随着工业发展含盐废水(>1%, NaCl, 质量浓度)排放量越来越大, 含盐废水直接排放对环境造成严重污染及破坏, 如高盐废水渗透入土壤系统中, 会使土壤生物和植物因脱水死亡, 造成土壤生态系统的破坏^[1].废水的生物处理方法是一种常见的方法, 但高盐的存在对常规生物处理有明显的抑制作用, 盐类物质引起的废水高渗透压会降低微生物活性, 抑制微生物的代谢作用, 使酶代谢活性减弱, 以至降低反应动力学系数, 最终使废水中氮素去除效率下降; 严重时将导致细胞脱水, 最后发生质壁分离, 甚至死亡^[2].而厌氧氨氧化(ANAMMOX)作为一种以NH₄⁺为电子供体, NO₂^-为电子受体, N₂与NO₃^-为产物的生物脱氮工艺^[3], 研究证明厌氧氨氧化菌对高盐污水有良好的去除效果, 有研究发现厌氧氨氧化是海洋氮循环中生物脱氮的主要贡献者, 其对海洋生物脱氮的贡献率约在4%~79%^{[4, 5]}, 海洋型厌氧氨氧化菌的发现为其处理高盐废水提供了可行性. Vyrides等^[6]采取长期的盐度驯化的方式使淡水厌氧氨氧化污泥产生耐盐性, 最终可适应高达30 g·L^-1的盐度环境. Dapena-Mora等^[7]将淡水厌氧氨氧化污泥经过驯化后, 可以在30‰海水盐度下取得较好的脱氮性能, 最大比厌氧氨氧化活性(SAA)出现在盐度为15 g·L^-1时.

厌氧氨氧化菌的驯化和筛选为高盐废水的厌氧氨氧化处理提供了可能性, 但也存在有不足之处. Kartal等^[8]通过提高配水中NaCl浓度对淡水厌氧氨氧化污泥进行长期驯化, 发现淡水厌氧氨氧化污泥最终在高达75g·L^-1的NaCl浓度时达到阈值. Liu等^[9]对污泥进行长期驯化后厌氧氨氧化污泥最终适应30g·L^-1的盐浓度, 当盐度继续升高后, 污泥受到可逆抑制.在盐度驯化过程中盐度变化幅度越大对反应系统造成的负面影响越大, Yang等^[10]在驯化过程中将盐度由14 g·L^-1突然上升到20 g·L^-1时, ANAMMOX菌活性受到盐度的完全抑制, Malovanyy等^[11]使用快速的盐度驯化策略也导致了ANAMMOX菌的失活现象.工业废水中的高盐度和盐度的巨大波动成为厌氧氨氧化工程应用的障碍, 应从高盐废水厌氧氨氧化微生物脱氮强化措施等方面展开研究, 以期在高盐胁迫下使厌氧氨氧化能取得良好的脱氮效能.相容性溶质(compatible solutes)是耐盐微生物在高渗透环境中细胞内积累的小分子物质, 在细胞内高浓度积累不会影响生物大分子如蛋白质和核酸的正常生理功能, 但可以平衡细胞外的渗透压, 也可以作为蛋白质稳定剂^[12].甜菜碱是一种生物碱, 在维持细胞渗透压和缓解盐胁迫方面有明显作用.甜菜碱的溶解度很高, 不带静电荷, 其高浓度对许多酶及其他生物大分子没有影响, 甚至能解除高浓度盐对酶活性的毒害.国内外学者针对甜菜碱应用于高盐废水处理领域的可行性和效果展开了研究, Yerkes等^[13]率先研究了甜菜碱在不同厌氧消化系统中对钠毒性的拮抗作用, 结果表明浓度低至1mmol·L^-1的甜菜碱对减缓钠盐毒性仍有效果. Vyrides等^[14]的研究认为甜菜碱在高盐条件下对保护产甲烷菌的功能是最有效的, 甜菜碱对高盐废水处理污泥的驯化有积极作用, 甜菜碱的添加策略对其效果有着较重要的影响.

在对外源添加甜菜碱提高微生物对渗透胁迫适应性的研究中发现, 甜菜碱能有效地缓解盐度抑制作用, 而现在研究大都集中在高盐度废水厌氧产甲烷系统中, 对ANAMMOX工艺的研究较少.因此本文将进一步探索利用甜菜碱缓解盐度对ANAMMOX活性抑制的可行性, 探讨外源甜菜碱投加提高高盐废水厌氧氨氧化脱氮的机制, 以期为之后相关研究提供基础, 拓展ANAMMOX工艺处理高盐废水的应用范围.

试验采用ASBR厌氧氨氧化反应器, 其结构如图 1所示.该反应器由有机玻璃制作而成, 有效体积7 L.人工配制的废水从反应器下部的进水口由恒流泵进入反应器内, 内置电动搅拌器, 整个反应器表面用黑布包裹, 防止光线对厌氧氨氧化活性污泥造成负面影响, 反应器的外层有恒温水浴, 温度控制在(35±2)℃.

图 1

Fig. 1

1.取样口及进出水口; 2.排泥口; 3.搅拌; 4.水浴循环进出水口; 5.水浴恒温控制器; 6.水封; 7.进水蠕动泵; 8.储水箱; 9.水浴循环蠕动泵 图 1 ASBR厌氧氨氧化反应器装置示意 Fig. 1 ASBR ANAMMOX reactor plant

试验所选污泥已经本课题组将海水长期驯化, 已适应海水的复杂组成成分, 能在全海水条件下稳定运行, 反应器内有约占反应器有效体积1/3的块状海绵载体, 活性污泥颗粒及絮体附着在块状海绵上生长, 块状海绵呈现黄色, 内部有大量砖红色颗粒污泥.该污泥形态基本为颗粒状, 呈现砖红色.

试验所用废水由人工配置：海水(5 L)取自黄海(青岛麦岛周边)、KH₂PO₄ 0.145 g、CaCl₂·2H₂O 0.75 g、MgSO₄.7H₂O 0.3 g、NaHCO₃ 8.4 g、微量元素Ⅰ和微量元素Ⅱ各6 mL.微量元素Ⅰ：EDTA 5 g·L^-1、FeSO₄·7H₂O 5 g·L^-1; 微量元素Ⅱ：EDTA 15 g·L^-1、H₃BO₄ 0.011 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、CoCl₂·6H₂O 0.24 g·L^-1、(NH₄)₆MoO₂·4H₂O 0.16 g·L^-1、NaSeO₄·10H₂O 0.159 6 g·L^-1. NH₄⁺由NH₄Cl提供, NO₂^-由NaNO₂提供, 确保进水氨氮为110 mg·L^-1、亚硝态氮浓度为145.2 mg·L^-1, 甜菜碱按需配置.

本试验采用ASBR工艺进行, 每天运行2个周期, 运行方式为; ,静置沉淀30 min后排水, 排水5 L, 留2 L; 废水的配制完成后利用高纯氮气进行15 min的曝气, 将水中的分子氧去除后, 再按量投加NH₄Cl、NaNO₂和甜菜碱, 进水pH通过0.1 mol·L^-1的盐酸控制在7.4±0.1;最后由恒流泵进水, 进水约为3 min; 进水完成后开启搅拌, 搅5 min后接进水水样.

参考已有的研究成果, 且防止过量添加引起反应器内菌群结构尤其是反硝化细菌的崛起, 将甜菜碱添加初始量设定为0.1 mmol·L^-1, 添加甜菜碱浓度分别为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.7 mmol·L^-1.每个梯度试验5 d, 甜菜碱过量会使系统中产生反硝化细菌, 进而对反应产生抑制, 因此在反应器产生抑制时应及时停止试验, 从产生抑制的甜菜碱浓度开始再缓慢降低甜菜碱的浓度, 考察甜菜碱浓度的回落能否使厌氧氨氧化反应效能得到恢复.

指标测定方法为：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采用麝香草酚分光光度法; pH值：WTW pH/0xi 340i便携式pH计; 紫外/可见分光光度计：UV-5200;试验所要测的数据包括氨氮和亚硝态氮的去除率, 硝态氮的生成量.

由图 2可知, 在10周期左右时间内反应器的处理效能趋于稳定, 在不添加甜菜碱的情况下, NH₄⁺-N和NO₂^--N的平均去除率分别为51.6%和55.9%, NO₃^--N平均生成量10.3 mg·L^-1, NLR和NRR分别为1.43 kg·(m³·d)^-1和0.71 kg·(m³·d)^-1.当在反应器中加入0.1 mmol·L^-1甜菜碱后, 甜菜碱的加入打破了原有反应器中的平衡, 在刚开始的5个周期内, 出水NH₄⁺-N浓度略有些上升, 但反应器快速的适应了甜菜碱的存在, 在0.1 mmol·L^-1浓度梯度末期, NH₄⁺-N去除率为52.9%, NO₂^--N的去除率则为52.7%, 与0 mmol·L^-1时相比, NH₄⁺-N去除率有所上升, 而NO₂^--N的去除率有所下降, 说明0.1 mmol·L^-1甜菜碱未对厌氧氨氧化脱氮产生明显促进效果, 这可能由于甜菜碱浓度过低未对厌氧氨氧化活性产生刺激.当甜菜碱浓度为0.2 mmol·L^-1时, 甜菜碱对厌氧氨氧化脱氮效能产生明显促进作用, 在这一浓度梯度周期内脱氮效能不断提升, NH₄⁺-N和NO₂^--N的去除率由周期前的61.9%和46.6%至周期末分别上升至70.4%和65.7%, 而NRR更由0.71 kg·(m³·d)^-1上升至0.92 kg·(m³·d)^-1, 这一现象在0.3 mmol·L^-1浓度梯度时也有所体现, 这是由于甜菜碱会在厌氧氨氧化菌内产生积累, 说明甜菜碱对厌氧氨氧化的促进有持续性效果.在0.3 mmol·L^-1浓度下, NH₄⁺-N去除效能达到最佳, 这时NH₄⁺-N和NO₂^--N的去除率分别为71.3%和75.7%, NO₃^--N的平均生成量为8.6 mg·L^-1, NRR达到0.97 kg·(m³·d)^-1, 与0 mmol·L^-1时相比, NH₄⁺-N和NO₂^--N分别提升了16%和32%, NRR提升了26.8%.

图 2

Fig. 2

图 2 甜菜碱浓度对厌氧氨氧化脱氮效能的影响 Fig. 2 Effect of betaine concentrations on the anaerobic ammonia oxidation denitrification efficiency

从0.4 mmol·L^-1开始, 甜菜碱浓度的提升不再促进NH₄⁺-N的去除效果, 但NO₂^--N的去除率还能不断提升, NH₄⁺-N的平均去除率为67%, NO₂^--N的平均去除率则达到82.1%, NO₃^--N平均生成量为5.6 mg·L^-1, NRR则达到1.04 kg·(m³·d)^-1, 与0.3 mmol·L^-1相比NH₄⁺-N和NO₃^--N略有些下降而NO₂^--N却有些上升.甜菜碱作为一种小分子相容性有机物可作为有机碳源促进反硝化菌的生长, 甜菜碱的存在使得反应器中处于厌氧氨氧化与反硝化耦合的状态, 当甜菜碱浓度达到0.4 mmol·L^-1时, 已不再促进厌氧氨氧化反应, 反而促进了反硝化反应, 这时反应器中反硝化菌占有优势.在0.5 mmol·L^-1的浓度下, NH₄⁺-N和NO₂^--N的平均去除率分别为61.4%和79.2%, NRR为1.01 kg·(m³·d)^-1, 与前一浓度相比NH₄⁺-N、NO₂^--N去除率和NRR都产生下降, 且波动幅度比较大, 由此看出, 甜菜碱在浓度为0.5 mmol·L^-1下对厌氧氨氧化菌和反硝化菌都产生抑制.为研究甜菜碱对厌氧氨氧化完全产生抑制时的浓度, 进一步提高甜菜碱浓度, 在0.7 mmol·L^-1时, NH₄⁺-N和NO₂^--N平均去除率分别为47%和72.5%, NO₃^--N几乎没有生成, NO₂^--N在周期内变化不大, 但NH₄⁺-N在这一周期内由周期前的70.8%降低到了35.6%, 对厌氧氨氧化产生明显抑制.一开始甜菜碱在菌内的积累量并未对反应产生明显抑制, 但随着厌氧氨氧化菌吸收的甜菜碱越来越多, 推测菌体内积累的甜菜碱量超过厌氧氨氧化菌的耐受极限, 进而使得NH₄⁺-N去除率下降, 而反应器中反硝化菌耐受甜菜碱的极限要比厌氧氨氧化菌要高, 因此NO₂^--N的去除率并未有明显下降.在甜菜碱浓度达到0.8 mmol·L^-1时, NH₄⁺-N去除率进一步下降, 只有20.1%, 且NO₂^--N也有下降, 为58.6%, 厌氧氨氧化菌与反硝化菌同时产生抑制, 为了防止过高甜菜碱浓度进一步恶化反应器脱氮效能, 立即停止了试验.综上所述, 甜菜碱浓度达到0.8 mmol·L^-1时为极限值.

在厌氧氨氧化过程中, ASBR厌氧氨氧化反应器基本遵循厌氧氨氧化反应原理, 其计量比与理论值1:1.32:0.26相接近.而在本试验中, 由图 2(c)可知, 随着甜菜碱浓度的提升, NO₂^--N/NH₄⁺-N比值变化幅度较大, 在0 mmol·L^-1时, NO₂^--N/NH₄⁺-N平均比值为1.06, 而NO₃^--N/NH₄⁺-N平均比值为0.17.在0.1 mmol·L^-1时, NO₂^--N/NH₄⁺-N平均比值为1.28, 而NO₃^--N/NH₄⁺-N平均比值为0.16, 在这一浓度梯度内, NO₂^--N去除量显著增加使得NO₂^--N/NH₄⁺-N比值上升.此后在0.2 mmol·L^-1和0.3 mmol·L^-1梯度内, NO₂^--N/NH₄⁺-N比值在1.32上下波动, 且在0.4 mmol·L^-1时, NO₂^--N/NH₄⁺-N比值高于理论值1.32, 甜菜碱对NO₂^--N的促进效果更好, 使得NH₄⁺-N和NO₂^-N比值偏高.此后在0.5 mmol·L^-1和0.7 mmol·L^-1时, NO₂^--N/NH₄⁺-N比值波动更大, 使得NO₂^--N和NH₄⁺-N去除效率无法保持稳定, 在试验最后, NO₂^--N/NH₄⁺-N比值已严重偏离理论值, 甜菜碱浓度已对厌氧氨氧化反应产生不利影响.而NO₃^--N/NH₄⁺-N比值在未添加甜菜碱前已偏离理论值, 期间虽有些上升, 但总体呈下降趋势, 在高盐浓度下, 添加过量的甜菜碱会引起反应器内茵群结构尤其是反硝化细菌的崛起, 甜菜碱作为小分子有机物可作为反硝化菌的碳源, 促进反应器内反硝化菌的生长, 使得NO₃^--N生成量不断降低, 在试验末期几乎没有生成.由于反应器中厌氧氨氧化与反硝化的同时存在, 试验过程中NO₃^--N/NH₄⁺-N比值一直低于理论值.

综上所述, 外源甜菜碱对厌氧氨氧化脱氮效能有明显的促进作用, 随着甜菜碱浓度的升高, 甜菜碱浓度在0.1~0.4 mmol·L^-1范围内, 出水NH₄⁺-N和NO₂^--N浓度随之下降, 去除率显著上升, 同时促进了反硝化菌的生长.接着随着甜菜碱浓度的提升, 在0.4~0.5 mmol·L^-1浓度内, 出水NH₄⁺-N浓度不再降低而有些上升, 而出水NO₂^--N浓度则继续下降.在甜菜碱浓度大于0.5 mmol·L^-1后, 出水NO₂^--N浓度也不再下降开始缓慢上升, 最终在0.8 mmol·L^-1时, 出水NH₄⁺-N和NO₂^--N浓度高于未添加甜菜碱时, 此时甜菜碱已对反应器脱氮效能产生不利影响.

选取8个甜菜碱浓度梯度, 考察了一个周期内NH₄⁺-N、NO₂^--N和NO³-N的浓度变化.由图 3可知, 随着甜菜碱浓度的提升, 出水NH₄⁺-N和NO₂^--N的浓度逐渐降低, 基质浓度(NH₄⁺-N和NO₂^--N浓度之和)下降趋势明显, 基质去除速率也随之升高, 在0.1 mmol·L^-1浓度下, 反应器脱氮效能几乎不受甜菜碱影响, 基质反应速率前1 h内低于未添加甜菜碱时, 但随后开始波动且总体要高于未添加甜菜碱时, 说明甜菜碱在反应器中会有一段适应过程; 而在0.2 mmol·L^-1时, 出水NH₄⁺-N和NO₂^--N浓度已有些降低, 甜菜碱对反应器脱氮效能产生影响, 且此时出水NO₃^--N达到最大值为21.19 mg·L^-1, 基质去除速率总体高于前一梯度, 说明在此浓度前甜菜碱主要促进的是反应器中的厌氧氨氧化反应; 在0.3 mmol·L^-1时去除效果达到最佳, 4 h内出水NH₄⁺-N和NO₂^--N浓度为21.75 mg·L^-1和17.21 mg·L^-1, 而出水NO₃^--N浓度20.37 mg·L^-1, 基质去除速率总体要高于前几个浓度梯度, 但却低于0.4 mmol·L^-1和0.5 mmol·L^-1, 这可能是甜菜碱进一步促进了反硝化作用.虽然在0.4和0.5 mmol·L^-1时对反硝化反应还有促进作用, 0.5 mmol·L^-1时出水NO₂^--N更达到了最低值为11.78 mg·L^-1, 但在这两个梯度下出水NH₄⁺-N和NO₃^--N都有些下降, 0.5 mmol·L^-1时出水NH₄⁺-N为33.04 mg·L^-1, 出水NO₃^--N为12.84 mg·L^-1, 此时反应器中厌氧氨氧化反应产生抑制.此后在0.7 mmol·L^-1时反硝化也产生抑制, 出水NO₂^--N随之降低为41.99 mg·L^-1, 出水NH₄⁺-N为57.31 mg·L^-1, 出水NO₃^--N为5.86 mg·L^-1, 基质去除速率也有些下降, 但仍表现为较强的去除效果.最终在0.8 mmol·L^-1时基质去除速率已低于0 mmol·L^-1时的基质去除速率, 出水NH₄⁺-N为65.22 mg·L^-1, 出水NO₂^--N为54.92 mg·L^-1, 出水NO₃^--N为5.31 mg·L^-1, 也低于未添加甜菜碱时的去除效能, 此时甜菜碱浓度对反应器产生完全抑制.

图 3

Fig. 3

图 3 周期内甜菜碱浓度对厌氧氨氧化脱氮效能的影响 Fig. 3 Effect of betaine concentrations on the anaerobic ammonia oxidation denitrification efficiency during one period

从产生抑制的甜菜碱浓度0.8 mmol·L^-1开始, 降低甜菜碱的浓度, 考察甜菜碱浓度的回落能否使厌氧氨氧化反应效能得到恢复.由于甜菜碱浓度为0.8 mmol·L^-1时对反应抑制较大, 为了防止甜菜碱在厌氧氨氧化菌内产生积累, 进一步恶化厌氧氨氧化菌活性, 将高浓度时的运行周期数缩短至5次.由图 4可知, 在浓度为0.8、0.7和0.5 mmol·L^-1时, 出水NH₄⁺-N浓度波动很大, 但总体呈下降趋势, 出水NO₂^--N浓度则呈上升趋势, NO₂^--N/NH₄⁺-N和NO₃^--N/NH₄⁺-N严重偏离理论值, NRR由周期开始前的0.52 kg·(m³·d)^-1降低到0.42 kg·(m³·d)^-1.这是由于厌氧氨氧化菌的活性还未得到恢复, 且吸收了废水中新添加的甜菜碱而进一步使厌氧氨氧化菌活性恶化.但从0.3 mmol·L^-1时开始, NH₄⁺-N和NO₂^--N去除率开始上升, NO₃^--N生成量也有所升高, NO₂^--N/NH₄⁺-N接近1.32.延长运行周期数, 可以看到出水NH₄⁺-N和NO₂^--N浓度明显下降, NH₄⁺-N去除率由22.8%上升至49.6%, NO₂^--N去除率由36.5%上升至46.6%, NRR由0.39 kg·(m³·d)^-1上升至0.62 kg·(m³·d)^-1.在0.2 mmol·L^-1和0.1 mmol·L^-1时, 出水NH₄⁺-N和NO₂^--N浓度变化不大, 厌氧氨氧化菌活性基本恢复, 此时NH₄⁺-N平均去除率为50.6%, NO₂^--N平均去除率为63.7%, NRR为0.65 kg·(m³·d)^-1, 已恢复到试验前的脱氮效能.这说明甜菜碱对厌氧氨氧化反应的抑制作用是短期效果, 甜菜碱浓度的回落能使厌氧氨氧化反应效能得到恢复.

图 4

Fig. 4

图 4 甜菜碱浓度降低对厌氧氨氧化脱氮效能的影响 Fig. 4 Effect of lower betaine concentrations on the anaerobic ammonia oxidation denitrification efficiency

盐胁迫下, 微生物将吸收大量盐离子贮存于细胞体内从而降低了细胞质中的盐浓度, 而甜菜碱含量在一定范围内也会随盐胁迫程度的增加而增加, 在细胞中逐渐积累达到很高水平, 从而调节渗透压, 维持细胞的水分平衡.微生物细胞内积累相容溶质, 使外部高渗透压在细胞质中保持平衡^{[15, 16]}, 通常中度嗜盐菌耐盐机制属于这种策略, 当环境中的渗透压升高时中度嗜盐菌体内无机盐离子浓度也会相应升高, 但是其作用有限, 不足以抗衡外界高的渗透压, 此时大多数中度嗜盐菌会通过自身合成甜菜碱及其它相容性有机物来应对盐胁迫作用^[17].吴红珍等^[18]的研究结果显示嗜盐四联球菌以甘氨酸甜菜碱作为主要的相容性溶质, 在一定盐浓度范围内, 甘氨酸甜菜碱和可溶性蛋白会随盐浓度的增加而升高, 然而超过一定盐浓度范围后, 表达量将会减少, 细菌能够根据外部环境做出适当的调整以维持细胞的正常生理功能.

中度嗜盐菌可通过快速合成和释放甜菜碱来抵抗盐胁迫, 甜菜碱作为中度嗜盐菌中一类很重要的相容性溶质, 通常大多数中度嗜盐菌都以胆碱为前体物质, 经过两步氧化反应生成甘甜菜碱^[19], 这两步氧化反应需要两个酶的催化：第一个是胆碱单加氧酶, 它催化胆碱氧化成甜菜碱醛; 第二个是甜菜碱醛脱氢酶, 它催化甜菜碱醛形成甜菜碱^{[17, 20]}.但是还没有报道提及中度嗜盐菌能从简单的碳源(如葡萄糖)合成甘氨酸, 中度嗜盐菌中甘氨酸甜菜碱的合成方式都是采用酶促胆碱反应或者直接从环境中摄入在体内进行积累, 在适应环境高渗透压中, 嗜盐菌可通过胞外吸收转运相容物质以抵抗胞外高渗透压以节省从头合成所需的能量^[21], 其具有特殊的相溶性物质吸收转运系统^[22].因此有些科学家通过外源添加甘氨酸甜菜碱以提高细菌或植物的耐盐能力^{[23, 24]}.

采用ASBR厌氧氨氧化反应器, 通过逐步提高所含海水比例, 经过一定时间的驯化后, 厌氧氨氧化菌可以在各个海水比例下保持活性并维持较高的脱氮性能厌氧氨氧化菌^[25].盐胁迫对厌氧氨氧化菌的生长均有不同程度的抑制作用^[26], 但没有报道提及厌氧氨氧化菌可自身合成甜菜碱, 因此添加外源甜菜碱可作为一种缓解盐胁迫作用的方法.李智行等^[27]利用人工配制的高盐废水研究了甜菜碱对厌氧氨氧化过程的影响, 结果认为甜菜碱对厌氧氨氧化过程有促进作用, 并能起到缓解低温抑制作用的功能.本试验结果表明, 添加甜菜碱缓解了盐胁迫对厌氧氨氧化菌生长的抑制, 在本试验开始时厌氧氨氧化效果较好, 在4 h内, 氨氮去除率51.6%, 亚硝态氮55.9%, NLR为1.43 kg·(m³·d)^-1, NRR为0.71 kg·(m³·d)^-1, 当甜菜碱浓度为0.1~0.4 mmol·L^-1时, 均能有效增加盐胁迫下厌氧氨氧化菌的脱氮效能.对于不能合成相容性物质的微生物来说, 其吸收系统至关重要^[28], 因此, 在利用甜菜碱的厌氧氨氧化菌体内应存在一些与相溶性物质高度亲和的转运系统, 以便快速吸收和转化甜菜碱.另外在这一浓度变化内甜菜碱作为有机物也促进了反应器中反硝化菌的生长, 这是由于甜菜碱不但可以作为相容性溶质, 还能作为碳源和能源物质.甜菜碱浓度为0.4~0.5 mmol·L^-1时, NH₄⁺-N去除率下降, 而NO₂^--N去除率还有上升, 此时甜菜碱浓度对厌氧氨氧化菌产生抑制但还是促进反硝化菌的生长.在这一阶段的浓度内, 甜菜碱缓解微生物的耐盐能力存在差异, 这可能是由于不同的微生物积累或转运的相容性溶质不同, 抗渗能力也不同^[29], 厌氧氨氧化菌体内的甜菜碱已经积累到极限, 甜菜碱作为渗透物质不能进一步发挥保持渗透压平衡的作用, 仅仅作为碳源和能量来源来发挥作用^[30].甜菜碱浓度大于0.5 mmol·L^-1后, 添加甜菜碱已无法缓解盐胁迫对反应器脱氮效能的抑制, 且过量的甜菜碱会对反应器产生不利影响, 使得反应器脱氮效能持续降低, 这是因为随着试验的进行高盐环境渐渐抑制分解甜菜碱代谢酶, 从而导致该物质不能作为碳源和能源^[31], 反硝化菌也受到抑制, 最终在甜菜碱浓度0.8 mmol·L^-1时反应器脱氮效能低于未添加甜菜碱时的脱氮效能, 已对反应器产生完全抑制.而在最后的恢复试验中, 随着甜菜碱浓度的降低反应器脱氮效能得到快速恢复, 当下降至0.2 mmol·L^-1时反应器已基本稳定运行, 这说明甜菜碱对反应器的损害是可恢复的.

(1) 在稳定运行的厌氧氨氧化处理高盐废水系统中, 投加甜菜碱对系统脱氮效能有明显的改善作用, 甜菜碱浓度为0.1~0.4 mmol·L^-1时, 添加甜菜碱缓解了盐胁迫对厌氧氨氧化菌生长的抑制; 甜菜碱浓度为0.4~0.5 mmol·L^-1时, 此时甜菜碱浓度对厌氧氨氧化菌产生抑制但还是促进反硝化菌的生长, 还对反应表现为促进作用.甜菜碱浓度大于0.5 mmol·L^-1后, 添加甜菜碱已无法缓解盐胁迫对反应器脱氮效能的抑制, 最终在甜菜碱浓度0.8 mmol·L^-1时反应器脱氮效能低于未添加甜菜碱时的脱氮效能, 已对反应器产生完全抑制.

(2) 本试验条件下, 甜菜碱的添加浓度为0.3 mmol·L^-1浓度时, 反应去除效能达到最佳, 这时NH₄⁺-N和NO₂^--N的去除率分别为71.3%和75.7%, NO₃^--N的平均生成量为8.6 mg·L^-1, NRR达到0.97 kg·(m³·d)^-1, 与0 mmol·L^-1时相比, NH₄⁺-N和NO₂^--N分别提升了16%和32%, NRR提升了26.8%.

(3) 本试验条件下, 在最后的恢复试验中, 随着甜菜碱浓度的降低反应器脱氮效能得到快速恢复, 经过25周期的运行, 在甜菜碱浓度降至0.2 mmol·L^-1时反应器脱氮效能得到恢复, 这说明甜菜碱对反应器的影响是可逆的.