好氧硝化菌活性进而促进厌氧氨氧化菌生长[6].同时，厌氧氨氧化菌具有密度依赖性，只有当厌氧氨氧化细胞浓度达1010~1011cell/mL，厌氧氨氧化活性才能表现出来[7].间歇搅拌方式运行时在停止搅拌期间，颗粒污泥沉降到底部，反应系统中的厌氧氨氧化菌在较小体积内细胞浓度较高从而提高细菌活性，此时反应器中水流相对静止，污泥所接触的溶解氧较低，促进形成厌氧状态；在搅拌期间，颗粒污泥与基质溶液充分接触进行反应，适当地排出产生的气体，防止污泥上浮，并且提供剪切力促进颗粒污泥的形成.然而，相对于连续搅拌方式，间歇搅拌方式可能会使系统中的污泥与基质溶液接触不充分，其运行的脱氮效果有待进一步研究.
本实验结合上述分析采用3个SBR反应器，搅拌方式分别为连续搅拌、间歇搅拌、间歇搅拌方式(R2、R3转速不同)，探讨不同搅拌方式对厌氧氨氧化污泥脱氮性能复壮及运行工况，以期为实际工艺及工况提供理论参考.
1 实验 1.1 接种污泥和实验用水将装有厌氧氨氧化菌种的5 L厌氧瓶置于装有水浴温度(15±1)℃的容器中于避光处储存15 d(储存基质NH4+-N、NO2--N的质量浓度为100 mg/L). 储存后的厌氧氨氧化污泥底部有些发黑，将部分发黑的厌氧氨氧化污泥平均分为3份于3个SBR反应器内(敞口状态运行)，分别编号为R1、R2、R3.颗粒平均粒径为329 μm，MLSS为2 443 mg/L.
本实验采用人工配水，(NH4)2SO4提供氨氮，NaNO2提供亚硝态氮，NaHCO3提供进水碱度，其碱度与氮比为5，KH2PO4为2.5 mg/L，CaCl2为12.5 mg/L以及1.00 mL/L的微量元素；微量元素成分为：EDTA(15 g/L)，CoCl2·6H2O(0.25 g/L)，ZnSO4·7H2O(0.42 g/L)，CuSO4·5H2O(0.24 g/L)，MnCl2· 4H2O(0.98 g/L)，H3BO4(0.015 g/L)，NiCl2·2H2O(0.020 g/L)，NaWO4·2H2O(0.060 g/L).
整个实验过程分为复壮时期、提高负荷时期、稳定运行时期3个阶段.污泥性能稳定后，增加进水基质浓度来提高进水负荷.在复壮时期，氨氮质量浓度约为50 mg/L，提高负荷时期和稳定时期，氨氮质量浓度为70 mg/L.配水基质氨氮、亚氮质量浓度按适当比例配制(由于实验接种污泥中AOB菌的活性较高，提高了配水中的氨氮比例)，实验测得进入反应器后的氨氮与亚氮质量浓度比约为1∶ 1.
1.2 实验装置及运行参数采用3个2 L的SBR反应器，直径为9 cm，排水比为80%，周期12 h，进水10 min，反应运行680 min，沉淀10 min，排水10 min，闲置10 min.实验在室温下进行，温度在20~22 ℃，温度由温控器控制.pH在6.9~8.6.反应器进水、搅拌、排水由时控开关自动控制，内置搅拌机使泥水混合.反应器装有pH、DO及温度在线监测探头.
根据搅拌功率P=Npρn3D5，其中P与n(转速)相关，搅拌耗能W=Pt[8]，转数=n×t，W与一定时间内转数值相关.实验设置3组反应器，R1、R2在一个周期内保持搅拌耗能一致(转数相同)，对比探讨不同搅拌方式对厌氧氨氧化系统运行影响，R2与R3作对比探讨间歇搅拌方式不同搅拌转速对厌氧氨氧化系统的运行影响.3个反应器搅拌方式的参数如表 1所示.
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表 1 3个反应器的搅拌参数 Tab. 1 Stirring parameters of three reactors |
NH4+-N的测定采用纳氏试剂分光光度法；NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；NO3--N采用紫外分光光度法.污泥的粒径分布采用激光粒度仪(Malvern Mastersizer 2000)进行测定.
EPS处理及测定方法：取30 mL污泥样品，配平，4 000g离心(常温)10 min，去掉上清液，加入缓冲液(常温)，恢复体积到30 mL，配平，4 000g离心(常温)15 min，去掉上清液，将剩余样品用缓冲液(常温)恢复体积至30 mL，涡旋1 min使离心管底部污泥完全散开，60 ℃水浴加热30 min，同时令离心机空转降温至4 ℃；样品冷却至接近室温时，配平，20 000g离心20 min，4 ℃，上清液即为待测样.采用苯酚硫酸法在490 nm波长下测定多糖质量分数，考马斯亮蓝法在595 nm波长下测定蛋白质量分数.
好氧氨氧化速率(RAOB)、厌氧氨氧化速率(RAnammox)等参数[9]按下式计算：
| $ \begin{array}{l} {R_{{\rm{AOB}}}} = {\rm{ }}[{\rho _{{\rm{in}}}}({\rm{NH}}_4^ + - {\rm{N}}) - {\rho _{{\rm{ef}}}}({\rm{NH}}_4^ + - {\rm{N}}) - \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;({\rho _{{\rm{in}}}}({\rm{TN}}) - {\rho _{{\rm{ef}}}}({\rm{TN}}))/2.04] \times Q/V\\ \;\;\;\;{R_{{\rm{Anammox}}}} = ({\rho _{{\rm{in}}}}({\rm{TN}}) - {\rho _{{\rm{ef}}}}({\rm{TN}})) \times Q/\left( {2.04 \times V} \right). \end{array} $ |
式中：RAOB、RAnammox为反应器好氧、厌氧氨氧化速率，g/(m3·d); ρin(NH4+-N)、ρef(NH4+-N)为进、出水氨氮质量浓度; ρin(TN)、ρef(TN)为进、出水总氮质量浓度; Q为流量; V为反应器体积.
2 结果与讨论 2.1 反应器脱氮性能及功能菌活性分析 2.1.1 反应器脱氮性能变化3个反应器脱氮性能如图 1所示，实验初期，R1的厌氧氨氧化反应脱氮恢复效果相比R2、R3的恢复效果相差很远.经过2 d的适应，间歇搅拌方式运行系统(R2、R3)表现出良好的厌氧氨氧化活性，氨氮、亚硝酸盐氮去除率接近100%.连续搅拌方式运行系统(R1)初期的厌氧氨氧化活性较低，氨氮去除率比亚硝酸盐氮去除率高，R1反应器中消耗的NO2--N/NH4+-N较低，可能是由于污泥中存在较高活性的AOB菌，连续搅拌方式形成的溶解氧较高，AOB菌消耗溶解氧将NH4+-N转化为NO2--N，溶液中NH4+-N的质量浓度降低，进而影响系统中厌氧氨氧化反应的底物消耗情况，提高了氨氮的去除率.文献[10]也发现AOB菌的存在降低了溶解氧质量浓度(溶解氧主要来源于进水)，氨氮去除率较高.随着反应运行，由图 1可看出脱氮性能逐渐升高，溶解氧逐渐降低，AOB菌不再适应厌氧环境，其活性降低，使厌氧氨氧化反应逐渐成为主导反应.随着厌氧氨氧化活性提高，硝化作用减弱，第10天，R1的氨氮、亚硝酸盐氮去除率接近100%，此时反应系统进入稳定时期.由此可得，间歇搅拌方式相对连续搅拌方式使系统更易形成厌氧环境，抑制硝化作用，使厌氧氨氧化污泥快速复壮，而连续搅拌方式需要一定时间才能恢复厌氧氨氧化菌的活性.R1、R2、R3脱氮性能稳定时期的化学计量比分别为1∶1.15∶0.37、1∶1.17∶0.26、1∶1.17∶ 0.25，R2与R3脱氮性能相近，R1的ρ(NO3--N)/ρ(NH4+-N)较高，可能是连续搅拌方式导致R1反应器中存在较高的溶解氧，厌氧氨氧化菌消耗相应的基质后，NOB菌将剩余的亚硝酸盐氮在溶解氧存在的条件下反应生成硝酸盐氮，从而使反应出水的硝酸盐氮质量浓度升高.相对连续搅拌方式，间歇搅拌方式近似于给系统中污泥提供一个饱食饥饿的交替状态，NOB菌饱食饥饿性较差，容易受环境变化影响，间歇搅拌方式有利于逐渐淘汰NOB菌.综上，间歇搅拌方式有利于厌氧氨氧化菌复壮，其不同转速对反应器的脱氮性能影响较小.
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图 1 3个反应器的氮质量浓度及氮去除率变化 Fig. 1 Changes of nitrogen concentration and nitrogen removal rate of three reactors |
厌氧氨氧化脱氮性能稳定后，第38天提高基质浓度进而提高反应器脱氮负荷.提高负荷初期，由于基质浓度变高，系统受到一定冲击，氨氮、亚硝酸盐氮去除率降低.R1、R2、R3的氨氮去除率降低为70.13%(降低幅度为30.87%)、80.31%(降低幅度为19.32%)、80.13%(降低幅度为19.87%)；亚硝酸盐氮去除率降低为71.43%(降低幅度为26.28%)、79.92%(降低幅度为20.08%)、80.58%(降低幅度为19.42%).间歇搅拌方式运行的系统(R2、R3)相比连续搅拌方式运行的系统(R1)，脱氮性能变化幅度较低，更容易抗击基质负荷的波动，保持相对稳定的厌氧环境，在停止搅拌期间使厌氧氨氧化污泥进一步与基质反应，更有利于厌氧氨氧化污泥保持其活性，从而提高氨氮、亚硝酸盐氮去除率，降低脱氮性能的变化程度.R1的ρ(NO3--N)/ρ(NH4+-N)由上一阶段0.37降低到0.22，在连续搅拌方式运行的系统中，随着氮负荷的提高，厌氧氨氧化菌代谢较慢，出水的氨氮质量浓度提高(由0 mg/L提高到10 mg/L以上)，游离氨FA质量浓度为0.612 mg/L，在AOB菌可承受的阈值之内，NOB菌的阈值之外，进而对NOB菌有抑制作用[11-12]，使ρ(NO3--N)/ρ(NH4+-N)降低幅度较大，ρ(NO2--N)/ ρ(NH4+-N)变化较小，稳定在1.17左右.
随着厌氧氨氧化菌占主要优势，3个反应器进入了稳定时期，氨氮、亚硝酸盐氮去除率均接近100%，化学计量比分别稳定在1∶1.17∶0.20、1∶1.22∶0.25、1∶1.21∶0.25，总氮去除率分别稳定在75.7%、78.3%、78.9%.相比R2、R3间歇搅拌方式运行的系统，R1系统中溶解氧较高，进而AOB活性相对R2、R3的活性较强，但R2、R3的脱氮性能没有明显差距，间歇搅拌方式更有利于厌氧氨氧化菌的稳定运行.研究[13]发现搅拌转速在一定范围内反应效果并没明显变化，且转速越快搅拌器消耗功率越大.本研究中机械搅拌主要使污泥与溶液充分混合获取底物，R2、R3的转速可能在此范围内对微生物没有明显的影响，从实验结果同样看出, 在相同时间内搅拌转速不同(转速在100~140 r/min)对反应器的脱氮性能影响较小，且转速小消耗功率低有利于高效节能.
2.1.2 反应器主要功能菌活性变化通过计算单位体积反应器的RAnammox，间接说明厌氧氨氧化菌活性的变化情况，结果如图 2显示.
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图 2 3个反应器的主要功能菌活性变化 Fig. 2 Changes of main functional bacteria activity of three reactors |
复壮时期初，R2和R3的RAnammox在前2 d降低，RAOB较高，可能是由于阶段初期厌氧氨氧化菌进入新的环境不适应，进水没做去氧处理，AOB菌在有氧的条件下进行好氧硝化.R1的RAnammox几乎为零，RAOB变化浮动较大，连续搅拌方式带来较多的溶解氧，在厌氧氨氧化菌复壮初期提供的溶解氧已能够抑制失稳厌氧氨氧化菌的活性，在溶解氧较高的条件下，AOB菌的活性提高，进而阻止厌氧氨氧化反应的进行.复壮后期，R2、R3的RAnammox由60.96 g/(m3·d)提升到73.56 g/(m3·d)左右，厌氧氨氧化菌活性逐渐提高.在连续搅拌方式运行的R1系统中，随着厌氧氨氧化菌活性逐渐提高，硝化作用开始减弱，RAnammox稳定在48.95 g/(m3·d)，但是由于初期AOB菌的活性较高且连续搅拌方式提供的环境中溶解氧较高，AOB菌的活性不易降低，复壮时期末R1的RAOB为10.58 g/(m3·d)，比R2、R3的活性高，AOB菌的世代时间比厌氧氨氧化菌的世代时间短，生长速度快，进而使RAOB与厌氧氨氧化速率相差20 g/(m3·d)左右，R2、R3间歇搅拌系统的RAnammox都在68.2 g/(m3·d)左右，间歇搅拌方式运行系统R2、R3的搅拌转速不同，可能是在此范围内，搅拌转速的变化对微生物没有较大的影响，R2、R3的RAnammox相差较小.
随着氮负荷的提高，反应器内RAnammox逐渐提高，初期R2、R3的RAnammox相比R1的高，可知间歇搅拌方式更适合厌氧氨氧化菌生长，从而解释上一节在提高负荷时期，R2、R3的氨氮、亚氮去除率降低幅度较小的结果.3个反应器的RAOB在提高负荷初期升高，可能是进水没有去氧处理，基质浓度升高在短时间内好氧氨氧化去除效率较高.随着反应运行，由于基质浓度提高，在短时间内脱氮性能不能大幅提高，出水氨氮质量浓度较高，形成较高的游离氨质量浓度，抑制了NOB菌的活性，从而促进RAnammox升高.脱氮性能稳定后，稳定时期R1、R2、R3 3个反应器的RAnammox分别稳定在88.99, 89.80, 92.88 g/(m3·d)左右，RAOB在5 g/(m3·d)以内.
2.2 周期实验反应器中功能菌的活性和系统的脱氮性能与反应器内DO和pH的变化有着密切联系[11].为明晰间歇搅拌方式与连续搅拌方式中的系统反应工况，对3个反应器中DO、pH的变化进行了在线监测，同时也测了周期内的三氮变化，间接反映底物消耗的情况，从而明确菌种活性变化.3个反应器在稳定运行时期的一个典型周期内pH及DO变化和周期内的三氮质量浓度变化如图 3所示.
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图 3 3个反应器的典型周期实验pH、DO及三氮质量浓度变化 Fig. 3 Changes of pH, DO and trinitrogen concentration of three reactors in a typical cycle |
由于进水不做除氧处理，初期进水携带溶解氧，使反应器中的DO高达2.7~3.0 mg/L，其pH达7.99~8.12.由上节化学计量比可知系统中存在AOB菌，随着反应进行，以AOB菌为主的其他菌种在周期前1 h内消耗溶解氧降低到0.1 mg/L左右，pH随之降低到7.8左右，符合适合厌氧氨氧化菌生长的厌氧状态，随后系统以厌氧氨氧化反应为主体反应.氨氮氧化反应是产酸反应，反应越彻底产生的H+越多，pH的变化反映了系统中AOB菌活性的变化[11].起初1 h，R1、R2、R3反应器内pH的降幅分别为0.238(8.001→7.763)、0.228(8.003→7.775)、0.22(8.072→7.852)，从相应时间内的氮素质量浓度变化同样可看出，R2、R3反应器内的AOB菌活性比R1反应器的低.间歇搅拌方式运行时，在停止搅拌期间污泥接触溶解氧较少，有利于抑制AOB菌的活性.由图 3中R2、R3的氮素质量浓度变化可知，在停止搅拌期间，氮素质量浓度保持不变或升高，可能是颗粒污泥沉降到底部，与基质溶液接触面较小(近似于饥饿状态)，污泥消耗之前吸附的基质或自身产生的EPS以应对外界环境变化，同时，间歇饥饿状态有利于抑制NOB菌的活性，进一步解释2.1节R2、R3的ρ(NO3--N)/ρ(NH4+-N)比R1的低.
R1、R2、R3反应器内的DO在0.1 mg/L内维持了大约285, 385, 355 min后，DO曲线出现跃升，供AOB菌的底物已基本降解完，3个系统中溶解氧分别跃升到0.31, 0.19, 0.17 mg/L，R2、R3间歇搅拌方式形成水流的流化状态较弱，使反应器呈较低溶解氧环境状态时间较长，更适合厌氧氨氧化菌生长.随着为厌氧氨氧化菌提供的基质底物消耗殆尽(氨氮、亚氮在5 mg/L以下)，R1、R2、R3反应器分别在530, 610, 585 min出现pH最高值的拐点，标志着厌氧氨氧化反应基本结束[14]，最终出水氨氮都消耗彻底，亚氮在2 mg/L以下.由DO曲线、pH曲线拐点可得，R1反应器最先出现DO、pH拐点，在提高负荷阶段初期，出水氮素质量浓度比复壮时期高，pH快速提高进而提高FA质量浓度(约为0.61 mg/L)，有利于抑制NOB菌的活性[14-15]，从而提高R1的厌氧氨氧化速率.
2.3 颗粒污泥性能变化 2.3.1 污泥颗粒粒径及沉降性变化将3个反应器的颗粒粒径和SV30进行观测对比，以明晰不同运行方式下厌氧氨氧化颗粒污泥的污泥性能变化.
随着厌氧氨氧化污泥活性恢复，厌氧氨氧化污泥增殖并加快颗粒污泥形成，污泥颜色逐渐趋于红棕色，厌氧氨氧化菌活性提高，颗粒污泥粒径变大，在恢复活性末期，R1、R2、R3的颗粒粒径由329 μm分别增长为405, 406, 399 μm，SV30分别降为5.2%、5.2%、5.4%.
提高氮负荷之后，随着基质浓度升高，提供厌氧氨氧化菌生长的底物增多，污泥生长速度比上一阶段加快，分泌EPS物质增多[16]，颗粒污泥粒径快速提高.间歇搅拌方式使污泥近似于饱食饥饿交替状态，研究[16]表明在基质匮乏阶段，污泥生长速度减慢，消耗自身的EPS，不易使颗粒污泥生长.而连续搅拌方式使污泥与基质长期接触反应(有充足的底物)，进一步促进颗粒污泥生长.R2与R1转速相同，但R1搅拌时间更长，R1比R2提供的剪切力更大；R3与R2搅拌时间相同，R2比R3的转速更大，转速大形成更强的流场强度[17]，相比R3，R2提供更大的剪切力；R1与R2转速不同，但两个转速对微生物的活性差别较小，而R1比R2搅拌时间更长，其粒径增长速度比R2的快，搅拌时间越长，越促进颗粒污泥的形成[18].研究[16]表明剪切力促进EPS中PN分泌，同时从上节可知，污泥与基质溶液持续接触，处于饱食状态，粒径增长速率更快.从图 4可明显看出，R1的粒径增长速度比R2、R3的快，R1的SV30相比间歇搅拌方式运行的R2、R3系统低.在稳定运行时期末，R1、R2、R3的颗粒污泥平均粒径为723，675，649 μm，SV30分别降低2%、2.3%、2.5%.
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图 4 3个反应器的颗粒粒径及沉降性变化 Fig. 4 Changes of particle size and sedimentation of three reactors |
厌氧氨氧化颗粒污泥EPS的质量分数及PN与PS比的组成变化如图 5所示.EPS在污泥颗粒化及维持颗粒污泥的结构稳定中起到重要作用，其受水质条件、反应器运行方式、基质消耗速率以及优势菌种的代谢水平等因素影响.研究[16]表明，PN是影响厌氧氨氧化菌凝聚的关键性物质，厌氧氨氧化污泥EPS主要成分为PN.
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图 5 3个反应器的污泥EPS变化 Fig. 5 Changes of sludge EPS in three reactors |
复壮时期初，由于外界条件变化，为维持颗粒污泥的稳定，PN质量分数升高，PS质量分数变化浮动不大，PN与PS比快速提高.反应器提高氮负荷后，研究[16]表明，充足的基质维持较高的厌氧氨氧化活性，进而污泥产生的EPS也不断积累，PN与PS比缓慢升高，颗粒污泥粒径增大.R2、R3间歇搅拌方式运行的系统，在停止搅拌期间，污泥沉降到反应器底部，底部污泥密度较大，溶液与污泥接触面较小(近似于饥饿状态)，在搅拌期间，污泥与基质溶液充分接触，处于饱食状态.基质充分时，污泥分泌的EPS质量分数呈上升趋势，基质匮乏时，污泥中部分EPS通过水解等作用释放到溶液中，且部分可降解的EPS又被充当能源物质而消耗以维持细菌的正常代谢[16]，进而R2、R3在提高负荷初期PN质量分数的速度较慢，PN与PS比保持稳定.R1连续搅拌方式运行的系统，污泥长期接触基质溶液，EPS质量分数不断升高，PN与PS比呈上升趋势，但由于接触时间较长，产生的EPS过多，颗粒形成更快，粒径增长速度更大[18].但过多EPS可能使颗粒污泥内部的气体通道更易堵塞，实验过程中观察到少量颗粒污泥上浮于反应器表面，与Chen等[19]研究结果一致.随着反应运行，3个反应器的EPS质量分数达到稳定，PN质量分数分别稳定在177，169，164 mg/g，PS质量分数分别稳定在72, 73, 72 mg/g.
3 结论1) 在室温条件下，间歇搅拌方式更有利于失稳的厌氧氨氧化菌复壮，恢复原有脱氮性能的时间仅为2 d.连续搅拌方式运行的系统中AOB菌活性较高，对厌氧氨氧化菌的活性恢复不利，复壮时间为10 d.间歇搅拌方式在相同时间内的不同转速对反应器的脱氮性能变化影响较小，且转速低有利于高效节能.R2、R3的厌氧氨氧化速率更高，更适合厌氧氨氧化菌生长.
2) 周期实验结果可看出，间歇搅拌方式形成的水流流化状态较弱，使反应器呈较低溶解氧的时间较长，更易抑制AOB的活性，进而提高厌氧氨氧化菌的活性.
3) 间歇搅拌方式使污泥与基质溶液近似处于饱食饥饿交替的状态，产生EPS较慢，R1系统中污泥与基质溶液持续接触，颗粒污泥粒径增长速度较快.
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