無機碳源對零價鐵介導的自養脫氮序批式反應器處理高氨氮廢水的影響

楊 含，鄭 丹，鄧良偉，肖友乾，王 虹

(農業農村部沼氣科學研究所，四川 成都 610041)

進水碳酸氫鹽濃度是影響自養脫氮細菌富集的重要因素，添加過少不能滿足自養菌的需要，添加過多會造成處理成本的增加。目前關于無機碳源影響零價鐵介導的脫氮體系的相關報道較少，本文擬對ZVI添加體系中無機碳源對脫氮效果的影響趨勢以及適宜的無機碳源添加量進行研究，以期為鐵型脫氮技術的發展提供理論依據。主要研究內容有：1)探究無機碳源KHCO3添加量對ZVI介導的SBR反應器脫氮效果的影響，獲得較適宜的KHCO3添加量；2)通過對微生物活性分析，考察KHCO3添加量對脫氮功能微生物活性的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

表1 微量元素的組分 (g·L-1)

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗裝置及運行參數

實驗裝置采用4個SBR反應器，每個反應器的有效工作體積為2 L，高度為50 cm，直徑為8 cm，由玻璃制成。實驗裝置如圖1所示。SBR反應器底部安裝有曝氣頭，曝氣階段時溶解氧濃度保持在1.0±0.3 mg·L-1。恒溫水浴循環系統將反應器溫度保持在30 ℃。SBR反應器使用蠕動泵進出水，每周期進出水500 mL，水力停留時間為4 d。SBR反應器采用間歇曝氣的方式，每曝氣1 h沉淀2 h，一個循環周期為24 h，包括進水15 min，曝氣8 h，沉淀15.5 h，出水15 min。每循環周期進水后向反應器分別加入0 g，0.5 g，1 g，2 g的KHCO3，反應器分別命名為R0，R0.5，R1，R2，在反應器運行的第64天向各反應器中均投加30 g·L-1的鐵刨花。

圖1 SBR反應器裝置示意圖

1.2.2 分析方法

1.2.2.1 微生物活性實驗

在運行穩定期，從各反應器中取污泥進行微生物活性實驗，包括氨氧化活性(AOM)、亞硝酸鹽氧化活性(NOB)、反硝化活性(DN)和厭氧氨氧化活性(ANAMMOX)，每組活性實驗做3個平行。

比反應速率計算如公式1所示:

(1)

式中：v為比污泥速率,mgN·g-1VSS·d-1；C0為反應體系初始基質濃度，mg·L-1；Ct為反應體系t時刻基質濃度，mg·L-1；V表示反應體系體積，L；VSS表示污泥中的VSS濃度，g；t表示反應時間，h。

1.2.2.2 微生物胞外多聚物(Extracellular polymeric substances，EPS)定量分析

在反應運行穩定階段，取出20 mL活性污泥，以20 KHz，40 W的超聲波進行1 min超聲勻漿處理。再在4 ℃ 2000 g的離心力條件下離心15 min，棄上清，加入PBS緩沖溶液至20 mL，于恒溫振蕩箱中振蕩1 h；在4℃ 5000 g離心力條件下離心15 min，收集上清液，使用0.45 μm濾膜過濾，得到松散型胞外多聚物的待測溶液(LB-EPS)。然后向上述離心后的沉淀中加入PBS緩沖溶液至20 mL，勻漿后于80 ℃水浴加熱1 h；在4℃ 10000 g離心力條件下離心15 min，收集上清液，使用0.45 μm濾膜過濾，得到緊密型胞外多聚物的待測溶液(TB-EPS)。將上述處理后得到的胞外多聚物待測溶液進行蛋白質和多糖含量的測定，蛋白質的含量測定采用Folin-酚試劑法，多糖含量的測定采用硫酸-蒽酮法。

2 結果與分析

2.1 添加無機碳源對氮轉化的影響

2.1.1 氨氮去除情況

圖2 不同KHCO3添加量反應器的進出水濃度變化

圖3 不同KHCO3添加量反應器的去除率變化

2.1.2 氨氮轉化產物

圖4 不同KHCO3添加量反應器的出水濃度變化

圖5 不同KHCO3添加量反應器的出水濃度變化

(2)

2.1.3 總氮去除

圖6 不同KHCO3添加量反應器的TIN去除率變化

2.2 pH值變化情況

圖7 不同KHCO3添加量反應器的pH值變化

2.3 微生物活性分析

表3 不同KHCO3添加量反應器運行結束時的微生物活性情況 (mgN·g-1VSS·d-1)

2.4 微生物胞外多聚物分析

EPS是微生物在某些特定情況下產生的有機聚合物，由松散結合型的EPS(LB-EPS)和緊密結合型的EPS(TB-EPS)組成[28-29]，它是細胞間合作和交流的介質，參與微生物聚集體的形成，如生物膜和絮凝體，對微生物具有重要意義[14]。在本研究的SBR反應器中，微生物的胞外多聚物主要以緊密型為主，其中緊密型蛋白(TB-EPS PRO)的濃度較高(見表4)。

由表4和圖8可知，在添加ZVI之前，反應器中的EPS蛋白含量相對于接種污泥(85.03 mg·g-1VSS)均減少，R0，R0.5，R1，R2的EPS含量分別為41.78，29.89，36.7，39.71 mg·g-1VSS，其中TB-EPS PRO含量分別為30.26，23.84，31.30，36.02 mg·g-1VSS。EPS的產生是微生物對外界環境條件的反應，在不利的環境條件下，如C/N增加或減少，會促使微生物產生較多的EPS，當C/N由20降至4時，LB-EPS中的碳水化合物含量降低了200%，而蛋白質含量增加了300%，導致總EPS含量的增加[29]。本研究中添加無機碳源組的EPS卻減少，推測可能的原因是，本研究中微生物生存環境變化太大，由普通活性污泥接種在無機環境中，造成大量異養微生物死亡，微生物濃度顯著降低，導致EPS減少。此外，除空白組，無機碳源KHCO3添加量與TB-EPS PRO濃度之間呈明顯的正相關，與緊密型胞外多糖(TB-EPS PS)濃度之間呈負相關。有研究指出，胞外多糖大多呈酸性[31-33]，而KHCO3作為強堿弱酸鹽，堿性物質的增加可能并不利于酸性胞外多糖的產生，從而使胞外多糖明顯減少。

圖8 不同KHCO3添加量反應器的微生物胞外緊密型EPS多聚物變化

表4 不同KHCO3添加量反應器的微生物胞外多聚物變化 (mg·g-1VSS)

在添加ZVI之后，反應器中的總EPS和TB-EPS PRO含量都明顯增加。經過無機環境的淘汰后，存活的自養微生物適應無機環境，此時添加ZVI對自養微生物產生抑制，微生物產生EPS使細胞與有毒物質減少直接接觸而抵御惡劣環境[30]。此階段無機碳源KHCO3的添加與TB-EPS PRO含量的影響依舊呈正相關，但TB-EPS PS含量隨著ZVI的添加而減少，并隨無機碳源KHCO3的添加而增加。

圖9 不同KHCO3添加量反應器的微生物胞外松散型EPS多聚物變化

3 結論

本研究通過添加不同量的KHCO3以探究無機碳源對ZVI介導的SBR脫氮體系的影響，結果如下：

(2)無機碳源KHCO3可明顯提高TIN去除效果，TIN去除的高低順序是R1>R0.5>R2，SBR反應器R2，R1，R0.5的平均TIN去除率分別為19.01%，32.04%，27.62%，相較于空白組R0(TIN去除率為8.41%)提高了10.60%，23.63%，19.21%。

(3)無機碳源KHCO3的添加量越高，體系pH值越高，KHCO3可中和硝化反應產生的H+，對反應體系具有緩沖作用，可使微生物處于較適宜的酸堿環境中，更有利于反應器的穩定運行。

(4)無機碳源KHCO3可以促進氨氧化細菌的活性，投加量低于2 g時，KHCO3添加量越大其AOM活性越高，但微生物幾乎沒有NOB活性；此外，0.5 g的KHCO3添加量可提高ANAMMOX活性，過量則會降低ANAMMOX活性，各反應器的微生物還具有ANAMMOX活性和DN活性。SBR反應器中TIN的去除是ANAMMOX和異養反硝化共同作用的結果。