基于丙氨酸為底物的厭氧氨氧化過程研究

徐 敏,高大文(哈爾濱工業大學市政環境工程學院,黑龍江 哈爾濱 150000)

基于丙氨酸為底物的厭氧氨氧化過程研究

徐 敏,高大文*(哈爾濱工業大學市政環境工程學院,黑龍江 哈爾濱 150000)

通過批次實驗,分別研究了丙氨酸對于厭氧氨氧化過程的短期以及長期影響.研究表明,當丙氨酸為唯一底物時,無論短期還是長期培養,厭氧氨氧化過程均受到很大影響,體系內未發生氮的去除. 在缺乏電子受體 NO2--N的情況下,體系內未發生厭氧氨氧化反應,雖然丙氨酸降解率達到了86%以上,但產生的NH4+-N在體系內積累.當向丙氨酸為底物的系統中投加NH4+-N和NO2--N時,短期(7h)培養中厭氧氨氧化活性受到的影響較小.同時,2mmol/L丙氨酸在厭氧氨氧化體系中10h即可去除78%,高濃度(10mmol/L)丙氨酸在60h達到99%的去除率;長期培養過程中,濃度為2mmol/L的丙氨酸一定程度上抑制了厭氧氨氧化活性.在厭氧氨氧化與反硝化的共同作用下, TN的去除率達到57%,丙氨酸的去除率為99%左右.

丙氨酸；厭氧氨氧化；生物脫氮

厭氧氨氧化(ANAMMOX)是指在厭氧條件下通過厭氧氨氧化菌(AAOB)的作用,以 NH4+-N為電子供體,NO2--N為電子受體,將 NH4+-N和NO2--N同時轉化為 N2的過程[1-3].與傳統硝化-反硝化脫氮相比,具有無需外加碳源;節約成本;避免二次污染;節省供氧動力消耗;降低溫室氣體排放;產泥量少等優點[4-7].因此,厭氧氨氧化技術作為一種高效低耗的新型生物脫氮技術而受到人們的重視.

厭氧氨氧化工藝多被應用于高氨氮、低碳氮比的廢水當中,通常認為在有機物存在下,厭氧氨氧化菌會受到一定的影響.但不含有機物的廢水十分罕見,廢水在通過厭氧處理后會產生小分子有機酸等代謝產物.因此近年來許多學者對小分子有機酸對厭氧氨氧化過程的影響進行了研究.Kartal等[8]發現了可以氧化丙酸鹽的厭氧氨氧化菌,并命名為 Anammoxoglobus propionicus. Huang等[9]在研究中發現,厭氧氨氧化菌 J. asiatica可以在低濃度的乙酸鹽(120mg/L)和丙酸鹽(200mg/L)的存在下生長.Guven等[10]的研究發現,乙醇對厭氧氨氧化菌具有抑制作用.然而氨基酸作為多種廢水中的厭氧產物,目前并沒有相應地研究報道.

氨基酸作為蛋白質的主要組成部分,廣泛地應用于食品工業、飼料工業、醫藥工業等,這樣含氨基酸的廢水大量排放浪費了有實用價值的氨基酸.并且這種廢水的排放使得水體的酸度發生變化,水體自凈能力降低,水中的微生物生長受到阻礙,嚴重污染環境[11].目前國內外對這類廢水的處理方法主要有電滲析法[12-13]、資源化法

[14-15]、生物法[16]等.其中,電滲析法是利用膜的選擇透過性,以電場為推動力將氨基酸與水進行分離;資源化法則是對氨基酸進行回收利用,制備農藥、飼料以及緩蝕劑等,目前國內對胱氨酸生產廢水的效益型資源化研究報道的最多;生物法通過好氧活性污泥法或者厭氧生物處理法進行去除[11].

因此,本研究通過批次實驗,分別考察了丙氨酸作為唯一底物以及丙氨酸為底物時向體系中投加 NH4+-N、NO2--N對于厭氧氨氧化系統的影響.為厭氧氨氧化工藝在含有氨基酸廢水中的實際應用提供理論基礎.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

本試驗短期培養以及長期培養使用的裝置均為150mL的厭氧瓶.采用丁基橡膠塞進行密封,并使用瓶蓋進行加固以保證其厭氧特性.接種厭氧氨氧化菌富集培養物后的厭氧瓶放置在 35℃水浴搖床中,以140r/min的轉速進行避光培養.

1.2 厭氧氨氧化菌富集培養物

Ⅰ組和Ⅱ組試驗所用的厭氧氨氧化菌富集培養物取自實驗室穩定運行2a以上的EGSB反應器,為提高厭氧氨氧化菌的含量,保證在投加丙氨酸之前該體系為厭氧氨氧化體系,對厭氧氨氧化富集菌培養物分別進行一個月的厭氧瓶強化培養,最終兩組 NO△2-/NH△4+, NO△3-/NH△4+的比值能夠分別穩定在 1.32±0.05,0.17±0.02; 1.31±0.11,0.19±0.04[17].

1.3 試驗用水

短期試驗中的試驗用水是在 2mmol/L, 5mmol/L, 10mmol/L丙氨酸存在的情況下投加了無機營養基質(表1).

通過信息化系統，將項目建設中分散在個人手中的涉及財務、采購、招標、技術、申報、批復等資料，進行統一管理，并與項目建設同步，形成電子化檔案庫和目錄，解決項目中資料歸檔問題，提高項目檔案管理水平。

表1 無機營養基質配方Table 1 Formula of inorganic nutrient matrix

其中,微量元素的成分:ZnSO4·7H2O 430mg/ L、MnCl2·4H2O 990mg/L、CoCl2·6H2O 240mg/L、NaSeO4·10H2O 210mg/L、CuSO4·5H2O 250mg/L、NiCl2·6H2O 190mg/L 、 H3BO414mg/L 、NaMoO4·2H2O 220mg/L.

維生素的成分:維生素 B15mg/L、維生素B25mg/L、維生素B610mg/L、維生素B120.1mg/ L、維生素H 2mg/L、對氨基苯甲酸 5mg/L、硫辛酸 5mg/L、煙酸 5mg/L、葉酸 2mg/L、泛酸5mg/L.

1.4 試驗方法

短期培養試驗開始前將厭氧氨氧化富集培養物放進厭氧操作臺進行12h的饑餓處理[18].使用的培養基均是利用N2曝氣20min除去溶解氧后的無氧基質,并且培養基的更換均是在厭氧操作臺內進行.每個條件下的試驗設置3組平行,試驗時間根據目標物的去除效果而定,為保證系統的密閉性,取樣均采用注射器進行抽取,試驗結果取其平均值.根據短期影響中的效果選擇2mmol/L的丙氨酸作為研究對象,其余條件與短期培養條件一致,Ⅰ組試驗以24h為一個周期,進行17個周期的長期培養;Ⅱ組試驗以12h為一個周期,進行35個周期的長期培養, 19周期后取出1/3的厭氧氨氧化富集培養物,在保證其余條件不變的情況下調整進水量為之前的 2/3.并通過水中含氮化合物和丙氨酸的變化評估丙氨酸對厭氧氨氧化過程的長期影響.

1.5 檢測項目與分析方法

丙氨酸采用液相色譜串聯質譜法測定[19]; NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測定; NO2--N采用 N-(1-萘基)-乙二胺光度法測定; NO3--N采用麝香草酚分光光度法測定;pH值采用德國WTW公司pH/Oxi 340i手提式多參數測試儀測定.

2 結果與討論

2.1 丙氨酸對厭氧氨氧化過程的影響

2.1.1 丙氨酸濃度對厭氧氨氧化過程短期的影響 圖 1為丙氨酸作為唯一底物時體系中NH4+-N濃度隨著反應時間的變化曲線.由圖1可知, 由于體系中丙氨酸的氨化作用,使得NH4+-N的濃度隨著反應時間的推移而升高, 而 NO2--N和 NO3--N在體系中始終未被檢測到,在整個過程中,未發生厭氧氨氧化反應.并且從圖2中可以看出,隨著丙氨酸濃度的提高,丙氨酸降解所需的時間增長.丙氨酸濃度為2mmol/L時,培養30h丙氨酸去除率可以達到86%,而10mmol/L丙氨酸在80h時達到99%以上的去除率.

圖1 丙氨酸存在下體系中NH4+-N的變化Fig.1 Changes of NH4+-N in the system of alanine

圖2 丙氨酸在厭氧氨氧化體系中隨反應時間的降解Fig.2 Degradation of alanine in ANAMMOX system

圖3 丙氨酸存在下體系中出水含氮化合物的變化Fig.3 Changes of effluent nitrogen compounds in the system of alanine

2.2 丙氨酸對底物有NH4+-N、NO2--N的厭氧氨氧化過程的影響

2.2.1 丙氨酸對厭氧氨氧化富集培養物脫氮效能的短期影響 由圖4可知,不同濃度的丙氨酸對于NO2--N的影響不大,在不同條件下NO2--N被利用的趨勢基本相同,初始濃度為92.4mg/L的NO2--N在 8h后基本檢測不出;雖然前 7h都有NO3--N的生成,但與空白對照組的變化趨勢不同,含有丙氨酸的 3組試驗中,NO3--N的生成量小于空白對照組NO3--N的量,并且在12h后均檢測不到 NO3--N.這說明體系中存在反硝化過程利用了厭氧氨氧化過程生成的NO3--N.

圖4 丙氨酸存在下體系中三氮的變化Fig.4 Changes of three nitrogen in the system of alanine

不同丙氨酸濃度條件下的 NH4+-N的出水效果在前6h表現出一樣的趨勢,這一結果與胡勇有[20]等的研究有一定的相似性,不同濃度的有機物在反應前期對 NH4+-N的去除效果影響較小.但隨著反應時間的推移, NH4+-N在體系中積累,2mmol/L、5mmol/L、10mmol/L丙氨酸條件下的 NH4+-N出水濃度分別為 28,75, 140mg/L.通過計算可知,在以上 4個條件下氨氮的去除均在 70mg/L左右,并沒有受到丙氨酸濃度的影響.這說明丙氨酸濃度在短期內并不影響厭氧氨氧化活性.這一結果與楊洋[21]等的研究結果不太相符,楊洋等通過研究有機物對厭氧氨氧化菌活性的影響試驗得出,低濃度的葡萄糖對厭氧氨氧化菌活性沒有影響,而高濃度的葡萄糖能夠抑制厭氧氨氧化菌的活性.本試驗則出現高濃度丙氨酸(178mg/L)在短期內同樣對厭氧氨氧化菌的活性影響很小的結果.這可能是因為體系中反硝化菌的本底含量較少的原因.

體系中 NH4+-N發生積累的原因在于丙氨酸的降解.由圖5可知,不同濃度的丙氨酸隨著反應時間的推移,均發生降解.其中,丙氨酸濃度較低時去除效果較好,在反應10h后,去除率能夠達到78%;但是隨著丙氨酸濃度的提高,由于最初體系中異養菌本底值較低,對于丙氨酸的利用速度較慢,因此,其降解所需的時間與低濃度丙氨酸的降解時間比相對較長.5mmol/L的丙氨酸在 36h時去除率達到 97%;而丙氨酸濃度達到10mmol/L時,其在60h時能夠達到99%的去除率.

圖5 丙氨酸在厭氧氨氧化體系中隨反應時間的降解Fig.5 Degradation of alanine in ANAMMOX system

2.2.2 丙氨酸對厭氧氨氧化富集培養物脫氮效能的長期影響 如圖6所示,在長期培養的35個周期內,三氮的出水效果趨于穩定.NH4+-N的出水濃度出現2個周期的波動(由于丙氨酸的投加,厭氧氨氧化體系的環境發生改變,體系通過2個周期適應新環境)后趨于穩定,出水濃度平均為75mg/L.除去前2個波動期,NH4+-N的去除率平均為20%,NH4+-N出現大量積累,其來源于丙氨酸的降解.從圖 7可知,丙氨酸的去除率保持在99%左右,降解產生大量NH4+-N.

圖6 丙氨酸對體系脫氮性能的影響Fig.6 Effect of alanine on nitrogen removal performance

出水NO2--N的濃度在前14個周期內都比較低,出水濃度在 3mg/L以下,去除率達到 97%,但隨著體系的繼續運行,在19周期后NO2--N保持較高的出水濃度,最高出水濃度可達 14mg/L,去除率降低至85%.這可能是因為在19周期后人為取出體系中部分厭氧氨氧化富集培養物進行分析,造成污泥量的減少,導致體系受到沖擊,最終表現為NO2--N的出水濃度升高.同時,體系在整個運行過程中 NO3--N的含量較低,幾乎檢測不出. 通過計算可知 △ N O2-/△N H4+和 △ N O3-/△N H4+比值為4.06和0.02,與理論比值1.32、0.26相差很大.出現這樣結果的原因可能是丙氨酸以及 NH4+-N對于厭氧氨氧化過程產生了抑制,并且一定程度上促進了反硝化過程.劉金苓等[22]研究表明,少量葡萄糖能促進體系中 NH4+-N和NO2--N的去除,但高濃度的葡萄糖則抑制了厭氧氨氧化菌的活性.濃度為2mmol/L的丙氨酸雖然在短期內沒有對厭氧氨氧化菌的活性產生影響,但是這個濃度卻在長期培養中抑制了厭氧氨氧化活性;當體系中NH4+-N濃度較高時,導致系統中游離氨(FA)濃度升高,也抑制了厭氧氨氧化菌的活性[23-25].Jin等[26]認為 FA 抑制濃度僅為1.7mg/L,這一定程度上解釋了在本研究中NH4+-N和NO2--N均有剩余的情況下厭氧氨氧化效果沒有增強的原因.

圖7 厭氧氨氧化體系中丙氨酸的降解Fig.7 Degradation of alanine in ANAMMOX system

3 結論

3.1 當厭氧氨氧化體系中僅含有丙氨酸一種底物時,無論短期還是長期培養,均未發生厭氧氨氧化反應,丙氨酸的氨化作用正常進行, 生成的NH4+-N未被去除,積累在體系內.并且丙氨酸的去除效果較好,去除率均高于86%.

3.2 在以丙氨酸為底物的厭氧氨氧化體系中投加NH4+-N和NO2--N后,厭氧氨氧化活性在短期內較好,不同濃度丙氨酸條件下的脫氮效果與空白對照組均類似.并且丙氨酸的去除率也很高.但是隨著長期培養,厭氧氨氧化活性受到抑制,但是出水效果比較穩定,丙氨酸去除率達到99%以上,在一定程度上與反硝化過程保持著穩定的脫氮平衡. TN的去除率平均能達到57%.

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Study on ANAMMOX process with alanine as substrate.

XU Min, GAO Da-wen*(School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150000, China). China Environmental Science, 2017,37(9)：3379～3384

The short-term and long-term effects of alanine on ANAMMOX process were investigated by batch experiments. The ANAMMOX process was greatly affected both in short-term and long-term culture when alanine was the sole substrate, and there was no nitrogen removal in the system. Without electron acceptor NO2--N, ANAMMOX process could not occur in the system, although the alanine removal could reach more than 86%, NH4+-N was accumulated in the system. When NH4+-N and NO2--N were added to the system with alanine as a substrate, the activity of ANAMMOX bacteria was not affected so much in the short term (7h), and 2mmol/L and 10mmol/L alanine reached 78% and 99% removal efficiencies in 10 and 60h, respectively. During the long term experiments, the activity of ANAMMOX bacteria could be inhibited by alanine with a concentration of 2mmol/L. Combined with ANAMMOX and denitrification processes, the removal efficiency of TN reached 57%, and the removal efficiency of alanine was about 99%.

alanine；ANAMMOX；biological nitrogen removal

X703.1

A

1000-6923(2017)09-3379-06

2017-03-11

黑龍江省自然科學基金重點項目(ZD201412)

* 責任作者, 教授, gaodw@hit.edu.cn

徐 敏(1993-),女,新疆塔城人,哈爾濱工業大學碩士研究生,主要從事厭氧氨氧化研究.