厭氧氨氧化耦合部分反硝化處理低濃度氨氮廢水

Word版本，下載可自由編輯厭氧氨氧化耦合部分反硝化處理低濃度氨氮廢水厭氧氨氧化作為新型生物脫氮工藝具有節(jié)省能耗、污泥產(chǎn)量低、脫氮效率高等優(yōu)點，已經(jīng)勝利應(yīng)用于污泥水、滲濾液等高氨氮廢水處理。而如何將厭氧氨氧化應(yīng)用于城鎮(zhèn)污水的脫氮處理是目前國內(nèi)外的討論熱點。

實現(xiàn)厭氧氨氧化反應(yīng)的前提是獲得穩(wěn)定的亞硝酸氮作為電子受體，而城鎮(zhèn)污水中氨氮濃度低(20~45mg˙L?1)，出水水質(zhì)要求高，利用低溶氧、游離氨或游離亞硝酸抑制等傳統(tǒng)辦法很難實現(xiàn)穩(wěn)定的部分亞硝化(partialnitrification)，且部分亞硝化與厭氧氨氧化聯(lián)用技術(shù)仍不能解決出水中含有大量硝態(tài)氮的問題。

因此，有討論提出將部分污水中的氨氮首先徹低硝化為硝酸鹽氮，然后將硝酸鹽氮還原為亞硝酸鹽氮，從而為厭氧氨氧化的實現(xiàn)提供穩(wěn)定的電子受體，有望成為將來城鎮(zhèn)污水高效低耗脫氮處理工藝，于是對城鎮(zhèn)污水的厭氧氨氧化脫氮討論轉(zhuǎn)化為如何將硝酸鹽還原與厭氧氨氧化舉行高效地耦合。

目前認(rèn)為可能的途徑有3條：1)通過厭氧氨氧化菌自身可舉行部分硝酸鹽異化還原(DNRA)的partialDNRA-anammox耦合工藝;2)通過反硝化甲烷古菌舉行部分反硝化(DAMO)的DAMO-anammox耦合工藝;3)通過異養(yǎng)反硝化菌舉行部分反硝化(partialdenitrification)的partialdenitrification-anammox耦合工藝。

DNRA-anammox耦合工藝與DAMO-anammox耦合工藝存在控制困難、氧化速率慢、效率低、功能微生物難富集等問題，在實際污水脫氮中的應(yīng)用還有一定的難度。

在反硝化過程中，亞硝酸鹽堆積是一個普遍存在的現(xiàn)象，可利用挑選合適的碳源、控制相宜的碳氮比和反應(yīng)時光等條件，較易篩選出將硝酸鹽僅還原到亞硝酸鹽的部分反硝化異養(yǎng)菌，實現(xiàn)亞硝酸鹽的穩(wěn)定堆積。

部分反硝化與厭氧氨氧化技術(shù)聯(lián)用可以實現(xiàn)同步脫氮除碳，避開了出水中硝酸鹽的堆積，同時利用部分反硝化途徑為厭氧氨氧化反應(yīng)提供了亞硝酸鹽，具有操作容易、運行穩(wěn)定等優(yōu)點，有望實現(xiàn)厭氧氨氧化技術(shù)在城鎮(zhèn)污水處理主流工藝中的應(yīng)用。

本討論以接種具有高效部分反硝化能力的部分反硝化菌(Thauera)和厭氧氨氧菌(CandidatusBrocadia)在同一反應(yīng)器中形成耦合系統(tǒng)，以乙酸鈉為碳源，在COD/NO3?-N比為2.5，進(jìn)水NO3?-N/NH4+-N比為1.2的條件下，利用2種污泥的活性計算，使得接種到耦合系統(tǒng)的2種污泥能同時發(fā)生部分反硝化與厭氧氨氧化反應(yīng)，以達(dá)到在低COD狀況下可同時去除氨氮與硝酸鹽的目的。

1材料與辦法

1.1接種污泥

厭氧氨氧化接種污泥取自穩(wěn)定運行5年的SBR，總氮(TN)去除負(fù)荷為1.7kg˙(m3˙d)?1，TN去除率為(89.87±0.43)%，污泥呈紅棕色，顆?；潭攘己谩：昊蚪M測序[12]結(jié)果表明污泥中的優(yōu)勢菌為CandidatusBrocadia(34.1%)。

部分反硝化接種污泥取自穩(wěn)定運行1年的SBR，進(jìn)水COD/NO3?-N比為2.5，NO3?-N濃度為50mg˙L?1，NO2?-N的堆積率穩(wěn)定在95%。宏基因組測序結(jié)果表明，污泥中的優(yōu)勢菌為Thauera(71.85%)。

1.2試驗裝置與運行方式

試驗裝置為工作容積1L的SBR，利用恒溫水浴控制反應(yīng)器溫度為30℃左右。試驗方式分為批式試驗和延續(xù)試驗。批式試驗分4批舉行，各批次的厭氧氨氧化菌和部分反硝化菌的污泥濃度及進(jìn)水條件相同，但NO3?-N/NH4+-N比不同，考察不同NO3?-N/NH4+-N比下TN去除效果。在批式試驗的基礎(chǔ)上，以最佳NO3?-N/NH4+-N比舉行延續(xù)試驗，考察厭氧氨氧化菌和部分反硝化菌的活性變化。SBR的運行周期為130min，其中，進(jìn)水2min，曝氣攪拌100min，沉淀20min，出水3min，閑置5min。

1.3試驗廢水

試驗反應(yīng)器采納人工配制的進(jìn)水，組分組成：NH4Cl(以N計)20~40mg˙L?1，NaNO3(以N計)20~50mg˙L?1，乙酸鈉(以COD計)60~120mg˙L?1，KHCO3500mg˙L?1，KH2PO450mg˙L?1，CaCl2˙2H2O180mg˙L?1，MgSO4˙7H2O100mg˙L?1，微量元素Ⅰ、Ⅱ[14]各1mL˙L?1。

1.4反應(yīng)活性的測定辦法

厭氧氨氧化反應(yīng)、反硝化反應(yīng)及厭氧氨氧化耦合部分反硝化反應(yīng)的活性測定辦法相同，詳細(xì)操作步驟如下：反應(yīng)周期結(jié)束時，從反應(yīng)器中取200mL顆粒污泥混合液，經(jīng)無氧水淘洗后置于500mL用錫箔紙包裹的廣口瓶中，依據(jù)測定的活性不同，加入相應(yīng)的基質(zhì)，然后用含微量元素的無氧水定容至400mL，用橡膠塞塞緊后向瓶內(nèi)通入高純氮氣(99.999%)以維持厭氧條件。反應(yīng)pH由PBS緩沖溶液控制在7.5，定時取樣，分析測定樣品中的NH4+-N、NO3?-N、NO2?-N等指標(biāo)。

厭氧氨氧化反應(yīng)活性測定時起始基質(zhì)濃度為NH4+-N30mg˙L?1，NO2?-N40mg˙L?1，KHCO30.5g˙L?1;反硝化活性測定時起始基質(zhì)濃度為NO3?-N30mg˙L?1，COD75mg˙L?1;厭氧氨氧化耦合部分反硝化反應(yīng)活性測定時所加起始基質(zhì)濃度為NH4+-N30mg˙L?1，NO3?-N36mg˙L?1，COD90mg˙L?1。耦合反應(yīng)中用氨氮的氧化速率和硝酸鹽的還原速率分離代表厭氧氨氧化菌與部分反硝化菌的活性。

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1.5分析辦法

1.5.1常規(guī)指標(biāo)分析

各項指標(biāo)均按文獻(xiàn)中的辦法[15]舉行測定：NH4+-N：納氏試劑分光光度法;NO2?-N：(1-萘基)-乙二胺分光光度法;NO3?-N：紫外分光光度法;pH采納雷磁PHS-3C型pH計;MLSS和MLVSS采納分量法。

1.5.2熒光原位雜交

接種的厭氧氨氧化顆粒污泥中的微生物菌群采納熒光原位雜交法舉行分析，詳細(xì)操作參照文獻(xiàn)中的辦法[16]舉行。顆粒污泥采納冷凍切片機(jī)(LeicaCM1950，Germany)舉行切片，雜交后的樣品利用激光共聚焦顯微鏡(TCSSP8，萊卡)舉行觀看，并在100倍的物鏡下采集圖像。

試驗所用探針如表1所示，總細(xì)菌采納Eub338mix(為Eub338，Eub338Ⅱ及Eub338Ⅲ三者等體積混合)，厭氧氨氧化菌采納Amx368。厭氧氨氧化菌的定量是在每個污泥樣品共隨機(jī)采集50張圖像，經(jīng)Image-ProPlus軟件處理后，統(tǒng)計目標(biāo)微生物占總生物量的比例。

表1熒光原位雜交試驗中監(jiān)測厭氧氨氧化菌所用探針

1.6速率及轉(zhuǎn)化效率計算

部分反硝化過程的速率及亞硝氮堆積率按式(1)~(3)計算：

厭氧氨氧化過程的速率按式(4)~(6)計算：

2結(jié)果與研究

2.1厭氧氨氧化接種污泥種群結(jié)構(gòu)

接種的厭氧氨氧化污泥熒光原位雜交照片如圖1所示。圖1中顯示紅色熒光信號(厭氧氨氧化菌)與綠色熒光信號(總細(xì)菌)的重合度較高，且顆粒污泥的熒光信號呈環(huán)形，外部熒光信號比內(nèi)部強，這是由于受傳質(zhì)阻力的影響，使得顆粒污泥外部基質(zhì)濃度較高，顆粒內(nèi)部基質(zhì)不足而引起細(xì)胞自融所致。由局部放大圖(圖1(d))可見顆粒污泥微生物以極小的菌落群聚攏分布，各群落間可能含有大量胞外聚合物，而胞外聚合物有利于污泥顆粒化。厭氧氨氧化菌的含量占總細(xì)菌含量的(90.39±4.76)%，說明接種污泥中厭氧氨氧化菌為優(yōu)勢菌屬，接種該污泥有利于耦合試驗的舉行。

圖1接種厭氧氨氧化顆粒污泥FISH分析

2.2耦合前部分反硝化與厭氧氨氧化污泥活性

圖2為部分反硝化污泥的反應(yīng)活性測定結(jié)果。試驗結(jié)果顯示，隨著反應(yīng)的舉行，硝酸鹽濃度逐漸降低，同時亞硝酸鹽濃度逐漸增強。反應(yīng)起始時測得NO3?-N與NO2?-N濃度分離為32.45mg˙L?1與0.68mg˙L?1，反應(yīng)60min時測得NO3?-N與NO2?-N濃度分離為0.81mg˙L?1與29.22mg˙L?1,反應(yīng)過程中硝酸鹽的還原量與亞硝酸鹽的堆積量大致相同,可實現(xiàn)亞硝酸鹽的穩(wěn)定堆積。由式(1)~式(3)計算可得硝酸鹽的還原速率為257.68mg˙(g˙h)?1,亞硝酸鹽的堆積速率為225.76mg˙(g˙h)?1,亞硝氮的堆積率高達(dá)90.19%。

圖2部分反硝化反應(yīng)過程中NO3?-N與NO2?-N濃度隨時光的變化.

圖3為厭氧氨氧化污泥的反應(yīng)活性測定結(jié)果。反應(yīng)過程中NH4+-N、NO2?-N的降解與NO3?-N的產(chǎn)生均為零級反應(yīng),線性關(guān)系良好。其中,ΔNO2?-N/ΔNH4+-N為1.36±0.11,ΔNO3?-N/ΔNH4+-N為0.25±0.04,比LOTTI等[20]報道的理論值(1.146)偏大。反應(yīng)結(jié)束后測得MLVSS為2067mg˙L?1，由式(4)~式(6)計算得氨氮與亞硝氮的降解速率分離為9.13mg˙(g˙h)?1和12.84mg˙(g˙h)?1，硝氮的生成速率為3.02mg˙(g˙h)?1。

由活性測定結(jié)果可知，部分反硝化過程中亞硝酸鹽的堆積速率是厭氧氨氧化過程中亞硝酸鹽還原速率的17.58倍，為保證耦合過程中兩者的速率平衡，按此比例向反應(yīng)器中接種厭氧氨氧化污泥與部分反硝化菌污泥量。

圖3厭氧氨氧化反應(yīng)過程中NH4+-N、NO2?-N和NO3?-N濃度隨時光的變化

2.3不同NO3?-N/NH4+-N比下耦合批式試驗結(jié)果

不同NO3?-N/NH4+-N比的批式試驗結(jié)果見圖4。當(dāng)NO3?-N/NH4+-N比在0.8~1.6的范圍時，隨著反應(yīng)的舉行，NH4+-N和NO3?-N濃度均呈下降趨勢，表明反應(yīng)器中厭氧氨氧化作用與反硝化作用同步舉行，實現(xiàn)了兩者的耦合。

進(jìn)水NO3?-N/NH4+-N比不同，各反應(yīng)物的去除率也不相同。圖4(a)和圖4(b)是NO3?-N/NH4+-N比分離為0.8和1.0的狀況。當(dāng)NO3?-N被徹低消耗后，尚有部分剩余NH4+-N存在，且比值越高，剩余越少。這是因為進(jìn)水硝酸鹽量太少不能為厭氧氨氧化反應(yīng)提供足夠的NO2?-N，使得厭氧氨氧化反應(yīng)因為缺乏電子供體而終止。

當(dāng)NO3?-N/NH4+-N比值為1.2時(圖4(c))，反應(yīng)過程中部分反硝化反應(yīng)產(chǎn)生的NO2?-N剛好被厭氧氨氧化反應(yīng)所通過，兩者協(xié)同脫氮。當(dāng)NO3?-N/NH4+-N比值繼續(xù)增大為1.6時(圖4(d))，硝酸鹽經(jīng)部分反硝化提供的NO2?-N已超過厭氧氨氧化反應(yīng)所需數(shù)值，NH4+-N被徹低消耗后，尚有部分剩余的硝酸鹽，此后，厭氧氨氧化反應(yīng)終止，剩余的NO3?-N被繼續(xù)還原。

因為水中無氨氮存在，妨礙了反硝化菌的合成，因此，相應(yīng)的硝酸鹽通過速率也隨之下降，由6.83mg˙(g˙h)?1降為1.89mg˙(g˙h)?1。剩余NO3?-N一部分還原為NO2?-N，另一部分被徹低反硝化還原為N2。雖然此時TN的去除率仍高達(dá)91.98%，但在該條件下長久運行，因為具有徹低反硝化功能的異養(yǎng)菌增殖，將不利于耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定。

批式試驗結(jié)果表明，NO3?-N/NH4+-N的最佳比值為1.2，此時NH4+-N、NO3?-N及TN的去除率分離為92.85%、99.68%和96.42%。

圖4不同進(jìn)水NO3?-N/NH4+-N比下耦合反應(yīng)中各氮素濃度變化

2.4耦合系統(tǒng)的延續(xù)運行情況

耦合系統(tǒng)延續(xù)運行20個周期,進(jìn)出水三氮變化及結(jié)果見圖5。在起始的2個周期進(jìn)水NO3?-N/NH4+-N比較小，分離為0.96和0.99，以便反硝化菌和厭氧氨氧化菌逐漸適應(yīng)培養(yǎng)環(huán)境;其后，進(jìn)水NO3?-N/NH4+-N比值均控制在最佳范圍(1.1~1.3)。在試驗條件下，耦合系統(tǒng)在低濃度氨氮下獲得了穩(wěn)定的脫氮效果。

在進(jìn)水NH4+-N濃度20~30mg˙L?1、NO3?-N濃度為25~35mg˙L?1時，出水NH4+-N濃度從12mg˙L?1逐漸降低到3mg˙L?1以下，NO3?-N與NO2?-N濃度均在1.5mg˙L?1以下，NH4+-N、NO3?-N和TN的平均去除率分離為86.5%、95.2%和94.88%。

圖5部分反硝化厭氧氨氧化耦合反應(yīng)器運行期間脫氮性能

圖5(c)為運行期間耦合系統(tǒng)中厭氧氨氧化反應(yīng)與部分反硝化反應(yīng)的活性變化狀況。在耦合反應(yīng)器運行過程中，厭氧氨氧化菌對氨氮的氧化速率基本恒定，維持在(4.62±0.44)mg˙(g˙h)?1;而部分反硝化菌對硝酸鹽的還原速率在呈逐漸增大的趨勢，由(4.04±0.43)mg˙(g˙h)?1增強到(5.51±0.30)mg˙(g˙h)?1，這是因為部分反硝化菌的增殖速率(Y=0.3)[21]相對厭氧氨氧化菌(Y=0.066±0.01)[22]較快，單位體積中的部分反硝化菌含量增高所致。

從耦合系統(tǒng)典型周期內(nèi)各氮素變化的趨勢(圖5(d))也可以看出，隨著培養(yǎng)周期的增強，耦合系統(tǒng)中微生物降解氨氮的曲線斜率基本不變，而硝酸鹽還原的曲線斜率逐漸增大，這與耦合系統(tǒng)中2種不同的微生物的脫氮途徑(硝酸鹽經(jīng)亞硝酸鹽由厭氧氨氧化菌轉(zhuǎn)化為氮氣和硝酸鹽經(jīng)亞硝酸鹽由反硝化菌轉(zhuǎn)化為氮氣)有關(guān)，可以用參加耦合反應(yīng)的ΔNO3?-N/ΔNH4+-N的比值來衡量。

當(dāng)NO3?-N利用部分反硝化所有還原為NO2?-N為氨氧化提供電子受體時，在不考慮細(xì)胞合成的條件下，ΔNO3?-N/ΔNH4+-N的比值與厭氧氨氧化的ΔNO2?-N/ΔNH4+-N的比值相同，即1.146;在考慮部分反硝化菌的合成時，因為部分反硝化菌的增殖會消耗部分氨氮，從而導(dǎo)致ΔNO3?-N/ΔNH4+-N的比值降低，由本試驗第2周期的結(jié)果可見，ΔNO3?-N/ΔNH4+-N的比值約為0.99，與KALYUZHNY等[23]的討論結(jié)果(0.97)相近。

隨著培養(yǎng)時光的增強,參加耦合反應(yīng)的ΔNO3?-N/ΔNH4+-N比值逐漸增大，并且穩(wěn)定在1.15±0.2