2018, Vol. 39
厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation, ANAMMOX)是一种高效、经济、可持续的脱氮新技术，是近年来国内外废水处理领域的研究热点.ANAMMOX菌生长缓慢且对环境条件敏感，有机物、pH值、温度等因素均对ANAMMOX菌有重要影响.
Chamchoi等[1]发现有机物对ANAMMOX菌有抑制作用，化学需氧量COD超过300mg·L-1时ANAMMOX菌完全失去活性.杨洋等[2]研究发现，温度、pH值对ANAMMOX菌活性有明显影响，最佳温度为30~35℃，最佳pH值为7.5~8.3.ANAMMOX菌是一种化能自养菌，以CO2或者HCO3-为碳源，无机碳(inorganic carbon, IC)对ANAMMOX菌有重要影响[3].李祥等[4]研究发现，HCO3-对维持反应器pH值与脱氮效能十分重要，在厌氧氨氧化反应器启动过程中HCO3-与NH4+-N(表示NH4+中的N元素)的进水质量浓度最佳比值为1.13.Liao等[5]研究发现，HCO3-质量浓度从1g·L-1上升到1.5g·L-1时，ANAMMOX菌活性提高，增加到2g·L-1时，活性受到抑制.但现有研究在探讨IC对ANAMMOX菌活性影响时都没有进行pH值的控制，所得到的IC实验结果掺杂了pH值变化的影响.虽然IC能够在一定程度上减缓pH值的变化，但pH值对厌氧氨氧化有很大影响[6-7]，其作用不应该被忽略.
本研究采用上流式厌氧氨氧化反应器，在控制pH值不变的条件下，以反应器脱氮效能和细菌活性变化为评价指标，通过改变进水IC的质量浓度，研究IC在厌氧氨氧化过程中的作用及其浓度变化对反应的影响，并确定最优IC质量浓度，为厌氧氨氧化的实际工程应用提供参考.
1 实验材料和方法 1.1 实验装置研究采用两个完全相同的上流式厌氧氨氧化反应器，见图 1.反应器由有机玻璃制成，直径234mm，高750mm，有效容积30L.反应器内环装填料架上缠绕帘式纤维填料，有效填充率为7.49g·L-1.水温通过加热器(SX-265，广东金利佳机电有限公司)实现自动控制，pH值通过在线监测装置(SIN-PH160，杭州联测自动化技术有限公司)监测并联动控制补液泵进行酸碱调节液的投加.进水方式由蠕动泵控制，连续进水.反应器1进行IC浓度影响实验，反应器2进行优化参数验证实验.
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图 1 上流式厌氧氨氧化反应器 Fig.1 Schematic diagram of up-flow ANAMMOX reactor |
接种污泥为实验室培养的混合污泥，含有部分ANAMMOX细菌，接种后反应器内混合液悬浮固体质量浓度(mixed liquid suspended solids, MLSS)为6g·L-1.实验原水为人工配水，其中，NH4+-N，NO2--N(表示NO2-中的N元素)分别由(NH4)2SO4，NaNO2按需配置，为避免采用有机碳源引起反应器内杂菌生长对ANAMMOX菌产生抑制，IC由NaHCO3按需配置.KH2PO4 54mg·L-1，FeSO4·7H2O 9mg·L-1，EDTA 5mg·L-1，矿物质元素浓缩液2mL·L-1，微量元素浓缩液1mL·L-1.矿物质元素浓缩液组成为CaCl2 0.7g·L-1，KCl 0.7g·L-1，MgSO4 0.5g·L-1，NaCl 0.5g·L-1；微量元素浓缩液组成为CoCl2·6H2O 0.24mg·L-1，CuSO4·5H2O 0.25mg·L-1，H3BO3 0.014mg·L-1，MnCl2·4H2O 0.99mg·L-1，Na2MoO4·2H2O 0.22mg·L-1，NiCl·6H2O 0.19mg·L-1，ZnSO4·7H2O 0.43mg·L-1.
1.3 实验方法水质指标按照《水和废水监测分析方法》测定[8].具体实验方案如下.
1) 连续流反应器实验.
整个实验过程中反应器温度保持在35℃，pH值控制在7.6±0.1，溶解氧控制在0.1mg/L以下.反应器外覆盖黑色遮光材料，避免光照影响.
反应器启动：反应器1以进水NH4+-N质量浓度50mg·L-1，NO2--N质量浓度50mg·L-1启动，根据出水情况逐渐提高负荷.IC浓度由厌氧氨氧化反应方程式中所需IC量决定[9]，即保持进水中IC质量浓度与总无机氮(total inorganic nitrogen，TIN)质量浓度比值ρIC/ρTIN约为0.05.当反应器内形成稳定厌氧氨氧化反应时，视为启动成功.
IC质量浓度影响实验：反应器1启动成功后进行实验.实验过程中控制pH值为7.6±0.1，温度35℃，并保持进水氮质量浓度基本不变.IC质量浓度按照ρIC/ρTIN=0，0.1，0.2，0.4，0.8，1.0进行投加，每个比值条件下进行5~7天的实验，通过进出水氮含量变化来探究IC质量浓度对厌氧氨氧化的影响，并探寻最合适的IC质量浓度.
最优IC质量浓度验证实验：在最优IC质量浓度条件下启动反应器2，在运行的前30天除IC质量浓度外其余启动条件与反应器1均相同，通过比较两反应在启动过程中进出水差异来验证实验结论.从第31天开始，逐步提高反应器2负荷，通过负荷提升速度，进一步验证实验结论.
2) ANAMMOX菌活性实验.
分别取反应器1运行第30天(IC实验前)和反应器2运行第30天时的污泥进行定量污泥锥形瓶实验，通过测定反应基质的浓度变化，绘制降解速率曲线，间接比较两个反应器内ANAMMOX菌活性，验证IC对厌氧氨氧化的影响和最优IC值质量浓度.
细菌活性实验具体方法如下：从反应器内的填料上刮下部分污泥，用去离子水冲洗后装入500mL锥形瓶中.初始污泥质量浓度为0.5g·L-1，加入NH4+-N和NO2--N质量浓度均为70mg·L-1的磷酸盐缓冲液(pH=7.6)作为模拟废水，其余营养物质和IC质量浓度均与连续流反应器相同.持续通入N2去除溶解氧，20min后用橡胶塞塞紧.将锥形瓶置于恒温水浴摇床上，保持温度35℃.定时(0，6，12，24h)取样，测定水中NH4+-N和NO2--N的质量浓度，绘制基质降解速率曲线，分析细菌活性.
2 结果与分析 2.1 反应器启动反应器1启动阶段运行30天，整体处理效果如图 2所示.
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图 2 反应器1启动阶段运行情况 Fig.2 Performance of reactor 1 in the starting period |
反应器1在进水TIN为100mg·L-1(NH4+-N和NO2--N质量浓度比为1:1)条件下启动，停留时间为24h.由图 2知出水NO2--N基本维持在10mg·L-1以下，NH4+-N和NO2--N消耗量之比在1:1.1左右，接近理论值，说明反应器内的厌氧氨氧化菌开始逐渐适应环境.从启动开始到第18天时，通过增加进水NH4+-N和NO2--N含量，氮负荷(nitrogen loading rate，NLR)从0.1kg·m-3·d-1逐渐增加到0.34kg·m-3·d-1，出水NO2--N质量浓度小于20mg·L-1，总氮去除率在75%左右.第20天，为了尽快提高反应器负荷，将进水TIN由350mg·L-1提高到500mg·L-1，结果出水NO2--N达到80mg·L-1，可能是由于进水NO2--N质量浓度过高，达到250mg·L-1，抑制了厌氧氨氧化的活性[10].所以第23天将进水NO2--N降到220mg·L-1，缩短停留时间为20h，维持NLR在0.55kg·m-3·d-1左右.随后出水NO2--N很快下降至20mg·L-1左右，反应器达到稳定状态.此时NH4+-N和NO2--N去除率分别为80%和90%，NLR为0.55kg·m-3·d-1，氮去除负荷(nitrogen removal rate，NRR)为0.4kg·m-3·d-1.
2.2 IC质量浓度对厌氧氨氧化的影响在研究IC对厌氧氨氧化影响的实验阶段，将实验开始设为第1天.实验过程中反应器NLR保持在(0.65±0.5)kg·m-3·d-1，结果见图 3.
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图 3 不同ρIC/ρTIN条件下厌氧氨氧化反应器处理情况 Fig.3 Performance of the ANAMMOX reactor with different ρIC/ρTIN |
由图 3可知，实验开始阶段，虽然进水中不再投加IC，但反应器中仍有少量残留，所以最初3天NO2--N去除率只是缓慢下降.随着残留IC消耗殆尽，NO2--N去除率明显下降，在第7天仅有78%.其原因可能是ANAMMOX菌对低浓度的IC利用能力不强[11].不额外投加IC时，仅依靠空气和自来水中的CO2或HCO3-作为IC源，很难满足生长和维持活性的需求，影响厌氧氨氧化过程的发生，导致脱氮性能下降.从第8天开始，IC按照ρIC/ρTIN=0.1投加，NO2--N去除率回升到实验前的水平，达到90%左右.当ρIC/ρTIN提高到0.2时，NO2--N去除率进一步提升并稳定在94%左右.
为了进一步探究IC对厌氧氨氧化脱氮性能的影响，在第25天，提高ρIC/ρTIN为0.4的同时将NLR从0.65kg·m-3·d-1增加到0.7kg·m-3·d-1，NO2--N去除率没有明显变化，说明此时IC质量浓度已满足ANAMMOX菌需求，反应器脱氮效能得到提升.这是因为高质量浓度IC减缓了基质对ANAMMOX菌的抑制[8]；同时因为厌氧氨氧化反应会在ANAMMOX菌表面释放大量N2，影响ANAMMOX菌利用CO2或者HCO3-，而额外投加的IC提高了水中IC质量浓度，一定程度上满足了ANAMMOX菌的需求[12].当ρIC/ρTIN从0.4继续提高到1.0时，NO2--N去除率没有明显变化，仅在ρIC/ρTIN为1.0的开始阶段出现下降，但很快恢复并趋于稳定.说明过量IC对厌氧氨氧化的脱氮性能没有明显影响.
IC质量浓度对厌氧氨氧化过程有明显影响，因此厌氧氨氧化反应器运行过程中应及时适量投加IC.目前国内外很多文献报道的IC投加量一般固定在190~290mg·L-1[13-14]，而Kimura等[11]研究表明厌氧氨氧化过程IC消耗量和NH4+-N消耗量具由一定的比例关系.目前厌氧氨氧化反应中多以某一固定浓度过量投加IC，增加了成本，造成浪费.本研究中ρIC/ρTIN大于0.2时NO2-N去除率已基本稳定，所以ρIC/ρTIN大于0.2即可满足反应需要.若考虑实际操作中可能存在的IC流失(以CO2形式逸出，出水携带，填料及污泥吸附等)以及经济因素，应在此基础上适当增加IC的投加量，ρIC/ρTIN为0.4是经济合适的IC投加比例.
2.3 IC在厌氧氨氧化过程中的作用目前研究普遍认为厌氧氨氧化过程中IC主要有两个作用：一是为ANAMMOX菌的生长提供碳源；二是厌氧氨氧化过程是一个不断消耗H+使pH值升高的过程，IC以HCO3-形式进入水中，能够充当pH缓冲剂，维持适合ANAMMOX菌生长的pH范围[15].本研究在控制反应器内pH值不变的条件下进行，IC充当pH缓冲剂的作用可以被忽略.但IC质量浓度的变化同样引起了反应器脱氮效能的改变，这可能是因为IC不仅为细菌生长提供碳源，同时还可能充当了厌氧氨氧化反应的催化剂.
van der Star等[16]研究认为N2H4在被氧化成N2的过程中伴随着NH2OH向NH4+的转变，其过程可用如下反应方程式表示：
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NH2OH和N2H4是厌氧氨氧化的中间产物，它们的产生和消耗是连续过程.基于这一假设，如果增加NH2OH的还原速率，则会导致N2H4氧化速率的提高，减少N2H4积累；而额外的溶解性IC有可能加速NH2OH的分解，使N2H4积累量降低，从而提高了厌氧氨氧化的脱氮效率[8].因此在控制pH不变的条件下，IC在厌氧氨氧化过程中能起到提供碳源和反应催化剂的作用.
2.4 最优IC质量浓度验证实验实验得到的最优IC投加量应保证ρIC/ρTIN为0.4.通过启动厌氧氨氧化反应器2来验证这一结论.反应器1与反应器2从第1天到第30天出水NO2--N对比情况见图 4.在进水质量浓度相同的情况下，反应器2出水NO2--N含量明显低于反应器1.特别是在第20天后，进水TIN质量浓度达到500mg·L-1(NH4+-N和NO2--N均为250mg·L-1)，反应器1出水NO2--N明显上升，虽然之后有所下降但仍在20mg·L-1左右，表明反应器处理能力接近饱和.而反应器2出水NO2--N仍保持在20mg·L-1以下，说明其处理能力仍有提升空间.这验证了充足的IC能促进ANAMMOX菌活性提高，维持反应器脱氮效能稳定.
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图 4 反应器1与反应器2出水NO2--N含量对比 Fig.4 Comparison of the effluent nitrite for reactor 1 and reactor 2 |
为进一步验证IC对反应器脱氮效能的影响，反应器2负荷继续提高，在第61天NLR达到1.33kg·m-3·d-1，NRR达到1.04kg·m-3·d-1，进出水氮的质量浓度如图 5所示.反应器2在61天的运行过程中ρIC/ρTIN始终保持为0.4，进水TIN从100mg·L-1上升到600mg·L-1，水力停留时间从24h缩短到12h.反应器2从第31天到第61天，氮去除负荷从0.4kg·m-3·d-1快速增加到1.04kg·m-3·d-1，说明投加适量的IC能够实现厌氧氨氧化反应器负荷的快速提高，也验证了ρIC/ρTIN为0.4适合厌氧氨氧化菌生长并保持良好活性.
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图 5 反应器2整体运行情况 Fig.5 Performance of reactor 2 |
IC对厌氧氨氧化反应的影响可以通过反应器进出水水质的变化来反映，同时也可以通过检测厌氧氨氧化菌的活性来表征.运行第30天时从反应器1和反应器2中分别取泥进行活性测试，得到的NH4+-N和NO2--N降解曲线如图 6所示：NH4+-N和NO2--N质量浓度随时间增加逐渐降低，降解速度基本保持在1:1左右，符合厌氧氨氧化反应的理论值.而反应器1基质降解速度明显低于反应器2，说明反应器1的ANAMMOX菌活性低于反应器2.由于反应器1和2在启动运行的30天内除IC投加量不同外，其余条件均完全相同，且在活性测试时也保持了与对应的连续流反应器相同的条件，因此造成活性差异的主要原因应为IC质量浓度的不同.反应器2从启动开始就维持ρIC/ρTIN为0.4，而反应器1的ρIC/ρTIN仅为0.05.这也验证了ANAMMOX菌对低质量浓度IC利用困难，充足的IC是保证ANAMMOX菌活性的必要条件.
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图 6 反应器1与反应器2基质降解曲线 Fig.6 Substrate degradation curves of reactor 1 and reactor 2 |
1) IC质量浓度对ANAMMOX菌脱氮性能有明显影响，低质量浓度IC不易被ANAMMOX菌利用.在不额外投加IC时反应器效能迅速下降，仅7天时间就下降了12%，恢复IC投加后，反应器效能逐渐恢复.
2) 进水IC与TIN质量浓度比值ρIC/ρTIN达到0.2时，反应器脱氮效能基本稳定，ρIC/ρTIN升高到1.0时脱氮效能没有明显变化，过量IC对厌氧氨氧化无明显影响.从反应器需求、IC流失及经济因素等角度考虑，ρIC/ρTIN最优值为0.4.
3) 在人工控制pH值为7.6的条件下，IC质量浓度的变化也引起了反应器脱氮效能的改变，说明IC在厌氧氨氧化过程中起着提供碳源和反应催化剂的作用.
4) IC对反应器氮去除负荷快速提升和ANAMMOX菌活性提高均有积极作用，在ρIC/ρTIN为0.4的条件下启动厌氧氨氧化反应器，61天内获得了1.04kg·m-3·d-1氮去除负荷.
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