2017, Vol. 38
由于ANAMMOX菌对外界环境的高敏感性，使其极易受到诸如盐度、基质浓度、低温等外界条件的抑制作用，又由于ANAMMOX菌较长的倍增周期以及较低的细胞产率等因素的存在进一步强化了上述抑制作用，同时也增加了ANAMMOX反应器脱氮效能恢复难度.盐度是影响ANAMMOX活性的一个重要因素，高盐度会对ANAMMOX菌的活性造成显著的抑制作用. Windey等[1]的研究发现，未经盐度驯化的淡水ANAMMOX菌在30 g·L-1盐度下的活性与对照组相比下降了95%. Liu等[2]报道了当盐度超过30 g·L-1时，反应器的容积氮去除速率(NRR) 会急速下降.快速的盐浓度变换也会对ANAMMOX活性造成显著影响. Yang等[3]发现当盐度由14 g·L-1突然增加到20 g·L-1时，ANAMMOX菌的活性受到盐度的完全抑制. Malovanyy等[4]使用5 g·L-1的盐度梯度驯化策略，发现15 g·L-1盐度可导致ANAMMOX菌丧失活性.
鉴于盐度对ANAMMOX活性的强烈抑制作用，了解ANAMMOX脱氮效能被显著抑制后的恢复规律将有助于推进ANAMMOX工艺的工业化应用进程.前期的研究表明: ANAMMOX反应器长期在高海水比例下(>40%海水比例) 运行，反应器对海水盐度的响应会表现出3个阶段，即:盐度抑制敏感期、盐度抑制过渡稳定期和盐度抑制恢复期[5]. ANAMMOX反应器在高盐度环境下表现的出脱氮性能下降可能与ANAMMOX菌处于盐度抑制的敏感期有关，经过一段时间的驯化后即可恢复脱氮性能.目前，对于ANAMMOX活性受到高盐度抑制后的恢复过程鲜有报道，且多数研究者[3, 6, 7]通常以去除抑制因素或者降低抑制因素的强度来使ANAMMOX活性恢复，几乎没有关于不改变抑制因素强度情况下的活性恢复过程的报道.因此，本研究在前期研究的基础之上，在全海水盐度(100%海水比例) 下继续对反应器进行恢复，分析了ANAMMOX反应器在盐度抑制后的NRR恢复过程，并通过动力学模型指示了ANAMMOX反应器在高盐度条件下NRR的恢复规律，这些规律对于了解ANAMMOX在盐度下的恢复机制具有重要帮助，以期为含海水污水的ANAMMOX处理提供理论与技术支持.
1 材料与方法 1.1 试验装置试验采用ASBR厌氧氨氧化反应器，该反应器使用有机玻璃制作而成，总体积为8.0 L，有效体积7.0 L.人工配置的废水从反应器下部的进水口由蠕动泵泵入反应器内，内置电动搅拌器，整个反应器表面用黑布包裹，防止光线对ANAMMOX活性污泥造成负面影响.反应器的外层有(35±2)℃恒温水浴，进水的pH控制在7.4±0.1.反应器运行一个周期的时间为10.5 h，其中进水2 min，反应10 h，静置25 min，出水3 min.
1.2 试验废水试验使用海水(取自黄海青岛麦岛周边) 配制的模拟废水，配水具体组成成分为(mg·L-1): KH2PO4 20，CaCl2·2H2O 107，MgSO4·7H2O 45，KHCO3 1 350，微量元素浓缩液Ⅰ(1 mL·L-1): EDTA 5 g·L-1，FeSO4·7H2O 5 g·L-1，微量元素Ⅱ(1 mL·L-1): EDTA 15 g·L-1，H3BO3 0.014 g·L-1，MnCl2·4H2O 0.99 g·L-1，CuSO4·5H2O 0.25 g·L-1，ZnSO4·7H2O 0.43 g·L-1，NiCl2·6H2O 0.19 g·L-1，Na2MoO4·2H2O 0.22 g·L-1，CoCl2·6H2O 0.24 g·L-1，NaSeO4·10H2O 0.21 g·L-1. NH4+-N和NO2--N分别由NH4Cl和NaNO2按需提供，其中进水NH4+-N浓度为110 mg·L-1，进水NO2--N浓度为145 mg·L-1.为了提供厌氧环境，人工配制的模拟废水使用高纯氮气(纯度为99.99%) 吹脱15 min.
1.3 分析项目和方法NH4+-N:纳氏试剂法；NO2--N: N-(1-萘基) 乙二胺分光光度法；NO3--N:麝香草酚分光光度法；pH: pH/0xi 340i便携式pH计(WTW，德国)；紫外/可见分光光度计: UV-5200(上海元析仪器有限公司，中国)；模型拟合: Origin Pro 9.2.0.
1.4 恢复动力学模型修正的Boltzmann模型、修正的Gompertz模型以及修正的Logistic模型被Jin等[7]用于模拟ANAMMOX菌受到苯酚及硫化物抑制后的恢复过程.修正的Boltzmann模型还可被用来指示ANAMMOX反应过程的潜力[7].修正的Gompertz模型被广泛应用于批次试验中发酵产氢过程中基质降解、菌体生长和产物生成等过程[8].修正的Logistic模型曾被Wang等[8]用来描述批次试验中以葡萄糖为基质的产氢过程.
修正的Boltzmann模型:
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(1) |
修正的Gompertz模型:
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(2) |
修正的Logistic模型:
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(3) |
式中，NRR为容积氮去除负荷，kg·(m3·d)-1；NRRmax为最大容积氮去除负荷，kg·(m3·d)-1；Rmax为每个运行周期NRR的最大恢复速率，kg·(m3·d)-1；λ为恢复延迟时间，d；t为运行时间，d；NRRmin为最小容积氮去除负荷，kg·(m3·d)-1；tc为恢复时间中间值，即恢复至NRRmin+(NRRmax-NRRmin)/2所需的时间，d；td为恢复时间常数，d.
2 结果与讨论 2.1 全海水盐度抑制后的恢复本实验室前期的试验结果表明:反应器的脱氮能力在全海水盐度(100%海水比例) 下运行的前两天几乎没有受到盐度提升的影响，但在随后的5 d时间内，反应器内没有任何营养基质添加，导致ANAMMOX菌没有能量来源而完全暴露在高盐度环境下，当反应器再次正常运行后，反应器的NRR由0.43 kg·(m3·d)-1骤降至0.18 kg·(m3·d)-1.这一结果表明:在无能量来源时，盐度会对ANAMMOX菌产生强烈的抑制作用. Kimura等[9]的研究认为，在无机碳源浓度(IC) 不足的情况下，ANAMMOX活性会随着进水IC的降低而恶化.另外，在高盐度环境下，微生物自身通过调节渗透压完成盐度适应，而调节渗透压的方式主要有“salt-in”策略和“compatible solute”策略[10, 11]，这两种方法都需要消耗大量的能量[10]，因此在没有无机碳源和氮源的情况下，ANAMMOX菌的新陈代谢受阻，以至于难以实施以上两个策略，进而导致其细胞内结构遭到一定程度的破坏[12, 13]，由此便造成了上述脱氮能力骤降的现象.同时，这一结果也暗示ANAMMOX活性在盐度响应的敏感期极易受到外界环境的干扰，在实际运行过程中应该避免此类状况的发生. ANAMMOX反应器在盐度响应敏感期出现的NRR下降可能与ANAMMOX菌在盐度提升后出现的活性降低或者活性消失有关.另外，反应器内淡水属微生物菌与耐盐属微生物数量上的不平衡也是造成盐度提升后反应器性能下降的原因[1].盐度响应敏感期的出现表明:经过盐度驯化后的ANAMMOX菌具有一定的抗盐度冲击的能力，然而盐度的长期影响要大于短期影响[14].
在NRR骤降之后，反应器的脱氮能力既没有立即恢复也没有继续恶化，而是呈现出一个相对稳定的状态(图 1中第304~340个周期).较长的延迟期可能与ANAMMOX菌修复受损的细胞结构有关.在本阶段，NH4+-N的平均去除率为44.7%，NO2--N的平均去除率为38.0%，容积氮进水负荷(NLR) 和NRR的平均值分别为0.55 kg·(m3·d)-1和0.20 kg·(m3·d)-1. ANAMMOX反应的计量比(NH4+-N去除量:NO2--N去除量:NO3--N生成量) 为1: (1.15±0.32): (0.18±0.08).自341个周期，ANAMMOX菌的活性开始逐渐恢复，在经历了57个周期的恢复后，在第398个运行周期，NH4+-N的去除率已达100%，NO2--N的去除率为96.13%，NRR为0.52 kg·(m3·d)-1.这一阶段ANAMMOX反应的计量比为1: (1.32±0.21):(0.15±0.06).随后，反应器的运行再次进入了稳定期，NH4+-N的平均去除率为98.02%，NO2--N的平均去除率为97.02%，NLR和NRR的平均值分别为0.57 kg·(m3·d)-1和0.51 kg·(m3·d)-1，这一脱氮能力与对照组[10%海水比例，NLR为0.543 kg·(m3·d)-1，NRR为0.462 kg·(m3·d)-1]的脱氮能力接近[5].本阶段ANAMMOX反应的`计量比为1: (1.29±0.04):(0.21±0.02).
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图 1 厌氧氨氧化反应器在100%海水比例下的恢复过程 Fig. 1 Recovery process of ANAMMOX reactor at 100% proportion of seawater |
ANAMMOX反应的计量比与ANAMMOX反应器的稳定性有直接关系，可以作为监测反应器运行的一个重要参数[15].有研究指出ANAMMOX反应的计量比通常受到传质阻力和其他异类菌群的影响[16].在本试验中计量比由过渡稳定期的大幅波动逐渐恢复至稳定期的相对稳定的状态.过渡稳定期计量比的大幅波动似乎暗示着ANAMMOX新陈代谢的紊乱[17]，但这一结果仍然要好于50%海水比例时的表现，表明本阶段ANAMMOX菌耐盐能力较50%海水比例阶段有了较大的提升. 50%海水比例时，ANAMMOX反应在过渡稳定期的计量比为1: (1.43±0.31):(0.21±0.05)，也具有较大波动，但NH4+-N去除量与NO2--N去除量明显高于ANAMMOX反应的理论值，暗示系统内可能发生反硝化反应.而在100%海水比例下的过渡稳定期，计量比多数情况下明显小于1.32[图 1(c)]，由这一结果可推断:在这一阶段ANAMMOX菌发生了菌体自溶，致使培养基中NH4+-N浓度升高，但反硝化作用微弱，从而导致了计量比明显小于1.32[6].这也进一步表明了ANAMMOX菌在无能量来源时，盐度会对其产生强烈的抑制作用.
2.2 盐度抑制恢复动力学分别运用修正的Boltzmann模型、修正的Gompertz模型以及修正的Logistic模型对受到100%海水比例盐度抑制后ANAMMOX反应器的NRR恢复过程进行拟合，结果如图 2所示.从中可知，3个模型都具有较高的相关系数R2，但是修正的Gompertz模型以及修正的Logistic模型得到的参数不具有实际意义.因此，可以认为修正的Boltzmann模型相比修正的Gompertz模型以及修正的Logistic模型更适合拟合NRR的恢复过程.修正的Boltzmann模型得到NRRmax与真实值的相对误差为10.75%±2.64%，NRR恢复至NRRmin+(NRRmax-NRRmin)/2所需的时间tc为73.368个运行周期，表明要使NRR恢复至NRRmin+(NRRmax-NRRmin)/2需要一个较长的恢复时间.
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图 2 ANAMMOX反应器盐度抑制恢复动力学拟合曲线 Fig. 2 Fitting curves of the recovery process of ANAMMOX reactor |
修正的Logistic模型和修正的Gompertz模型通常被用于模拟生化反应产物的生成过程.在本研究中，修正的Logistic模型和修正的Gompertz模型得到的参数与实际相差较大可能与模型中缺少NRR最小参数值有关.本研究对这两个模型做了适当的改进后[如式(4)、(5) 所示]，发现其可以很好地用来拟合受到全海水盐度抑制后的ANAMMOX反应器的NRR恢复过程.对这两个模型的改进主要依据为函数图像的坐标平移变换，这一改进在一定程度上拓展了这两个模型在本研究中的适用性.
再次修正的Gompertz模型:
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(4) |
再次修正的Logistic模型:
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(5) |
在对修正的Logistic模型和修正的Gompertz模型改进之后的拟合效果如图 3所示.从中可知，二者均具有较高的R2并得到了有效的参数值.再次修正的Logistic模型得到的NRRmax和NRRmin与修正的Boltzmann模型得到的结果一致，分别为0.574 kg·(m3·d)-1和0.188 kg·(m3·d)-1.其中NRRmax略大于稳定期的NRR平均值[0.51 kg·(m3·d)-1]，表明反应器的脱氮能力还有进一步提升的潜力.而再次修正的Gompertz模型得到的NRRmax为0.667 kg·(m3·d)-1，与稳定期试验得到的真实值的相对误差为23.20%±2.26%，远大于再次修正的Logistic模型和修正的Boltzmann模型得到的相对误差.由此可知，再次修正的Logistic模型和修正的Boltzmann模型均适合对ANAMMOX反应器NRR受到全海水盐度抑制后的恢复过程进行模拟，但由于再次修正的Logistic模型可以得到整个恢复过程的延迟时间，这对于了解整个恢复过程更具有意义，因此推荐使用再次修正的Logistic模型对ANAMMOX反应器NRR受到全海水盐度抑制后的恢复过程进行模拟.
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图 3 再次修正的Logistic和Gompertz模型拟合曲线 Fig. 3 Curves of re-modified Logistic model and re-modified Gompertz model |
再次修正的Logistic模型得到NRR恢复延迟时间λ为44.201个周期，与图 1中定义的过渡稳定期的持续时间(36个周期) 接近.将再次修正的Logistic模型得到的NRR恢复延迟时间换算成ANAMMOX反应时间约为18.417 d，这一值略长于文献[18]报道的ANAMMOX菌(Cadidatus scalindua) 在海水下的倍增周期(14.4 d).大约1个ANAMMOX菌倍增周期的延迟期暗示全海水盐度抑制后的ANAMMOX菌需要较长的时间来修复受损的细胞结构.
由再次修正的Logistic模型可建立恢复时间t的预测公式，如式(6) 所示.同时将再次修正的Logistic模型得到的参数值代入式(6) 即可得本研究中对于恢复时间t的预测公式，如式(7) 所示.运用式(7) 可计算出ANAMMOX反应器的NRR恢复至2倍NRRmin时所需的时间为71.462个运行周期，将这一时间减去延迟时间即可得到活性恢复期的NRR倍增周期为27.261个运行周期(反应时间约11.359 d).由此可推断，本研究中ANAMMOX菌的倍增周期约为11.359 d，这一值与文献[19, 20]报道的ANAMMOX倍增周期(10~12 d) 接近，但低于Awata等[21]报道的ANAMMOX菌(Cadidatus scalindua) 在海水下的倍增周期(14.4 d).
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(6) |
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(7) |
再次修正的Logistic模型得到海水盐度抑制后每个运行周期NRR的最大恢复速率为0.007 kg·(m3·d)-1. ANAMMOX反应器的NRR在海水盐度抑制后的缓慢恢复过程可能与ANAMMOX菌在盐度条件下的代谢受阻有关，代谢的缓慢最终导致了ANAMMOX菌更长的倍增周期和更低的细胞产率.有研究认为，ANAMMOX菌的倍增周期可达3~14.4 d[20~25]，远长于多数的自养细菌，而盐度对ANAMMOX细胞产率也具有显著的影响[18].种群演变以及淡水菌耐盐能力的提升可能对NRR的恢复发挥了重要作用.
3 结论(1) 受到盐度抑制后，ANAMMOX反应器的NRR在经过了对盐度响应的敏感期、过渡稳定期和恢复期后可以再次进入稳定期，稳定期的NRR可达0.52 kg·(m3·d)-1，与对照组(10%海水比例) 接近.
(2) 改进了修正的Logistic模型和修正的Gompertz模型，拓展了模型的适应性.推荐使用再次修正的Logistic模型，对受到高海水盐度抑制后的ANAMMOX反应器NRR的恢复过程进行模拟.
(3) 利用再次修正的Logistic模型，建立了ANAMMOX反应器NRR恢复时间的预测公式，得到了ANAMMOX反应器在全海水盐度下NRR的倍增周期为11.359 d.
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