為追求污水處理的低能耗和低碳耗，厭氧氨氧化工藝因其具有無需曝氣、污泥產(chǎn)量少、脫氮效率高且無需額外投加碳源等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。在走向工程化的道路上，高氮廢水的厭氧氨氧化得到廣泛研究甚至大量應(yīng)用，而低氮廢水如市政污水的厭氧氨氧化仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。除了高有機(jī)物濃度外，阻礙厭氧氨氧化在市政污水主流工藝應(yīng)用的最重要限制因素還包括：①市政污水氮濃度較低，導(dǎo)致厭氧氨氧化菌（AnAOB）生物量富集和持留困難；②市政污水水溫變化幅度大，溫度降低會(huì)直接影響AnAOB胞內(nèi)酶合成和代謝活性。因此，如何在溫度降低條件下實(shí)現(xiàn)低氮廢水厭氧氨氧化的穩(wěn)定運(yùn)行是該技術(shù)在市政污水主流工藝應(yīng)用和推廣的瓶頸之一。
已有研究表明，生物膜途徑可以實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化菌的有效積累，生物濾柱反應(yīng)器（BFR）是用于厭氧氨氧化脫氮的高效反應(yīng)器之一，但厭氧氨氧化BFR（ABFR）在溫度降低過程中的運(yùn)行特征目前研究較少。鑒于此，筆者分析了ABFR從（31±1）℃梯度下降至（22±1）℃時(shí)脫氮性能、沿程水質(zhì)、沿程厭氧氨氧化比活性（SAA）的變化，旨在為ABFR的工程應(yīng)用提供參考。
1、材料與方法
1.1 試驗(yàn)裝置
ABFR裝置由有機(jī)玻璃制成，上部為內(nèi)徑10cm、高115cm的圓柱體，下部為內(nèi)徑10cm、高10cm的錐體，總有效體積為6.3L。錐體內(nèi)填充直徑為25mm、高為10mm的有機(jī)懸浮填料K3，柱體內(nèi)裝填相同材質(zhì)但直徑為10mm、高為10mm的有機(jī)懸浮填料K1。ABFR進(jìn)水口設(shè)置于107.5cm高度處，出水口位于反應(yīng)器錐體底部，通過U型管出水。在反應(yīng)器12.5、32.5、57.5及82.5cm處分別設(shè)置水樣采集口及填料取樣口各4個(gè)。ABFR柱體采用鋁箔紙包裹以保護(hù)厭氧氨氧化菌免受光照刺激；采用可調(diào)節(jié)功率加熱絲均勻纏繞以控制反應(yīng)器內(nèi)水溫在一定范圍。
1.2 進(jìn)水水質(zhì)
試驗(yàn)進(jìn)水為模擬含氮廢水，采用氯化銨與亞硝酸鈉提供氮源，使廢水NH4+-N濃度為（47±3）mg/L、NO2--N濃度為（53±4）mg/L。通過投加一定量的KHCO3維持pH在7.5~8.5范圍內(nèi)。模擬廢水不添加碳源，但按以下投量添加常量元素：CaCl2·2H2O為0.01g/L、K2HPO4·3H2O為0.01g/L、MgSO4·7H2O為0.1g/L。此外，每升模擬廢水添加1mL微量元素Ⅰ及微量元素Ⅱ溶液。微量元素Ⅰ溶液組成：EDTA為5g/L、FeSO4·7H2O為5g/L；微量元素Ⅱ溶液組成：EDTA-2Na為15g/L、CuSO4·5H2O為0.25g/L、ZnSO4·7H2O為0.43g/L、NaMoO4·2H2O為0.22g/L、MnCl2·4H2O為0.99g/L、NiCl2·6H2O為0.19g/L、CoCl2·6H2O為0.24g/L、Na2SeO4·10H2O為0.21g/L、H3BO3為0.014g/L。
1.3 運(yùn)行工況
試驗(yàn)在31℃下通過縮短水力停留時(shí)間（HRT）的方式成功啟動(dòng)ABFR，在保持HRT和氮負(fù)荷率（NLR）不變的條件下，ABFR從31℃梯度下降至22℃，具體運(yùn)行條件見表1。
1.4 采樣分析
1.4.1 水樣的采集與測定
對于ABFR裝置，每3d采集水樣1次，每個(gè)工況運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)沿水力流程分別在進(jìn)水口、4個(gè)采樣口和出水口采集水樣。所有采集的水樣經(jīng)0.45μm濾膜過濾后按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第4版）測定相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)。NH4+-N、NO2--N及NO3--N均采用分光光度計(jì)測定，pH采用pH計(jì)測定，溫度采用溫度計(jì)測定，懸浮固體（SS）和揮發(fā)性懸浮固體（VSS）采用重量法測定。
1.4.2 微生物的采集與測定
ABFR在不同溫度下穩(wěn)定運(yùn)行后，采集0~25、25~50、50~75、75~107.5cm區(qū)段的生物膜進(jìn)行厭氧氨氧化比活性（SAA）測定，具體方法如下：將采集的生物膜樣品置于NH4+-N與NO2--N濃度均為50mg/L的血清瓶中，通入N2使DO低于0.2mg/L并快速密封，然后用鋁箔紙包裹血清瓶并將其置于（31±1）℃的恒溫振蕩器中，每隔2h采集1次水樣并測定NH4+-N濃度，試驗(yàn)結(jié)束后根據(jù)Zhang等的方法測定SS、VSS及相關(guān)氮濃度以計(jì)算SAA。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)分別采集0~25、25~50、50~75、75~107.5cm區(qū)段生物膜樣品，對不同區(qū)段生物膜上的微生物進(jìn)行高通量測序。
2、結(jié)果與討論
2.1 ABFR的脫氮性能及沿程水質(zhì)變化
2.1.1 降溫運(yùn)行下ABFR的脫氮性能
啟動(dòng)完成后的ABFR在（31±1）℃及NLR為1.62kg/（m3·d）條件下對TN的去除率可達(dá)86%以上，然后進(jìn)入降溫運(yùn)行階段，圖1為降溫運(yùn)行期間氮濃度和氮去除率的變化�？芍�，ABFR在（31±1）℃下穩(wěn)定保持著高效的氮去除率，對NH4+-N、NO2--N及TN的去除率分別為97.10%、97.60%和86.88%，平均出水NH4+-N、NO2--N及TN濃度分別為1.31、1.20和9.97mg/L，表明在該溫度下厭氧氨氧化菌群活性較好。與此同時(shí)，ΔNO2--N/ΔNH4+-N約為1.13，ΔNO3--N/ΔNH4+-N約為0.23，均低于理論值1.32與0.26，表明ABFR中除了厭氧氨氧化菌群主導(dǎo)外，其他菌群也協(xié)同發(fā)揮作用。
當(dāng)溫度在第19天降低至（28±1）℃時(shí)，TN去除率持續(xù)下降6d后降低至82.11%，又經(jīng)過6d恢復(fù)后，ABFR對TN的去除率達(dá)到86%且能穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)ΔNO3--N/ΔNH4+-N接近0.26，表明（28±1）℃條件下厭氧氨氧化菌群在ABFR內(nèi)保持優(yōu)勢生長，該溫度對反應(yīng)器的影響較小。當(dāng)溫度在第43天繼續(xù)降低至（25±1）℃時(shí)，出水NH4+-N及NO2--N濃度分別為7.25和6.78mg/L，TN去除率降至74.5%。經(jīng)15d恢復(fù)后TN去除率達(dá)到86%并穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)ΔNO2--N/ΔNH4+-N為1.14，ΔNO3--N/ΔNH4+-N為0.25，均略低于相應(yīng)理論值。當(dāng)溫度在第70天降低至（22±1）℃時(shí)，TN去除率持續(xù)6d緩慢下降至78.01%，此時(shí)出水NH4+-N和NO2--N濃度分別為5.01和6.61mg/L。經(jīng)過30d適應(yīng)期后，ABFR對TN的去除率達(dá)到86.20%，出水NH4+-N和NO2--N濃度分別降低至0.96和1.39mg/L�？梢�，ABFR對溫度的適應(yīng)性較好，在溫度梯度降低后其仍能恢復(fù)高效穩(wěn)定的脫氮性能。盡管在溫度梯度降低的條件下ABFR對TN的去除均可達(dá)到86%以上，但是溫度越低反應(yīng)器的適應(yīng)期越長。
2.1.2 溫度對ABFR沿程水質(zhì)的影響
圖2為不同溫度穩(wěn)定期ABFR的沿程水質(zhì)變化。可以看出，不同溫度下NH4+-N和NO2--N濃度均在距進(jìn)水口25和50cm處大幅降低，而NO3--N濃度在這兩處明顯增加。經(jīng)核算，不同溫度下0~25cm區(qū)段NH4+-N和NO2--N的平均去除率分別為61.6%和61.7%，0~50cm區(qū)段相應(yīng)的去除率分別為85.6%和87.5%，因此，0~50cm區(qū)段為ABFR的主要厭氧氨氧化區(qū)域，其中0~25cm區(qū)段貢獻(xiàn)最大。
隨著溫度的降低，25cm處的NH4+-N和NO2--N濃度顯著上升，其中NH4+-N去除率由（31±1）℃時(shí)的71.94%分別降低到（28±1）℃的67.91%、（25±1）℃的56.66%和（22±1）℃的49.89%，NO2--N去除率由（31±1）℃時(shí)的73.62%分別降低到（28±1）℃的62.11%、（25±1）℃的56.84%和（22±1）℃的54.29%，表明0~25cm區(qū)段微生物菌群受溫度影響顯著，降低溫度導(dǎo)致該區(qū)段脫氮效率明顯降低。
然而，25~50cm區(qū)段的脫氮貢獻(xiàn)率隨著溫度的降低反而升高，當(dāng)溫度由（31±1）℃降低至（22±1）℃時(shí)，TN去除率由11.33%升高至30.23%，且50~75cm區(qū)段的TN去除率也升高了8.13%，表明溫度降低激活了ABFR中25~75cm區(qū)段的脫氮效能，彌補(bǔ)了0~25cm區(qū)段微生物菌群受低溫影響造成的脫氮效率下降。但是，在溫度降低過程中，75~107.5cm區(qū)段脫氮貢獻(xiàn)率無明顯變化，表明ABFR尚有1/3空間因降溫而未被激活。因此，ABFR主功能區(qū)雖然在距離進(jìn)水口最近的0~25cm區(qū)段，但是隨著溫度的下降，該區(qū)段對TN的去除率降低，而距離進(jìn)水口較遠(yuǎn)區(qū)域的脫氮能力反而被激活。
2.1.3 溫度對ABFR沿程SAA的影響
不同溫度下穩(wěn)定運(yùn)行的ABFR各區(qū)段生物膜SAA如圖3所示。
由圖3可以看出，同一位置溫度越高，SAA越大，如在25cm處（31±1）℃時(shí)SAA高達(dá)6.13mg/（gVSS·h），而（22±1）℃時(shí)僅為0.84mg/（gVSS·h），前者為后者的7.30倍；在107.5cm處（31±1）℃時(shí)的SAA為2.51mg/（gVSS·h），而（22±1）℃時(shí)為0.36mg/（gVSS·h），前者為后者的6.97倍。毋庸置疑，不同溫度下ABFR中微生物最高SAA均在前25cm處取得，隨著距離的增加，SAA均明顯降低。為了分析基質(zhì)濃度與溫度對厭氧氨氧化生物活性的影響，比較不同區(qū)域SAA在溫度降低下的變化情況發(fā)現(xiàn)，不同區(qū)段的活性下降幅度較為一致。隨著溫度由（31±1）℃下降到（22±1）℃，0~25、25~50、50~75和75~107.5cm區(qū)段SAA沿程分別下降了86.30%、85.04%、85.81%和85.66%，平均為85.71%，表明溫度對厭氧氨氧化活性衰減的影響與距離無關(guān)，基質(zhì)濃度是制約反應(yīng)器中微生物SAA的重要因素。然而，溫度對ABFR同一位置處SAA的影響也是非線性的，例如在25、50、75和107.5cm處，在溫度從28℃下降到25℃的條件下，SAA分別下降了60.10%、55.52%、75.77%和80.48%，表明28℃降至25℃時(shí)對SAA的影響較大，這與圖1中降低溫度到25℃時(shí)TN去除率降幅最大相一致�？傊�，溫度和位置對ABFR中生物膜SAA均有明顯影響，離進(jìn)水口近的位置生物膜SAA更高，因而在厭氧氨氧化脫氮過程中發(fā)揮著重要作用。隨著溫度的降低，離進(jìn)水口遠(yuǎn)的位置生物膜在厭氧氨氧化脫氮中的作用有望提高。
2.2 AFBR中生物量及微生物群落分布
2.2.1 生物量的分布
在（22±1）℃下對穩(wěn)定運(yùn)行的ABFR不同區(qū)段生物量分布進(jìn)行測定。其中，不同區(qū)段的生物量分布并不均勻，反應(yīng)器各區(qū)段的生物量沿高度逐級遞減，如0~25cm區(qū)段生物量達(dá)到11.28g/L，25~50cm區(qū)段的生物量為6.18g/L，50~75cm區(qū)段的生物量為4.25g/L，而75~107.5cm區(qū)段生物量僅為3.05g/L。其中，0~25cm區(qū)段是75~107.5cm區(qū)段生物量的3.70倍。如前所述，盡管（22±1）℃條件下運(yùn)行的ABFR生物膜SAA較低，但是距離進(jìn)水口0~25cm區(qū)段充足的生物量與后續(xù)區(qū)段低基質(zhì)下穩(wěn)定維持的生物量共同成為保障該反應(yīng)器高效穩(wěn)定脫氮的重要因素。因此，高生物量濃度是ABFR在較低溫度下應(yīng)對SAA降低的關(guān)鍵。
2.2.2 ABFR高通量測序分析
ABFR歷經(jīng)120d降溫運(yùn)行后，對脫氮貢獻(xiàn)較大的0~25、25~50和50~75cm區(qū)段生物膜進(jìn)行高通量測序，（22±1）℃下ABFR不同脫氮區(qū)的微生物在屬水平上的群落分布如圖4所示（相對豐度小于1%的菌種定義為“others”）。
從圖4可以看出，ABFR不同區(qū)段的微生物在屬水平上的相對豐度有所差異，但是菌群結(jié)構(gòu)相似。CandidatusBrocadia是三個(gè)區(qū)段豐度最大的優(yōu)勢厭氧氨氧化菌，其在0~25cm區(qū)段的相對豐度為19.25%。隨著水力沿程的增加，其在25~50和50~75cm區(qū)段的占比逐漸降低至11.23％和5.72%。Laureni等在MBBR中進(jìn)行PN/A脫氮過程中發(fā)現(xiàn)，A段的優(yōu)勢厭氧氨氧化菌屬為CandidatusBrocadia；Reino等在22℃條件下采用UASB處理實(shí)際城市污水時(shí)發(fā)現(xiàn)，厭氧氨氧化優(yōu)勢菌屬為CandidatusBrocadia；Nejidat等報(bào)道了在13~17℃的條件下CandidatusBrocadia為實(shí)際污水處理廠中厭氧氨氧化優(yōu)勢菌屬。以上結(jié)果與本研究一致。此外，從沿程豐度變化可以看出，CandidatusBrocadia具有一定的基質(zhì)濃度響應(yīng)，較高濃度的基質(zhì)似乎更加有利于其增長累積。
厭氧氨氧化菌CandidatusJettenia在三個(gè)區(qū)段的占比分別為2.78%、1.20%和4.07%。具有厭氧氨氧化能力的SM1A02在三個(gè)區(qū)段的占比分別為2.00%、1.33%和0.89%。Liu等在低溫下使用UASB反應(yīng)器培養(yǎng)的厭氧氨氧化優(yōu)勢菌屬為CandidatusJettenia，表明其具備低溫適應(yīng)特征。與CandidatusBrocadia相比，CandidatusJettenia的沿程變化規(guī)律并不明顯，表明其在低氮的條件下對基質(zhì)濃度并不敏感，這與SM1A02和CandidatusBrocadia表現(xiàn)出的基質(zhì)濃度響應(yīng)完全不同。此外，在進(jìn)行本試驗(yàn)前課題組于同一反應(yīng)器在31℃時(shí)多次檢測到CandidatusKuenenia，而在（22±1）℃時(shí)ABFR的三個(gè)區(qū)段均未檢測到，這表明CandidatusKuenenia菌群對低溫適應(yīng)性差，而CandidatusBrocadia及CandidatusJettenia對溫度的適應(yīng)性更強(qiáng)。分子從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀装l(fā)生反應(yīng)的活躍狀態(tài)所需的能量被稱為活化能，活化能越小，生化反應(yīng)越容易進(jìn)行。在廢水生物處理過程中，通常生化反應(yīng)的活化能范圍為8.37~83.68kJ/mol。有研究表明，不同溫度下不同厭氧氨氧化菌群的活化能各不相同，10~20℃下CandidatusKuenenia的活化能為152.9kJ/mol，遠(yuǎn)大于5~17℃下CandidatusBrocadia的活化能66kJ/mol，進(jìn)一步證實(shí)了CandidatusKuenenia菌群對于低溫的適應(yīng)性較差。
3、結(jié)論
①ABFR對溫度的適應(yīng)性較好，歷經(jīng)溫度從（31±1）℃梯度降低至（28±1）、（25±1）和（22±1）℃后反應(yīng)器仍能恢復(fù)其高效穩(wěn)定的脫氮性能。在HRT為1.5h、NLR為1.62kg/（m3·d）條件下，所有溫度下ABFR對總氮的去除率均可達(dá)到86%以上，出水總氮和氨氮均可達(dá)到城市污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)，但是溫度越低反應(yīng)器的適應(yīng)期越長。
②溫度和位置對ABFR中生物膜SAA均有明顯影響，較高溫度時(shí)離進(jìn)水口近的位置其生物膜擁有更高的SAA，隨著溫度的降低，距離進(jìn)水口較遠(yuǎn)處的貢獻(xiàn)明顯提高。因此，隨著溫度的下降，ABFR主功能區(qū)對TN的去除貢獻(xiàn)降低，而距離進(jìn)水口較遠(yuǎn)區(qū)域的脫氮能力反而被激活。
③高生物量濃度是ABFR在較低溫度條件下應(yīng)對SAA降低的關(guān)鍵，其中CandidatusBrocadia、CandidatusJettenia及SM1A02是ABFR中對溫度適應(yīng)性較強(qiáng)的厭氧氨氧化菌屬。（來源：中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院）
