环境科学  2015, Vol. 36 Issue (11): 4189-4194   PDF    
引用本文
李祥, 陈宗姮, 黄勇, 袁怡, 刘忻, 张大林. HCO3-对部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺脱氮效能的影响[J]. 环境科学, 2015, 36(11): 4189-4194.
LI Xiang, CHENG Zong-heng, HUANG Yong, YUAN Yi, LIU Xin, ZHANG Da-lin. Effect of HCO3- on Nitrogen Removal Efficiency in Partial Nitritation-ANAMMOX Process[J]. Environmental Science, 2015, 36(11): 4189-4194.
HCO3-对部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺脱氮效能的影响
李祥1,2, 陈宗姮1,2, 黄勇1,2, 袁怡1,2, 刘忻1,2, 张大林1,2    
1. 苏州科技学院环境科学与工程学院, 苏州 215009;
2. 苏州科技学院环境生物技术研究所, 苏州 215009
收稿日期: 2015-03-10; 修订日期: 2015-06-25.
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项; 江苏省特色优势学科二期项目
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：利用已经启动并达到稳定运行的部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺,研究了HCO3-对部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺脱氮效能的影响. 结果表明,当C/N比由2降低到0.17时,因HCO3-投加量的限制,亚硝化区和厌氧氨氧化区pH值大幅下降,从而导致各区域氮素转化效能受限. 联合工艺的氮去除速率由1.3 kg ·(m3 ·d)-1下降到0.40kg ·(m3 ·d)-1,下降幅度达到69.3%. 在联合脱氮工艺运行过程中,降低HCO3-对亚硝化菌、 厌氧氨氧化菌和硝化细菌活性的影响依次下降. 当C/N比恢复到1时,联合工艺的脱氮效能很快恢复到1 kg ·(m3 ·d)-1,说明短期内HCO3-限制对联合工艺氮素转化效能的影响能够快速恢复. 通过拟合后发现,进水C/N比值与联合工艺脱氮效能存在明显的相关性.
关键词： 厌氧氨氧化     部分亚硝化     HCO3-     脱氮效能     缓冲能力    
Effect of HCO3- on Nitrogen Removal Efficiency in Partial Nitritation-ANAMMOX Process
LI Xiang1,2, CHENG Zong-heng1,2, HUANG Yong1,2, YUAN Yi1,2, LIU Xin1,2, ZHANG Da-lin1,2    
1. School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China;
2. Institute of Environmental Biotechnology, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China
Abstract: The effect of HCO3- on nitrogen removal efficiency in partial nitritation-ANAMMOX process was studied by using the combined process of partial nitritation and ANAMMOX has been started and achieved the stable operation of nitrogen removal. The results showed that, when the ratio of C/N decreased from 2 to 0.17 in influent, the nitrogen removal rate decreased from 1.3 kg ·(m3 ·d)-1 to 0.40 kg ·(m3 ·d)-1, the decrease range arrived at 69.3%. The nitrogen conversion efficiency was limited, because of the added amount of HCO3- was decreased, which leading to the pH value declined sharply in nitritation and ANAMMOX zone. In the partial nitritation-ANAMMOX process, the effect of HCO3- limitation on activity of ammonium oxidizing bacteria, ANAMMOX bacteria and nitrifying bacteria was decreased in turn. When the C/N ratio increased to 1, the nitrogen removal rate of combined process was quickly restored to 1 kg ·(m3 ·d)-1. It indicated that short HCO3-limitation on nitrogen conversion efficiency of the combined process can be fast recovery. The resulted also showed that the relationship between influent C/N ratio and nitrogen removal efficiency has obvious relativity in partial nitritation-ANAMMOX process.
Key words: ANAMMOX     partial nitritation     HCO3-     nitrogen removal efficiency     buffer ability    

厌氧氨氧化作为一种新型生物脱氮工艺，因具有脱氮效能高，污泥产量低，无需有机物参与的优点而受到研究者的广泛关注[1,2]. 然而厌氧氨氧化过程需要亚硝酸盐作为电子受体，因此必须与亚硝化反应联合才能实现废水中氨氮的去除[3]，如计量方程式(1)所示. 为了更好地实现联合工艺高效脱氮，研究者围绕亚硝化菌、 厌氧氨氧化菌对DO环境需求以及反应过程pH变化差异等问题进行了大量研究[4, 5, 6].

在亚硝化系统中，HCO3-既是维持生化反应所需pH值的主要承担者，同时也是亚硝化菌所需碳源的供应者. 亚硝化菌对HCO3-的需求量较大，过低的HCO3-将严重影响亚硝化过程的亚硝酸盐生成速率[7,8]. 同时，厌氧氨氧化过程也是一个pH增大的过程，大量研究表明HCO3-浓度的变化对厌氧氨氧化菌脱氮效能的影响十分明显[9,10]. Hu等[11]在部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺脱氮效能的提升过程中发现，无机碳(IC)浓度的增加对联合工艺氮去除速率提高具有显著影响，但是未对其进行定量说明. 因此，利用该类型联合工艺处理低C/N废水，尤其是几乎不含碳源废水(例如，碱性蚀刻液[12]、 半导体废水[13])时，HCO3-对联合工艺的脱氮效能的影响以及是否存在调控规律尚需深入分析. 在控制过程中，HCO3-对哪个阶段的影响是主要关注对象？这些问题都是联合工艺应用于低碳氮比废水处理过程中需要解决的问题.

为此，本文利用成熟的亚硝化生物膜和厌氧氨氧化化污泥，在无机环境下，研究HCO3-对部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺氮素转化效能的影响，以期为其工程化应用提供数据参考.

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，主要包括部分亚硝化区2.8 L，厌氧氨氧化区0.23 L和沉淀区0.47 L. 在联合工艺的运行过程中，利用部分亚硝化区的曝气尾将沉淀区出水回流至部分亚硝化区. 进水运行方式为连续流，流量由蠕动泵控制. 联合工艺的水力停留时间设定为0.04 d. 气体流量由气体流量计控制. 联合工艺的温度控制在25℃，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，整个实验期间不排泥.

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

亚硝化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污泥取自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(按需配制)，KH2PO4 27 mg ·L-1，CaCl2 ·2H2O 136 mg ·L-1，MgSO4 ·7H2O 20 mg ·L-1，微量元素Ⅰ1mL ·L-1和微量元素Ⅱ1.25mL ·L-1. 微量元素浓缩液组分为Ⅰ: 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.

1.4 测定方法

水质指标测定方法均按照文献[14]. NH4+-N采用纳氏分光光度法(哈希2800，美国)； NO2--N和NO3--N采用离子色谱法(戴安IS-9001，美国)； pH、 ORP和温度采样WTW在线监测仪(德国). IC采用总有机碳气体分析仪(Multi N/C3100，德国)

1.5 实验方法

首先，接种入成熟的亚硝化生物膜和厌氧氨氧化污泥，利用人工模拟废水启动装置. 在研究HCO3-对联合工艺氮素转化影响之前，装置已经过150d左右的运行，氮去除速率由最初0.69 kg ·(m3 ·d)-1上升到1.3kg ·(m3 ·d)-1，并达到稳定(数据略). 待反应器稳定运行后(此处标记为本实验的第1 d)，调节进水HCO3-浓度或者氨氮浓度的方式改变C/N的比值(调节氨氮浓度主要防止反应器内氨氮积累，避免FA对功能菌产生影响)，通过氨氮，亚硝氮，硝氮及IC浓度(因HCO3-在水中随着pH值变化会以不同形态存在，在pH值6.5~9之间主要以HCO3-形式存在，因此在研究过程中以IC浓度表征)的变化，探讨HCO3-浓度变化对反应器内不同功能菌的影响及联合工艺脱氮效能的影响.

因联合工艺具有回流特征，所涉及到的亚硝化菌、 厌氧氨氧化菌和硝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； NH4+-Ninf表示最初进水NH4+-N浓度，mg ·L-1； NH4+-Neff、 NO2--Neff、 NO3--Neff表示最终出水NH4+-N、 NO2--N和NO3--N浓度，mg ·L-1； HRT表示联合工艺的水力停留时间，d； NPR-NO2-表示NO2--N生成速率，kg ·(m3 ·d)-1； NPR-NO3-表示NO3--N生成速率，kg ·(m3 ·d)-1； NRR表示联合工艺的脱氮速率，kg ·(m3 ·d)-1. 2 结果与讨论 2.1 HCO3-变化对联合工艺脱氮效能的影响

根据联合工艺前期稳定运行的参数，设定进水氨氮浓度125 mg ·L-1，同时设定进水IC浓度为250 mg ·L-1(C/N比值为2)，出水氮素变化如图 2所示. 最终出水氨氮浓度稳定在50 mg ·L-1，亚硝酸盐及硝酸盐浓度稳定在12.5 mg ·L-1和6.8 mg ·L-1，联合工艺的氮去除速率稳定在1.3kg ·(m3 ·d)-1. 说明此时HCO3-充足，联合工艺各区域氮素转化效能未受影响. 随后通过降低进水HCO3-的方式逐步降低进水C/N比值，经过96 d的运行，进水C/N比值下降至0.17，对应的进水氨氮浓度120 mg ·L-1，进水IC浓度降低到26.55 mg ·L-1，此时联合工艺的出水氨氮浓度上升至80 mg ·L-1，亚硝酸盐及硝酸盐浓度稳定在11 mg ·L-1和12.3 mg ·L-1左右，联合工艺的氮去除速率下降至0.4kg ·(m3 ·d)-1左右，下降幅度达到69.3%. 说明HCO3-浓度的下降限制着联合工艺的氮素转化效能. 但是在HCO3-浓度不断下降的过程中，出水硝酸盐的浓度未因厌氧氨氧化脱氮效能下降而降低，反而出现积累现象. Guisasola 等[15]在研究IC浓度对亚硝化过程影响时发现，当IC浓度低于36 mg ·L-1时，亚硝化细菌的活性将受到抑制而硝化细菌的活性并未受到限制. 本研究进一步证实在的自养生物脱氮系统中，硝化细菌活性受HCO3-浓度下降的抑制敏感性明显低于亚硝化菌和厌氧氨氧化细菌.

图 2 IC浓度对联合工艺氮素转化的影响 Fig. 2 Effects of IC concentration on nitrogen translation in partial nitritation-anammox process

在联合工艺运行的96 d后，逐步提高进水C/N比值，考察其可恢复性. 经过24 d的运行，进水C/N比值恢复到0.98，对应进水氨氮和IC浓度分别为105 mg ·L-1和102 mg ·L-1，联合工艺的脱氮效能稳步上升，最终出水氨氮、 亚硝氮和硝氮浓度分别为41、 9.9和15 mg ·L-1，联合工艺的氮去除速率恢复到0.95kg ·(m3 ·d)-1. 说明短期内IC对联合工艺的氮素转化效能的抑制是可逆的. 在恢复过程中也进一步发现硝酸盐出水浓度逐步提高，未因联合工艺的脱氮效能恢复而降低. 说明部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺中硝化细菌出现快速生长后，短期内很难得到抑制.

2.2 HCO3-对各区域pH值及氮素转化效能的影响

部分亚硝化菌与厌氧氨氧化菌都是自养菌，需要无机碳源作为合成细胞所需的碳源，但是其需求量并不大. 李祥等[16]在研究HCO3-浓度变化对亚硝化过程影响时发现，只要通过强碱将反应器内的pH值控制在亚硝化菌适宜的范围之内，空气与水中所携带的CO2就能够满足自养菌生长所需要的碳源. HCO3-在亚硝化系统中主要功能是维持反应所需pH值环境，因此在研究HCO3-浓度对联合工艺氮素转化效能影响时，有必要考虑到pH值的变化.

HCO3-浓度变化对联合工艺各区域pH值环境及氮素转化效能的影响如图 3所示. 随着进水HCO3-浓度的降低，联合工艺的亚硝化区和厌氧氨氧化区的IC浓度都逐步降低，IC浓度的损失基本上发生在亚硝化区. 由图 3可知，当亚硝化出水进入到厌氧氨氧化区时，IC浓度基本上不发生变化. 当进水C/N比值大于1.5时，因HCO3-充足，亚硝化区及出水的pH值均大于进水(pH值稳定在8左右)，亚硝酸盐生成速率基本稳定在1 kg ·(m3 ·d)-1左右，厌氧氨氧化氮去除速率基本稳定在1.28 kg ·(m3 ·d)-1左右； 而当进水C/N比值小于1.5时，亚硝化区和最终出水的pH值均小于进水，并且差距随进水HCO3-浓度下降而逐步扩大. 当进水C/N比值下降到0.17时，亚硝化区的pH值下降到6.54，厌氧区的pH值下降到6.6左右. 亚硝酸盐生成速率下降到0.49 kg ·(m3 ·d)-1，厌氧氨氧化的氮去除速率下降到0.40 kg ·(m3 ·d)-1. 同时，亚硝化区的IC浓度下降到9.9 mg ·L-1左右. Villaverde等[17,18]在研究pH对硝化生物膜影响时发现，当pH值大于7.5时才出现亚硝酸盐的积累； 当pH低于7.5时，亚硝化菌的活性将会受到限制. 杨洋等[19]研究表明pH值为7.0和9.0时的厌氧氨氧化速率分别为pH值8.3时的77%和66%，最适pH值为7.5～8.3. 说明HCO3-浓度的降低严重影响了各个区域的pH值从而导致联合工艺脱氮效能的降低.

图 3 IC浓度变化对好氧区和厌氧区氮素转化效能及pH的影响 Fig. 3 Effects of IC concentration on nitrogen conversion and pH in aerobic area and anaerobic area

在HCO3-浓度下降过程中，厌氧氨氧化菌氮去除速率一直随着亚硝酸盐生成速率的变化而变化(图 3)，未出现亚硝酸盐的积累，说明在联合工艺运行过程中，HCO3-不足维持亚硝化反应所产生的酸度，导致pH值逐步下降，从而导致亚硝化菌的亚硝化效能降低，最终导致厌氧氨氧化菌脱氮效能下降. 也进一步说明在HCO3-浓度下降过程中，亚硝化过程最先因pH环境不适宜而受到限制，亚硝化菌对HCO3-限制的敏感性要强于厌氧氨氧化菌. 因此，在联合工艺运行过程中，首先要满足亚硝化菌对HCO3-的需求，然后再考虑厌氧氨氧化菌对HCO3-的需求.

2.3 HCO3-浓度变化与部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺脱氮效能的关系

HCO3-在部分亚硝化-厌氧氨氧化联合自养生物脱氮工艺中的消耗主要发生在亚硝化区. 李祥等[16]研究发现，在单一的亚硝化系统中HCO3-与亚硝化菌产生的H+进行中和，最终以CO2的形式随尾气溢出水面，IC的消耗量与亚硝酸盐生成速率具有明显的线性关系(y=347.1x-116.8，R2=0.87). Fux等[20]研究也表明亚硝化反应器出水亚硝酸盐/氨氮的比值基本依赖于进水氨氮/碱度的比值. 说明亚硝化过程需要大量的HCO3-来进行酸碱反应. 虽然厌氧氨氧化是一个产生碱度的过程，在厌氧氨氧化系统不存在IC消耗. 但是有研究表明IC浓度的改变对厌氧氨氧化菌活性影响很大. Jin等[21]研究表明进水C/N比值不能低于1.2，否则会影响厌氧氨氧化菌活性. Kimura等[10]研究表明虽然进水IC对厌氧氨氧化活性产生影响，但是进水C/N比值变化对厌氧氨氧化菌的氮去除速率影响无特定的线性规律. 因此推测在部分亚硝化-厌氧氨氧化联合脱氮工艺中，进水C/N应该与亚硝化效能及联合工艺整体脱氮效能具有一定的相关性，而且这两个相关性之间应具有一致性.

因此，本研究采用Logistic生长模型将部分亚硝-厌氧氨氧化联合工艺的亚硝酸盐生成速率、 联合工艺的氮去除速率与进水C/N比值进行拟合，如图 4所示. 进水C/N比值与亚硝化菌的亚硝化效能具有一定的关系： y=1.15/{1+exp[-1.02×(x+0.08)]}，但是其相关性不是很明显(R2=0.66)[图 4(a)]. 进水C/N比值与联合工艺氮去除速率之间也具有一定的关系： y=1.29/{1+exp[-2.3×(x-0.29)]}，相关性比较明显(R2=0.90)[图 4(b)]. 采用相同的生长模型进行拟合后，相关性未出现很明显的一致性. 出现此现象可能是因为在部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺的运行过程中，因为回流的存在，厌氧氨氧化区产生的碱度回流到亚硝化区，并与亚硝化菌产生的酸度中和，才导致进水C/N比值与亚硝化效能的相关性不明显.

图 4 进水IC/N与联合工艺氮去除速率的关系 Fig. 4 Relationship between IC/N and nitrogen removal rate in partial nitritation-ANAMMOX process
2.4 部分亚硝化厌氧氨氧化联合工艺的HCO3-需求探讨

目前，部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺的联合方式有两种，一种是一步式，即将部分亚硝化与厌氧氨氧化放置在一个反应器内进行培养； 另一种是两步式，即将部分亚硝化和厌氧氨氧化放置在两个反应器内，通过串联实现其联合. 在两步式工艺中，各反应区需要的HCO3-浓度都很大，而且部分亚硝化段HCO3-完全处于消耗状态，这必将提高无机高氨废水的处理成本. 为了实现亚硝化过程和厌氧氨氧化过程的酸碱中和，同时节省占地面积，很多研究者采用一步式[22, 23, 24].

但是在单一反应器内很难避免亚硝化过程的溶解氧对厌氧氨氧菌活性的影响. 本实验采用两步式，即将部分亚硝化和厌氧氨氧化菌放置在两个区域内进行培养. 通过回流同样实现两个反应过程的酸碱互补，与无回流的部分亚硝化厌氧氨氧化串联工艺相比，减少了各个区域维持pH值所需的投加量，同时也减少部分亚硝化区的剩余溶解氧对厌氧氨氧化区的干扰. 由拟合方程可知，利用部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺处理低C/N废水时，进水C/N比值不能低于1.5，否则就不能够保证联合工艺各区域pH值处于各功能菌适宜的范围之内，从而影响联合工艺脱氮效能的提高.

3 结论

(1)在部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺中，当进水C/N比由2降低到0.17时，因IC投加量的限制，导致各功能区pH值大幅下降，从而导致氮素转化受限，联合工艺的氮去除速率由1.3 kg ·(m3 ·d)-1下降到0.40kg ·(m3 ·d)-1，下降幅度达到69.3%. 当C/N比恢复到1时，联合工艺的氮去除速率很快恢复到1 kg ·(m3 ·d)-1.

(2)在部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺中，微生物对HCO3-限制的敏感性为: 亚硝化菌＞厌氧氨氧化菌＞硝化细菌. 因此，首先关注HCO3-浓度变化对亚硝化过程的影响.

(3)通过拟合后发现，在有回流的部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺中，进水C/N比值与联合工艺脱氮效能具有明显的相关性.

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