厭氧氨氧化反應已被廣泛應用于污水的脫氮處理,具有無需外加碳源、處理成本低、能源消耗小等優(yōu)點。

　　厭氧氨氧化菌的增殖速率較慢,系統(tǒng)的啟動周期較長。 通過在反應器內裝載填料來提升反應器對厭氧氨氧化菌的持留能力,被認為是一種快速有效富集厭氧氨氧化菌的方法。 例如沸石、竹炭、無紡布、聚氨酯海綿等填料的應用能快速啟動厭氧氨氧化系統(tǒng),并提高系統(tǒng)的脫氮效果和抗基質負荷沖擊能力。 趙少康在一中試反應器中裝入 K3 填料后,系統(tǒng)的啟動時間僅為 40 d,最大氮去除負荷為 0. 67g·( L·d) - 1。 活性炭也是一種常見的無機生物載體,其與 K3 填料的組合對 ANAMMOX 系統(tǒng)的啟動及脫氮效果的影響尚未被研究。

　　另外,有研究表明,在厭氧氨氧化 UASB 反應器中,沿高程基質去除能力表現(xiàn)出很大的不同。 ZHANG等發(fā)現(xiàn),進水 NH +4 -N 為 100 mg·L - 1時,75%的進水基質在距反應器底部 3 ~ 13 cm 處被消耗,高于 13cm 處總氮的含量保持在 40 ~ 70 mg·L - 1。 但不同進水基質濃度下的反應器內基質濃度分布及厭氧氨氧化菌的含量需深入研究。

　　本文對比了裝載 2 種不同填料的 UASB 反應器的厭氧氨氧化系統(tǒng)啟動及運行過程,研究了不同的進水基質濃度和反應器內部高度對基質的分布及微生物群落組成的影響,研究結果為厭氧氨氧化 UASB 系統(tǒng)在實際生產中的應用提供理論依據(jù)和技術支持。

　　1　 材料與方法

　　1. 1　 實驗裝置

　　2 個厭氧氨氧化 UASB 系統(tǒng)( R1 和 R2 )如圖 1所示。 反應器外徑為 14 cm,內徑 10 cm,有效體積均為 8. 8 L。 反應器外設保溫層,并控制進水 pH 在7. 2 ~ 7. 8。 R1 添加的填料為載活性炭基 K3 填料,R2 添加的是普通 K3 填料,填料的直徑 25 mm,高 10mm,比表面積為 620 m2·m - 3,2 反應器內部添加的填料約占其有效體積的 62% ,活性炭購自河南佰誠水處理材料有限公司,球狀,研磨成粉末狀使用。

　　1. 2　 實驗用水

　　實驗室配制的模擬廢水除了 NH4Cl 和 NaNO2(按需配制) ,還有營養(yǎng)鹽: KHCO 1. 25 g · L - 1,CaCl2 3. 6 g·L - 1,MgSO4·7H2O 0. 3 g·L - 1,KH2 PO4 0. 01 g·L - 1。 微量元素組成:(Ⅰ) EDTA 15 g·L - 1,FeSO4 5 g·L - 1; (Ⅱ) EDTA 15 g·L - 1,MnCl2 ·4H2O 0. 99 g·L - 1,CuSO4 ·5H2O 0. 25 g·L - 1,CoCl2·6H2O 0. 24 g·L - 1, ZnSO4 ·7H2O 0. 43 g·L - 1, NiCl2 ·6H2O 0. 19 g·L - 1, NaMoO4 ·2H2O0. 22 g·L - 1。

　　1. 3　 接種污泥

　　R1 與 R2 的接種污泥均是硝化污泥與消化污泥按 1 ∶ 1 混合而成的混合污泥(混合后污泥 SS = 10. 00g·L - 1) 。 硝化污泥( SS = 17. 40 g·L - 1,絮狀,黃褐色) 取自某污水處理站缺氧池污泥,消化污泥( SS =3. 56 g·L - 1,絮狀,黑色)取自某垃圾焚燒廠內消化池污泥。

　　1. 4　 實驗測定項目及方法

　　NH +4 -N,納氏試劑分光光度法;NO -3 -N,紫外分光光度法;NO -2 -N,N-( 1-萘基) -乙二胺光度法; pH,PHSJ-4F 型 pH 計;SEM 的測定參照 XU 等的方法。

　　16S rDNA 測序:利用提取 DNA 的試劑盒對樣品進行 DNA 提取,之后再用 1%瓊脂糖凝膠電泳對抽提的基因組 DNA 進行檢測,然后進行 PCR 擴增,采用 Miseq 測序平臺的引物:515F ( 5′-GTGCCAGCMGC-CGCGG-3′)和 907R(5′-CCGTCAATTCMTTTRAGTTT-3′) ,隨后對 PCR 產物進行 2% 瓊脂糖凝膠電泳檢測,使用 AxyPrepDNA 凝膠回收試劑盒(AXYGEN 公司)切膠回收 PCR 產物,熒光定量后構建 Illumina 平臺文庫。

　　1. 5　 實驗方案

　　表 1 和表2 分別為反應器 R1 和 R2 的運行操作過程。 2 反應器初始進水 NH +4 -N 濃度均設在50 mg·L - 1,各階段穩(wěn)定后提高進水基質濃度,最終 NH +4 -N 的進水濃度為 450 mg·L - 1,2 反應器進水 NH +4 -N 和NO -2 -N 的比例一直控制在 1 ∶ 1. 32,除去初始的污泥馴化適應階段,水力停留時間 HRT 均保持在 12 h。

表 1　 R1 反應器的運行操作條件

表 2　 R2 反應器的運行操作條件

　　2　 結果與分析

　　2. 1 不同填料的厭氧氨氧化系統(tǒng)的啟動及運行

　　R1 和 R2 反應器的啟動及長期運行結果見圖2。 在 R1 反應器啟動的前 50 d 為污泥的馴化適應過程,進水 NH +4 -N 濃度設在 50 mg·L - 1,NO -2 -N 為65 mg·L - 1,通過調節(jié) HRT 提高進水總氮負荷至242. 04 mg·( L·d) - 1,NH +4 -N 和 NO -2 -N 的去除率分別達到 99%和 90% ,反應器達到穩(wěn)定,NO -2 / NH +4及 NO -3 / NH +4 的值為 1. 17 和 0. 19,略低于理論值1. 32 和 0. 26。 與 R1 相比,R2 反應器內污泥的適應時間更長,其達到相似的進水負荷和基質去除率需 86 d。

　　當 R1 反應器運行至 86 d 時,見圖 2( a)和( b) ,此時進水 NH +4 -N 升至 150 mg· L - 1, NH +4 -N 和NO -2 -N 的出水濃度分別為 15 和 18 mg·L - 1,去除率均穩(wěn)定在 90% ,容積氨氮去除負荷和總氮去除負荷分別為 270 和 583. 51 mg· ( L· d ) - 1。 有研究表明,氨氮去除負荷高于 200 mg· ( L·d) - 1;或者總氮去除負荷超過 500 mg·( L·d) - 1;或者 NH +4 -N 和 NO -2 -N 去除率可以穩(wěn)定在 90% 以上均可作為厭氧氨氧化反應器成功啟動的判斷標準。 因此,R1 在第 86 天成功啟動。 如圖 2 ( c)和( d)所示,R2 在運行到第 100 天,氨氮去除負荷和總氮去除負荷分別為 275 和 581. 61 mg·( L·d) - 1,NH +4 -N 和 NO -2 -N 的去除率分別為 90. 97% 和 90. 06% ,故認為此時 R2 啟動成功。 在啟動成功時肉眼觀察 2 個反應器,它們內部及填料表面均出現(xiàn)了少量紅色顆粒污泥,證明厭氧氨氧化菌已開始在填料上掛膜生長。 為此,本研究 R1 和 R2 的厭氧氨氧化成功啟動時間分別為 86 d 和 100 d,這與文獻[15-17]報道的添加填料的 ANAMMOX 反應器相比,啟動時間基本相同甚至更短。 此外,本實驗啟動成功時 R1 和 R2的進水總氮負荷為 0. 71 g·( L·d) - 1,相比之前的研究更大,這不僅說明填料有助于 ANAMMOX 反應器快速有效的啟動,而且體現(xiàn)了涂有致密活性炭的K3 填料的優(yōu)越性。

　　圖 3 為 R1 和 R2 填料的外形圖和表面 SEM 測試結果,涂有活性炭的填料表面結構更復雜,比表面積更大,活性炭內部的厭氧的微孔為厭氧氨氧化菌提供了優(yōu)越的生長環(huán)境,致密的網狀結構和粗糙的表面提高了吸附能力,有利于微生物持留在填料表面。

　　啟動成功后,進一步提高進水基質負荷,考察系統(tǒng)脫氮性能。 R1 在 87 ~ 134 d 期間,進水 NH +4 -N 濃度逐步提至 450 mg·L - 1,進水容積氮負荷由 943. 79mg·( L·d) - 1提升至 2 155. 67 mg·( L·d) - 1,第134 天時,反應器內 NH +4 -N、NO -2 -N、NO -3 -N 的出水濃度分別為 8. 40、8. 11、110. 96 mg·L - 1,NH +4 -N 和 NO -2 -N 的去除率分別為 98. 12% 和 98. 66% ,總氮去除負荷為1 855. 43 mg·( L·d) - 1。 第135 天后,繼續(xù)提高基質濃度,隨著容積氮負荷的升高,反應器內容積基質氮的去除速率逐漸下降,故認為第 134 天時反應器厭氧氨氧化系統(tǒng)已接近最大去除能力。 同理，R2 運行至170 d 時,反應器也基本達到最大去除能力狀態(tài),此時,NH +4 -N、NO -2 -N、NO -3 -N 的出水濃度分別為 14. 24、10. 00、110. 05 mg·L - 1,NH +4 -N 和 NO -2 -N 的去除率分別為 96. 81% 和 97. 88% ,總氮去除負荷為 1 815. 12 mg·( L·d) - 1。

　　研究發(fā)現(xiàn),反應器啟動成功后,R1 對進水基質濃度和水力負荷沖擊的適應能力要高于 R2(如圖 2( a)和( c)所示) ,R2 在 100 ~ 134 d 時,NH +4 -N 和 NO -2 -N 的去除率明顯下降,維持在 80%左右,而同進水負荷下 R1 中未發(fā)現(xiàn)明顯的異常,這說明相比于普通填料,載有活性炭的 K3 填料更有助于提高反應系統(tǒng)的穩(wěn)定性及抗基質濃度沖擊負荷的能力,填料表面更大的比表面積和復雜的空間構造更有利于污泥的吸附使其不易脫落。

　　2. 2 R1 中不同高度的基質凈化性能及微生物群落結構變化

　　選取 R1 反應器為研究對象,重點研究低進水 NH +4 -N 濃度(50、100 mg·L - 1)和高進水 NH +4 -N 濃度(350、450 mg·L - 1)下沿程基質濃度和 pH 的變化。 取樣口共計 8 個,距進水口 0 cm 處的高度分別為 7、17、27、37、47、57、67 和 77 cm,結果見圖 4。 當進水 NH +4 -N 濃度較低時(≤100 mg·L - 1) ,約 70% 的基質氮在反應器內 0 ~ 7 cm 處得到去除,這與 ZHANG 等報道的一致。 隨著進水 NH +4 -N 濃度提升至350 mg·L - 1,甚至 450 mg·L - 1,氮的去除主要集中在 17 ~ 37 cm 處,這種變化可能是因為進水高濃度基質使得反應器底部厭氧氨氧化菌受到抑制,從而使得較高處反應更加明顯,雖然基質濃度隨高度逐漸降低,但對比低濃度(≤100 mg·L - 1) ,高進水基質濃度下反應器同一位置還是殘留著較高濃度的基質,抑制作用仍不可忽視,故每10 cm 高的基質濃度下降未出現(xiàn)明顯的驟降。 另外,進水 NH +4 -N 濃度從50 mg·L - 1提升至 450 mg·L - 1時,該期間反應器 37 cm 以上區(qū)域厭氧氨氧化反應都比較弱,約 80% ~ 90% 的進水基質氮的去除發(fā)生在反應器 0 ~ 37 cm 處,這說明,利用傳統(tǒng) UASB 運行厭氧氨氧化反應,其容積利用效率較差。

　　高通量分析結果見圖 5。 在第 106、116 和 126 天,分別從反應器不同高度處取泥,共計 12 個樣,進行高通量測序,其中 AMX_5 / 6 / 7,AMX_5_1 / 6_1 / 7_1,AMX_5_2 / 6_2 / 7_2,AMX_5_3 / 6_3 / 7_3 分別對應取樣口高度 7, 37, 27, 17 cm。 結果表明,在同一進水NH +4 -N 濃度下,ANAMMOX 菌所屬的 Planctomycetes(浮霉菌門)在不同高度下的含量與去除率有著緊密的聯(lián)系,例如,進水 NH +4 -N 濃度 200 mg·L - 1時,菌群含量在反應器底部 7、17 cm 處較 27、37 cm 略高,7cm 處浮霉菌門所占比例最大,為 7. 8% ;然而,當進水 NH +4 -N 濃度提至250、350 mg·L - 1時,高度27、37cm 處所含 ANAMMOX 菌含量相對較高,2 種濃度下浮霉菌所占最大比例均在 27 cm 處,為 6. 1% 。

　　結合圖 4 可知,不同的反應器高度處,厭氧氨氧化菌的生長速率也不同,進水氮濃度較低時,ANAM-MOX 反應集中在反應器底部,大量的菌群在此富集生長,因此氮的去除效果較好,隨著進水 NH +4 -N 濃度的提高,反應器底部(0 ~ 7 cm)受到的基質抑制作用增強,ANAMMOX 菌向反應器更高處富集,進水氮的去除集中在 17 ~ 37 cm 處。

　　2. 3 R1 運行過程中微生物群落的變化

　　本研究選取了反應器高度 7 cm 處的 3 個不同階段污泥進行 16S rRNA 測序,見圖 6。 反應初始階段,R1 內未檢測到厭氧氨氧化菌的存在,啟動成功后,進水 NH +4 -N 濃度 200 mg·L - 1時,反應器內被發(fā)現(xiàn)只形成了 Candidatus Brocadia 這一種厭氧氨氧化菌,進一步提升進水 NH +4 -N 濃度至 450 mg·L - 1時,Candi-datus Kuenenia 首次被發(fā)現(xiàn),而且優(yōu)勢菌種由 Candidatus brocadia(100% )變成 Candidatus Jettenia(50% )和Candidatus Kuenenia(30% )的混合菌種。 有報道指出 Candidatus brocadia 可能屬于 r-對策(生長率高但基質親和力差),而 Candidatus Kuenenia 可能屬于 k-對策(生長率低但基質親和力好)。 CHEN 等在啟動厭氧氨氧化系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢菌種由 Candidatus brocadia 變?yōu)?Candidatus Kuenenia,其推測的原因是反應器內存在的反硝化菌與 ANAMMOX 菌共同競爭 NO -2 ,導致基質氮濃度較低。 目前,在厭氧氨氧化啟動過程中菌種改變的原因還未有定論,需要做進一步分析。具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關技術文檔。

　　3　 結論

　　1)裝載不同填料(載活性炭 K3 填料和普通 K3填料)的 2 個厭氧氨氧化 UASB 反應器 R1 和 R2 分別在 86 d 和 100 d 啟動成功,經過了 134 d 和 170 d的長期運行,系統(tǒng)基本達到最大去除能力狀態(tài)(進水NH +4 -N 濃度均為 450 mg·L - 1) ,R1 和 R2 最大氮去除負荷分別達到 1. 855 和 1. 815 g·( L·d) - 1,反應器的脫氮效果穩(wěn)定.

　　2)在 R1 中,進水 NH +4 -N 濃度較低(≤100 mg·L - 1)時,約 70% 進水基質氮在距反應器底部 0 ~ 7cm 處得到去除,進水 NH +4 -N 濃度較高( > 350 mg·L - 1)時,基質氮的去除主要集中在 17 ~ 37 cm 處。去除率越高的區(qū)域其厭氧氨氧化菌種的組分也越高。

　　3)R1 在 134 d 長期運行中微生物的種群結構組分也發(fā)生了變化,優(yōu)勢菌種由啟動時的 Candidatusbrocadia 變?yōu)?Candidatus Jettenia 和 Candidatus Kuene-nia 的混合菌種。