鹽度脅迫及K+干預對厭氧氨氧化脫氮性能的影響研究*

姜雯滔 王 闖 王家輝 李 軍

(沈陽建筑大學市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168)

生物法處理含鹽廢水，過高的鹽度會造成質壁分離，細胞失活[4]，對有機物、氮去除產生不利影響[5]。存在于海洋中的耐鹽性生物菌種，對含鹽廢水處理提供了新的方向[6],[7]323,[8]。BORIN等[9]的研究表明，在鹽度高達24%的L’Atalante和Bannock鹽線上檢測到與厭氧氨氧化相關的16S rRNA基因，肼合酶基因(hzsA)的擴增也證實了Bannock中存在厭氧氨氧化菌，為其提供了理論依據。作為一種經濟高效且環保的脫氮法，厭氧氨氧化顯示出處理高氮含鹽廢水的潛力[10]。在工程應用中，厭氧氨氧化工藝易受廢水中無機鹽的影響[11]，反應器長期受鹽度脅迫，不僅會降低脫氮性能，還會削弱污泥的沉降能力[12]。通過添加相容性溶質、外源添加拮抗性離子等措施可以提升厭氧氨氧化在高鹽度脅迫下的脫氮性能。KARTAL等[13]研究認為，厭氧氨氧化細菌可適應30 g/L的鹽度，鹽度再高則可逆地抑制厭氧氨氧化菌。于德爽等[14]證實相容性溶質甘氨酸甜菜堿(GB)為0.3 mmol/L時脫氮效率最佳，氮去除負荷(NRR)增加了26.8%，減輕了厭氧氨氧化菌的生長抑制。鹽度30 g/L時添加GB，生物適應潛力顯著增加[15]。

目前鹽度脅迫對厭氧氨氧化菌的影響仍有待進一步研究。研究表明，在含鹽廢水中添加8 mmol/L K+可對厭氧氨氧化生物系統起到促進作用，但K+作為外源拮抗性離子對高鹽度脅迫影響的機理亟待研究[16-17]。本研究通過梯度添加NaCl實現高鹽度脅迫，然后梯度添加KCl研究鹽度脅迫下K+干預厭氧氨氧化菌脫氮性能的影響機理，為厭氧氨氧化處理高鹽廢水及強化厭氧氨氧化脫氮性能提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

主要反應器是有效容積為7 000 mL的升流式污泥床反應器(UASB)，材料為有機玻璃，單側貼黏性的保溫板，來實現對水浴加熱區的避光和保溫作用，電子溫度計實時監測溫度。反應器見圖1。

圖1 UASB反應器Fig.1 UASB reactor

1.2 接種污泥與配水

本試驗采用成熟污泥菌種流加的方式快速啟動反應器，啟動成功后氨氮、亞硝態氮的去除率可達到89.83%、97.77%。

試驗均采用人工配水，氨氮、亞硝態氮由NH4Cl和NaNO2配置成均為150 mg/L左右，NaHCO3為1.0 g/L，MgSO4為0.2 g/L，KH2PO4為0.027 2 g/L，CaCl2為0.3 g/L。微量元素Ⅰ和Ⅱ各為1 mL/L。考察鹽度脅迫時添加NaCl，NaCl為0～30 g/L，考察K+外源干預時添加KCl，KCl為0～30 mmol/L。

1.3 分析方法

氨氮，納氏試劑分光光度法；亞硝態氮，N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；硝態氮，紫外分光光度法；總氮，堿性過硫酸鉀消解法；混合液懸浮固體濃度(MLSS)、混合液揮發性懸浮固體濃度(MLVSS)，稱重法；胞外聚合物(EPS)，NaOH熱提取法；蛋白質(PN)，考馬斯亮藍標準方法；多糖(PS)，蒽酮比色法。

1.4 試驗方法

中溫控制在(30±2) ℃，水力停留時間(HRT)為7.63 h。鹽度脅迫厭氧氨氧化污泥影響試驗的鹽度梯度提升分為6個階段。Ⅰ階段，0 g/L；Ⅱ階段，5 g/L；Ⅲ階段，10 g/L；Ⅳ階段，15 g/L；Ⅴ階段，20 g/L；Ⅵ階段，30 g/L。

在30 g/L鹽度脅迫下梯度添加K+的外源干預試驗分為5個階段。Ⅰ階段，0 mmol/L；Ⅱ階段，5 mmol/L；Ⅲ階段，10 mmol/L；Ⅳ階段，15 mmol/L；Ⅴ階段，20 mmol/L。

觀察和分析鹽度脅迫各個階段厭氧氨氧化菌的顆粒特性及脫氮性能，分析K+外源干預對高鹽度脅迫的影響，并確定最優促進點。

2 結果與討論

2.1 鹽度脅迫過程脫氮性能變化

鹽度脅迫過程歷時兩個月，氨氮、亞硝態氮質量濃度及去除率見圖2、圖3。Ⅰ階段為穩定階段，氨氮、亞硝態氮含量及去除率為最優態，Ⅱ階段基本保持不變。Ⅲ、Ⅳ階段為小幅度變化階段，污泥少量上浮，在Ⅳ階段恢復后氨氮和亞硝態氮去除率穩定在84.12%、89.06%。結果表明前4個階段鹽度對厭氧氨氧化菌影響較小，菌體通過自身調節可逐步適應，鹽度0～15 g/L為厭氧氨氧化菌的耐受范圍。

Ⅴ階段鹽度提升至20 g/L，氨氮、亞硝態氮含量及去除率處于明顯波動階段，脫離鹽度耐受范圍，污泥大批上浮，氨氮和亞硝態氮去除率均降至30%左右，對菌體抑制明顯，可能是此鹽度導致外界環境的滲透壓大于細胞內部滲透壓，部分菌體細胞結構被破壞，發生菌體自溶[18]。篩選出不能適應此鹽度環境的菌群后去除率恢復，部分污泥顆粒呈褐色，上浮污泥中有黑色的顆粒污泥。Ⅵ階段是復篩選階段，波動幅度大，恢復周期長，對厭氧氨氧化脫氮性能產生明顯抑制，污泥二次上浮，污泥含量持續降低，顏色變暗紅色。

圖2 進出水氨氮質量濃度及去除率Fig.2 Ammonia nitrogen mass concentration in influent and effluent and its removal rate

將Ⅵ階段上浮污泥重新接種于反應器，短時間內顆粒污泥再次上浮，可能是因為高鹽度脅迫對厭氧氨氧化菌具有不可逆抑制作用，上浮污泥不具有活性。這表明高鹽度影響下污泥含量及脫氮性能已經很難維持穩定態，即30 g/L鹽度已達到厭氧氨氧化菌承受能力極限。

2.2 鹽度脅迫過程總氮去除率及負荷變化

氮負荷率(NLR)、NRR及總氮去除率變化見圖4。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ階段，鹽度為0～15 g/L，前4個階段的NRR平均值在0.99 kg/(m3·d)左右，Ⅳ階段總氮去除率波動降至89%左右，階段變化不明顯，厭氧氨氧化菌自我調節，逐漸適應鹽度環境，保持較高的總氮去除率和NRR。

圖4 NLR、NRR及總氮去除率Fig.4 NLR,NRR and total nitrogen removal rate

Ⅴ、Ⅵ階段為反應器敏感階段，厭氧氨氧化菌受此鹽度影響較大，NRR及總氮去除率呈兩次斷崖式波動下降，且恢復期較長，污泥沉降性差，僅少部分厭氧氨氧化菌能適應此鹽度環境，恢復后仍有75.34%的總氮去除率。NRR從整個階段的峰值1.10 kg/(m3·d)降至Ⅵ階段最終的0.83 kg/(m3·d)。

2.3 鹽度脅迫過程污泥顆粒形態及濃度變化

MLSS和MLVSS是檢測污泥性能是否良好的重要指標，MLVSS、MLSS及MLVSS/MLSS變化見圖5。梯度鹽度脅迫階段MLSS和MLVSS呈先增大后減小的趨勢，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ階段MLSS和MLVSS均保持較高水平，0～15 g/L鹽度在厭氧氨氧化污泥的耐受范圍內，MLVSS/MLSS稍有下降。Ⅱ階段達到MLVSS峰值，5 g/L鹽度一定程度促進了厭氧氨氧化，可能NaCl的加入加快了細胞的離子反應速率。金仁村等[7]326的研究也表明低濃度的鹽可促進厭氧氨氧化，5 g/L NaCl作用下，厭氧氨氧化活性(SAA)提高了49%。

圖5 MLSS、MLVSS及MLVSS/MLSS變化Fig.5 Changes of MLSS,MLVSS and MLVSS/MLSS

Ⅴ階段，MLSS和MLVSS含量驟減，不耐此鹽度的菌體被篩選淘汰，MLVSS/MLSS降至0.8以下，MLVSS含量較低，對厭氧氨氧化菌脫氮抑制明顯，顆粒顏色變深，可能部分厭氧氨氧化菌因鹽度過高而破裂，污泥解體；同時鹽度過大，顆粒狀污泥密度增大也是致使污泥大量上浮的因素。Ⅵ階段鹽度提升至30 g/L，MLVSS持續降至4 711.52 mg/L，且大顆粒污泥解體成小顆粒，污泥二次上浮，上浮污泥不具脫氮性能。

2.4 鹽度脅迫過程PN、PS變化

厭氧氨氧化菌在極端的環境下產生更多的EPS來抵御極端的環境[19-20]。在整個鹽度脅迫階段PS、PN及PS/PN變化見圖6。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ階段，耐受范圍內PS、PN及PS/PN略微提升，可能是厭氧氨氧化菌為抵御鹽度環境而釋放EPS使PS和PN增加。PS有親水性且帶有負電性的官能團，PN有疏水帶正電性的官能團，EPS的釋放有利于負電性的厭氧氨氧化菌顆粒化。

注：PS、PN均以單位質量MLVSS計。圖6 PS、PN及PS/PN變化Fig.6 Changes of PS,PN and PS/PN

Ⅴ階段PS和PN分別升至171、44 mg/g，可能部分菌體難以抵御鹽度的脅迫而破裂，PS、PN外溢，同時高鹽度廢水具有較高的導電性，細菌本身也具有負電性，有利于顆粒污泥的形成，污泥凝聚成大顆粒的同時，生成的氮氣無法排出，污泥密度減小而上浮。Ⅵ階段PS和PN含量降低，PS/PN持續走高，可能是因抵御鹽度脅迫而破裂的菌體減少，污泥沉降性能差，脫氮性能不理想，30 g/L鹽度對厭氧氨氧化菌產生了嚴重的抑制。

2.5 K+干預過程脫氮性能變化

30 g/L鹽度下K+干預，氨氮和亞硝態氮質量濃度及去除率變化見圖7、圖8。Ⅰ階段為穩定運行階段，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ階段氨氮去除率上升，不同程度促進厭氧氨氧化菌脫氮性能，在5 mmol/L K+干預時，氨氮和亞硝態氮去除率分別升至83.53%、89.52%，為干預過程中的最佳促進點。可能在K+干預下，細胞積累K+抵抗鹽度的脅迫，開啟主動運輸通道(Na+-K+泵)進行自我調節。Na+-K+泵的存在使得細胞主動進行Na+的排放以及K+的吸收從而維持良好的細胞活性。同時K+也是酶合成的重要組分，會促進厭氧氨氧化關鍵性脫氫酶的合成。

圖7 K+干預下進出水氨氮質量濃度及去除率Fig.7 Ammonia nitrogen mass concentration in influent and effluent and its removal rate after K+ intervention

圖8 K+干預下進出水亞硝態氮質量濃度及去除率Fig.8 Nitrous nitrogen mass concentration in influent and effluent and its removal rate after K+ intervention

Ⅴ階段20 mmol/L K+干預下，氨氮和亞硝態氮去除率分別降至70.13%、73.87%，已經抑制厭氧氨氧化菌，可能K+濃度過高會造成細胞滲透壓紊亂，細胞活性變差，導致菌體脫氮性能下降。結果表明0～15 mmol/L K+對厭氧氨氧化有不同程度的促進作用，5 mmol/L K+為最佳促進點，20 mmol/L K+出現了抑制。

2.6 K+干預過程總氮去除率及負荷變化

K+干預過程NLR、NRR及總氮去除率變化見圖9。NRR及總氮去除率隨著K+濃度提升呈先上升后下降的趨勢。5 mmol/L K+最佳促進點下總氮去除率提升至86.22%，總氮去除率較K+未干預時提升10.88百分點。NRR可達0.95 kg/(m3·d)，較不添加K+提升了0.12 kg/(m3·d)。在20 mmol/L K+干預下，NRR降至0.79 kg/(m3·d)，總氮去除率降至72.08%。一定濃度的K+可以緩解高鹽度的抑制，促進酶活性，保持細胞滲透壓穩定，增強反應器脫氮性能，但過高的K+使酶活性紊亂，菌體很難保持理想狀態。

圖9 K+干預下NLR、NRR及總氮去除率Fig.9 NLR，NRR and total nitrogen removal rate after K+ intervention

3 結 論

(1) 鹽度脅迫過程中厭氧氨氧化污泥MLSS、MLVSS先增大后減少；0～15 g/L鹽度為菌體耐受范圍，在Ⅳ階段恢復后氨氮和亞硝態氮去除率穩定在84.12%、89.06%，NRR峰值為1.10 kg/(m3·d)；PS和PN含量先升高后降低；鹽度20 g/L時PS/PN激增，污泥沉降性能差，上浮污泥不具活性；30 g/L鹽度下，脫氮性能波動幅度大且恢復期長，污泥顏色變暗紅，NRR降至0.83 kg/(m3·d)。

(2) 高鹽度條件下0～15 mmol/L K+干預對厭氧氨氧化菌有不同程度的促進作用；菌體細胞開啟主動運輸通道(Na+-K+泵)自我調節，進行K+的吸收及Na+的排放；5 mmol/L K+為最佳促進點，總氮去除率為86.22%，較0 mmol/L K+干預時總氮去除率提升了10.88百分點，NRR從0.83 kg/(m3·d)提升至0.95 kg/(m3·d)；20 mmol/L K+干預出現抑制。