上升流速对CANON工艺稳定性及微生物群落的影响

张 凯,孙梦侠,梁东博,王 佳,李 军

上升流速对CANON工艺稳定性及微生物群落的影响

张 凯,孙梦侠,梁东博,王 佳,李 军*

(北京工业大学建筑工程学院,城市污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室,北京 100124)

采用膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器作为全程自养脱氮(CANON)工艺启动运行的装置,考察了不同上升流速对CANON工艺脱氮性能的影响,并对固定生物膜-活性污泥(IFAS)系统内颗粒污泥粒径的变化和生物膜上的生物量进行定量分析,同时对颗粒污泥和生物膜上的微生物进行高通量分析,探究在不同聚集体上微生物群落结构的特点.结果表明,在连续运行过程中,上升流速由2m/h增加至6m/h的过程中,总氮去除负荷由0.20kg/(m3·d)逐渐增加至0.66kg/(m3·d),而ΔNO3--N/ΔNH4+-N的比值稳定在0.11,成功实现了CANON的高效稳定运行. 当上升流速增加至8m/h时,CANON工艺脱氮性能失稳,总氮去除负荷(NRR)降低至0.42kg/(m3·d),污泥平均粒径由1.3mm减小到0.9mm.上升流速恢复至6m/h后,CANON脱氮工艺脱氮性能逐渐恢复,最终NRR稳定在0.60kg/(m3·d)以上,污泥平均粒径恢复至1.2mm,生物膜生物量的比生长速率为0.0024d-1.高通量测序显示,颗粒污泥中主要以氨氧化细菌(AerAOB)功能菌(2.45%),和厌氧氨氧化细菌(AnAOB)功能菌(2.38%)为主要菌属;而生物膜中主要是AnAOB功能菌(9.78%)、(4.23%),同时还检测出少量AerAOB功能菌(0.40%).结果表明两种微生物在不同聚集体上存在一定的差异性.

全程自养脱氮(CANON)；厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)；上升流速;脱氮;高通量测序

单级全程自养脱氮(CANON)工艺具有许多优点,如不需要有机碳源、节省曝气、减少污泥和减少温室气体[1].CANON工艺是一种基于厌氧氨氧化的新型生物脱氮工艺,其中AerAOB和AnAOB能够在一个反应器中将NH4+-N转换成N2[2],因此AerAOB和AnAOB这两种微生物的和谐共存是确保CANON工艺高效稳定运行的关键.Third等[3]认为实现CANON工艺稳定运行,反应器应具备两个主要的条件,首先反应器内部可以形成体积较大的颗粒污泥或者形成生物膜.为AnAOB提供必要的厌氧环境;其次是反应器应具备良好的污泥截留能力,从而避免生长缓慢的自养型微生物AerAOB和AnAOB被淘洗出反应器.

EGSB反应器具有外回流增加了进水的上升流速,可以快速实现污泥颗粒化,进而保持反应器中微生物的生物量,实现反应器内高效稳定的脱氮效率[4].而近些年,生物膜-活性污泥复合工艺(IFAS)在短程硝化厌氧氨氧化领域引起了大家的广泛关注[5].有研究发现[6-7],颗粒污泥系统或者生物膜系统中在淘洗NOB菌的同时必然伴随着AnAOB菌的流失.在IFAS系统内,颗粒污泥和生物膜可以为AerAOB和AnAOB提供不同的生长微环境,IFAS系统内AerAOB和NOB在活性污泥中能够更好的获取DO,因此在活性污泥中相对含量较高,而AnAOB则主要在生物膜上进行生长繁殖[8].在实际工程中IFAS系统成功实现了短程硝化与厌氧氨氧化耦合脱氮[9].同时有研究发现IFAS系统在实现短程硝化耦合厌氧氨氧化过程中对于总氮的去除负荷要比MBBR系统对于总氮的去除负荷高3倍左右[10].

目前,对于CANON工艺的研究大多集中在颗粒污泥[11]或者生物膜[12]的形式上,利用其颗粒污泥和生物膜的空间特点,为AerAOB和AnAOB分别提供好氧和厌氧的微环境,进而实现协同脱氮的目的.但用颗粒污泥实现CANON工艺的稳定运行,存在启动周期较长,总氮去除负荷低等缺点[13].因此本文以泥膜混合体系为载体在EGSB反应器中实现CANON工艺的高效稳定运行,探究了在EGSB反应器中不同上升流速下,CANON工艺的脱氮性能稳定性、颗粒污泥粒径的变化情况和生物膜上生物量的生长曲线,并利用分子生物学16S rRNA高通量测序技术,解析了在颗粒污泥和生物膜上微生物种群的多样性以及优势菌群分布,同时分析了不同微生物聚集体的菌群结构的差异性,以期为IFAS系统下的CANON工艺的稳定运行提供必要的理论参考.

1 材料与方法

1.1 实验装置及运行条件

实验采用EGSB反应器作为启动CANON工艺的反应器,圆柱形反应器内径为100mm,高度400mm,外部有水浴套筒保持内部环境温度恒定,反应器的有效容积为3.3L,实验共进行了2个过程8个阶段,具体的运行条件见表1和表2.

1.2 实验用水及接种污泥

实验用水采用人工合成废水,主要成分含有NH4Cl、NaHCO3、KH2PO4、MgSO4·7H2O、CaCl2·2H2O;微量元素Ⅰ:FeSO4,5g/L;EDTA,5g/L;微量元素Ⅱ:EDTA,15g/L;CuSO4·5H2O,0.2g/L; ZnSO4·7H2O,0.43g/L;CoCl2·6H2O,0.24g/L;MnCl2·4H2O,0.99g/L;NaMoO4·2H2O,0.22g/L;NiCl2·6H2O,0.19g/L;NaSeO4,0.11g/L; H3BO3,0.014g/L,微量元素Ⅰ和Ⅱ的投加量均为1mL/L;接种污泥取自实验室运行稳定的短程硝化污泥和载体生物膜和厌氧氨氧化污泥,接种的短程硝化污泥的污泥浓度(MLSS)为2643mg/L,载体填料表面生物膜MLSS为1876mg/L.载体填料采用聚氨酯海绵填料,载体填料为1cm的正方体,比表面积为91000m2/m3,密度为1.1g/cm3,体积填充比约为25%.

表1 间歇运行期间运行参数

1.3 分析方法

1.3.1 水质和污泥分析 NH4+-N, NO2--N, NO3--N, MLVSS等水质指标由标准方法测量[14].

1.3.2 污泥粒径的测定方法 污泥粒径(PSD)采用筛分法[15],采用一系列10cm不锈钢对颗粒污泥进行筛分.用缓冲溶液对污泥进行稀释,将稀释好的泥水混合物倒入叠加好的筛分网上,用去离子水进行冲洗.缓冲溶液为:(KH2PO4)=4g/L;(Na2HPO4·7H2O)=5g/L;(KH2PO4)=1.2g/L, pH=7.1.孔径分别为2.0, 1.0, 0.6, 0.335, 0.2, 0.154, 0.1, 0.061, 0.038mm,筛子从上到下目数依次增大.

1.3.3 生物膜生物量测定 载体填料生物量浓度的测定方法:从反应器随机选取3个载体填料,从载体填料上提取生物膜,载体填料上松散的生物膜采用镊子进行刮取,然后将刮取完后的载体填料进行超声至生物膜完全脱落,将超声后的泥水混合物进行过滤,最后在105℃烘干称重,计算平均载体上生物膜干重[5].

表2 连续运行期间运行参数

1.3.4 高通量测序 利用高通量测序技术对IFAS系统内的不同微生物聚集形态进行分析.实验采用上海生工Illumina Miseq2´300bp测序平台进行测序分析,在V3~V4区域进行PCR扩增,扩增引物为341F:序列F:CCTACGGGNGGCWGCAG;805R:序列R:GACTACHVGGGTATCTAATCC.在97%的相似水平下对所有序列进行OTUs(Operational Taxonomic Units)划分并与RDP(Ribosomal Database Project)数据库比对,在门和属水平下对菌群结构进行分析.

2 结果与讨论

2.1 CANON工艺启动及脱氮性能

EGSB反应器共运行了103d,共分为8个阶段,前3个阶段采用SBR反应器的运行方式,通过逐渐降低进水氨氮浓度和调节停曝比的方式实现低氨氮浓度下的自养生物脱氮工艺.图1为自养生物脱氮工艺启动过程中含氮物质的浓度变化以及亚氮积累率的变化.

如图1所示,阶段Ⅰ(第1~11d),控制停曝比为90: 90(min:min),进水NH4+-N浓度约为300mg/L,随着接种污泥对环境的逐渐适应,AerAOB活性增加, NH4+-N浓度逐渐降低.在第11d出水NH4+-N浓度为38.7mg/L,出水NO2--N浓度为224.3mg/L,出水NO3--N浓度为11.7mg/L.如图1(b)所示,在阶段Ⅰ,氨氮去除率(ARE)由47.95%逐渐增加至86.82%,亚硝态氮积累率(NAR)由79.54%增加至91.51%,总氮去除负荷(NRE)则维持在10%以下;阶段Ⅱ(第12~ 21d),添加AnAOB絮状污泥,接种后的污泥浓度为4017mg/L,此时调控停曝比为60:100(min:min),进水NH4+-N浓度约为150mg/L,接种AnAOB污泥的第2d,如图1(b)所示,NRE出现明显的增加并维持在50%左右,由于NO2--N作为AnAOB的底物物质被消耗,因此NAR在阶段Ⅱ中明显减少.在CANON工艺系统中主要是通过富集培养AerAOB和AnAOB进而实现协同脱氮的目的,大量研究通过控制溶解氧(DO)[16]、碱度(pH值)[17]、抑制剂[18]等手段抑制NO2--N向NO3--N的转化,实现AerAOB的增殖和为AnAOB提供必要的底物物质,同时抑制NOB的生长[19].

如图2所示,在阶段Ⅱ中,ΔNO3--N/ΔNH4+-N明显高于理论值0.11[20],这主要是由于ΔNO3--N的生成一部分是通过AnAOB的作用产生的NO3--N,还有一部分是通过NOB的作用将NO2--N转化成的NO3--N,因此在阶段Ⅲ中通过延长厌氧时间(不曝气)和缩短好氧时间(曝气)的方式,强化厌氧氨氧化反应和抑制亚硝酸盐氧化速率;阶段Ⅲ(第22~39d),控制停曝比为80:90(min:min),进水NH4+-N浓度约为100mg/L,经过18d的稳定运行,出水NH4+-N、NO2--N和NO3--N浓度分别为5.2, 4.1和12.2mg/L, ARE和NRE分别由阶段Ⅱ结束时的87.24%和50.12%增加至阶段Ⅲ结束时的94.73%和78.98%.,如图2所示,阶段Ⅲ时的ΔNO3--N/ΔNH4+-N比阶段Ⅱ时的ΔNO3--N/ΔNH4+-N明显降低,说明在阶段Ⅲ中NOB的活性得到了有效抑制,ΔNO3--N/ΔNH4+-N稳定在0.11左右,表明此时在EGSB反应中全程自养生物脱氮工艺运行稳定.

图1 反应器间歇运行的氮素浓度变化

图2 ΔNO3--N/ΔNH4+-N比的变化

2.2 连续流上升流速对反应器脱氮性能影响

在阶段Ⅳ时由SBR运行方式转变成连续流运行,整个系统共运行64d.通过EGSB反应器在不同回流比条件下改变上升流速,探究不同上升流速对CANON工艺的影响.

如图3所示,根据EGSB反应器设定的回流比,将此过程分为5个阶段.阶段Ⅳ(第40~55d),进水NH4+-N浓度约为100mg/L,控制HRT为6h,上升流速为2m/h(回流比为27.5:1).运行初期,由于运行方式从间歇运行转变成连续运行,EGSB反应器内ARE和NRE分别由上一过程间歇运行结束时的94.73%和78.98%降低到69.99%和51.38%.随着对环境的逐渐适应,出水NH4+-N和TN浓度逐渐降低,在连续运行的第15d,ARE和NRE分别提升到91.01%和72.86%.如图4所示,在阶段Ⅳ中,随着反应器的运行,NRR由连续运行开始时的0.22kg/(m3·d)提升到0.29kg/(m3·d),同时如图5所示,ΔNO3--N/ ΔNH4+-N比值稳定在0.11附近,这些表明此时EGSB反应器内CANON工艺运行稳定.张肖静[21]在CANON工艺快速启动过程中认为当NRR达到0.1kg/(m3·d)以上时,则认为CANON工艺启动成功,同时发现在低氨氮条件下逐渐缩短HRT,NRR最终可达到0.95kg/(m3·d);当逐渐增加进水NH4+-N浓度时,NRR最终可达到0.7kg/(m3·d);而采用高氨氮进水和间歇运行的方式时,NRR最终可达到0.61kg/ (m3·d),张铃敏等[22]在采用SBR反应器启动CANON工艺时发现总氮去除负荷可达到0.25kg/(m3·d).

图3 反应器连续运行的氮素浓度变化

阶段Ⅴ(第56~69d),进水NH4+-N浓度为100mg/L左右,控制HRT为4h,上升流速增加至4m/h(回流比为37.06:1),此时进水氨氮负荷率(ALR)由阶段Ⅳ的400mg/(L·d)提升至600mg/(L·d),EGSB反应器下部DO值变为(0.29±0.11)mg/L.如图3所示,在HRT改变初期,出水NH4+-N浓度和出水TN浓度出现明显波动,随着反应器运行趋于稳定,在运行第10d,出水NH4+-N和TN浓度分别为5.2和21.1mg/L,而出水NO3--N浓度一直保持在10mg/L左右.NRR由阶段Ⅳ的0.20kg/(m3·d)左右升高至阶段Ⅴ的0.40kg/(m3·d)左右(图4),实现了CANON工艺的高效稳定运行,反应器内出水NO2--N和NO3--N浓度较低,说明此时NOB得到了有效抑制,而AerAOB和AnAOB的活性良好.

图4 连续运行阶段ALR、ARE、NRE和NRR的变化

阶段Ⅵ(第70~81d),进水NH4+-N浓度为100mg/L左右,控制HRT为3h,上升流速提升至6m/h(回流比为41.60:1),此时进水ALR由阶段Ⅴ时的600mg/(L·d)左右提升至800mg/(L·d)左右,此时出水NH4+-N浓度明显升高,可能是由于随着进水ALR的升高,单位时间内对氨氮的处理量增加,因此AerAOB需氧量也应相应增加[23].DO是实现CANON工艺系统高效稳定运行的重要因素.对于DO值的控制,一方面要保证AerAOB能够将部分NH4+-N转变成NO2--N,为AnAOB提供必要的底物基质,如果DO值偏低则会抑制AerAOB的活性,进而导致AnAOB所需的NO2--N不足,另一方面如果DO值过高则又会促进NOB的生长导致NO2--N转换成NO3--N,同时高DO值同样会抑制AnAOB的活性,造成总氮去除率降低[24].此时将曝气强度由0.50m3/h变为0.65m3/h,EGSB反应器上部曝气区域的DO值在曝气阶段增加至(0.48±0.11)mg/L,反应器底部区域DO升高至(0.32±0.14)mg/L.如图3所示,在第77d时,出水NH4+-N浓度出现降低的趋势,并稳定在5mg/L以下,出水NO2--N和NO3--N浓度分别在4和10mg/L左右.此时随着进水上升流速的升高,在一定程度上增加了微生物与基质的接触,同时冲刷淘洗掉了自养生物脱氮中活性较差的絮状污泥,进水上升流速的增加提高了反应器内部的脱氮性能.如图4所示,在阶段Ⅵ结束时的ARE、NRE和NRR为94.67%、80.54%和0.66kg/(m3·d), 比阶段Ⅴ结束时的95.60%、78.88%和0.49kg/(m3·d)分别提高了0.6%、2.1%和34.7%.

图5 连续运行阶段ΔNO3--N/ΔNH4+-N比的变化

阶段Ⅶ(第82~89d),进水NH4+-N浓度为100mg/L左右,控制HRT为3h,上升流速升高至为8m/h(回流比为56.1:1),ALR保持在800mg/(L·d)左右.反应器运行至第88d时发现溢流出水中出现颗粒较小的颗粒污泥,在反应器底部发现粒径较大的颗粒污泥比例减少,同时如图3和图4所示,出水NH4+-N浓度由5.3mg/L增加至28.1mg/L,ARE、NRE和NRR分别由94.67%、80.54%和0.66kg/(m3·d)降低到74.05%、48.19%和0.42kg/(m3·d),实验表明在EGSB反应器中随着进水上升流速的不断增加,当超过一定阈值时,CANON系统的脱氮性能下降.阶段Ⅶ中ΔNO3--N/ΔNH4+-N比值相对较高,可能是由于流速的升高造成反应器底部DO值出现升高,通过NOB的作用将一部分NO2--N转换成NO3--N的原因.

阶段Ⅷ(第90~103d),进水NH4+-N浓度为100mg/L左右,控制HRT为3h,上升流速恢复至6m/h(回流比为41.60:1),此时进水ALR为800mg/ (L·d)左右.经过14d的恢复运行,溢流出水逐渐变清,在此之前将出水中的颗粒污泥经沉淀后回补到反应器中使其保持一定的生物量.如图3、图4所示,当反应器恢复运行的第5dARE和NRE开始逐渐提升并最终稳定在90%和80%以上,说明在EGSB反应器中在上升流速小于6m/h时(回流比为41.60:1),自养生物脱氮的脱氮性能随着上升流速的增加而提高.本实验研究表明,EGSB反应器中选取适当的回流比(即上升流速)能够使系统稳定运行的同时提高反应器内的脱氮效率.有研究表明在EGSB反应器中,上升流速在影响颗粒污泥的粒径变化的同时对反应器的稳定运行具有重要影响[23].

2.3 上升流速对颗粒污泥和生物膜特性的影响

如图6所示,阶段Ⅰ为运行稳定的短程硝化污泥和生物膜的泥膜混合体系,在阶段Ⅱ时,通过接种anammox污泥的方式启动CANON工艺.接种anammox污泥后反应器内的MLSS变为4158mg/L.生物膜和絮体相结合的泥膜混合系统中的微生物协同作用在自养生物脱氮过程中起到关键作用[25].由于AnAOB生长缓慢,世代周期较长,同时在反应器运行过程中随污泥的流失造成系统内脱氮效能的降低.AnAOB极易聚集形成颗粒污泥,可以在颗粒污泥中存留较多的生物量,同时抗冲击负荷强[26]. EGSB反应器较高的上升流速可以快速实行污泥颗粒化,刘勇等[23]在探究上升流速对单级自养脱氮EGSB反应器性能的影响时发现,在上升流速为7m/h时,经过61d的运行,污泥平均粒径由296μm增加至510μm.本实验中在阶段Ⅱ时接种的平均污泥粒径为(0.4±0.1)mm,经过阶段Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ不断增加的上升流速后在阶段Ⅵ结束时,EGSB反应器内的颗粒污泥的平均粒径为1.3mm.但是当上升流速增加至8m/h时(图6中阶段Ⅶ),污泥平均粒径降低至0.9mm,同时MLSS由阶段Ⅵ时的4368mg/L降低至阶段Ⅶ时的4054mg/L,这可能是由于当颗粒污泥的自身沉降速度小于进水上升流速时,颗粒污泥随即被上升水流排出反应器.为保持反应器内的生物量,在阶段Ⅷ时,将阶段Ⅶ淘洗掉的污泥经沉淀后回补到反应器中,同时使进水的上升流速降低到6m/h,经过13d的恢复运行,最终在阶段Ⅷ结束时,颗粒污泥的平均粒径恢复至1.2mm.

图6 IFAS系统中污泥粒径和MLSS在不同阶段的变化

图7 IFAS系统中生物膜生物量的变化

在EGSB反应器中载体填料生物膜上生物量的变化如图7所示,经过103d的运行,反应器内生物膜的生物量由7645mg/m2增加至9581mg/m2,生物膜上生物量的比增长速率为0.0024d-1.载体填料一方面为微生物提供了附着点,增加了功能菌的持留率,同时增强了微生物的活性,另一方面在反应器进水上升流速逐渐增加的阶段,载体填料为絮状污泥或沉降速度小于上升流速的颗粒污泥提供了一定的截留作用,进而保证了系统内的生物量.Yang等[25]研究发现在IFAS系统启动时,絮体污泥通过絮凝作用,生物膜上生物量迅速升高至11.5mg/cm3,随后生物膜逐渐增大,最终生物膜上的生物量达到34.8mg/ cm3,孙庆花等[27]研究发现在MBBR反应器中,泥膜混合体系中总氮去除负荷约为污泥系统的6倍,在MBBR稳定运行阶段填料上的MLSS约为10200mg/m2,悬浮载体填料的加入成功解决了污泥流失的问题,增强了对AerAOB和AnAOB菌体的持留效果.

2.4 微生物群落结构分析

2.4.1 门水平微生物种群变化 本实验对稳定运行阶段Ⅷ中颗粒污泥和生物膜分别进行16S rRNA高通量分析.样本编号分别为颗粒污泥(Slu1)和生物膜(Bio2).分析不同微生物聚集形态的群落结构.

为了便于分析了解样品测序结果中菌属的信息,对检测结果的序列进行归类,通常对相似水平在97%下的OUTs进行生物信息分析.本实验对系统内的活性污泥和生物膜样本中的OUTs的数量和物种多样性的统计见表3.在Bio2中的OUTs数量多于Slu1中OUTs的数量,其中Chao1指数通常用来估计物种的总数,也证明了在生物膜中的物种比活性污泥中相对较多.而较高的Shannon指数和较低的Simpson指数表明在活性污泥和生物膜中都具有较高的群落多样性.

表3 不同微生物聚集体的群落丰度和多样性指数

注:Slu1表示颗粒污泥, Bio2表示生物膜,下同.

EGSB系统内颗粒污泥和载体填料生物膜中的微生物在门水平上的组成及其相对丰度如图8所示,其中主要的菌群种类相似,共检测出10个相对丰度较高的菌门,分别为变形菌门(Proteobacteria),浮霉菌门(Planctomycetes),拟杆菌门(Bacteroidetes),绿弯菌门(Chloroflexi),酸杆菌门(Acidobacteria),放线菌门(Actinobacteria),伊格氏杆菌门(Ignavibacteriae),芽单胞菌门(Gemmatimonadetes),疣微菌门(Verrucomicrobia),硝化螺旋菌门(Nitrospirae).在全程自养生物脱氮系统内,AerAOB菌属于Proteobacteria门属[28],而AnAOB菌共有5个属9个菌种,均属于浮霉菌门(Planctomycetes)[29].在颗粒污泥和生物膜2个样本中Proteobacteria相对丰度分别为50.45%和39.67%;Planctomycetes相对丰度分别为9.59%和17.85%.其中变形菌门微生物在颗粒污泥中的相对丰度高于生物膜,而浮霉菌门微生物在生物膜中的相对丰度高于颗粒污泥,但是这2种门水平下的微生物均在各自的组成中占比最大.

图8 门水平物种相对丰度分布

图9 属水平物种相对丰度分布

2.4.2 属水平微生物种群变化 为进一步探究颗粒污泥和生物膜上微生物菌种的差异性,对其属水平上的微生物组成以及相对丰度进行了考察.如图9所示,在颗粒污泥中共检测出3种AnAOB菌属,分别为(2.38%)、(0.05%)和(0.001%);检测出AerAOB菌属2种,分别为(0.28%)和(2.45%);同时还检测出(0.10%)属于NOB菌属.张志强等[30]在厌氧氨氧化MBR反应器中发现在混合液污泥中的相对丰度为14.73%,而和的相对丰度分别为0.22%和0.09%,发现在不同反应器以及不同工艺下出现了相同菌属不同丰度的情况.在载体填料的生物膜中共检测出3种AnAOB菌属,分别为(9.78%)、(4.23%)和(0.004%),可以发现生物膜上的AnAOB菌属相对丰度相对高于颗粒污泥中的AnAOB菌属的相对丰度;检测出1种AerAOB菌属为(0.40%).检测结果表明,在EGSB反应器上升流速增加的试验过程中,载体填料不仅对小颗粒污泥起到了截留作用,同时为厌氧氨氧化菌提供了聚集环境,在保证系统内生物量的同时, 增加了反应器的运行效率,因此IFAS更有利于实现AerAOB和AnAOB的协同脱氮的作用.

3 结论

3.1 本实验以短程硝化泥膜混合体系和厌氧氨氧化污泥启动CANON工艺,在EGSB反应器内前3个阶段采用SBR运行方式,经过39d的运行,最终ARE和NRE分别为94.73%和78.98%,ΔNO3--N/ ΔNH4+-N稳定在0.11左右,CANON工艺成功实现了在EGSB反应器内的稳定运行.

3.2 EGSB反应器在连续运行过程中,当上升流速由2m/h增加至6m/h时,污泥平均粒径由0.68mm逐渐增加1.3mm,同时NRR也逐渐由0.20kg/(m3·d)增加至0.66kg/(m3·d);上升流速增加至8m/h时,MLSS由上一阶段的4368mg/L减少至4054mg/L,NRR降低至0.42kg/(m3·d)左右,同时颗粒污泥出现解体,平均粒径减小至0.9mm.载体填料上生物膜的生长情况结合指数函数的特性分析,生物膜生物量的比生长速率为0.0024d-1.

3.3 取EGSB反应器运行结束时颗粒污泥和载体填料上生物膜的菌群进行分析,其颗粒污泥中AerAOB主要为属(2.45%)、属(0.28%),AnAOB主要为a属(2.38%);生物膜中AnAOB主要为属(9.78%)、属(4.23%),AerAOB为属(0.40%).颗粒污泥中AerAOB相对丰度占比较大,而生物膜中主要以AnAOB为主.两种不同的微生物聚集体在菌群聚集形态上存在一定的差异性.

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The Effect of upflow velocity on CANON process stability and microbial community.

ZHANG Kai, SUN Meng-xia, LIANG Dong-bo, WANG Jia, LI Jun*

(The College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, National Engineering Laboratory of Urban Sewage Advanced Treatment and Resource Utilization Technology, Beijing 100124, China).2021,41(4)：1737~1745

Expanded Granular Sludge Bed (EGSB) reactor was used as the start-up device of the CANON process in this experiment, in the effects of different upflow velocity on the nitrogen removal performance of the Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite (CANON) process was investigated. The change of particle size of granular sludge in Integrated Fixed-film and Activated Sludge (IFAS) system and the biomass of biofilm were quantitatively analyzed. In addition, high-throughput sequencing analysis was carried out for microorganisms on granular sludge and biofilm to explore the characteristics of microbial community structure on different aggregates. The results showed that the total nitrogen removal rate (NRR) increased from 0.20kg/(m3·d) to 0.66kg/(m3·d) in the continuous operation process when the upflow velocity increased from 2m/h to 6m/h. The ratio of ΔNO3--N/ΔNH4+-N was steadily kept at 0.11, a realization of the efficient and stable operation of CANON. When the upflow velocity increased to 8m/h, the nitrogen removal performance of CANON process was unstable, the NRR decreased to 0.42kg/(m3·d), and the average particle size of sludge decreased from 1.3mm to 0.9mm. When the upflow velocity restored back to 6m/h, the nitrogen removal performance of CANON process gradually recovered. Ultimately, the NRR was stabilized at 0.60kg/(m3·d), the average particle size of sludge was restored to 1.2mm, and the specific growth rate of biofilm biomass was 0.0024d-1. High throughput sequencing showed that Aerobic Ammonia Oxidation Bacteria (AerAOB) functional bacteria(2.45%) and Anaerobic Ammonia Oxidation Bacteria (AnAOB) functional bacteria(2.38%) were the main genera in the granular sludge. The main bacteria in the biofilm were AnAOB functional bacteria(9.78%) and(4.23%), while a small amount of AerAOB functional bacteria(0.40%) were also detected. The results suggested that there were some differences in two microorganisms in different aggregates.

completely autotrophic nitrogen removal over nitrite (CANON)；expanded granular sludge bed (EGSB)；upflow velocity；nitrogen removal；high-throughput sequencing

X703.5

A

1000-6923(2021)04-1737-09

张 凯(1990-),男,河北邢台人,北京工业大学博士研究生,主要从事污水处理及资源化研究.发表论文3篇.

2020-09-14

水体污染控制与治理科技重大专项(2018ZX07701001-25)

* 责任作者, 教授, 18811069614@163.com