鐵、錳離子對sbbr厭氧氨氧化脫氮效率的影響

鐵、錳離子對sbbr厭氧氨氧化脫氮效率的影響

與傳統(tǒng)的生物去除氮技術(shù)相比，厭氧氨氧化（anam-mox）具有高效、低能耗的特點。然而厭氧氨氧化菌生長緩慢(倍增時間為11d),且對亞硝酸鹽、溶解氧、溫度等外界條件非常敏感,導(dǎo)致其應(yīng)用受到限制。針對厭氧氨氧化菌的特性,工藝的改善方法有以下兩種:改善反應(yīng)器構(gòu)型,增強(qiáng)反應(yīng)器截留污泥的能力;優(yōu)化培養(yǎng)條件以適應(yīng)厭氧氨氧化菌的需求。序批式生物膜反應(yīng)器(SBBR)兼具生物膜反應(yīng)器和SBR反應(yīng)器的優(yōu)點,其內(nèi)置填料提高了對微生物的截留能力,結(jié)構(gòu)上更加適合培養(yǎng)世代周期較長、細(xì)胞產(chǎn)率低的厭氧氨氧化菌,運行方式上有利于產(chǎn)物的及時轉(zhuǎn)化和酸度的及時調(diào)節(jié)而避免細(xì)菌中毒現(xiàn)象。所以,利用SBBR實現(xiàn)厭氧氨氧化脫氮具有很強(qiáng)的可操作性。課題組通過對厭氧氨氧化菌的代謝途徑進(jìn)行熱力學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)其代謝途徑具有多樣性,鐵、錳離子有可能成為潛在的電子供體/受體。Strous等人對厭氧氨氧化菌Kueneniastuttgartiensis基因組的分析也證明了以上觀點。理論上新的代謝途徑會在一定程度上緩解ANAMMOX菌所面臨的競爭壓力,使得厭氧氨氧化過程更具穩(wěn)定性,并將進(jìn)一步提高厭氧氨氧化反應(yīng)器的效能。筆者以SBBR反應(yīng)器實現(xiàn)厭氧氨氧化過程,通過投加不同濃度的鐵、錳離子,考察不同離子濃度下反應(yīng)器的氮去除負(fù)荷和微生物量,分析鐵、錳離子對厭氧氨氧化反應(yīng)器效能的影響。1材料和方法1.1溫度控制試驗采用兩套完全相同的SBBR反應(yīng)器來分別考察鐵離子和錳離子的影響,其編號分別為S1和S2。裝置采用有機(jī)玻璃制作,有效容積為1.5L,內(nèi)部裝有改性生物膜載體,用纖維網(wǎng)裝好后置于反應(yīng)器內(nèi)部,以便拆卸。用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌,通過時間繼電器控制進(jìn)、出水的時間和攪拌時間。裝置表面用遮光布包裹,以防止光線對厭氧氨氧化菌混培物產(chǎn)生不利影響。利用溫控儀控制反應(yīng)器內(nèi)水溫為(35±1)℃,進(jìn)水pH值控制在7.8~8.2,HRT為6h。S1反應(yīng)器的Fe2+濃度由0.04mmol/L逐漸增加至0.06和0.08mmol/L,在成功啟動反應(yīng)器之后比較不同F(xiàn)e2+濃度對基質(zhì)轉(zhuǎn)化速率的影響。S2反應(yīng)器的錳離子濃度分別為0.0125、0.025、0.05mmol/L。1.2微量元素的測定接種污泥來自一個有效容積為1.5L的厭氧氨氧化反應(yīng)器,該反應(yīng)器已穩(wěn)定運行1年,具有較好的厭氧氨氧化活性。試驗采用人工模擬廢水:KHCO3為500mg/L,KH2PO4為10mg/L,MgSO4·7H2O為60mg/L,CaCl2·2H2O為5mg/L,微量元素為1.25mL/L。微量元素的成分如下:ZnSO4·7H2O為430mg/L,CuSO4·5H2O為250mg/L,MnCl2·4H2O為990mg/L,NiCl2·6H2O為190mg/L,CoCl2·6H2O為240mg/L,H3BO4為414mg/L,Na2SeO4·10H2O為220mg/L。鐵離子由新配制的FeCl2提供,用MnO2結(jié)晶體溶于水臨時配制相應(yīng)錳離子濃度的溶液。1.3硝酸鹽分光光度法氨氮:納氏試劑分光光度法;亞硝酸鹽氮:N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;硝酸鹽氮:麝香草酚分光光度法;pH值和DO:WTW手提式多參數(shù)測定儀;鐵、錳離子濃度:ICP-AES法。1.4探針的選擇熒光原位雜交(FISH)技術(shù)是檢測ANAMMOX菌的有效方法。本試驗選用編號為Amx-0368的探針,用Cy3進(jìn)行標(biāo)記。處理后的玻片用OlympusBX-51熒光顯微鏡及配套的成像系統(tǒng)、圖像分析系統(tǒng)進(jìn)行檢測。2結(jié)果與討論2.1鐵離子對反應(yīng)的效率的影響2.1.1s1反應(yīng)器對nh4+-n和no2--n的去除效果先啟動反應(yīng)器,投加一定量的接種污泥,逐步提高氮負(fù)荷,考察反應(yīng)器的啟動狀況。成功啟動反應(yīng)器后再考察鐵離子對反應(yīng)器脫氮性能的影響。根據(jù)所投加的鐵離子濃度的不同,可以將S1反應(yīng)器的運行分為3個階段。在各個階段反應(yīng)器對NH4+-N和NO2--N的去除效果分別見圖1和圖2?？梢钥闯?隨著進(jìn)水鐵離子濃度的升高,反應(yīng)器對兩者的去除率均呈上升趨勢。其中,當(dāng)進(jìn)水鐵離子濃度由0.04mmol/L升高到0.06mmol/L時,反應(yīng)器對氨氮的去除率有明顯升高,并且達(dá)到相對穩(wěn)定;當(dāng)進(jìn)水鐵離子濃度為0.08mmol/L時,去除率進(jìn)一步提高。反應(yīng)器對NO2--N的去除率在進(jìn)水鐵離子濃度為0.08mmol/L時增加顯著。2.1.2no2--n/nh4+-n值變化情況根據(jù)厭氧氨氧化的化學(xué)反應(yīng)式,亞硝酸鹽氮與氨氮按照1.32∶1的比例被去除,NO3--N生成量與氨氮去除量的比值為0.26∶1。經(jīng)分析,當(dāng)反應(yīng)器進(jìn)水鐵離子濃度為0.04、0.06和0.08mmol/L時,NO2--N/NH4+-N平均值分別為(1.27±0.11)、(1.24±0.05)、(1.17±0.04)。對不同階段的NO2--N/NH4+-N值進(jìn)行單邊T檢驗,結(jié)果表明NO2--N/NH4+-N值顯著低于1.32(p<0.05)。隨著反應(yīng)器進(jìn)水鐵離子濃度的升高,反應(yīng)消耗的氨氮多于理論值。三個階段的NO2--N/NH4+-N值呈下降趨勢,這可能是由于鐵離子代替亞硝酸鹽氮作為電子受體的結(jié)果。由標(biāo)準(zhǔn)偏差可知,當(dāng)鐵離子濃度升高時厭氧氨氧化現(xiàn)象越來越穩(wěn)定,亞硝酸鹽對于厭氧氨氧化過程的抑制得到有效緩解,多途徑的電子傳遞體系使得厭氧氨氧化反應(yīng)更穩(wěn)定。2.1.3鐵離子濃度對厭氧氨氧化菌生長的影響在每個階段運行完畢時,取一定量的泥樣用于FISH分析。結(jié)果表明,隨著鐵離子濃度的升高,厭氧氨氧化菌的數(shù)量逐漸增加,特別是當(dāng)鐵離子濃度為0.08mmol/L時,細(xì)菌混培物的生長速率明顯加快,揮發(fā)性固體濃度為第一階段的2.33倍。2.2影響錳處理的效率2.2.1反應(yīng)器內(nèi)氨氮和亞硝酸鹽氮的去除測定顯示,隨著進(jìn)水錳離子濃度的升高,反應(yīng)器對氨氮和亞硝酸鹽氮的去除率逐漸升高,在錳離子濃度為0.05mmol/L時,反應(yīng)器對這兩種基質(zhì)的去除率均達(dá)到了95%以上(見圖3、4)。2.2.2錳離子濃度對反應(yīng)器的影響反應(yīng)器進(jìn)水錳離子濃度為0.0125、0.025、0.05mmol/L時NO2--N/NH4+-N的平均值分別為(1.00±0.13)、(1.20±0.09)、(1.21±0.03)。單邊T檢驗顯示NO2--N/NH4+-N值均顯著低于1.32(p<0.05)。在錳離子濃度為0.0125mmol/L時反應(yīng)器的運行很不穩(wěn)定,但是隨著錳離子濃度提高到0.025mmol/L,反應(yīng)器的厭氧氨氧化現(xiàn)象逐漸明顯,NO2--N和NH4+-N也基本按照理論值被去除(見圖5)。當(dāng)進(jìn)水錳離子濃度為0.05mmol/L時,NO2--N/NH4+-N值略有下降。2.2.3錳離子濃度對厭氧氨氧化菌生長的影響取三個運行階段的污泥樣品進(jìn)行FISH分析,隨著錳離子濃度的升高,厭氧氨氧化菌在污泥微生物群落中逐漸占據(jù)優(yōu)勢,當(dāng)錳離子濃度為0.05mmol/L時,厭氧氨氧化菌混培物的生長速率明顯比低濃度時快,第三階段的VS值是第一階段的2.57倍。3鐵、錳離子對氨氮和亞硝酸鹽氮的去除效果(1)鐵、錳離子均能夠促進(jìn)反應(yīng)器對氮的去除。當(dāng)進(jìn)水鐵離子濃度為0.08mmol/L時,反應(yīng)器對氨氮和亞硝酸鹽氮的去除率均穩(wěn)定在95%左右;當(dāng)進(jìn)水錳離子濃度為0.05mmol/L時,反應(yīng)器對氨氮和亞硝酸鹽氮的去除率均可達(dá)95%以上。(2)鐵、錳離子能夠促進(jìn)厭氧氨氧化菌混培物的生長。當(dāng)鐵離子濃度為0.08mmol/L時,揮發(fā)性固體濃度為0.04mmol/L時的2.33倍。