近年來，隨著電子行業(yè)的迅速發(fā)展，線路板的需求量非常旺盛，而印刷線路板(printed circuit board，PCB) 所產(chǎn)生的廢水量也在逐年增加. PCB廢液是一種含有大量氨鹽和重金屬的無機(jī)廢水[1,2]. 即使通過蒸氨等物化手段進(jìn)行氨水回收，其出水NH4+-N濃度也要達(dá)到500mg ·L-1左右. 運(yùn)用傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝處理時(shí)硝化過程曝氣需要大量的動(dòng)力消耗，同時(shí)需要投加甲醇作為反硝化碳源，處理成本高，處理難度大.

　　部分亞硝化-厭氧氨氧化作為一種新型的組合生物脫氮工藝，具有無需有機(jī)物參與，避免脫氮過程產(chǎn)生的二次污染，耗氧量少和耐高鹽度的特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注[3, 4, 5]. 目前，部分亞硝化厭氧氨氧化聯(lián)合工藝已經(jīng)成功地運(yùn)用到垃圾滲濾液[6,7]、 味精廢水[8]、 化工廢水[9]等行業(yè)高氨廢水的處理.

　　然而，好氧氨氧化菌和厭氧氨氧化菌存在溶解氧、 pH等生理特性方面差異[10]，導(dǎo)致聯(lián)合運(yùn)行過程中存在控制難度. 為此本課題組設(shè)計(jì)了一種新型的亞硝化-厭氧氨氧化一體化裝置，實(shí)現(xiàn)亞硝化與厭氧氨氧化菌在單一反應(yīng)器分區(qū)培養(yǎng). 該裝置后置亞硝化工藝，利用亞硝化曝氣尾氣將亞硝化液氣升回流至厭氧區(qū)，并成功實(shí)現(xiàn)了含氨廢水的自養(yǎng)生物脫氮處理，脫氮速率最終穩(wěn)定在1.46 kg ·(m3 ·d)-1 [11].

　　為此，本文將采用此一體化反應(yīng)器進(jìn)行堿性PCB廢液處理，研究一體化反應(yīng)器處理堿性PCB廢水的可行性及處理過程中反應(yīng)器的運(yùn)行特性，旨在為電子行業(yè)含氨的堿性PCB廢水脫氮處理提供一個(gè)新的工藝與裝備. 1 材料與方法 1.1 裝置與運(yùn)行條件

　　亞硝化-厭氧氨氧化一體化反應(yīng)器由下部直徑100 mm和上部直徑140 mm的圓柱形有機(jī)玻璃制成，總高度920 mm，總有效體積12 L(圖 1). 其中下部厭氧區(qū)5.25 L(由污泥流化區(qū)3.67 L，厭氧生物膜區(qū)1.58 L組成)，上部好氧生物膜區(qū)4.43 L，污泥沉淀區(qū)2.32 L. 好氧區(qū)溶解氧維持在0.5~1 mg ·L-1之間，由氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制進(jìn)入的空氣流量實(shí)現(xiàn). 好氧區(qū)曝氣后的尾氣由三相分離器收集后通過導(dǎo)氣管引入氣升室，使得好氧區(qū)的亞硝化液氣升入氣升室. 亞硝化液在氣升室內(nèi)通過回流管回流至反應(yīng)器底部的污泥流化區(qū)，以滿足厭氧氨氧化菌對NO2--N的需求. 進(jìn)水運(yùn)行方式為連續(xù)流，流量由蠕動(dòng)泵控制. 整個(gè)反應(yīng)器的溫度控制在30℃±2℃，由氣浴加熱控制調(diào)節(jié).

　　圖 1 部分亞硝化厭氧氨氧化一體化反應(yīng)器

　　1.2 接種污泥

　　好氧區(qū)接種成熟的亞硝化生物膜，該生物膜最初來源于經(jīng)過150 d左右馴化的亞硝化生物膜反應(yīng)器[12]，接種量1.5 L. 流化區(qū)接種成熟的厭氧氨氧化污泥取自實(shí)驗(yàn)室長期運(yùn)行的厭氧氨氧化種泥反應(yīng)器[13]，接種量1 L. 利用人工模擬廢水經(jīng)過104 d的運(yùn)行后，一體化反應(yīng)器成功實(shí)現(xiàn)部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合脫氮，脫氮速率從0.25 kg ·(m3 ·d)-1上升到1.46 kg ·(m3 ·d)-1.

　　1.3 廢水組成

　　預(yù)處理時(shí)，根據(jù)前期重金屬離子對厭氧氨氧化污泥活性影響的研究[14]，通過投加固體硫化鈉形成重金屬硫化物，將廢水中的Cu2+濃度控制在1mg ·L-1以內(nèi).

　　人工模擬廢水NH4+-N由NH4Cl提供，同時(shí)添加NaHCO3 1g ·L-1，KHCO3 1g ·L-1，KH2PO4 27mg ·L-1，CaCl2 ·2H2O 136 mg ·L-1，MgSO4 ·7H2O 20 mg ·L-1，微量元素Ⅰ1 mL ·L-1和微量元素Ⅱ1.25 mL ·L-1. 微量元素濃縮液Ⅰ組分為：EDTA 5 000 mg ·L-1，F(xiàn)eSO4 5 000 mg ·L-1; 微量元素濃縮液Ⅱ組分為：EDTA 5 000 mg ·L-1，ZnSO4 ·7H2O 430 mg ·L-1，CoCl2 ·6H2O 240 mg ·L-1，MnCl2 ·4H2O 990 mg ·L-1，CuSO4 ·5H2O 250 mg ·L-1，NaMoO4 ·2H2O 220 mg ·L-1，NiCl2 ·6H2O 190 mg ·L-1，NaSeO4 ·10H2O 210 mg ·L-1，H3BO4 14 mg ·L-1.

　　堿性PCB廢液完全由預(yù)處理后的堿性PCB廢液提供，通過稀釋后達(dá)到所需濃度，同時(shí)添加NaHCO3 1g ·L-1，KHCO3 1g ·L-1作為堿度和無機(jī)碳源，并添加1/100生活污水補(bǔ)充微量元素.

　　1.4 測定項(xiàng)目與方法

　　水質(zhì)指標(biāo)的測定方法均按照文獻(xiàn)[15]. NH4+-N采用納氏分光光度法; NO2--N采用N-(1萘基)-乙二胺分光光度法; NO3--N采用離子色譜法; DO采用梅特勒熒光法在線監(jiān)測儀; ORP/pH采用凱美泰克在線監(jiān)測儀; FISH采用熒光顯微鏡(NI-U,nikon,日本).

　　1.5 熒光原位雜交 (FISH)分析

　　依照Isaka等[16]的FISH步驟對好氧區(qū)生物膜和厭氧區(qū)污泥進(jìn)行固定. 首先將取出的生物樣品放置在新鮮的4% 多聚甲醛溶液中固定，放置在4℃的冰箱中過夜. 然后將取出的樣品用磷酸緩沖液進(jìn)行沖洗，接著放置相同體積的乙醇+PBS(1 ∶1，質(zhì)量比)溶液中. 再分別利用不同濃度梯度(20%、 40%、 60%、 80%和100%)的乙醇對保藏樣品進(jìn)行脫水，最后將樣品放置在-20℃冰箱中保藏.

　　雜交過程中運(yùn)用到Amx368，NSO190和EUB(338、 338-Ⅱ和338-Ⅲ)這3種探針. 所有的雜交條件、 沖洗條件和熒光標(biāo)記均列在表 1中. 所有樣品雜交程序依照Manz等[17]介紹的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行. 將所有樣品加上雜交液和探針(濃度5 ng ·mL-1)并將其放置在雜交儀(ThermoBrite，USA)中進(jìn)行雜交，雜交溫度46℃，雜交時(shí)間4h. 雜交后分別利用4倍的沖洗液(含有20 mmol ·L-1Tris 緩沖液,0.01% SDS，NaCl 濃度見表 1)和無菌水對其進(jìn)行沖洗，然后在室溫下晾干. 最后對其進(jìn)行鏡檢.

　　表 1 FISH過程雜交探針、 雜交液及清洗液濃度

　　2 結(jié)果與分析 2.1 PCB廢水在一體化反應(yīng)器中氮素轉(zhuǎn)化及去除量變化

　　在反應(yīng)器運(yùn)行的前6 d 以人工模擬廢水進(jìn)入反應(yīng)器(圖 2)，進(jìn)水NH4+-N濃度控制在300mg ·L-1左右，HRT控制在3.6 h，氮容積負(fù)荷達(dá)到1.99 kg ·(m3 ·d)-1. 反應(yīng)器內(nèi)部分亞硝化與厭氧氨氧化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了很好的聯(lián)合，出水NH4+-N、 NO2--N和NO3--N濃度分別穩(wěn)定在50、 14.5和14 mg ·L-1左右，脫氮速率最高達(dá)到1.49 kg ·(m3 ·d)-1.

　　圖 2 一體化反應(yīng)器氮素及脫氮效能變化

　　在反應(yīng)器運(yùn)行的第8 d，廢水中的NH4+-N完全由堿性PCB廢液中的NH4+-N提供，濃度控制在210~220 mg ·L-1之間. 運(yùn)行初期，出水NH4+-N和NO2--N濃度分別為41 mg ·L-1和10.2 mg ·L-1，基本與模擬廢水運(yùn)行時(shí)的出水濃度相同，而NO3--N濃度下降至7.4 mg ·L-1，對應(yīng)脫氮速率為1.02 kg ·(m3 ·d)-1. 前期的研究表明[14]進(jìn)水中適當(dāng)提高Cu2+濃度能夠刺激微生物活性，而本反應(yīng)器內(nèi)卻出現(xiàn)脫氮效能的下降，分析其原因可能是PCB廢水具有較高鹽度，即使稀釋也明顯高于模擬廢水. Ma等[22]研究表明短暫的鹽度沖擊容易使得厭氧氨氧化污泥脫氮效能降低. 因此，出現(xiàn)氮素轉(zhuǎn)化效能下降的現(xiàn)象可能是鹽度波動(dòng)，導(dǎo)致微生物不能及時(shí)適應(yīng)環(huán)境所致.

　　隨著反應(yīng)器的持續(xù)運(yùn)行，氮素在不同區(qū)域內(nèi)的轉(zhuǎn)換能力逐步增強(qiáng). 當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行至80 d時(shí)，出水NH4+-N和NO2--N濃度分別降低并穩(wěn)定在4.0 mg ·L-1和9.8 mg ·L-1左右，出水NO3--N濃度隨著厭氧氨氧化脫氮效能的增加逐漸升高并穩(wěn)定在24.1 mg ·L-1，同時(shí)出水水質(zhì)滿足行業(yè)廢水總氮小于50 mg ·L-1的接管排放標(biāo)準(zhǔn). 一體化反應(yīng)器總氮去除速率最高達(dá)到1.29 kg ·(m3 ·d)-1，說明部分亞硝化-厭氧氨氧化一體化反應(yīng)器完全能夠?qū)崿F(xiàn)含氨堿性PCB廢液的自養(yǎng)生物脫氮.

　　2.2 一體化反應(yīng)器各功能區(qū)域參數(shù)及氮素轉(zhuǎn)化效能的變化

　　部分亞硝化-厭氧氨氧化一體化反應(yīng)器各區(qū)域環(huán)境因子的控制是相應(yīng)氮素轉(zhuǎn)化微生物高效富集培養(yǎng)的前提. 在模擬廢水與堿性PCB廢水切換過程中各區(qū)域參數(shù)及氮素轉(zhuǎn)化效能如圖 3所示. 在反應(yīng)器運(yùn)行的前6 d，好氧區(qū)ORP維持在85 mV左右，溫度維持在27℃，pH維持在8.38左右[圖 3(a)]. 堿性PCB廢液替代模擬廢水進(jìn)入后，反應(yīng)器內(nèi)的溫度仍處于27℃左右，但是pH值出現(xiàn)小幅下降，維持在7.8~8.0之間. 同時(shí)在不改變進(jìn)氣量的條件下，亞硝化區(qū)的ORP值隨著亞硝化能力下降而上升，處于100~110 mV之間波動(dòng). 隨著厭氧氨氧化菌對NO2--N需求的增加，在反應(yīng)器運(yùn)行的36 d，進(jìn)氣量由200 L ·h-1增加到250 L ·h-1時(shí)，反應(yīng)器ORP值進(jìn)一步升高并穩(wěn)定在130 mV左右. Hellinga[23]研究表明當(dāng)溫度達(dá)到25℃以上時(shí)，

　　AOB增長速率大于NOB，有利于AOB的富集. 鄧嬪等[24]研究表明ORP值控制在60~75 mV時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)亞硝化反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行. 因此好氧區(qū)的環(huán)境基本滿足亞硝化菌生長的需求. 可能是因?yàn)檫M(jìn)水中有充足的HCO3-，厭氧區(qū)pH值在不同模擬廢水進(jìn)入后的變化并不大，基本維持在7.7~8.3之間[圖 3(b)]. 厭氧區(qū)的溫度也基本維持在28~33℃之間. 厭氧區(qū)ORP在更換模擬廢水前后一直保持在-457~-520 mV之間，未發(fā)生明顯變化. 隨進(jìn)氣量提升，雖然氣升室亞硝化液回流量明顯增加，但是ORP值穩(wěn)定在-380~-440 mV之間，厭氧區(qū)基本處于厭氧狀態(tài). 說明厭氧區(qū)的環(huán)境基本滿足厭氧氨氧化的生長環(huán)境[10].

　　為了考察一體化反應(yīng)器內(nèi)好氧區(qū)NO2--N產(chǎn)生速率與厭氧區(qū)厭氧氨氧化脫氮速率的變化.根據(jù)好氧區(qū)和厭氧區(qū)參數(shù)的變化，對一體化反應(yīng)器內(nèi)的區(qū)域反應(yīng)作如下假設(shè)：① 好氧區(qū)存在溶解氧，所以僅發(fā)生亞硝化反應(yīng); ②厭氧區(qū)ORP一直處于負(fù)值，屬于厭氧環(huán)境，所以只存在厭氧氨氧化反應(yīng); ③ 忽略好氧區(qū)生物膜內(nèi)部可能發(fā)生的微量厭氧氨氧化反應(yīng); ④忽略厭氧區(qū)因微生物死亡及進(jìn)水?dāng)y帶有機(jī)物可能存在的反硝化反應(yīng). 根據(jù)上述假設(shè)計(jì)算得到一體化反應(yīng)器內(nèi)各區(qū)域氮負(fù)荷和微生物的氮轉(zhuǎn)化效能. 經(jīng)過80 d的運(yùn)行，好氧區(qū)NO2--N產(chǎn)生速率穩(wěn)定在2.05 kg ·(m3 ·d)-1，對應(yīng)氮負(fù)荷約4.2 kg ·(m3 ·d)-1 [圖 3(a)]; 厭氧區(qū)的脫氮速率穩(wěn)定在2.91 kg ·(m3 ·d)-1，對應(yīng)的氮負(fù)荷維持在3.4 kg ·(m3 ·d)-1 [圖 3(b)]. 說明該類型部分亞硝化-厭氧氨氧化一體化反應(yīng)器各功能區(qū)域微生物適應(yīng)堿性PCB廢水的環(huán)境.

　　圖 3 好氧區(qū)亞硝化和厭氧區(qū)厭氧氨氧化效能變化

　　2.3 堿性PCB廢水對各區(qū)域生物形態(tài)的影響

　　將經(jīng)過80 d運(yùn)行后的一體化反應(yīng)器好氧區(qū)生物膜和厭氧區(qū)的污泥分別進(jìn)行FISH分析，如圖 4所示. 分別利用全菌探針(EUB338、 EUB 338-Ⅱ和EUB338-Ⅲ)和AOB探針(NSO190)對好氧區(qū)生物膜進(jìn)行標(biāo)記; 利用全菌探針(EUB338、 EUB 338-Ⅱ和EUB338-Ⅲ)和ANAMMOX菌探針(AMX368)對厭氧區(qū)顆粒污泥進(jìn)行標(biāo)記. 全菌探針采用FITC 染料，熒光激發(fā)后為綠色. 而AOB探針和ANAMMOX菌探針分別采用Cy3和AMCA探針，熒光激發(fā)后為紅色. 亞硝化生物膜污泥中綠色占極少部分[圖 4(a)]，大部分區(qū)域?yàn)辄S色(綠色與紅色復(fù)合后的顏色)，說明好氧區(qū)的亞硝化生物膜中微生物基本以AOB群為主. 好氧區(qū)含有少量的其它菌種，可能是厭氧區(qū)一些絮狀厭氧氨氧化污泥上浮所致.

　　厭氧區(qū)的FISH結(jié)果大部分區(qū)域顯示為黃色[圖 4(b)]，綠色占極少部分，說明厭氧區(qū)的微生物基本以ANAMMOX菌群為主，同時(shí)亞硝化區(qū)回流攜帶的微生物未對厭氧區(qū)ANAMMOX菌富集培養(yǎng)產(chǎn)生影響. 從FISH分析進(jìn)一步說明一體化反應(yīng)器好氧區(qū)和厭氧區(qū)的環(huán)境十分適宜相應(yīng)功能的AOB和ANAMMOX菌生長.

　　圖 4 好氧區(qū)生物膜和厭氧區(qū)顆粒污泥生物群落分布

　　2.4 部分亞硝化厭氧氨氧化聯(lián)合工藝在高氨氮廢水處理中的優(yōu)越性

　　目前，應(yīng)用于實(shí)際含氨廢水處理的部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝的組合形式有兩種，一種是兩步式，即將亞硝化反應(yīng)與厭氧氨氧化反應(yīng)分別放置在兩個(gè)反應(yīng)器中，通過串聯(lián)實(shí)現(xiàn)其工藝的聯(lián)合; 另一種是一步式，即將亞硝化反應(yīng)與厭氧氨氧化反應(yīng)放置在單一反應(yīng)器內(nèi)，通過限氧等控制參數(shù)的調(diào)控實(shí)現(xiàn)其協(xié)同脫氮. Takaaki等[25]采用SBR+UASB反應(yīng)器串聯(lián)成功實(shí)現(xiàn)部分亞硝化-厭氧氨氧化反應(yīng)的聯(lián)合，并將其運(yùn)用于電子行業(yè)半導(dǎo)體廢水處理，經(jīng)過長期運(yùn)行后，亞硝化反應(yīng)器亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化速率最高達(dá)到0.48 kg ·(m3 ·d)-1，厭氧氨氧化反應(yīng)器脫氮速率最高達(dá)到3.29 kg ·(m3 ·d)-1. 但是其在運(yùn)行過程中需要添加大量酸堿用于調(diào)節(jié)各個(gè)單元的pH值，控制過程復(fù)雜，控制難度增加. Lackner等[26]對運(yùn)用到工業(yè)化的眾多部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝調(diào)查后發(fā)現(xiàn)由于pH值波動(dòng)導(dǎo)致脫氮效能惡化概率達(dá)到30%. 同時(shí)亞硝化區(qū)因硝化細(xì)菌生長導(dǎo)致亞硝化很難長期穩(wěn)定運(yùn)行.

　　Daverey等[27]采用SBR一步式反應(yīng)器通過限制溶解氧成功實(shí)現(xiàn)部分亞硝化-厭氧氨氧化反應(yīng)的聯(lián)合，并將其運(yùn)用于電子行業(yè)廢水處理，經(jīng)過近500 d的運(yùn)行，反應(yīng)器脫氮速率達(dá)到0.82 kg ·(m3 ·d)-1. 在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)雖然控制溶解氧會(huì)成功實(shí)現(xiàn)部分亞硝化反應(yīng)，但是亞硝化率過低限制著整體工藝的脫氮效能，而過高的溶解氧又會(huì)對厭氧氨氧化菌產(chǎn)生抑制. Gilbert等[28]在研究過程中也發(fā)現(xiàn)過低的亞硝化效能是限制一步式反應(yīng)器脫氮效能的主要問題. 因此在一步式反應(yīng)器內(nèi)存在厭氧氨氧化菌和亞硝化菌對溶解氧需求的矛盾，易導(dǎo)致兩個(gè)反應(yīng)受到相互牽制，很難充分發(fā)揮各自微生物的功能.

　　本實(shí)驗(yàn)采用的亞硝化-厭氧氨氧化一體化裝置是一種介于一步式工藝和兩步式工藝之間的反應(yīng)器. 該反應(yīng)器將好氧區(qū)與厭氧區(qū)置于同一個(gè)反應(yīng)器的不同區(qū)域，既避免亞硝化區(qū)曝氣過程的剩余溶解氧對厭氧氨氧化菌的影響，同時(shí)又通過氣升裝置實(shí)現(xiàn)了亞硝化反應(yīng)與厭氧氨氧化反應(yīng)的串聯(lián). 利用啟動(dòng)成功的一體化反應(yīng)器處理堿性PCB廢水，經(jīng)過80 d的運(yùn)行，脫氮速率達(dá)到1.29 kg ·(m3 ·d)-1. 表明該反應(yīng)器完全能夠運(yùn)用于PCB廢水的處理. 同時(shí)該工藝在運(yùn)行過程中僅需要鼓風(fēng)機(jī)和運(yùn)行泵，無需其他設(shè)備和動(dòng)力消耗，極大地降低廢水處理成本.具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 結(jié)論

　　(1) 利用啟動(dòng)成功的亞硝化-厭氧氨氧化一體化反應(yīng)器處理堿性PCB廢水，經(jīng)過80d運(yùn)行，好氧區(qū)NO2--N產(chǎn)生速率最高為2.05 kg ·(m3 ·d)-1，厭氧區(qū)厭氧氨氧化菌最高脫氮速率為2.91 kg ·(m3 ·d)-1，一體化反應(yīng)器脫氮速率由啟動(dòng)初期的1.02 kg ·(m3 ·d)-1上升到1.29 kg ·(m3 ·d)-1，出水總氮小于50mg ·L-1，滿足該行業(yè)廢水的接管排放要求.

　　(2)利用FISH對好氧區(qū)生物膜和厭氧區(qū)污泥分析進(jìn)一步表明好氧區(qū)微生物以亞硝化菌為主，厭氧區(qū)微生物以厭氧氨氧化菌為主，各功能菌在相應(yīng)區(qū)域得到穩(wěn)定地增長.(來源及作者：蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 袁硯、李祥、周呈、陳宗姮)