厭氧氨氧化反應(yīng)已被廣泛應(yīng)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(yīng)器內(nèi)裝載填料來提升反應(yīng)器對厭氧氨氧化菌的持留能力,被認(rèn)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(yīng)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(zhì)負(fù)荷沖擊能力。 趙少康在一中試反應(yīng)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(fù)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(yīng)器中,沿高程基質(zhì)去除能力表現(xiàn)出很大的不同。 ZHANG等發(fā)現(xiàn),進(jìn)水 NH +4 -N 為 100 mg·L - 1時,75%的進(jìn)水基質(zhì)在距反應(yīng)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(jìn)水基質(zhì)濃度下的反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)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(yīng)器的厭氧氨氧化系統(tǒng)啟動及運行過程,研究了不同的進(jìn)水基質(zhì)濃度和反應(yīng)器內(nèi)部高度對基質(zhì)的分布及微生物群落組成的影響,研究結(jié)果為厭氧氨氧化 UASB 系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)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(yīng)器外徑為 14 cm,內(nèi)徑 10 cm,有效體積均為 8. 8 L。 反應(yīng)器外設(shè)保溫層,并控制進(jìn)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(yīng)器內(nèi)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(nèi)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(jìn)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(jìn)行檢測,然后進(jìn)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(chǎn)物進(jìn)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(chǎn)物,熒光定量后構(gòu)建 Illumina 平臺文庫。

　　1. 5　 實驗方案

　　表 1 和表2 分別為反應(yīng)器 R1 和 R2 的運行操作過程。 2 反應(yīng)器初始進(jìn)水 NH +4 -N 濃度均設(shè)在50 mg·L - 1,各階段穩(wěn)定后提高進(jìn)水基質(zhì)濃度,最終 NH +4 -N 的進(jìn)水濃度為 450 mg·L - 1,2 反應(yīng)器進(jìn)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(yīng)階段,水力停留時間 HRT 均保持在 12 h。

表 1　 R1 反應(yīng)器的運行操作條件

表 2　 R2 反應(yīng)器的運行操作條件

　　2　 結(jié)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(yīng)器的啟動及長期運行結(jié)果見圖2。 在 R1 反應(yīng)器啟動的前 50 d 為污泥的馴化適應(yīng)過程,進(jìn)水 NH +4 -N 濃度設(shè)在 50 mg·L - 1,NO -2 -N 為65 mg·L - 1,通過調(diào)節(jié) HRT 提高進(jìn)水總氮負(fù)荷至242. 04 mg·( L·d) - 1,NH +4 -N 和 NO -2 -N 的去除率分別達(dá)到 99%和 90% ,反應(yīng)器達(dá)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(yīng)器內(nèi)污泥的適應(yīng)時間更長,其達(dá)到相似的進(jìn)水負(fù)荷和基質(zhì)去除率需 86 d。

　　當(dāng) R1 反應(yīng)器運行至 86 d 時,見圖 2( a)和( b) ,此時進(jìn)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(fù)荷和總氮去除負(fù)荷分別為 270 和 583. 51 mg· ( L· d ) - 1。 有研究表明,氨氮去除負(fù)荷高于 200 mg· ( L·d) - 1;或者總氮去除負(fù)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(yīng)器成功啟動的判斷標(biāo)準(zhǔn)。 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(fù)荷和總氮去除負(fù)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(rèn)為此時 R2 啟動成功。 在啟動成功時肉眼觀察 2 個反應(yīng)器,它們內(nèi)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(xiàn)[15-17]報道的添加填料的 ANAMMOX 反應(yīng)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(jìn)水總氮負(fù)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(yīng)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(jié)果,涂有活性炭的填料表面結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,比表面積更大,活性炭內(nèi)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(jìn)一步提高進(jìn)水基質(zhì)負(fù)荷,考察系統(tǒng)脫氮性能。 R1 在 87 ~ 134 d 期間,進(jìn)水 NH +4 -N 濃度逐步提至 450 mg·L - 1,進(jìn)水容積氮負(fù)荷由 943. 79mg·( L·d) - 1提升至 2 155. 67 mg·( L·d) - 1,第134 天時,反應(yīng)器內(nèi) 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(fù)荷為1 855. 43 mg·( L·d) - 1。 第135 天后,繼續(xù)提高基質(zhì)濃度,隨著容積氮負(fù)荷的升高,反應(yīng)器內(nèi)容積基質(zhì)氮的去除速率逐漸下降,故認(rèn)為第 134 天時反應(yīng)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(yīng)器也基本達(dá)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(fù)荷為 1 815. 12 mg·( L·d) - 1。

　　研究發(fā)現(xiàn),反應(yīng)器啟動成功后,R1 對進(jìn)水基質(zhì)濃度和水力負(fù)荷沖擊的適應(yīng)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(jìn)水負(fù)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(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及抗基質(zhì)濃度沖擊負(fù)荷的能力,填料表面更大的比表面積和復(fù)雜的空間構(gòu)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(zhì)凈化性能及微生物群落結(jié)構(gòu)變化

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

　　高通量分析結(jié)果見圖 5。 在第 106、116 和 126 天,分別從反應(yīng)器不同高度處取泥,共計 12 個樣,進(jìn)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(yīng)取樣口高度 7, 37, 27, 17 cm。 結(jié)果表明,在同一進(jìn)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(jìn)水 NH +4 -N 濃度 200 mg·L - 1時,菌群含量在反應(yīng)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(dāng)進(jìn)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(jié)合圖 4 可知,不同的反應(yīng)器高度處,厭氧氨氧化菌的生長速率也不同,進(jìn)水氮濃度較低時,ANAM-MOX 反應(yīng)集中在反應(yīng)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(jìn)水 NH +4 -N 濃度的提高,反應(yīng)器底部(0 ~ 7 cm)受到的基質(zhì)抑制作用增強,ANAMMOX 菌向反應(yīng)器更高處富集,進(jìn)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(yīng)器高度 7 cm 處的 3 個不同階段污泥進(jìn)行 16S rRNA 測序,見圖 6。 反應(yīng)初始階段,R1 內(nèi)未檢測到厭氧氨氧化菌的存在,啟動成功后,進(jìn)水 NH +4 -N 濃度 200 mg·L - 1時,反應(yīng)器內(nèi)被發(fā)現(xiàn)只形成了 Candidatus Brocadia 這一種厭氧氨氧化菌,進(jìn)一步提升進(jìn)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(zhì)親和力差),而 Candidatus Kuenenia 可能屬于 k-對策(生長率低但基質(zhì)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(yīng)器內(nèi)存在的反硝化菌與 ANAMMOX 菌共同競爭 NO -2 ,導(dǎo)致基質(zhì)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(jìn)一步分析。具體參見污水寶商城資料或http://wlmqsb.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3　 結(jié)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(yīng)器 R1 和 R2 分別在 86 d 和 100 d 啟動成功,經(jīng)過了 134 d 和 170 d的長期運行,系統(tǒng)基本達(dá)到最大去除能力狀態(tài)(進(jìn)水NH +4 -N 濃度均為 450 mg·L - 1) ,R1 和 R2 最大氮去除負(fù)荷分別達(dá)到 1. 855 和 1. 815 g·( L·d) - 1,反應(yīng)器的脫氮效果穩(wěn)定.

　　2)在 R1 中,進(jìn)水 NH +4 -N 濃度較低(≤100 mg·L - 1)時,約 70% 進(jìn)水基質(zhì)氮在距反應(yīng)器底部 0 ~ 7cm 處得到去除,進(jìn)水 NH +4 -N 濃度較高( > 350 mg·L - 1)時,基質(zhì)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(jié)構(gòu)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。