不同碳源作用下厭氧氨氧化耦合多菌系統(tǒng)脫氮效能

呂振，錢玉蘭，李燕，李亮

(1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇徐州，221116；2.徐州市水利建筑設(shè)計研究院，江蘇徐州，221000)

厭氧氨氧化(ANAMMOX)是一種新型生物脫氮技術(shù)，因其污泥產(chǎn)率低、運行費用低，受到了廣泛的關(guān)注[1]，ANAMMOX 是以為電子受體，為電子供體的生物反應(yīng)[2]。根據(jù)STROUS等[3]提出的反應(yīng)式可知和的反應(yīng)化學(xué)理論計量比為1.00:1.32，反應(yīng)產(chǎn)物是氮氣。然而在實際運行ANAMMOX工藝時存在以下問題：不穩(wěn)定的供應(yīng)影響ANAMMOX菌脫氮活性[4]；有機(jī)物對ANAMMOX 菌的活性影響以及反應(yīng)后的產(chǎn)物提升了出水總氮的質(zhì)量濃度，這都阻礙了該技術(shù)在工程中的應(yīng)用。全程自養(yǎng)脫氮工藝是通過ANAMMOX菌和好氧氨氧化菌(AOB)協(xié)同作用來實現(xiàn)[5]，AOB一般分布在顆粒污泥外表面[6]。邵和東等[7]通過在SBBR 中接種ANAMMOX 生物膜和短程硝化污泥啟動自養(yǎng)脫氮工藝。在沒有接種其他污泥的情況下，呂振等[8]在低質(zhì)量濃度和0.3～1.0 mg/L溶解氧(DO)條件下運行厭氧氨氧化AUASB 反應(yīng)器， 從ANAMMOX 顆粒污泥中培養(yǎng)出ANAMMOX 菌和AOB，運行AUASB反應(yīng)器后期發(fā)現(xiàn)無機(jī)碳的質(zhì)量濃度直接影響去除率。JI 等[9?10]發(fā)現(xiàn)短程反硝化菌和ANAMMOX 菌可協(xié)同脫氮。王維奇等[11]在包埋的ANAMMOX 反應(yīng)器中接種部分反硝化菌，啟動運行94 d 后，最高積累率可達(dá)63.5%，并發(fā)現(xiàn)耦合反應(yīng)最佳的COD 與質(zhì)量濃度比范圍為2.3～2.7，呂振等[8]在沒有接種短程反硝化菌的情況下，通過在ASBR 中階段性投加COD 后成功培養(yǎng)了ANAMMOX耦合短程反硝化菌，短程反硝化過程中最高積累率可達(dá)84.0%。本文作者通過在ASBR 中逐步將COD 質(zhì)量濃度提升到400 mg/L 以上，優(yōu)化ASBR的運行參數(shù)，考察ANAMMOX耦合短程反硝化脫氮過程中自養(yǎng)菌的耐受有機(jī)物負(fù)荷以及的積累和利用情況，然后研究葡萄糖為電子供體時短程反硝化過程中氮轉(zhuǎn)化情況。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

ANAMMOX 序批式反應(yīng)器(ASBR)：內(nèi)徑為220 mm，有效容積為6.5 L，裝置外層包裹黑色的保溫棉。反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有DO測定儀，裝置底放置N2曝氣餅，其頂上設(shè)有攪拌器。

1.2 試驗水質(zhì)和污泥

試驗用水為人工模擬廢水，主要組分如下：KH2PO4， 0.01 g/L； MgSO4·7H2O， 0.30 g/L；KHCO3，COD，NH4Cl，NaNO2和KNO3質(zhì)量濃度按需配置，COD由乙酸鈉和葡萄糖提供。

不同無機(jī)碳質(zhì)量濃度試驗接種污泥取自穩(wěn)定運行的厭氧氨氧化AUASB 反應(yīng)器中污泥(進(jìn)水和質(zhì)量濃度比為1.0:0.6)。采用高通量測序發(fā)現(xiàn)顆粒污泥中AOB 菌屬Nitrosomonas相對豐度為1.48%，ANAMMOX 菌屬Candidatus kuenenia相對豐度為8.85%，短程反硝化菌屬Thauera相對豐度為0.66%[8]。

乙酸鈉作用下有機(jī)負(fù)荷試驗接種污泥取自ANAMMOX耦合短程反硝化菌在和質(zhì)量濃度為(25±5)mg/L、COD 質(zhì)量濃度為(100±10)mg/L的反應(yīng)器中穩(wěn)定運行10 d以上的污泥。

葡萄糖為碳源試驗所接種的污泥來源如下：以乙酸鈉為碳源培養(yǎng)8 d的ANAMMOX耦合短程反硝化污泥；在以乙酸鈉為碳源，連續(xù)運行40 d反應(yīng)器中的污泥；經(jīng)過7 d葡萄糖馴化后的污泥。

1.3 試驗方法

1)不同無機(jī)碳質(zhì)量濃度試驗。將ANAMMOX污泥混勻后分成4份，每份質(zhì)量為2 g，分別置于4個100 mL 血清瓶，其中KHCO3質(zhì)量濃度依次為1.25，2.00，2.50和3.00 g/L，進(jìn)水質(zhì)量濃度為(80±2)mg/L，與質(zhì)量濃度比為1.0:0.6，用高純氮氣曝氣餅控制瓶中DO 質(zhì)量濃度，溫度為(32±0.5)℃，在120 r/min恒溫?fù)u床中穩(wěn)定運行6 d，并分析每天反應(yīng)10 h 后的和降解情況。第7 天定時測量出水4和的質(zhì)量濃度，繪制降解曲線。

2)乙酸鈉作用下有機(jī)負(fù)荷試驗。在ASBR 中反應(yīng)，混合污泥體積為400 mL，溫度為(31±2)℃，pH控制為7.7±0.1，質(zhì)量濃度分別為27.8，46.7和75.0 mg/L；和質(zhì)量濃度比依次為1:1，1:3和1:2；乙酸鈉質(zhì)量濃度分別為108.0，318.0和405.1 mg/L。

3)葡萄糖為碳源的試驗。溫度為(32±0.5)℃，pH控制為7.7±0.1，在不同時間段每次混勻取泥60 mL，COD質(zhì)量濃度控制為(300±10)mg/L。

式中：和分別為反應(yīng)開始(t=0)和t時刻的NO-2-N 質(zhì)量濃度，mg/L；和分別為反應(yīng)開始(t=0)和t時刻質(zhì)量濃度，mg/L。

1.4 分析項目與方法

2 結(jié)果與討論

2.1 不同無機(jī)碳質(zhì)量濃度下ANAMMOX 菌耦合AOB脫氮過程

ANAMMOX菌和AOB是自養(yǎng)菌且其生理生化過程中需要無機(jī)碳源[12]。第7天時不同無機(jī)碳質(zhì)量濃度下ANAMMOX 耦合AOB 脫氮過程如圖1所示。由圖1 可見：在4 h，當(dāng)KHCO3質(zhì)量濃度分別為1.25和2.50 g/L時，出水質(zhì)量濃度分別為63.1 mg/L和43.7 mg/L，出水質(zhì)量濃度分別為39.3和30.5 mg/L。在14 h，當(dāng)KHCO3質(zhì)量濃度分別為2.00和2.50 g/L時，出水質(zhì)量濃度分別為3.6 mg/L和未檢出，出水質(zhì)量濃度分別為13.7和14.4 mg/L，反應(yīng)結(jié)束出水反而積累了，可見是好氧氨氧化過程將轉(zhuǎn)化為。

如圖1所示，從4 h 開始復(fù)氧，在運行過程中每10 min 讀取DO。在4～6 h，DO 質(zhì)量濃度小于0.5 mg/L，前6 h，當(dāng)KHCO3質(zhì)量濃度為2.50 g/L時，和去除率最高，分別為57.5%和57.0%；當(dāng)KHCO3質(zhì)量濃度為3.00 g/L 時，NH+4-N去除率最低，為43.6%；當(dāng)KHCO3質(zhì)量濃度為1.25 g/L，去除率最低，為40.8%。

在復(fù)氧段(6～10 h)，測得DO 質(zhì)量濃度為0.6～1.0 mg/L，當(dāng)KHCO3質(zhì)量濃度從1.25 g/L 升高到3.00 g/L時，出水質(zhì)量濃度最高降低27.3 mg/L，具體表現(xiàn)為隨著KHCO3質(zhì)量濃度的增加，去除率越明顯，但由前面分析已知，當(dāng)KHCO3質(zhì)量濃度為2.50 g/L時，降解速率最快，在6～10 h，KHCO3質(zhì)量濃度為3.00 g/L 時，去除率反而最高，這可能是因為反應(yīng)瓶中DO質(zhì)量濃度的變化促使AOB高效轉(zhuǎn)化。

試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)KHCO3質(zhì)量濃度分別為2.00和2.50 g/L，且被完全去除后，仍能積累12.0 mg/L 以上的。由以上分析可見，通過控制DO和無機(jī)碳質(zhì)量濃度，能有效地引導(dǎo)AOB和ANAMMOX菌協(xié)同脫氮。

KHCO3的質(zhì)量濃度影響pH，不同的pH影響自養(yǎng)菌活性[13]。本文采用1 mol/L的NaOH 溶液來調(diào)整質(zhì)量濃度分別為2.00 與2.50 g/L KHCO3的pH為8.25，在DO 質(zhì)量濃度為0.8～1.0 mg/L 條件下進(jìn)行試驗，結(jié)果如圖2所示。

從圖2 可見：當(dāng)KHCO3質(zhì)量濃度為2.50 g/L時，前6 h 反應(yīng)瓶中pH較快地從8.25 上升到8.58，在此KHCO3質(zhì)量濃度下，第4 h 檢測到出水的與質(zhì)量濃度相同，特別是3～6 h 時，的去除能力較前3 h 提升了1.13 倍。在第12 h，去除率為95.1%，出水質(zhì)量濃度為34.0 mg/L。

圖1 不同KHCO3質(zhì)量濃度下出水和質(zhì)量濃度變化Fig.1 Variation of mass concentrations of effluent and at different mass concentrations of KHCO3

當(dāng)KHCO3質(zhì)量濃度為2.00 g/L 時，第6 h 檢測到出水和質(zhì)量濃度相同，比KHCO3質(zhì)量濃度為2.50 g/L時延遲了2 h；在12 h，去除率為76.5%， 出水質(zhì)量濃度為31.0 mg/L。

從圖2 可知：在相同的pH下反應(yīng)，當(dāng)KHCO3質(zhì)量濃度從2.00 g/L 提高到2.50 g/L 時，并沒有因為pH的激烈變化而影響去除率，可見不同KHCO3質(zhì)量濃度下引起的pH變化并不會導(dǎo)致自養(yǎng)菌活性差異。

圖2 不同KHCO3質(zhì)量濃度下出水和質(zhì)量濃度變化Fig.2 Change of mass concentrations of effluent and at different mass concentrations of KHCO3

2.2 不同有機(jī)物下ANAMMOX耦合短程反硝化脫氮過程

2.2.1 乙酸鈉作用下ANAMMOX耦合短程反硝化脫氮過程

圖3 不同和質(zhì)量濃度比下基質(zhì)氮和COD質(zhì)量濃度隨時間的變化Fig.3 Variation of substrate nitrogen and COD mass concentrations with time under different mass concentration ratios of and

相較于圖3(d)，圖3(c)的反應(yīng)過程中ρ(COD)增加了87.1 mg/L，最高WNTR提前到第20 min，可見ASBR 在和COD 質(zhì)量濃度大幅度升高時，并沒有影響ANAMMOX菌和短程反硝化菌的協(xié)同脫氮，分析認(rèn)為ASBR 還能承受更高的有機(jī)負(fù)荷。表1所示為ASBR在反應(yīng)前60 min不同和質(zhì)量濃度比下的反硝化參數(shù)。

由式(1)計算可知：至少需要1 460 mg乙酸鈉，才將完全還原為1 g，折合COD 為1 140 mg。

隨著反應(yīng)過程中進(jìn)水COD質(zhì)量濃度逐漸增大，出水COD呈現(xiàn)出不同的未被利用率(見圖3(a)，(d)和(c))，經(jīng)分析認(rèn)為沒有用來轉(zhuǎn)化的COD被用于合成微生物胞內(nèi)儲存物質(zhì)或被其他異養(yǎng)菌利用。當(dāng)COD質(zhì)量濃度較低時，大部分的COD可能會被用于微生物增殖。污泥的SEM 圖和污泥形態(tài)如圖4所示。

由圖4(a)可見：ANAMMOX 顆粒污泥上大量球形或橢圓形微生物與絲狀菌交織黏附于顆粒污泥表面，同時還可觀察到污泥表面分散著一些短桿狀微生物，分析橢圓形微生物是ANAMMOX菌，短桿狀微生物是反硝化菌。由圖4(b)可見：顆粒表面粗糙且有些裂縫，但整體上依舊保持完整形態(tài)。圖4(c)所示為自穩(wěn)定運行10 d 以上的ASBR中的污泥圖片，可見底層顆粒污泥與漂浮著大量的灰白色絮狀污泥(為不斷增殖的異養(yǎng)反硝化菌)共存。顆粒狀污泥有利于抵抗外界不利因素的干擾[18]，短程反硝化菌和ANAMMOX 菌抱團(tuán)協(xié)同生長，形成了穩(wěn)定的微生物凝聚體，生化功能得到優(yōu)化。

2.2.2 葡萄糖作用下ANAMMOX耦合短程反硝化脫氮過程

SUN 等[19]發(fā)現(xiàn)乙酸鈉、甲醇等有機(jī)碳源可作為短程反硝化過程中的電子供體來實現(xiàn)積累，然而當(dāng)葡萄糖作為有機(jī)碳源時，沒有被降解。不同的有機(jī)物在短程反硝化菌體內(nèi)代謝途徑不同，長期的馴化甚至?xí)Ψ聪趸姆N類產(chǎn)生選擇作用。葡萄糖為電子供體時不同時間段的基質(zhì)氮降解曲線如圖5所示。

表1 不同和 質(zhì)量濃度比下反應(yīng)60 min時ASBR的反硝化參數(shù)Table 1 Denitrification parameters of ASBR under different mass concentration ratios of and after 60 min of reaction

表1 不同和 質(zhì)量濃度比下反應(yīng)60 min時ASBR的反硝化參數(shù)Table 1 Denitrification parameters of ASBR under different mass concentration ratios of and after 60 min of reaction

注：本文的最高WNTR比實際WNTR要低，因為積累的部分被ANAMMOX菌利用。

ρ(NH+4-N):ρ(NO-3-N)1:1 1:2 1:3 NO-3最高去除率/%93.7質(zhì)量82.2 66.2 NO-2最高積累濃度/(mg?L?1)16.7 82.8 52.5 NO-2積累時間/min 20 20 40最高WNTR/%71.8 72.7 53.2 COD去除率/%85.0 71.5 67.3

圖4 污泥的SEM圖和污泥形態(tài)Fig.4 SEM images and morphology of sludge

圖5 葡萄糖為碳源時不同時間段基質(zhì)氮的轉(zhuǎn)化情況Fig.5 Transformations of substrate nitrogen with glucose as the carbon source in different time periods

由此可見：ANAMMOX耦合短程反硝化菌可利用葡萄糖作為電子供體，污泥被葡萄糖馴化后，更有利于特定短程反硝化菌的富集，產(chǎn)生，最后ANAMMOX菌實現(xiàn)脫氮。

3 結(jié)論

2)當(dāng)ASBR 中COD 質(zhì)量濃度分別為108.0和405.1 mg/L 時，ANAMMOX 菌對的去除率分別在第80 min和120 min 時達(dá)到100%。當(dāng)COD質(zhì)量濃度為108.0 mg/L 時，在前60 min，大部分COD 沒有用于轉(zhuǎn)化；當(dāng)COD 質(zhì)量濃度為405.1 mg/L 時，最高質(zhì)量濃度為82.2 mg/L；當(dāng)ASBR 通入過量時，可使的積累時間延長，此時，顆粒污泥形態(tài)較完整。

3)ANAMMOX耦合短程反硝化菌可利用葡萄糖作為電子供體發(fā)生短程反硝化，經(jīng)過葡萄糖馴化后，去除率從5.7%提高到43.8%，最高質(zhì)量濃度為5.6 mg/L。