氮素是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要根源。傳統(tǒng)的生物脫氮要經(jīng)過(guò)硝化和反硝化2個(gè)過(guò)程，硝化耗能較大，反硝化需要碳源，導(dǎo)致處理效果不理想。厭氧氨氧化(anammox)是以亞硝氮(NO2−-N)為電子受體，以氨氮(NH4+-N)為電子供體，反應(yīng)生成氮?dú)?N2)的過(guò)程，與傳統(tǒng)的生物脫氮相比，可以節(jié)省40%的曝氣量且無(wú)需有機(jī)碳源。

　　厭氧氨氧化菌多為中溫菌，其適宜的溫度為30~40 ℃。PUYOL等[7]認(rèn)為厭氧氨氧化菌的最適溫度為30~35 ℃。多數(shù)學(xué)者在A(yíng)SBR啟動(dòng)中都采用中溫。自然水體的溫度一般處于15~25 ℃。因此，采用厭氧氨氧化工藝處理廢水時(shí)，需要對(duì)廢水進(jìn)行預(yù)熱或者保溫處理;但是在實(shí)際工程中，對(duì)廢水進(jìn)行預(yù)熱或保溫難度很大。所以，尋求在低溫條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的厭氧氨氧化顯得尤為重要。然而，溫度對(duì)厭氧氨氧化菌活性的影響及其胞外聚合物(EPS)變化的研究較鮮見(jiàn)。本實(shí)驗(yàn)采用不同的降溫方式研究厭氧氨氧化菌活性及其EPS含量的影響。旨在解析溫度對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)造成的影響，以期為厭氧氨氧化技術(shù)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)參考。

　　1 實(shí)驗(yàn)部分

　　1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

　　實(shí)驗(yàn)裝置為ASBR(anaerobic sequencing batch reactor)(見(jiàn)圖1)，由有機(jī)玻璃制成，直徑為14 cm、高為45 cm，有效容積為5 L。取樣口位于反應(yīng)器壁的垂直方向，在其底部設(shè)置有排泥口，上部設(shè)有通氣口，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體經(jīng)過(guò)水封瓶后排出。整個(gè)反應(yīng)器用黑色塑料布覆蓋，以避免光照對(duì)厭氧氨氧化污泥造成不利影響。

　　圖1 ASBR示意圖

　　1.2 用水及接種污泥

　　實(shí)驗(yàn)采用人工配水，進(jìn)水通過(guò)NaHCO3將pH控制在7.20±0.20，NH4+-N和NO2−-N分別由NH4Cl和NaNO2提供，微量元素參照文獻(xiàn)中的數(shù)值，微量元素為1.5 mL·L−1。表1為配水成分組成。接種污泥取自成功啟動(dòng)ASBR中的活性污泥，脫氮性能良好。其中MLSS為3 300 mg·L−1，MLVSS為2 500 mg·L−1。

　　表1 配水成分組成

　　1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

　　水樣經(jīng)過(guò)0.45 µm濾紙過(guò)濾后測(cè)定，檢測(cè)指標(biāo)按照APHA標(biāo)準(zhǔn)方法[11]測(cè)定：NH4+-N采用納氏試劑分光光度法;NO2−-N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;NO3−-N采用麝香草酚分光光度法;蛋白質(zhì)(PN)和多糖(PS)測(cè)定分別采用考馬斯亮藍(lán)法和苯酚硫酸法;pH測(cè)定采用WTW pH/Oxi 340i便攜式pH儀實(shí)時(shí)測(cè)定;溫度控制采用水浴恒溫控制器控制溫度;攪拌速率為80 r·min−1�？偟�容積負(fù)荷(TNLR)根據(jù)進(jìn)水總氮濃度與HRT關(guān)系得到，總氮去除負(fù)荷(TNRR)根據(jù)進(jìn)、出水總氮濃度與HRT關(guān)系得到，即：

　　r TNLR =24C inf 1 000t HRT rTNLR=24Cinf1 000tHRT(1)

　　r TNRR =24(C inf −C eff )1 000t HRT rTNRR=24(Cinf−Ceff)1 000tHRT(2)

　　式中：rTNLR為總氮容積負(fù)荷，kg·(m3·d)−1;rTNRR為總氮去除負(fù)荷，kg·(m3·d)−1;Cinf為進(jìn)水總氮濃度，mg·L−1; Ceff為出水總氮濃度，mg·L−1;tHRT為水力停留時(shí)間。

　　1.4 實(shí)驗(yàn)方案

　　ASBR為間歇式運(yùn)行，周期為280 min，包括進(jìn)水5 min，反應(yīng)240 min，沉淀30 min，排水5 min，每天運(yùn)行2個(gè)周期，各反應(yīng)過(guò)程均采用自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)采用一次性降溫和階梯式降溫2種模式，見(jiàn)表2。

 　　表2 2種降溫方式下的運(yùn)行工況

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 2種降溫方式下氮素的去除

　　2.1.1 一次性降溫過(guò)程中氮素的去除

　　圖2為一次性降溫過(guò)程中NH4+-N、NO2−-N和NO3−-N的變化情況。進(jìn)水NH4+-N和NO2−-N濃度分別為(25.0±0.4) mg·L−1和(33.0±0.6) mg·L−1。1~4周期溫度為30 ℃，從第5周期時(shí)實(shí)行一次性降溫至15 ℃�？梢钥闯�，第1~4周期時(shí)出水NH4+-N和NO2−-N濃度分別為0.7 mg·L−1和0.5 mg·L−1，在這一階段厭氧氨氧化能夠正常進(jìn)行。當(dāng)一次性降低溫度后，出水NH4+-N和NO2−-N濃度分別升至16.1 mg·L−1和19.4 mg·L−1，去除率分別降低到35.6%和41.2%，到34周期時(shí)逐漸下降至13.4 mg·L−1和16.1 mg·L−1，去除率分別升高到46.4%和51.2%，49周期后出水NH4+-N和NO2−-N濃度穩(wěn)定至13.2 mg·L−1和14.9 mg·L−1，去除率分別降低至47.9%和55.1%。一次性降溫時(shí)，出水NH4+-N和NO2−-N濃度增加，脫氮效果變差，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，在該低溫條件下也達(dá)到了較穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，這與宋成康等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致�？梢�(jiàn)，一次性降溫使厭氧氨氧化活性下降，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的適應(yīng)，該菌仍然具有一定的活性。說(shuō)明厭氧氨氧化菌逐漸適應(yīng)低溫環(huán)境，其N(xiāo)H4+-N、NO2−-N的去除率達(dá)到了基本穩(wěn)定。VANDEGRAAF等發(fā)現(xiàn)在20~43 ℃之間，厭氧氨氧化菌可保持較強(qiáng)的活性。一次性降溫實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，溫度已低至15 ℃，但厭氧氨氧化菌仍然保持了一定的活性。姚俊芹等發(fā)現(xiàn)在溫度從31 ℃降至17 ℃時(shí)，NH4+-N、NO2−-N的平均去除率也能達(dá)到46.2%、41.8%。

　　一次性降溫至15 ℃后反應(yīng)器的出水NO3−-N濃度由6.3 mg·L−1降至1.8 mg·L−1，之后緩慢上升，最終穩(wěn)定在2.3 mg·L−1。溫度降低，出水NO3−-N濃度降低，這可能是因?yàn)閰捬醢毖趸�反�?yīng)速率減小或存在反硝化，但是進(jìn)水沒(méi)有有機(jī)碳源，不存在反硝化，故厭氧氨氧化反應(yīng)速率減小導(dǎo)致出水NO3−-N濃度降低。

　　圖2 一次性降溫過(guò)程中NH4+-N、NO2−-N和NO3−-N 的變化

　　2.1.2 階梯式降溫過(guò)程中氮素的去除

　　圖3為階梯式降溫過(guò)程中NH4+-N、NO2−-N和NO3−-N濃度的變化情況，進(jìn)水NH4+-N和NO2−-N濃度分別為(25.0±0.4) mg·L−1和(33.0±0.4) mg·L−1。1~4周期溫度為30 ℃，5~10周期溫度為25 ℃，11~19周期溫度為20 ℃，20~54周期為15 ℃。在30 ℃時(shí)，出水平均NH4+-N和NO2−-N濃度分別為0.6 mg·L−1和0.5 mg·L−1，平均去除率分別為97.8%和98.5%。在25 ℃時(shí)，出水平均NH4+-N和NO2−-N濃度為4.5 mg·L−1和4.8 mg·L−1，平均去除率分別為81.4%和84.2%。在20 ℃時(shí)，出水平均NH4+-N和NO2−-N濃度分別為6.2 mg·L−1和6.8 mg·L−1，平均去除率分別為76.3%和79.7%。在15 ℃時(shí)，出水平均NH4+-N和NO2−-N濃度為12.1 mg·L−1和12.8 mg·L−1，平均去除率分別為51.6%和61.2%。在階梯式降溫下，每次降溫后出水NH4+-N和NO2−-N濃度均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，平均去除率逐級(jí)降低，且降低幅度逐漸加大，反應(yīng)器重新達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行所需的時(shí)間逐漸變長(zhǎng)。溫度降低后，微生物能夠逐步適應(yīng)低溫，厭氧氨氧化菌的活性逐步得到恢復(fù)�？刂茰囟群愣�，系統(tǒng)的脫氮性能會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間的推移而上升，最后達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)，這與李祥等的研究結(jié)果一致。采用階梯式降溫方式比一次性降溫方式下的NH4+-N和NO2−-N去除率高3.6%和5.1%。楊朝暉等通過(guò)階梯式降溫的方式縮短低溫條件下厭氧氨氧化菌馴化時(shí)間，而且菌體活性保持較好，能夠維持較高的脫氮性能，這與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

　　在30 ℃時(shí)，反應(yīng)器出水平均NO3−-N濃度為6.3 mg·L−1。降溫至25 ℃后，出水NO3−-N濃度降至3.4 mg·L−1，從25 ℃降到20 ℃，再降溫至15 ℃的過(guò)程中，出水NO3−-N濃度呈現(xiàn)階梯式下降，但下降的幅度逐漸減小，最終穩(wěn)定在2.6 mg·L−1。反應(yīng)器溫度降低后，NO3−-N生成量也隨之降低，即厭氧氨氧化反應(yīng)速率也隨之減小。出水NO3−-N濃度高于一次性降溫時(shí)的值，表明階梯式降溫下的厭氧氨氧化反應(yīng)速率高于一次性降溫方式。

　　圖3 階梯式降溫過(guò)程中NH4+-N、NO2−-N和NO3−-N的變化

　　2.2 2種降溫方式下總氮反應(yīng)速率及反應(yīng)計(jì)量比的變化

　　圖4為一次性降溫和階梯式降溫方式總氮的去除速率及ΔNO2−-N/ΔNH4+-N(反應(yīng)掉的NO2−-N量與反應(yīng)掉的NH4+-N量的比)的變化。由圖4(a)可知，在30 ℃下，一次性降溫和階梯式降溫總氮去除速率均為5.10 mg·(g·h)−1。一次性降溫至15 ℃時(shí)，總氮去除速率降至2.74 mg·(g·h)−1，階梯式降溫至15 ℃時(shí)，總氮去除速率降為3.22 mg·(g·h)−1，這主要是低溫會(huì)使酶作用降低或停止，而厭氧氨氧化菌最適溫度為30~35 ℃，故在低溫下厭氧氨氧化菌酶作用降低，導(dǎo)致厭氧氨氧化反應(yīng)速率下降。階梯式降溫比一次性降溫總氮的去除速率高0.48 mg·(g·h)−1。一次性降溫達(dá)到總氮去除速率穩(wěn)定運(yùn)行所需的周期為49周期，階梯式降溫總氮去除速率達(dá)到穩(wěn)定所需的周期為26周期，即階梯式降溫方式下總氮去除速率達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行所需的時(shí)間較短。

　　由圖4(b)可知，在30 ℃時(shí)，一次性降溫和階梯式降溫反應(yīng)器的ΔNO2−-N/ΔNH4+-N均為1.33，一次性降溫和階梯式降溫條件下ΔNO2−-N/ΔNH4+-N均有所增加，運(yùn)行一段時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定。這可能是NOB和厭氧氨氧化菌均以亞硝酸鹽為基質(zhì)分別進(jìn)行亞硝酸鹽的氧化反應(yīng)和厭氧氨氧化反應(yīng)，當(dāng)亞硝酸鹽成為其限制因素時(shí)，可導(dǎo)致二者存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。ASBR內(nèi)有NOB時(shí)，就會(huì)利用亞硝酸鹽和進(jìn)水中的微量溶解氧反應(yīng)，導(dǎo)致ΔNO2−-N/ΔNH4+-N升高。一次性降溫至15 ℃后，ΔNO2−-N/ΔNH4+-N波動(dòng)式上升，最終穩(wěn)定至1.51。階梯式降溫方式下，每次降溫均會(huì)導(dǎo)致ΔNO2−-N/ΔNH4+-N上升，15 ℃時(shí)ΔNO2−-N/ΔNH4+-N最終穩(wěn)定至1.48。15 ℃時(shí)2種降溫方式ΔNO2−-N/ΔNH4+-N值均比理論值1.32高，這是因?yàn)殡S著溫度的降低水中DO增多，導(dǎo)致ΔNO2−-N/ΔNH4+-N增大。階梯式降溫的ΔNO2−-N/ΔNH4+-N更接近厭氧氨氧化反應(yīng)的理論值，有研究報(bào)道指出，ΔNO2−-N/ΔNH4+-N越接近理論值，厭氧氨氧化菌的除氮性能越好，即階梯式降溫方式更有利于脫氮。

　　圖4 2種降溫方式下總氮的去除速率及ΔNO2−-N/ΔNH4+-N變化

　　2.3 2種降溫方式下對(duì)厭氧氨氧化活性、總氮去除負(fù)荷以及胞外聚合物的影響

　　圖5、圖6為2種降溫方式下厭氧氨氧化活性、總氮去除負(fù)荷(TNRR)以及胞外聚合物(EPS)的變化。由圖5(a)可知，在30 ℃下，一次性降溫和階梯式降溫厭氧氨氧化活性(SAA)均為0.139 g·(g·d)−1。一次性降溫至15 ℃時(shí)，SAA降至0.071 g·(g·d)−1，降幅為48.9%。階梯式降溫方式下，SAA呈現(xiàn)階梯式減小，至15 ℃時(shí)，SAA降為0.083 g·(g·d)−1，降幅為40.1%。楊洋等[24]也發(fā)現(xiàn)采用階梯式降溫對(duì)SAA的影響較小。

　　由圖5(b)可知，在30 ℃下，2個(gè)反應(yīng)器進(jìn)水總氮容積負(fù)荷(TNLR)均為0.292 kg·(m3·d)−1，TNRR均為0.256 kg·(m3·d)−1。一次性降溫至15 ℃時(shí)，該反應(yīng)器TNRR降為0.142 kg·(m3·d)−1，采用階梯式降溫至15 ℃時(shí)，該反應(yīng)器TNRR降為0.160 kg·(m3·d)−1，可見(jiàn)階梯式降溫方式比一次性降溫方式時(shí)的TNRR高0.018 kg·(m3·d)−1。具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　EPS是微生物在生長(zhǎng)過(guò)程分泌的黏性物質(zhì)，在一定范圍內(nèi)，EPS分泌量越多，其受到外界環(huán)境脅迫越大。由圖6可知，在30 ℃下，一次性降溫和階梯式降溫反應(yīng)器中微生物分泌的PN和PS平均值分別為36.58 mg·g−1和2.16 mg·g−1。一次性降溫至15 ℃，PN和PS分別為121.56 mg·g−1和25.16 mg·g−1，這可能在較低溫度時(shí)微生物生長(zhǎng)速率下降使得部分細(xì)菌死亡釋放出大量的EPS。階梯式降溫過(guò)程中，PN和PS均逐漸增大，至15 ℃時(shí)，PN和PS分別上升到109.26 mg·g−1和24.16 mg·g−1。這是因?yàn)榉磻?yīng)溫度的降低對(duì)厭氧氨氧化菌產(chǎn)生了應(yīng)激性，即當(dāng)微生物受到外界環(huán)境的脅迫(如溫度突變等)時(shí)，微生物主要通過(guò)分泌EPS來(lái)適應(yīng)新環(huán)境，階梯式降溫方式的微生物EPS分泌量較小，所以階梯式降溫方式對(duì)厭氧氨氧化菌的影響較小。

　　圖5 2種降溫方式下SAA和TNRR的變化

　　圖6 2種降溫方式下EPS變化

　　2.4 2種降溫方式下反應(yīng)器的活性恢復(fù)

　　圖7和圖8為一次性降溫反應(yīng)器和階梯式降溫反應(yīng)器升溫過(guò)程中NH4+-N、NO2−-N和NO3−-N的變化。將一次性降溫到15 ℃的反應(yīng)器再一次性升溫至30 ℃時(shí)�？梢钥闯�，在1~15周期時(shí)，出水NH4+-N和NO2−-N的平均濃度分別為12.5 mg·L−1和13.8 mg·L−1，其去除率分別達(dá)到50.8%和58.5%，出水NO3−-N平均濃度為2.0 mg·L−1;第41周期時(shí)出水NH4+-N和NO2−-N濃度逐漸下降至2.3 mg·L−1和2.8 mg·L−1，出水NO3−-N濃度逐漸升高至4.6 mg·L−1;44周期后，出水NH4+-N和NO2−-N濃度分別穩(wěn)定為1.7 mg·L−1和1.9 mg·L−1，二者去除率分別為93.0%和94.3%，出水NO3−-N濃度為5.3 mg·L−1。將階梯式降溫到15 ℃的反應(yīng)器一次性升溫至30 ℃�？梢钥闯�，在1~9周期時(shí)，出水NH4+-N和NO2−-N的平均濃度為11.5 mg·L−1和12.5 mg·L−1，NH4+-N和NO2−-N的去除率分別為55.1%和57.5%，出水平均NO3−-N濃度為2.6 mg·L−1，第23周期，出水NH4+-N和NO2−-N濃度逐漸下降至2.3 mg·L−1和2.7 mg·L−1，出水NO3−-N濃度逐漸升高至5.3 mg·L−1，26周期后，出水NH4+-N、NO2−-N和NO3−-N濃度均達(dá)到穩(wěn)定，出水NH4+-N和NO2−-N濃度為1.5 mg·L−1和1.6 mg·L−1，去除率分別為94.0%和95.5%，出水NO3−-N濃度為5.6 mg·L−1�？梢�(jiàn)2種降溫方式下的反應(yīng)器再經(jīng)一次性升溫時(shí)其脫氮性能均不能在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)。而階梯式降溫反應(yīng)器經(jīng)過(guò)30周期的恢復(fù)，其脫氮性能接近于最初30 ℃時(shí)的脫氮性能，一次性降溫反應(yīng)器經(jīng)過(guò)44周期的恢復(fù)才接近最初30 ℃時(shí)的脫氮性能。姚俊芹等研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器在17 ℃停運(yùn)2個(gè)月后，直接升溫31 ℃開(kāi)始再次運(yùn)行，第17天時(shí)，NH4+-N、NO2−-N的最高去除率就達(dá)到99.4%、90.6%，表明僅僅經(jīng)歷較短時(shí)間，反應(yīng)器內(nèi)微生物SAA便得到恢復(fù)。

　　圖7 一次性降溫反應(yīng)器升溫后NH4+-N、NO2−-N、NO3−-N的變化

　　圖8 階梯式降溫反應(yīng)器升溫后NH4+-N、NO2−-N、NO3−-N的變化

　　3 結(jié)論

　　1)對(duì)30 ℃穩(wěn)定運(yùn)行的ASBR采用一次性降溫和階梯式降溫至15 ℃的方式研究厭氧氨氧化脫氮性能。采用階梯式降溫方式比一次性降溫方式的NH4+-N和NO2−-N去除率高3.7%和6.1%、總氮去除速率高0.48 mg·(g·h)−1、ΔNO2−-N/ΔNH4+-N更接近厭氧氨氧化反應(yīng)的理論值、SAA高0.012g·(g·d)−1、TNRR高0.018 kg·(m3·d)−1，表明階梯式降溫方式優(yōu)于一次性降溫方式。

　　2)對(duì)一次性降溫和階梯式降溫的ASBR采用一次性升溫的方式進(jìn)行活性恢復(fù)，一次性降溫反應(yīng)器活性恢復(fù)需要44周期，而階梯式降溫反應(yīng)器活性恢復(fù)僅需要26周期，前者出水NH4+-N和NO2−-N濃度為1.7 mg·L−1和1.9 mg·L−1，后者出水NH4+-N和NO2−-N濃度為1.5 mg·L−1和1.6 mg·L−1，表明階梯式降溫方式更有利于厭氧氨氧化菌的活性恢復(fù)。(來(lái)源：環(huán)境工程學(xué)報(bào) 作者：邵兆偉)