环境科学  2015, Vol. 36 Issue (10): 3749-3755   PDF    
引用本文
李祥, 崔剑虹, 袁砚, 黄勇, 袁怡, 刘忻. 高氨氮对具有回流的PN-ANAMMOX串联工艺的脱氮影响[J]. 环境科学, 2015, 36(10): 3749-3755.
LI Xiang, CUI Jian-hong, YUAN Yan, HUANG Yong, YUAN Yi, LIU Xin. Effect of High Ammonium on Nitrogen Removal in an Partial Nitritation-ANAMMOX Process with Reflux System[J]. Environmental Science, 2015, 36(10): 3749-3755.
高氨氮对具有回流的PN-ANAMMOX串联工艺的脱氮影响
李祥1,2, 崔剑虹1,2, 袁砚1,2, 黄勇1,2, 袁怡1,2, 刘忻1,2    
1. 苏州科技学院环境科学与工程学院, 苏州 215011;
2. 苏州科技学院环境生物技术研究所, 苏州 215011
收稿日期: 2015-03-31; 修订日期: 2015-04-27.
基金项目： 国家自然科学基金项目(51008202);江苏省环境保护厅重大项目(201104);江苏省环境科学与工程重点专业项目;江苏省特色优势学科二期项目;江苏省企业研究生工作站合作项目
作者简介：李祥(1984~),男,硕士,实验师,主要研究方向为废水脱氮处理理论及工艺,E-mail:lixiang@mail.usts.edu.cn
摘要：采用具有气升回流的部分亚硝化-厌氧氨氧化串联工艺研究了进水氨氮浓度对其氮素转化特性和微生物群落的影响. 结果表明,在恒定氮容积负荷2.8 kg·(m3·d)-1的条件下,当进水氨氮浓度上升到700 mg·L-1时,好氧区和厌氧区的pH值波动很小,FA浓度分别维持在5 mg·L-1、10 mg·L-1左右,未对功能微生物产生抑制. 好氧区的亚硝酸盐生成速率稳定在1.5kg·(m3·d)-1,厌氧区的氮去除速率稳定在31.49kg·(m3·d)-1,联合工艺的总氮去除速率稳定在1.67 kg·(m3·d)-1. 当进水氨氮浓度上升到900 mg·L-1时,各区域FA和FNA浓度才出现上升,联合工艺的总氮去除速率稳定在1.52 kg·(m3·d)-1. 厌氧区出现亚硝酸盐的积累,厌氧氨氧化细菌的活性未出现明显的抑制现象. 说明在联合工艺运行过程中,回流可有效地缓解各区域pH值的大幅波动,同时稀释了高氨氮浓度所形成的FA对功能微生物的毒性作用.
关键词： 厌氧氨氧化     部分亚硝化     回流系统     脱氮效能     基质浓度    
Effect of High Ammonium on Nitrogen Removal in an Partial Nitritation-ANAMMOX Process with Reflux System
LI Xiang1,2, CUI Jian-hong1,2, YUAN Yan1,2, HUANG Yong1,2, YUAN Yi1,2, LIU Xin1,2    
1. School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215011, China;
2. Institute of Environmental Biotechnology, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215011, China
Abstract: The effect of influent ammonia on nitrogen transformation characteristics and microbial communities in partial nitrification-anaerobic ammonia oxidation (PN-ANAMMOX) process was studied by using a series of partial nitrification and ANAMMOX process with air-lift reflux device.The results showed that when the influent ammonia concentration was increased to 700 mg·L-1 and the nitrogen volume load was stabled at 2.8 kg·(m3·d)-1, the fluctuation of pH value was very small in aerobic and anaerobic zone.In the aerobic and anaerobic zone, FA concentrations were maintained at 5 mg·L-1, 10 mg·L-1, respectively, which did not inhibit the growth of microorganisms.Nitrite produce rate was stabled at 1.5 kg·(m3·d)-1 in the aerobic zone, and nitrogen removal rate was stabled at 31.49 kg·(m3·d)-1 in anaerobic zone, the total nitrogen removal rate was stabled at 1.67 kg·(m3·d)-1 in combined process.When the influent ammonia concentration was increased to 900 mg·L-1, the FA and FNA concentration were increased in each areas, total nitrogen removal rate was decreased and stabled at 1.52 kg·(m3·d)-1.The nitrite was accumulated in the anaerobic zone, and there was no significant inhibition of ANAMMOX bacteria.Our findings indicated that the reflux can effectively alleviate the fluctuation of pH in each area, and dilute FA concentration which is toxic to microorganisms.
Key words: ANAMMOX     partial nitritation     reflux system     nitrogen removal efficiency     substrate concentration    

随着厌氧氨氧化微生物筛选及富集培养控制参数研究的不断深入，厌氧氨氧化菌脱氮效能高的特性逐步被研究者所共识[1]. 基于厌氧氨氧化的部分亚硝化-厌氧氨氧化联合自养生物脱氮工艺也因脱氮效能高，无需有机物参与的优势而受到废水处理行业的青睐，正在逐步运用于不同行业的高氨氮低碳废水的处理中[2, 3, 4].

考虑到部分亚硝化和厌氧氨氧化的酸碱互补、 控制过程简便以及占地面积小的优势，很多研究者利用单一反应器仅通过限氧实现两个反应的耦合[5, 6]. 但是，在这种情况下低溶解氧限制着亚硝化菌的亚硝化效能，而过高溶解氧又会对厌氧氨氧化菌的脱氮效能产生抑制，制约着联合工艺的整体脱氮效能提高. 虽然串联工艺可有效地规避溶解氧的问题，但又体现不出单一反应器所具有的类似酸碱互补的一些优势. 但是很少有研究者考虑在串联工艺中设置回流，将厌氧区出水回流至好氧区，实现两个反应的酸碱互补.

同时，进水氨氮或者亚硝氮产生的游离物[游离氨(FA)和游离亚硝酸盐(FNA)]易对厌氧氨氧化菌和亚硝化菌活性产生抑制，从而影响功能微生物的氮素转化效能[7, 8, 9]. 然而，很多行业的高氨氮低碳废水中氨氮浓度达到上万mg ·L-1，即使利用物化法对其进行资源回收，废水中氨氮浓度仍很高. 主要是因为随着废水中氨氮浓度的降低，其回收成本不断上升. 考虑到经济效益，一般回收后废水中的氨氮浓度为500~1000 mg ·L-1[10, 11]. 因此，在运用联合工艺处理高氨氮工业废水时需要防止其形成的游离物对微生物的抑制. 回流是有效缓解基质浓度对微生物抑制的有效方法[12, 13]. 但是在部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺的运行过程中，有关回流是否可以缓解所有功能菌的抑制，还是需要重点监控哪个敏感功能菌的问题研究较少.

因此，本研究利用具有内回流的部分亚硝化和厌氧氨氧化串联反应器，通过进水基质浓度的改变，观察基质浓度变化对部分亚硝化和厌氧氨氧化反应过程氮素转化的影响，探究回流是否可有效缓解高基质浓度对联合工艺脱氮效能的影响及对微生物群落的影响.

1 材料与方法 1.1 实验装置及运行条件

实验装置由有机玻璃制成(如图 1)，总有效体积3.5 L，主要包括部分好氧区2.8 L，厌氧区0.23 L和沉淀区0.47 L. 在联合工艺的运行过程中，利用亚硝化过程的曝气尾气将沉淀区出水回流至部分好氧区. 进水运行方式为连续流，流量由蠕动泵控制. 气体流量由气体流量计控制. 联合工艺的温度控制在30℃，由气浴加热器控制. 亚硝化区的ORP控制在(140±20)mV(溶解氧约0.6 mg ·L-1)，厌氧氨氧化区的ORP检测值一般在(-300±50)mV，由WTW在线监测仪监控.

图 1 部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺流程示意 Fig. 1 Schematic of the partial nitritation-ANAMMOX process
1.2 接种污泥

好氧区接种的亚硝化生物膜来源于经过150 d驯化的亚硝化反应器，接种量1 L.厌氧区接种的厌氧氨氧化颗粒污泥来源于实验室长期运行的厌氧氨氧化种泥反应器，接种量0.3 L.

1.3 废水组成

采用人工配制废水，主要由NH4Cl (按需配制)，NaHCO3 1000 mg ·L-1，KH2PO4 27mg ·L-1，CaCl2 ·2H2O 136 mg ·L-1，MgSO4 ·7H2O 20mg ·L-1，微量元素Ⅰ 1 mL ·L-1和微量元素Ⅱ 1.25 mL ·L-1. 微量元素浓缩液组分为Ⅰ： EDTA 5000 mg ·L-1，FeSO4 5000mg ·L-1； 微量元素浓缩液Ⅱ组分为： EDTA 5000mg ·L-1，ZnSO4 ·7H2O 430mg ·L-1，CoCl2 ·6H2O 240mg ·L-1，MnCl2 ·4H2O 990mg ·L-1，CuSO4 ·5H2O 250mg ·L-1，NaMoO4 ·2H2O 220mg ·L-1，NiCl2 ·6H2O 190mg ·L-1，NaSeO4 ·10H2O 210mg ·L-1，H3BO4 14mg ·L-1.

1.4 测定方法

水质指标测定方法如下[14]： NH+4-N采用纳氏分光光度法(哈希2800，美国)； NO-2-N和NO-3-N采用离子色谱法(戴安IS-9001，美国)； pH、 ORP和温度采用WTW在线监测仪(德国).

1.5 荧光原位杂交 (FISH)分析

依照Isaka等[15]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[16]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4 h. 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. 最后利用对其进行镜检.

1.6 实验方法

首先通过配置人工模拟废水对部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺的脱氮效能进行恢复. 确定启动成功并达到稳定脱氮效能后，在恒定氮容积负荷的条件下，通过延长水力停留时间，增加进水氨氮浓度的方式，研究进水氨氮浓度变化对联合工艺脱氮效能及微生物群落的影响.

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 the corresponding hybridization and washing conditions

因联合工艺具有回流特征，所涉及到的亚硝化菌和厌氧氨氧化菌的氮素转化效能计算公式如下：

式中，ΔN 表示进出水总氮的差值，mg ·L-1； NH+4-Ninf表示进水NH+4-N浓度，mg ·L-1； NH+4-Neff、 NO-2-Neff、 NO-3-Neff表示出水NH+4-N、 NO-2-N和NO-3-N浓度，mg ·L-1； HRTa、 HRTana和HRTT表示好氧区、 厌氧区和联合工艺总的HRT，d； NPRa表示好氧区NO-2-N生成速率，kg ·(m3 ·d)-1； NRRana和NRRT表示厌氧区ANAMMOX脱氮速率和联合工艺整体的脱氮效能，kg ·(m3 ·d)-1.

2 结果与讨论 2.1 氨氮浓度变化对部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺的氮素转化影响

依据联合工艺前期的运行状况，在运行初期设定进水氨氮浓度147.5 mg ·L-1左右(图 2)，HRT设定为1.32 h，氮容积负荷为2.7kg ·(m3 ·d)-1左右. 经过76 d的运行，最终出水的氨氮、 亚硝氮和硝态氮浓度分别稳定在32.18、 2.5和17.16 mg ·L-1左右，联合工艺的整体氮去除速率大约1.63 kg ·(m3 ·d)-1. 从反应器运行的77 d开始，逐步提高进水氨氮浓度，同时为了恒定联合工艺氮容积负荷在2.8 kg ·(m3 ·d)-1左右，逐步延长HRT. 当联合工艺运行至108 d时，进水氨氮浓度逐步上升到750mg ·L-1左右，HTR延长至6.34 h. 虽然最终出水氨氮、 亚硝氮和硝氮浓度因进水浓度的升高而逐步升高，分别稳定在224.2、 11.02和60.68 mg ·L-1左右，但是联合工艺的整体氮去除速率基本没有发生变化，维持在1.67 kg ·(m3 ·d)-1左右. 联合工艺各区内未出现亚硝氮的积累，硝态氮浓度逐步增加，说明联合工艺的厌氧区厌氧氨氧化菌的活性未受到抑制，同时也说明此时好氧区的亚硝化效能一直制约着联合工艺的整体脱氮效能的提高.

当联合工艺运行至119 d时，进水氨氮浓度上升到900 mg ·L-1左右，HTR延长至7.53 h. 随着进水氨氮浓度的提高，出水含氮化合物的浓度也在逐渐上升. 当联合工艺运行至130 d时，出水氨氮、 亚硝氮和硝态氮浓度分别稳定在317.12、 31.82和80.45 mg ·L-1左右，联合工艺的氮去除速率大约1.52 kg ·(m3 ·d)-1. 联合工艺的脱氮效能出现略微下滑，下降幅度为9%. 同时，最终出水的亚硝酸盐出现积累，最高达到106 mg ·L-1，说明厌氧区部分厌氧氨氧化菌活性开始受到抑制. Daverey等[21]运用部分亚硝化-厌氧氨氧化联合的CANON反应器处理光电半导体废水，为了缓解高氨氮的抑制，将HRT延长至4 d，pH下降到7.6以内，经过500 d的运行，其氮去除速率[最高0.9 kg ·(m3 ·d)-1]也很难升高. Qiao等[22]运用无回流的部分亚硝化-厌氧氨氧化串联装置处理高氨氮垃圾渗滤液时，虽然好氧区获得2.1 kg ·(m3 ·d)-1的亚硝酸盐转化速率，但是厌氧区氮去除速率很难提升，只有3.1 kg ·(m3 ·d)-1，导致联合工艺的整体脱氮效能很低. 而在具有回流的部分亚硝化-厌氧氨氧化反应内当氨氮浓度达到900 mg ·L-1时也未出现严重的抑制现象，说明回流装置具有缓解进水高氨氮对微生物的影响的功能，特别是对厌氧区的厌氧氨氧化菌影响.

图 2 联合工艺氮素变化及脱氮效能的影响 Fig. 2 Change of nitrogen concentrations and nitrogen removal efficiency in PN-ANAMMOX process
2.2 联合工艺运行过程中，回流对pH稳定性的影响

部分亚硝化-厌氧氨氧化的联合工艺的亚硝化过程是一个产生H+的过程，氧化1 mol的氨氮大约会产生2 mol的H+； 而厌氧氨氧化过程是一个消耗H+的过程，氧化1 mol的氨氮需要消耗掉0.13 mol的H+. 在无足够缓冲物质的条件下，各个反应的pH值会发生巨大变化. 即使在进水氨氮浓度不变的情况下，pH值变化会使得FA、 FNA浓度发生百倍乃至上千倍的变化[23]. 因此，在运用联合工艺处理高氨氮废水的过程中，避免两个反应过程pH值的波动尤为重要[24]. 若将两个反应产生的酸碱度混合可有效缓解各个区域pH值的波动，同时减少缓冲物质的投加量. 在本研究的亚硝化-厌氧氨氧化串联装置中，将厌氧区出水pH值回流至好氧区，同样实现了单一反应器内两个反应的酸碱互补. 由图 3可知，亚硝化区的pH值随着单位体积内氨氮浓度转化量的增加而逐渐降低，而厌氧区的pH值基本随着好氧区的pH值变化而变化，差异很小(基本在0.5以内). 说明在串联装置中增加回流可以有效缓解各个反应区域pH值的大幅波动. 因此，仅通过进水pH值调控就可将联合工艺各区域的pH控制在适宜的范围之内.

图 3 好氧区和厌氧区pH值变化 Fig. 3 Change of pH values in the aerobic zone the anaerobic zone
2.3 氨氮浓度变化对联合工艺各区域氮素转化效能的影响

基质浓度对部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺的影响主要是其所形成的FA、 FNA浓度对部分亚硝化菌和厌氧氨氧化菌活性的影响. 有效避免高FA、 FNA浓度对功能微生物的毒性作用是联合工艺处理高氨废水需要解决的问题. 因此，将各个功能区域的氮素转化效能及FA、 FNA浓度进行对比分析，如图 4所示. 在联合工艺运行的前76 d中，进水FA浓度维持在18 mg ·L-1左右，好氧区的FA和FNA浓度基本在5 mg ·L-1和0.4 μg ·L-1以内[图 4 (b)]，亚硝酸盐生成速率基本维持在1.2~2.0 kg ·(m3 ·d)-1之间[图 4 (a)]. 厌氧区的FA和FNA浓度基本10mg ·L-1和0.1 μg ·L-1以内. 厌氧区的厌氧氨氧化氮去除速率出现一些波动，最高达到43.02 kg ·(m3 ·d)-1，基本维持在31.49kg ·(m3 ·d)-1左右. 随着进水氨氮浓度的提高，联合工艺各区域的FA和FNA浓度有明显的提高. 当进水氨氮浓度达到700 mg ·L-1时，进水FA浓度达到80 mg ·L-1，因pH的波动，最高达到120 mg ·L-1. 而好氧区的FA浓度仍维持在5 mg ·L-1，未受进水FA浓度的影响. FNA浓度略有上升，最高上升到9.3μg ·L-1，亚硝酸盐生成速率未出现明显的上升，基本维持在1.3~1.7kg ·(m3 ·d)-1之间. 厌氧区的FA浓度有明显的提高，逐步上升并稳定到13mg ·L-1，而FNA浓度没有明显的提高. 说明在具有回流的联合工艺中，即使进水FA浓度增大到120 mg ·L-1，各功能区域的FA都处于较低水平，微生物活性未受到任何影响.

当进水氨氮浓度达到902 mg ·L-1时，联合工艺各区域的FA和FNA浓度出现快速的上升. 好氧区的FA浓度最高上升到33mg ·L-1，而FNA浓度基本维持在4μg ·L-1左右，亚硝酸盐产生速率未出现明显的上升，基本维持在1.5 kg ·(m3 ·d)-1. 厌氧区的FA浓度维持在10~28 mg ·L-1之间，最高上升到36mg ·L-1，而FNA浓度下降到1 μg ·L-1左右，厌氧氨氧化菌的氮去除速率出现了小幅，最终稳定在24.5 kg ·(m3 ·d)-1. Qiao等[25]发现在单一亚硝化系统中即使FA达到80 mg ·L-1时也未对亚硝化菌活性产生抑制. Fernández等[26]在研究FA对厌氧氨氧化活性影响时发现，当环境中FA浓度突然达到38 mg ·L-1时，厌氧氨氧化菌活性被抑制50％. 说明当进水氨氮浓度达到900 mg ·L-1时联合工艺厌氧区所产生的抑制是因为高浓度FA所致，也进一步说明好氧区的亚硝化菌对FA毒性的耐受限明显高于厌氧氨氧化菌. 因此，在联合工艺的运行过程中首先要考虑高氨氮对厌氧氨氧化菌的抑制.

图 4 联合工艺各区域氮素转化效能及FA、 FNA的变化 Fig. 4 Change of FA,FNA and nitrogen transformation efficiency in PN-ANAMMOX process

图 5 好氧区亚硝化菌和厌氧区厌氧氨氧化菌FISH分析 Fig. 5 FISH analyses of nitrification bacteria in the aerobic zone biofilm and ANAMMOX bacteria in the anaerobic zone granular sludge
绿色为全菌不含目标菌，黄色为目标菌种
2.4 联合工艺各区域微生物群落的变化

将经过76 d和130 d运行后的好氧区生物膜和厌氧区厌氧氨氧化污泥进行FISH分析，如图 5所示. 经过76 d运行后，好氧区的亚硝化生物膜中微生物基本以亚硝化菌为主[图 5 (a)]，而厌氧区的厌氧氨氧化污泥中微生物基本以厌氧氨氧化菌为主[图 5 (c)]，说明在部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺的各个区域相应的功能微生物获得高效的富集. 在高基质浓度下经过约60 d运行后，联合工艺的各区域的微生物仍以相应功能菌为主[图 5 (b)]，好氧区的微生物基本没有什么变化. 虽然厌氧区的厌氧氨氧化菌脱氮效能出现小部分下降，但是厌氧区的厌氧氨氧化菌相对数量未出现明显的下降[图 5 (d)]. 进一步说明回流稀释了进水氨氮浓度，同时缓解了pH的波动，有效缓解厌氧区的FA对厌氧氨氧化菌的影响.

3 结论

(1)具有回流的部分亚硝化-厌氧氨氧化串联工艺能够耐受较高的含氨废水，在恒定氮容积负荷2.8 kg ·(m3 ·d)-1的条件下，当进水氨氮浓度上升到700 mg ·L-1时，好氧区和厌氧区的pH值波动很小，FA浓度分别维持在5 mg ·L-1、 10 mg ·L-1左右，未对功能微生物产生抑制. 联合工艺的总氮去除速率稳定在1.67 kg ·(m3 ·d)-1.

(2)当进水氨氮浓度上升到900 mg ·L-1时，各区域FA和FNA浓度才出现上升，联合工艺的总氮去除速率稳定在1.52 kg ·(m3 ·d)-1. 厌氧区出现亚硝酸盐的积累，厌氧氨氧化细菌的活性未出现严重的抑制现象. 联合工艺处理高氨氮废水时首先注意FA对厌氧氨氧化菌活性的影响.

(3)在具有回流的部分亚硝化-厌氧氨氧化串联工艺中，回流可有效缓解各区域的pH值波动，从而也进一步缓解FA、 FNA浓度的波动.

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