半短程亞硝化-厭氧氨氧化脫氮工藝研究進(jìn)展

半短程亞硝化-厭氧氨氧化脫氮工藝研究進(jìn)展

降低水氮污染是生物處理技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)需要大量的供氧量，必須添加有機(jī)的碳源，導(dǎo)致大量剩余污泥和溫室氣體（co2）等固有缺陷。由于硝化菌和聚磷菌在污泥留在體內(nèi)和碳源的需求中存在競爭，因此很難同時(shí)去除氮和磷，投資成本高。半短程亞硝化和厭氧氨酸脫氮是20世紀(jì)90年代開發(fā)的一種新型高效氮脫氮工藝。與傳統(tǒng)的脫氮工藝相比，脫氮過程的反應(yīng)方法短，供氧量低，不需要堿性和有機(jī)碳源的添加，顯著降低了能源和運(yùn)營成本。因此，與此過程相關(guān)的氨氧化細(xì)菌和厭氧氨酸菌的相關(guān)研究吸引了國內(nèi)外科學(xué)家的注意。本文簡要介紹了該工藝的特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了該工藝的微生物特性，并對應(yīng)用前景進(jìn)行了預(yù)測。1anammox生物脫氮工藝要想將ANAMMOX工藝,應(yīng)用于實(shí)際廢水的生物脫氮,首先必須解決合適的基質(zhì)來源問題.這就需要建立ANAMMOX菌和其它微生物的協(xié)同作用系統(tǒng),或者與其它工藝進(jìn)行組合運(yùn)行.基于以上思路,目前已開發(fā)出的ANAMMOX生物脫氮工藝主要有:SHARON-ANAMMOX聯(lián)合工藝、CANON工藝等.1.1n-n-fmox工藝SingleReactorforHighAmmoniumRemovalOverNitrite-ANAMMOX,該工藝是荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)開發(fā)的一種新型的脫氮工藝,該工藝反應(yīng)式即:該組合工藝首先用于處理鹿特丹Dokhaven污水處理廠的污泥消化上清液,SHARON采用10L的CSTR反應(yīng)器,水力停留時(shí)間(HRT)為1d,53%的氨氮轉(zhuǎn)為NO2-,無NO3-形成.ANAMMOX采用SBR反應(yīng)器,在氮負(fù)荷為1.2kg·(m3·d)-1時(shí),超過80%的氨氮被轉(zhuǎn)化為N2.Dapena-mora等試驗(yàn)表明,SHARON-ANAMMOX可以用于處理高氨氮和高鹽度的工業(yè)廢水,氨氧化菌將氨氧化到亞硝酸鹽階段;隨后ANAMMOX菌將剩余的氨離子和生成的亞硝酸根離子轉(zhuǎn)化成N2,從而實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)脫氮.系統(tǒng)平均氨氮去除率達(dá)68%.與傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比,優(yōu)點(diǎn)較多,具有較高的實(shí)用推廣價(jià)值.1.2好氧氨氧化作用該工藝是指在生物膜或單個(gè)反應(yīng)器內(nèi),通過控制較低DO濃度來實(shí)現(xiàn)短程硝化和ANAMMOX,從而達(dá)到脫氮的目的.CANON反應(yīng)已在實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證.其主要進(jìn)行好氧氨氧化作用[式(3)]和ANAMMOX作用[式(4)],總反應(yīng)過程[式(5)]可表示為:CANON工藝的主要優(yōu)點(diǎn):兩個(gè)反應(yīng)過程在一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)行,縮短了工藝流程;硝化過程控制在亞硝化階段,供氧量減少大約25%;可以縮短HRT,減少反應(yīng)器的體積和占地面積.CANON工藝的主要缺點(diǎn):單級反應(yīng)器所能達(dá)到的全程自養(yǎng)脫氮效率較亞硝化-ANAMMOX組合工藝要低;運(yùn)行條件如溫度、氨表面負(fù)荷等對脫氮效果有較大影響,從而不易控制;工藝運(yùn)行的穩(wěn)定性差.1.3半短程硝化-anammox工藝半短程亞硝化ANAMMOX工藝包含兩個(gè)生物過程,廢水中約50%的氨氮首先在AOB的作用下,在好氧條件下被氧化為亞硝酸氮;隨后短程硝化器的出水(包含生成的亞硝酸氮和未反應(yīng)完的氨氮)作為ANAMMOX反應(yīng)器的進(jìn)水,ANAMMOX菌在厭氧條件下,以亞硝酸氮為電子受體和氨氮作為直接電子供體反應(yīng)生成氮?dú)?達(dá)到廢水中氨氮的全程自養(yǎng)脫氮.在半短程硝化-ANAMMOX聯(lián)合工藝過程中,脫氮作用的微生物包括氨氧化菌與ANAMMOX菌.半短程硝化-ANAMMOX工藝中需要將部分氨氮氧化為亞硝酸鹽氮,然后此亞硝酸鹽氮再氧化剩余部分的氨氮,實(shí)現(xiàn)脫氮(圖1).該工藝只需消耗0.8mol的氧氣;無需有機(jī)物作為碳源,直接利用二氧化碳為碳源;該工藝是全程自養(yǎng)脫氮,因此污泥產(chǎn)生量低,減少污泥處置的費(fèi)用.該工藝可節(jié)省60%的供氧能耗;由于無需外加碳源,也節(jié)省了外加碳源所增加的運(yùn)行費(fèi)用.此外ANAMMOX菌以二氧化碳為碳源,在代謝途徑中沒有N2O等中間產(chǎn)物,因此也減少了溫室氣體的排放.這些新工藝都力求縮短“氮”的轉(zhuǎn)化途徑和過程,就是將亞硝酸鹽氧化菌(NOB)從反應(yīng)器中淘洗掉,同時(shí)將AOB有效保留在反應(yīng)器中,從而實(shí)現(xiàn)把氨氮氧化為亞硝酸鹽,而不再繼續(xù)被氧化為硝酸鹽.要想實(shí)現(xiàn)NOB被淘洗,首先使反應(yīng)器內(nèi)AOB的增長率大于NOB的增率,通過適當(dāng)?shù)墓に囘\(yùn)行條件將反應(yīng)器內(nèi)的NOB逐漸淘洗出去.2影響亞硝酸鹽積累和細(xì)菌群增長的因素2.1脫氮溫度和時(shí)間對anoab合成的影響祖波等研究發(fā)現(xiàn)溫度為30℃時(shí),氨氧化速率最大,25℃和35℃時(shí)依次降低,在溫度大于15℃時(shí),適于亞硝酸鹽的積累,但只有當(dāng)溫度大于15℃時(shí),亞硝酸鹽積累才有競爭優(yōu)勢.在低溫條件下AOB的最小污泥齡大于NOB的最小污泥齡,而在高溫條件下AOB的最小污泥齡明顯小于NOB的最小污泥齡,因此在該條件下可通過調(diào)整污泥齡來達(dá)到淘洗掉NOB的目的,這也解釋了夏天為何更容易出現(xiàn)亞硝酸鹽積累的情況.SHARON工藝?yán)眠@一特點(diǎn),在溫度30~35℃條件下,AOB的生長率明顯快于NOB的生長率,水力停留時(shí)間(HRT)介于NOB和AOB的最小停留時(shí)間之間,而使AOB得到積累NOB被逐漸淘汰,以維持穩(wěn)定的亞硝酸積累.近來研究認(rèn)為,在溫度28~38℃下,NOB的最小倍增時(shí)間要小于AOB,是最佳的脫氮溫度.楊洋等在pH值為8.2、起始NH4+-N和NO2--N質(zhì)量濃度均為200mg·L-1、污泥質(zhì)量濃度(VSS)約為1.6g·L-1的試驗(yàn)條件下,控制反應(yīng)溫度為30~35℃時(shí),ANAOB反應(yīng)速率最高,溫度升至40℃時(shí),反應(yīng)活性明顯下降,反應(yīng)最適溫度為30~35℃,在水溫65℃的仍有ANAOB存在;且在水溫為52℃時(shí)ANAOB為CandidatusBrocadiafulgida、CandidatusBrocadiaanammoxidans及CandidatusKueneniastuttgartiensis.2.2aod對氧催化作用的影響硝化反應(yīng)是好氧過程,必須在有氧條件下才能進(jìn)行.Perez等研究發(fā)現(xiàn)氨氧化反應(yīng)主要發(fā)生在前面兩個(gè)曝氣池,而亞硝酸鹽氧化反應(yīng)主要發(fā)生在最后面曝氣池,認(rèn)為AOB對氧親和力大于NOB對氧親和力,因此造成此現(xiàn)象的發(fā)生.Kornaros等認(rèn)為由缺氧轉(zhuǎn)入好氧環(huán)境時(shí),AOB可以立即以最大生長速率增長,而NOB需要一定的恢復(fù)時(shí)間才可以達(dá)到其最大的生長速率.當(dāng)系統(tǒng)中DO的濃度低于0.5mg·L-1時(shí),AOB的亞硝化速率沒有明顯受到抑制,主要因?yàn)锳OB產(chǎn)率快速增長抵消了低DO對氨氧化速率降低的影響,而NOB的產(chǎn)率和氧化亞硝態(tài)氮的速率卻沒有因溶解氧的降低而提高,且受到明顯抑制.ANAMMOX是嚴(yán)格的厭氧反應(yīng),ANAOB對氧氣很敏感,當(dāng)DO>2μmol·L-1,ANAOB的活性會(huì)完全被抑制,這種抑制是可逆的.2.3gl-1、gl-1的影響廢水中的氨根據(jù)不同的pH值,分別以離子態(tài)和分子態(tài)的形式存在.分子態(tài)游離氨(FA)對硝化作用有著明顯的抑制作用,而NOB比AOB更易受到FA的抑制,因此FA會(huì)抑制亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽.研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)FA濃度為1.0~5.0mg·L-1時(shí),對硝化反應(yīng)發(fā)生抑制作用,而對亞硝化反應(yīng)不產(chǎn)生影響;當(dāng)FA濃度為24mg·L-1時(shí),則硝化反應(yīng)被完全抑制.因此,要保證氨氧化反應(yīng)的正常進(jìn)行,就要控制系統(tǒng)中FA的濃度介于亞硝酸鹽氧化菌抑制濃度和氨氧化菌抑制濃度之間.pH值對AOB和NOB也有明顯的影響,研究發(fā)現(xiàn)AOB的最適宜的pH值為7.0~8.6,而NOB的pH值范圍是7.7~8.1,pH在8.0附近時(shí),NO2--N的生成速率最大,而NO3--N的生成速率在pH為7.0附近為最大.利用AOB和NOB的最適pH值不同,控制混合液的pH值,從而得到亞硝態(tài)氮的積累.研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH為(7.5±0.22)時(shí),AOB濃度開始降低,當(dāng)pH提高到9.3±0.24后,AOB濃度降低非常明顯.2.4控制污泥停留時(shí)間由于氨氮的硝化速率比亞硝氮的氧化速率明顯快,當(dāng)溫度高于15℃時(shí),AOB的世代周期比NOB的短.因此,可以通過控制系統(tǒng)的污泥齡而實(shí)現(xiàn)亞硝酸型硝化,使泥齡介于AOB和NOB的最小停留時(shí)間之間,使得系統(tǒng)中NOB逐漸被沖洗掉,AOB成為系統(tǒng)優(yōu)勢菌.一般認(rèn)為當(dāng)供氧沒有限制時(shí),污泥齡是影響氨氧化菌增長的主要因素,控制污泥停留時(shí)間(SRT)在10d左右,可以有效地促進(jìn)氨氧化菌的增長.3關(guān)于氨基丙烯酸和厭氧氨丙烯酸的研究3.1關(guān)于氨基丙烯酸的研究3.1.1好氧氨氧化菌的篩選AOB是一類能夠在好氧條件下將氨氧化為亞硝酸鹽的化能無機(jī)自養(yǎng)型細(xì)菌,廣泛存在于自然環(huán)境中,所有的AOB、NOB均屬于變形菌綱Proteobacteria的β和γ亞綱.R亞綱好氧氨氧化菌適合在海洋環(huán)境生長,主要是Nitrosococci屬,該屬由3種親緣關(guān)系密切的Nitrosococcus組成,Nitrosococcusoceanus、Nitrosococcushalophilus.β亞綱的亞硝化細(xì)菌又可分為兩個(gè)類群:亞硝化單胞菌群(Nitrosomonas)和亞硝化螺菌群(Nitrosospira).β-Proteobacteria亞綱至少可以分為7個(gè)Cluster,如圖2.3.1.2nitrosowellasopeaa和nitrosowellasolifolificficipa的反應(yīng)AOB又名亞硝酸化菌,其氧飽和常數(shù)一般為0.2~0.4mg·L-1;NOB又名硝酸化菌,其氧飽和常數(shù)為1.2~1.5mg·L-1.在污水處理中,低DO下亞硝酸氮大量積累的原因主要是由于亞硝酸化菌對DO的親和力要比硝化菌強(qiáng).Qin等發(fā)現(xiàn)在膜生物反應(yīng)器處理污水工藝中,DO濃度較高的生物膜外側(cè)主要聚集著Nitrosomonaseuropaea和Nitrosomonasoligotropha的氨氧化細(xì)菌,少數(shù)為Nitrosomonascommunis,而Nitrosospire-like卻偶爾存在;而在DO濃度低的內(nèi)側(cè)則只有Nitrosomonasoligotropha細(xì)菌的存在,Qin等也發(fā)現(xiàn)在溶解氧低氧區(qū)域有Nitrosomonasmobilis和Nitrosomonaseuropaea/eutropha細(xì)菌的共存現(xiàn)象,并推測這可能是不同類型氨氧化細(xì)菌AOB的共生作用.其中,Nitrosomonasmobilis細(xì)菌對氧氣有較高的親和力,而Nitrosomonaseuropaea/eutropha相關(guān)細(xì)菌優(yōu)先利用亞硝酸鹽為電子受體進(jìn)行氨氧化作用,在低DO時(shí)表現(xiàn)出厭氧氨氧化活性.Kuai等和Lydmark等在對處理高氨氮廢水的生物反應(yīng)器中微生物多樣性的研究中發(fā)現(xiàn):低DO條件出現(xiàn)了氮損失,而主要的AOB是類Nitrosomonaseuropaea.3.2關(guān)于厭氧菌的研究3.2.1anoab與好氧aod的反應(yīng)目前發(fā)現(xiàn)的ANAOB有5個(gè)屬,9個(gè)種,全部為自養(yǎng)菌(圖3),各種分別為待定黑海階梯烷菌(CandidatusScalinduasorokinii)、待定厭氧氨氧化布羅卡地菌(CandidatusBrocadiaanammoxidans)、待定硫酸鹽厭氧氨氧化球菌(CandidatusAnammoxogobussulfate)、待定熒光布羅卡地菌(CandidatusBrocadiafulgida)、待定丙酸厭氧氨氧化球菌(CandidatusAnammoxoglobuspropionicus)、待定韋格氏階梯烷菌(CandidatusScalinduawagneri)、待定布羅達(dá)氏階梯烷菌(CandidatusScalinduabrodae)、待定亞洲杰特氏菌(CandidatusJetteniaasiatica)、待定斯圖加特庫氏菌(CandidatusKueneniastuttgartiensis).由于厭氧氨氧化同時(shí)需要亞硝酸和氨兩種基質(zhì),在運(yùn)行工藝中,當(dāng)DO較低時(shí),ANAOB可與好氧AOB共存,互惠互利.好氧AOB產(chǎn)生的亞硝酸用作ANAOB的基質(zhì),而ANAOB消耗亞硝酸,可解除亞硝酸對好氧AOB的抑制.3.2.2原位生成15nh3-根據(jù)同位素示蹤及ANAOB基因組分析,其代謝機(jī)制為:第一步在亞硝酸鹽氮氧化還原酶(NIR)的作用下,把NO2-還原為NO,同時(shí)吸收1個(gè)低能量電子;然后在聯(lián)氨水解酶的作用下,NO氧化NH4+產(chǎn)生聯(lián)氨N2H4,該過程吸收3個(gè)低能量的電子;聯(lián)氨再提供電子產(chǎn)生還原態(tài)的鐵氧還原酶,同時(shí)釋放出4個(gè)高能量電子.這些電子用于能量轉(zhuǎn)化和產(chǎn)生質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(PMF).經(jīng)過電子傳遞后的電子失去了能量,將進(jìn)入下一個(gè)聯(lián)氨合成的循環(huán)[圖4(a)].PMF可以激活位于厭氧氨氧化胞膜上的ATP酶產(chǎn)生ATP.還原態(tài)的鐵氧化還原酶可為CO2固定的乙酰輔酶A途徑提供電子.在乙酰輔酶A途徑中失去的電子由NO2--N氧化為NO3--N的氧化反應(yīng)來補(bǔ)充.此氧化反應(yīng)中產(chǎn)生的電子為低能量的電子需要通過PMF驅(qū)動(dòng)進(jìn)行反向電子傳遞[圖4(b)].Kartal等以同位素示蹤方法研究了Candidatus“Kueneniastuttgartiensis”的異樣代謝途徑.試驗(yàn)結(jié)果證明厭氧氨氧化菌Candidatus“Kueneniastuttgartiensis”可以利用甲酸鹽作為碳源,將15NO3-還原為15NO2-,進(jìn)而再還原為15NH4+,隨后利用15NO2-氧化15NH4+生成15N.3.2.3淡水厭氧氨氧化系統(tǒng)在厭氧菌方面,陳婷婷等發(fā)現(xiàn)發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng)的前提條件是氨和亞硝酸鹽同時(shí)存在,且沒有氧存在,在湖泊底泥的好氧/缺氧界面上,氨和亞硝酸經(jīng)常共存,是ANAOB的良好生境.陳永等研究結(jié)果表明,當(dāng)NO2-濃度大于84.4mg·L-1時(shí),ANAOB對TN的去除率明顯下降,因此厭氧氨氧化過程受到抑制.周少奇研究發(fā)現(xiàn)ANAOB在淡水生態(tài)系統(tǒng)中分布廣,近來也發(fā)現(xiàn)ANAOB在海洋的氮循環(huán)起著很重要的作用.在自然界高鹽生態(tài)系統(tǒng)中已發(fā)現(xiàn)的厭氧氨氧化種群屬于Candidatus“Scalinduasorokinii”,其它種群發(fā)現(xiàn)在淡水系統(tǒng)中.Tsushima等則報(bào)道ANAOB對NO2-的適應(yīng)質(zhì)量濃度可達(dá)710mg·L-1,這可能是由于反應(yīng)器中富集了高濃度ANAOB的原因.Kartal等采用SBR反應(yīng)器對淡水厭氧氨氧化菌株進(jìn)行了高鹽廢水的逐步馴化試驗(yàn).試驗(yàn)表明淡水厭氧氨氧化菌株能逐漸適應(yīng)高鹽廢水,并且鹽質(zhì)量濃度可以達(dá)到30g·L-1.此外,也有研究發(fā)現(xiàn)ANAOB可以用來處理高氨氮高生物毒性的垃圾滲濾液.Lotti等研究表明當(dāng)亞硝態(tài)氮濃度為400mg·L-1時(shí),厭氧氨氧化活性降低50%,而且這種抑制可以迅速得到恢復(fù),認(rèn)為亞硝酸鹽而非游離亞硝酸是真正的抑制劑.4氨基丙烯酸與氧化酪氨酸酶的16srdna和功能基因指南的比較4.1nitrosa擴(kuò)增廢水處理中的AOB主要屬于β-變形菌亞綱(β-AOB),在研究廢水處理中的AOB特性時(shí),由于引物不同擴(kuò)增的目的片段有很大差異引物,所以為了深入研究氨氧化菌的類型,比較了不同引物所擴(kuò)增的菌群.李霜等用NitF/NitR擴(kuò)增城市污水提取的DNA,結(jié)果與Nitrosomonaseuropaea具有98.9%的相似性,Nitrosomonasnitrosa具有99.3%的同源性.Kowalchuk等做變形梯度凝膠電泳(DGGE),用不同的正向引物(CTO189FA/B-GC,CTO189FC-GC),每一個(gè)引物前面加一個(gè)GC夾子(31個(gè)堿基).正向引物分別為CTO189FA/B,CTO189FC-GC.相同的反向引物CTO654R,這些引物擴(kuò)增出465bp氨氧化細(xì)菌16SrDNA的片段.經(jīng)鑒定這些引物擴(kuò)增結(jié)果為Nitrosospirabriensis、Nitrosospiralike,Nitrosomonaseuropaea和Nitrosomonas-like.吳宇澄等試驗(yàn)證明以16SrDNA通用引物作為第一輪引物,以CTO作為第二輪引物的巢式PCR可以提高擴(kuò)增的敏感性,特異性也較好.David等用Nspra-675F/Nspra-746R擴(kuò)增Nitrospiraspp..為了分析污水處理系統(tǒng)中氨氧化細(xì)菌的種群組成,篩選合成了一對氨氧化細(xì)菌amoA基因特異結(jié)合的引物序列,Hang等用amoA-1F/amoA-2R來擴(kuò)增功能基因片段(491bp),得到全部為目地片段,該引物特異性較好.各引物的詳細(xì)序列如表1所示.4.2srrna擴(kuò)增目前采用傳統(tǒng)的微生物分離培養(yǎng)方法還未分離純化出厭氧氨氧化菌,但分子生物學(xué)方法在一定程度上可以克服這些局限性,成為當(dāng)前研究厭氧氨氧化菌的重要手段,但不同引物得到效果不同.幾種不同的引物已經(jīng)被用來測定不同環(huán)境中的不同的厭氧氨氧化菌.Schmid等采用