近年来，随着电子行业的迅速发展，线路板的需求量非常旺盛，而印刷线路板(printed circuit board，PCB) 所产生的废水量也在逐年增加. PCB废液是一种含有大量氨盐和重金属的无机废水^[1,2]. 即使通过蒸氨等物化手段进行氨水回收，其出水NH₄⁺-N浓度也要达到500mg ·L^-1左右. 运用传统的硝化反硝化工艺处理时硝化过程曝气需要大量的动力消耗，同时需要投加甲醇作为反硝化碳源，处理成本高，处理难度大.

部分亚硝化-厌氧氨氧化作为一种新型的组合生物脱氮工艺，具有无需有机物参与，避免脱氮过程产生的二次污染，耗氧量少和耐高盐度的特点而受到广泛关注^{[3, 4, 5]}. 目前，部分亚硝化厌氧氨氧化联合工艺已经成功地运用到垃圾渗滤液^[6,7]、 味精废水^[8]、 化工废水^[9]等行业高氨废水的处理.

然而，好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌存在溶解氧、 pH等生理特性方面差异^[10]，导致联合运行过程中存在控制难度. 为此本课题组设计了一种新型的亚硝化-厌氧氨氧化一体化装置，实现亚硝化与厌氧氨氧化菌在单一反应器分区培养. 该装置后置亚硝化工艺，利用亚硝化曝气尾气将亚硝化液气升回流至厌氧区，并成功实现了含氨废水的自养生物脱氮处理，脱氮速率最终稳定在1.46 kg ·(m³ ·d)^{-1 [11].}

为此，本文将采用此一体化反应器进行碱性PCB废液处理，研究一体化反应器处理碱性PCB废水的可行性及处理过程中反应器的运行特性，旨在为电子行业含氨的碱性PCB废水脱氮处理提供一个新的工艺与装备. 1 材料与方法 1.1 装置与运行条件

亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器由下部直径100 mm和上部直径140 mm的圆柱形有机玻璃制成，总高度920 mm，总有效体积12 L(图 1). 其中下部厌氧区5.25 L(由污泥流化区3.67 L，厌氧生物膜区1.58 L组成)，上部好氧生物膜区4.43 L，污泥沉淀区2.32 L. 好氧区溶解氧维持在0.5~1 mg ·L^-1之间，由气体转子流量计控制进入的空气流量实现. 好氧区曝气后的尾气由三相分离器收集后通过导气管引入气升室，使得好氧区的亚硝化液气升入气升室. 亚硝化液在气升室内通过回流管回流至反应器底部的污泥流化区，以满足厌氧氨氧化菌对NO₂^--N的需求. 进水运行方式为连续流，流量由蠕动泵控制. 整个反应器的温度控制在30℃±2℃，由气浴加热控制调节.

图 1

Fig. 1

图 1 部分亚硝化厌氧氨氧化一体化反应器 Fig. 1 Schematic diagram of partial nitrification and ANAMMOX integrative reactor

好氧区接种成熟的亚硝化生物膜，该生物膜最初来源于经过150 d左右驯化的亚硝化生物膜反应器^[12]，接种量1.5 L. 流化区接种成熟的厌氧氨氧化污泥取自实验室长期运行的厌氧氨氧化种泥反应器^[13]，接种量1 L. 利用人工模拟废水经过104 d的运行后，一体化反应器成功实现部分亚硝化-厌氧氨氧化联合脱氮，脱氮速率从0.25 kg ·(m³ ·d)^-1上升到1.46 kg ·(m³ ·d)^-1.

预处理时，根据前期重金属离子对厌氧氨氧化污泥活性影响的研究^[14]，通过投加固体硫化钠形成重金属硫化物，将废水中的Cu²⁺浓度控制在1mg ·L^-1以内.

人工模拟废水NH₄⁺-N由NH₄Cl提供，同时添加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. 微量元素浓缩液Ⅰ组分为：EDTA 5 000 mg ·L^-1，FeSO₄ 5 000 mg ·L^-1； 微量元素浓缩液Ⅱ组分为：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.

碱性PCB废液完全由预处理后的碱性PCB废液提供，通过稀释后达到所需浓度，同时添加NaHCO₃ 1g ·L^-1，KHCO₃ 1g ·L^-1作为碱度和无机碳源，并添加1/100生活污水补充微量元素.

水质指标的测定方法均按照文献^[15]. NH₄⁺-N采用纳氏分光光度法； NO₂^--N采用N-(1萘基)-乙二胺分光光度法； NO₃^--N采用离子色谱法； DO采用梅特勒荧光法在线监测仪； ORP/pH采用凯美泰克在线监测仪； FISH采用荧光显微镜(NI-U,nikon,日本).

依照Isaka等^[16]的FISH步骤对好氧区生物膜和厌氧区污泥进行固定. 首先将取出的生物样品放置在新鲜的4% 多聚甲醛溶液中固定，放置在4℃的冰箱中过夜. 然后将取出的样品用磷酸缓冲液进行冲洗，接着放置相同体积的乙醇+PBS(1 ∶1，质量比)溶液中. 再分别利用不同浓度梯度(20%、 40%、 60%、 80%和100%)的乙醇对保藏样品进行脱水，最后将样品放置在-20℃冰箱中保藏.

杂交过程中运用到Amx368，NSO190和EUB(338、 338-Ⅱ和338-Ⅲ)这3种探针. 所有的杂交条件、 冲洗条件和荧光标记均列在表 1中. 所有样品杂交程序依照Manz等^[17]介绍的实验步骤进行. 将所有样品加上杂交液和探针(浓度5 ng ·mL^-1)并将其放置在杂交仪(ThermoBrite，USA)中进行杂交，杂交温度46℃，杂交时间4h. 杂交后分别利用4倍的冲洗液(含有20 mmol ·L^-1Tris 缓冲液,0.01% SDS，NaCl 浓度见表 1)和无菌水对其进行冲洗，然后在室温下晾干. 最后对其进行镜检.

表 1(Table 1)

表 1 FISH过程杂交探针、 杂交液及清洗液浓度 Table 1 Probes used for the FISH and corresponding hybridization and washing conditions 探针 基因序列(5′-3′) 杂交生物 染料 浓度 文献 甲酰胺/% NaCl/mol·L-1 EUB338 GCTGCCTCCCGTAGGAGT 大部分微生物 EUB338-Ⅱ GCAGCCACCCGTAGGTGT 含EUB 338未包含微生物 FITC 40 50 [18, 19] EUB338-Ⅲ GCTGCCACCCGTAGGTGT 含EUB 338未包含微生物 NSO190 CGATCCCcTGCTTTTCTCC 亚硝化菌 Cy3 55 20 [20] AMX368 CCTTTCGGGCATTGCGAA ANAMMOX菌 AMCA 15 338 [21]

表 1 FISH过程杂交探针、 杂交液及清洗液浓度 Table 1 Probes used for the FISH and corresponding hybridization and washing conditions

在反应器运行的前6 d 以人工模拟废水进入反应器(图 2)，进水NH₄⁺-N浓度控制在300mg ·L^-1左右，HRT控制在3.6 h，氮容积负荷达到1.99 kg ·(m³ ·d)^-1. 反应器内部分亚硝化与厌氧氨氧化反应实现了很好的联合，出水NH₄⁺-N、 NO₂^--N和NO₃^--N浓度分别稳定在50、 14.5和14 mg ·L^-1左右，脱氮速率最高达到1.49 kg ·(m³ ·d)^-1.

图 2

Fig. 2

图 2 一体化反应器氮素及脱氮效能变化 Fig. 2 Changes of nitrogen concentration and removal efficiency in integrated reactor

在反应器运行的第8 d，废水中的NH₄⁺-N完全由碱性PCB废液中的NH₄⁺-N提供，浓度控制在210~220 mg ·L^-1之间. 运行初期，出水NH₄⁺-N和NO₂^--N浓度分别为41 mg ·L^-1和10.2 mg ·L^-1，基本与模拟废水运行时的出水浓度相同，而NO₃^--N浓度下降至7.4 mg ·L^-1，对应脱氮速率为1.02 kg ·(m³ ·d)^-1. 前期的研究表明^[14]进水中适当提高Cu²⁺浓度能够刺激微生物活性，而本反应器内却出现脱氮效能的下降，分析其原因可能是PCB废水具有较高盐度，即使稀释也明显高于模拟废水. Ma等^[22]研究表明短暂的盐度冲击容易使得厌氧氨氧化污泥脱氮效能降低. 因此，出现氮素转化效能下降的现象可能是盐度波动，导致微生物不能及时适应环境所致.

随着反应器的持续运行，氮素在不同区域内的转换能力逐步增强. 当反应器运行至80 d时，出水NH₄⁺-N和NO₂^--N浓度分别降低并稳定在4.0 mg ·L^-1和9.8 mg ·L^-1左右，出水NO₃^--N浓度随着厌氧氨氧化脱氮效能的增加逐渐升高并稳定在24.1 mg ·L^-1，同时出水水质满足行业废水总氮小于50 mg ·L^-1的接管排放标准. 一体化反应器总氮去除速率最高达到1.29 kg ·(m³ ·d)^-1，说明部分亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器完全能够实现含氨碱性PCB废液的自养生物脱氮.

部分亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器各区域环境因子的控制是相应氮素转化微生物高效富集培养的前提. 在模拟废水与碱性PCB废水切换过程中各区域参数及氮素转化效能如图 3所示. 在反应器运行的前6 d，好氧区ORP维持在85 mV左右，温度维持在27℃，pH维持在8.38左右[图 3(a)]. 碱性PCB废液替代模拟废水进入后，反应器内的温度仍处于27℃左右，但是pH值出现小幅下降，维持在7.8~8.0之间. 同时在不改变进气量的条件下，亚硝化区的ORP值随着亚硝化能力下降而上升，处于100~110 mV之间波动. 随着厌氧氨氧化菌对NO₂^--N需求的增加，在反应器运行的36 d，进气量由200 L ·h^-1增加到250 L ·h^-1时，反应器ORP值进一步升高并稳定在130 mV左右. Hellinga^[23]研究表明当温度达到25℃以上时，
AOB增长速率大于NOB，有利于AOB的富集. 邓嫔等^[24]研究表明ORP值控制在60~75 mV时能够实现亚硝化反应器的稳定运行. 因此好氧区的环境基本满足亚硝化菌生长的需求. 可能是因为进水中有充足的HCO₃^-，厌氧区pH值在不同模拟废水进入后的变化并不大，基本维持在7.7~8.3之间[图 3(b)]. 厌氧区的温度也基本维持在28~33℃之间. 厌氧区ORP在更换模拟废水前后一直保持在-457~-520 mV之间，未发生明显变化. 随进气量提升，虽然气升室亚硝化液回流量明显增加，但是ORP值稳定在-380~-440 mV之间，厌氧区基本处于厌氧状态. 说明厌氧区的环境基本满足厌氧氨氧化的生长环境^[10].

为了考察一体化反应器内好氧区NO₂^--N产生速率与厌氧区厌氧氨氧化脱氮速率的变化.根据好氧区和厌氧区参数的变化，对一体化反应器内的区域反应作如下假设：① 好氧区存在溶解氧，所以仅发生亚硝化反应； ②厌氧区ORP一直处于负值，属于厌氧环境，所以只存在厌氧氨氧化反应； ③ 忽略好氧区生物膜内部可能发生的微量厌氧氨氧化反应； ④忽略厌氧区因微生物死亡及进水携带有机物可能存在的反硝化反应. 根据上述假设计算得到一体化反应器内各区域氮负荷和微生物的氮转化效能. 经过80 d的运行，好氧区NO₂^--N产生速率稳定在2.05 kg ·(m³ ·d)^-1，对应氮负荷约4.2 kg ·(m³ ·d)^-1 [图 3(a)]； 厌氧区的脱氮速率稳定在2.91 kg ·(m³ ·d)^-1，对应的氮负荷维持在3.4 kg ·(m³ ·d)^-1 [图 3(b)]. 说明该类型部分亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器各功能区域微生物适应碱性PCB废水的环境.

图 3

Fig. 3

图 3 好氧区亚硝化和厌氧区厌氧氨氧化效能变化 Fig. 3 Changes of nitrification in aerobic zone and ANAMMOX efficiency in anaerobic zone

将经过80 d运行后的一体化反应器好氧区生物膜和厌氧区的污泥分别进行FISH分析，如图 4所示. 分别利用全菌探针(EUB338、 EUB 338-Ⅱ和EUB338-Ⅲ)和AOB探针(NSO190)对好氧区生物膜进行标记； 利用全菌探针(EUB338、 EUB 338-Ⅱ和EUB338-Ⅲ)和ANAMMOX菌探针(AMX368)对厌氧区颗粒污泥进行标记. 全菌探针采用FITC 染料，荧光激发后为绿色. 而AOB探针和ANAMMOX菌探针分别采用Cy3和AMCA探针，荧光激发后为红色. 亚硝化生物膜污泥中绿色占极少部分[图 4(a)]，大部分区域为黄色(绿色与红色复合后的颜色)，说明好氧区的亚硝化生物膜中微生物基本以AOB群为主. 好氧区含有少量的其它菌种，可能是厌氧区一些絮状厌氧氨氧化污泥上浮所致.

厌氧区的FISH结果大部分区域显示为黄色[图 4(b)]，绿色占极少部分，说明厌氧区的微生物基本以ANAMMOX菌群为主，同时亚硝化区回流携带的微生物未对厌氧区ANAMMOX菌富集培养产生影响. 从FISH分析进一步说明一体化反应器好氧区和厌氧区的环境十分适宜相应功能的AOB和ANAMMOX菌生长.

图 4

Fig. 4

图 4 好氧区生物膜和厌氧区颗粒污泥生物群落分布 Fig. 4 Distribution of biological community in aerobic zone of biofilm and in anaerobic zone of granular sludge

目前，应用于实际含氨废水处理的部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺的组合形式有两种，一种是两步式，即将亚硝化反应与厌氧氨氧化反应分别放置在两个反应器中，通过串联实现其工艺的联合； 另一种是一步式，即将亚硝化反应与厌氧氨氧化反应放置在单一反应器内，通过限氧等控制参数的调控实现其协同脱氮. Takaaki等^[25]采用SBR+UASB反应器串联成功实现部分亚硝化-厌氧氨氧化反应的联合，并将其运用于电子行业半导体废水处理，经过长期运行后，亚硝化反应器亚硝酸盐转化速率最高达到0.48 kg ·(m³ ·d)^-1，厌氧氨氧化反应器脱氮速率最高达到3.29 kg ·(m³ ·d)^-1. 但是其在运行过程中需要添加大量酸碱用于调节各个单元的pH值，控制过程复杂，控制难度增加. Lackner等^[26]对运用到工业化的众多部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺调查后发现由于pH值波动导致脱氮效能恶化概率达到30%. 同时亚硝化区因硝化细菌生长导致亚硝化很难长期稳定运行.

Daverey等^[27]采用SBR一步式反应器通过限制溶解氧成功实现部分亚硝化-厌氧氨氧化反应的联合，并将其运用于电子行业废水处理，经过近500 d的运行，反应器脱氮速率达到0.82 kg ·(m³ ·d)^-1. 在运行过程中发现虽然控制溶解氧会成功实现部分亚硝化反应，但是亚硝化率过低限制着整体工艺的脱氮效能，而过高的溶解氧又会对厌氧氨氧化菌产生抑制. Gilbert等^[28]在研究过程中也发现过低的亚硝化效能是限制一步式反应器脱氮效能的主要问题. 因此在一步式反应器内存在厌氧氨氧化菌和亚硝化菌对溶解氧需求的矛盾，易导致两个反应受到相互牵制，很难充分发挥各自微生物的功能.

本实验采用的亚硝化-厌氧氨氧化一体化装置是一种介于一步式工艺和两步式工艺之间的反应器. 该反应器将好氧区与厌氧区置于同一个反应器的不同区域，既避免亚硝化区曝气过程的剩余溶解氧对厌氧氨氧化菌的影响，同时又通过气升装置实现了亚硝化反应与厌氧氨氧化反应的串联. 利用启动成功的一体化反应器处理碱性PCB废水，经过80 d的运行，脱氮速率达到1.29 kg ·(m³ ·d)^-1. 表明该反应器完全能够运用于PCB废水的处理. 同时该工艺在运行过程中仅需要鼓风机和运行泵，无需其他设备和动力消耗，极大地降低废水处理成本. 3 结论

(1) 利用启动成功的亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器处理碱性PCB废水，经过80d运行，好氧区NO₂^--N产生速率最高为2.05 kg ·(m³ ·d)^-1，厌氧区厌氧氨氧化菌最高脱氮速率为2.91 kg ·(m³ ·d)^-1，一体化反应器脱氮速率由启动初期的1.02 kg ·(m³ ·d)^-1上升到1.29 kg ·(m³ ·d)^-1，出水总氮小于50mg ·L^-1，满足该行业废水的接管排放要求.

(2)利用FISH对好氧区生物膜和厌氧区污泥分析进一步表明好氧区微生物以亚硝化菌为主，厌氧区微生物以厌氧氨氧化菌为主，各功能菌在相应区域得到稳定地增长.