苯酚對厭氧氨氧化工藝耦合反硝化的啟動及脫氮性能的影響

劉常敬,李澤兵,鄭照明,趙白航,李 軍* (.北京工業大學水質科學與水環境恢復工程北京市重點實驗室,北京 004；.東華理工大學水資源與環境工程學院,江西 南昌 33003)

厭氧氨氧化(ANAMMOX)工藝與傳統脫氮工藝相比,具有能耗低、污泥產量少、節省外加碳源等顯著優勢,但是,厭氧氨氧化過程生成一定量的硝酸鹽氮,使脫氮效果不盡理想.

焦化廢水[1]、制藥廢水[2]、石油化工廢水、染料廢水等工業廢水成分復雜、毒性大、處理難.這類工業廢水含有大量的,同時含有苯酚等有機污染物[1-2].Maranon等[1]采用3步法(缺氧-好氧-好氧)來處理焦化廢水;Ramos等[2]采用AO工藝處理制藥廢水.酚類化合物雖然對微生物有抑制作用,但可以作為電子供體用于反硝化

[1-3].若能將 ANAMMOX 與反硝化耦合,就能同時脫氮和去除有機物污染物.周少奇[4]指出,ANAMMOX反應以 CO2為碳源產生一定量的,為反硝化提供電子受體;而反硝化反應消耗有機物且產生 CO2,為 ANAMMOX菌解除有機物抑制并提供無機碳源,理論上兩者可實現協同作用.Toh等[5]在用ANAMMOX工藝處理焦化廢水的研究中證實了反硝化菌的存在,研究表明 ANAMMOX菌對高濃度酚有耐受能力.林琳等[6]采用ANAMMOX工藝處理焦化廢水短程硝化工藝出水,結果表明,ANAMMOX過程對低濃度酚類有機物有進一步去除作用.

1 材料與方法

1.1 接種污泥

接種污泥為ANAMMOX顆粒污泥,接種體積為 2L,占反應器有效容積的 20%,揮發性懸浮固體(MLVSS)為6000mg/L, ANAMMOX顆粒污泥取自本實驗室一個體積為50L的UASB厭氧氨氧化反應器,污泥經測序,主要細菌種類為CandidatusBrocadiafulgida(JX852965-JX852969).ANAMMOX顆粒污泥平均粒徑為1mm,最大達到3mm,顏色為淺紅色.

1.2 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示.有效容積為10L,反應器采用黑色軟性材料包裹以避光,廢水由蠕動泵泵入反應器底部,通過水浴使反應器內溫度維持在25℃左右,HRT為1.5h,進水pH值控制在7.8左右,反應器內部上三分之一部分添加直徑為10cm的球形填料以減少污泥的流失.

1.3 試驗廢水

試驗廢水采用模擬廢水,主要成分有NH4Cl,NaNO2, NaHCO3, KH2PO4, MgSO4·7H2O,CaCl2,苯酚.

圖1 UASB-生物膜反應器示意Fig.1 Schematic diagram of UASB-biofilm reactor

微量元素Ⅰ(mg/L):EDTA 5000,FeSO45000;微量元素Ⅱ(mg/L):EDTA 15000,ZnSO4·7H2O 430,CoCl2·6H2O 240, MnCl2·4H2O 990, CuSO4·5H2O 250,Na2MoO4·2H2O 220, NiCl2·6H2O 190, Na2SeO4·10H2O 210,H3BO314.其中微量元素Ⅰ、Ⅱ投加量各1mL/L.

1.4 分析方法

2 結果與討論

2.1 ANAMMOX耦合反硝化反應器的啟動

反應器運行前 6d,采用模擬廢水,未投加苯酚,目的是觀察接種的顆粒污泥是否適應新的環境,在此期間,、、和TN去除率分別由16.2%、16.8%和14.3%上升至25.4%、24.9%和 21.9%,ANAMMOX反應活性逐步提高,表明接種的 ANAMMOX顆粒污泥完全適應新的環境(圖2).所以從第7d起,開始投加苯酚,苯酚的投加量根據ANAMMOX過程生成的量確定,7～35d,投加 0.1mmol/L 苯酚;36～58d,投加0.15mmol/L苯酚;59～86d,投加 0.2mmol/L苯酚.苯酚投加量呈梯度增加,一是因為反應器中ANAMMOX菌逐步增多,生成的量逐步增多,異養反硝化需要的電子供體逐步增多;二是逐步提高ANAMMOX菌對苯酚的適應能力.

ANAMMOX耦合異養反硝化反應器啟動過程如圖 2所示.根據氮素的去除特性將耦合反應器的啟動劃分為3個階段:污泥適應期(7～14d)、活性提高期(15～80d)和穩定運行期(81～86d).系統經過86d的運行,、和TN去除率分別達到了89.6%、87.9%和83.7%,耦合反應器底部由接種時單一的淺紅色顆粒污泥變為內部為淺紅色外部為白色的顆粒污泥,標志著ANAMMOX與反硝化耦合反應啟動成功.

圖2 啟動階段、、和TN的去除特性Fig.2 Removal characteristic of , and TN at the startup phase A. -N;B. -N;C.-N;D. TN

污泥適應期(7～14d),如圖 2所示,投加0.1mmol/L的苯酚后,、、和 TN去除率立即分別由 25.4%、24.9%和 21.9%下降至 12.4%、14.5%和 12.8%,ANAMMOX活性迅速降低,是由于苯酚對 ANAMMOX菌有毒性抑制作用,苯酚是一種原生質毒物,會引起生物體內蛋白質變性和凝聚[7].但經歷 7d的適應期,ANAMMOX菌活性逐漸恢復,、、和TN去除率分別恢復至20.4%、23.8%和22.1%,說明 ANAMMOX菌抵抗能力較強,對含酚廢水有一定的適應性.

活性提高期(15～80d),如圖 2所示,在活性提高期,反應器進水和濃度分別保持在75.2～114.3mg/L和61.0～133.2mg/L,在此期間,出水和濃度分別逐漸降至7.9mg/L和 10.5mg/L,去除率分別逐漸上升至89.6%和 87.9%,TN去除率從 22.1%逐漸升至83.7%.在整個期間,ANAMMOX活性逐漸提高,同時,的去除量與的去除量之比逐步上升,的生成量與去除量之比低于厭氧氨氧化反應的特征理論值0.26[8-9],說明苯酚可以作為反硝化的電子供體,且苯酚反硝化菌能同時利用、作為電子受體,進一步說明苯酚反硝化菌和 ANAMMOX菌之間存在協同和競爭作用.由于苯酚反硝化菌與ANAMMOX菌競爭,所以在后期(第76d起)降低了的進水濃度,相應提高了與進水基質的比例.

穩定期(81～86d) 經歷活性提高期后,ANAMMOX耦合異養反硝化反應器進入穩定運行期.如圖 2所示,反應器進水和平均濃度分別為 70.7,88.9mg/L,出水和平均濃度分別為 10.3,12.4mg/L,平均去除率分別為 85.39%,86.12%;TN平均容積負荷和TN平均去除負荷分別達到2.63和2.10kg/(m3·d),TN平均去除率為79.9%.

穩定運行期間從反應器底部取泥進行觀察污泥的顏色有紅色和白色,由于 ANAMMOX菌的細胞色素c含量較高,成熟的ANAMMOX污泥呈淺紅色[15],因此,紅色的菌為ANAMMOX菌,白色的菌推測為苯酚反硝化菌;污泥形態為顆粒狀,掰開顆粒污泥觀察,里面為ANAMMOX菌,外面包裹著苯酚反硝化菌.

2.2 苯酚濃度對ANAMMOX耦合異養反硝化脫氮性能的影響

由圖3可知,當苯酚濃度從0.2mmol/L升高至0.3mmol/L時,在前5d,出水濃度升高至 58.3mg/L,去除率下降至 29.8%,去除率稍有下降,TN去除率下降至52.9%,的去除量與的去除量之比升高至 3.05,的生成量與去除量之比降至-0.07,說明0.3mmol/L的苯酚對ANAMMOX菌抑制作用很強,而對苯酚反硝化菌影響很小.之后,ANAMMOX菌活性逐步恢復,耦合系統穩定后,出水和平均濃度分別為39.8,13.3mg/L,、和TN的平均去除率分別為47.8%、84.9%和62.9%,的去除量、的去除量與的生成量之比為1:2.00:0.07.

當苯酚濃度從0.3mmol/L升高至0.4mmol/L時,出水和平均濃度分別為41.5,11.9mg/L,、和TN平均去除率分別為 38.0%、79.8%和65.9%的去除量、的去除量與的生成量之比為1:2.09:-0.004.

當苯酚濃度從0.4mmol/L升高至0.6mmol/L時,出水和平均濃度分別為37.1,3.3mg/L,、和TN平均去除率分別為 51.8%、96.4%和 75.6%的去除量、的去除量與的生成量之比為1:2.28:-0.13.

圖3 不同苯酚濃度時各氮素的去除特性Fig.3 Removal characteristic of nitrogen at different concentrations of phenol

當苯酚濃度從0.6mmol/L下降至0.2mmol/L時,經過10d的運行,系統逐步恢復,耦合系統穩定后,的去除量、的去除量與的生成量之比為1:1.52:0.11.說明耦合系統對高濃度苯酚抵抗能力很強,且苯酚對ANAMMOX的抑制作用是可逆的,跟 Toh等[5]的研究發現相同.推測抑制機理為:苯酚分子進入ANAMMOX菌體內后與細胞內酶的特異部位結合,引起酶構型的改變,從而使酶活性受到抑制,由于酶構型的改變對酶不發生持久性的化學損傷,苯酚雖與酶分子相互作用使酶發生結構的變化,但苯酚可以毫無變化地脫離酶分子,在酶分子上不遺留任何化學損傷,酶仍可恢復原活性[16].

由表 1可知,隨著苯酚濃度的升高,ANAMMOX過程對TN去除率的貢獻率逐步降低,異養反硝化過程去除的的增長量明顯高于去除的的增長量,說明苯酚濃度的升高加劇了苯酚反硝化菌與 ANAMMOX菌之間的競爭,且逐步加強苯酚反硝化菌的競爭優勢,這是因為苯酚濃度的升高對 ANAMMOX反應影響很大,當苯酚濃度≥0.3mmol/L 時,ANAMMOX菌的活性受到很大抑制,同時因為異養反硝化菌的生長速率遠大于 ANAMMOX菌的生長速率,研究表明,ANAMMOX菌的倍增時間為 11d[17],所以,ANAMMOX過程起主導作用有助于耦合系統穩定運行,若長期在苯酚濃度≥0.3mmol/L的條件下運行,ANAMMOX菌將會被淘汰,將不利于耦合系統的穩定.

表1 不同苯酚濃度時ANAMMOX與異養反硝化的關系Table 1 Relation between ANAMMOX and heterotrophic denitrification at different concentrations of phenol

在苯酚濃度為 0.2,0.3,0.4,0.6mmol/L時,異養反硝化過程中用于電子供體的苯酚的量分別為0.18,0.25,0.35,0.49mmol/L,所以,控制好進水的C/N,ANAMMOX耦合異養反硝化將達到穩定高效的脫氮除碳的效果.當苯酚濃度為0.2mmol/L時,即投加的苯酚(以 COD 計)::為0.86:1:1.52時,ANAMMOX過程起主導作用,ANAMMOX過程對TN去除率的貢獻率為85.3%,且異養反硝化去除和的量相當,分別為10.5mg/L和8.0mg/L, ANAMMOX耦合異養反硝化脫氮效果最好.當苯酚的沖擊不破壞系統中ANAMMOX的主導地位時,ANAMMOX耦合異養反硝化脫氮能提高系統總氮的去除率,跟操沈彬[19]研究結果相同.

3 結論

3.1 接種ANAMMOX顆粒污泥,采用模擬廢水,經歷86d成功啟動了ANAMMOX耦合異養反硝化反應器.在穩定階段,、和TN平均去除率分別為 85.4%、86.1%和 79.9%,TN平均容積負荷和TN平均去除負荷分別為 2.63,2.10kg/(m3·d).顆粒污泥里面為 ANAMMOX 菌,外面包裹著苯酚反硝化菌.

3.2 在ANAMMOX耦合異養反硝化系統中,苯酚反硝化菌與 ANAMMOX菌存在協同和競爭關系,苯酚濃度的大小能改變 ANAMMOX菌與苯酚反硝化菌之間競爭和協同的關系.當苯酚濃度為 0.2mmol/L時,即投加的苯酚(以 COD計):-N:N為 0.86:1:1.52時,ANAMMOX過程起主導作用, ANAMMOX過程對TN去除率的貢獻率為85.3%,異養反硝化降解N和-N的量分別為 10.5mg/L和 8.0mg/L,ANAMMOX耦合異養反硝化脫氮效果最好.

3.3 當苯酚濃度≥0.3mmol/L時,ANAMMOX菌的活性受到很大抑制,但苯酚對 ANAMMOX菌的抑制作用是可逆的,耦合系統對高濃度苯酚抵抗能力很強.

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