2020, Vol. 41
2. 北京城市排水集团有限责任公司科技研发中心, 北京 100022
2. Research and Development Center of Beijing Drainage Group Corporation, Beijing 100022, China
对于城市污水的处理, 我国多采用传统的硝化反硝化工艺来去除水中的氮元素.但是, 由于城市污水碳氮比不高, 碳源有限, 所以往往需要额外添加碳源来完成反硝化反应, 确保出水氮素达标排放, 这增加了处理成本[1].因此, 开发更为经济高效的生物脱氮工艺具有重要意义.
近年来, 国内外学者提出的短程硝化-厌氧氨氧化新型生物脱氮工艺受到广泛关注.该工艺主要分为两个阶段, 第一个阶段是在好氧条件下, 利用硝态氮氧化菌(AOB)将部分NH4+氧化为NO2-, 并且抑制亚硝态氮氧化菌的活性, 使其无法将NO2-氧化为NO3-, 实现短程硝化；第二个阶段是在缺氧条件下利用厌氧氨氧化菌使水中的NH4+和NO2-发生反应生成N2, 完成脱氮[2~5].该工艺具有节省曝气能耗、无需投加外碳源、污泥产量少等优点[6, 7].
其中, 实现短程硝化的关键是抑制NOB, 使得AOB成为硝化菌群的优势菌种[8, 9].目前已知的NOB主要是由4类菌属构成[10]:硝化杆菌属(Nitrobacter), 硝化球菌属(Nitrococuus), 硝化刺菌属(Nitrospina)和硝化螺菌属(Nitrospira).有研究表明, Nitrobacter和Nitrospira是污水处理系统中最为常见NOB菌属[11].已知抑制NOB的策略有很多, 比如控制pH[12]、低氧曝气[13]、间歇曝气[14]、缩短污泥龄[15]、升高温度[16]和投加抑制剂(如游离氨[17~19]、游离亚硝酸[20~22]、羟胺[23]等).其中羟胺作为硝化过程和厌氧氨氧化2个过程的中间产物, 既可以有效抑制NOB, 又不会造成二次污染, 还可以提高ANAMMOX的活性, 是一种高效的实现短程硝化的方法[23~26].目前, 现有的研究多集中于羟胺对于整个活性污泥系统的影响, 而污水处理厂污泥中NOB占细菌总数比例一般低于5%, 采用此类污泥研究NOB的性质容易影响试验结果的可靠性和稳定性, 采用NOB富集程度较高的污泥能够获得更加准确的试验结论.研究羟胺对此类污泥活性的影响还鲜见报道.
本文分别以人工富集的Nitrobacter和Nitrospira为优势菌种的NOB菌群作为研究对象, 采用批次试验研究了相同pH、不同羟胺浓度梯度和相同羟胺浓度、不同pH梯度条件下, 羟胺对于NOB活性的抑制效果并进行了分析, 旨在为短程硝化技术的工程应用提供理论支持.
1 材料与方法 1.1 污泥来源本试验所用污泥取自两个稳定运行的SBR1和SBR2反应器, 通过长期对NOB的富集培养, SBR1污泥中NOB占总菌含量的42.42%, 其中Nitrobacter相对丰度为42.23%, Nitrospira相对丰度为0.19%；SBR2污泥中NOB占总菌含量的17.17%, 其中Nitrobacter相对丰度为0.3%, Nitrospira相对丰度为16.87%.两个SBR反应器的运行条件见表 1.
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表 1 SRB1和SBR2的运行条件 Table 1 Operating conditions of SRB1 and SBR2 |
两个SBR反应器的基础培养液(g·L-1): NaHCO3 0.4, K2HPO4 1和KH2PO4 1；微量元素溶液(g·L-1): EDTA·2Na 1.592, FeClO3·6H2O 1.25, ZnSO4·7H2O 0.55, CoCl2·6H2O 0.40, MgSO4·7H2O 44.4, MnCl2·4H2O 1.275, CuSO4·5H2O 0.40, CaCl2·2H2O 1.375和Na2MoO4·2H2O 0.05.
1.2 羟胺对NOB活性影响的批次试验批次试验分别以两个SBR反应器内的活性污泥为研究对象, 使温度恒定为25℃, 通过设定不同pH梯度、羟胺浓度梯度, 分别考察pH和羟胺浓度对Nitrobacter及Nitrospira活性的影响.批次试验的具体方案见表 2和表 3.每次试验的具体操作步骤为：①洗泥.取SBR1污泥100 mL或SBR2污泥500 mL, 使用蒸馏水将试验用泥清洗3次, 然后用蒸馏水定容到600 mL；②矫正仪器.活性污泥呼吸仪进行仪器零点与高点校正：零点校正采用Na2SO3, 高点校正饱和溶解氧, WTW采用两点法进行矫正; ③恢复活性.加1 mL微量元素, 3.5 mL基础培养液, 2g·L-1亚硝酸盐200 μL, 反应1 h, 期间不断进行曝气, 使溶解氧达到饱和; ④检测.向每个检测瓶中加入20 mL混合均匀的活性污泥, 根据试验方案加入底物并且调节pH, 立即测量, 待反应进行5 min后停止测量, 截取一段直线计算斜率, 得到活性污泥耗氧速率; ⑤测量污泥浓度.将上述100 mL活性污泥用直径为12.5 cm的定量滤纸过滤后放在105℃的烘箱中烘干到重量恒定, 称出重量换算成单位容积混合液内所含有的活性污泥固体物总重量即为MLSS.⑥计算比耗氧速率(以O2/SS计).计算如公式(1)所示.
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(1) |
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表 2 相同羟胺浓度、不同pH对两种NOB活性影响的试验条件1) Table 2 Test conditions for the effects of the same hydroxylamine concentration and different pH on the activity of Nitrobacter and Nitrospira |
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表 3 相同pH、不同羟胺浓度对两种NOB活性影响的试验条件1) Table 3 Test conditions for the effects of the same pH and different hydroxylamine concentrations on the activity of Nitrobacter and Nitrospira |
式中, SOURt为试验组/对照组耗氧呼吸速率值；SOUR0为空白值.
1.3 检测及分析方法批次试验均采用Strathtox活性污泥呼吸仪来检测NOB耗氧速率的变化, 并以此来表征NOB的细胞活性.混合液悬浮固体浓度(MLSS)采用国家标准方法测定, pH值通过WTW-Multi3420检测.
1.4 NOB生长动力学模型NOB生长速率动力学模型用来模拟DO、FA和FNA对硝化细菌生长速率的影响, 动力学模型如公式(2)所示：
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(2) |
式中, μ为NOB的比生长速率(d-1)；μmax为最大比生长速率(d-1)；[DO]为溶解氧的浓度(mg·L-1)；KS, DO为氧半饱和常数(mg·L-1)；[FNA]为游离亚硝酸的浓度(mg·L-1)；KS, FNA为底物半饱和常数(mg·L-1)；KI, FNA为FNA对NOB的底物抑制常数(mg·L-1)；[FA]为游离氨的浓度(mg·L-1)；KI, FA为FA对NOB的非底物抑制常数(mg·L-1).本试验中氧半饱和常数KS, DO取1.75 mg·L-1, 底物半饱和常数KS, FNA取0.008 mg·L-1, FNA抑制常数KI, FNA取0.45 mg·L-1, 且由于溶解氧浓度基本饱和, 达到8 mg·L-1, 亚硝酸盐浓度(20 mg·L-1)较低且恒定, FNA的值远小于KI, FNA, 所以公式(2)可以简化为：
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(3) |
将试验组的比耗氧速率与对照组的比耗氧速率相除, 采用百分数来表征NOB的相对活性.图 1显示了Nitrobacter相对活性随溶液pH的变化情况.从中可以看出, 羟胺浓度一定时(HA=5mg·L-1), Nitrobacter的相对活性大致随着pH的升高而降低.当pH≤7.0时, 相对活性＞100%, 试验组耗氧速率大于对照组耗氧速率, 即5mg·L-1的羟胺浓度对Nitrobacter的活性有促进作用；当pH≥7.5时, 相对活性＜100%, 对照组耗氧速率大于试验组耗氧速率, 即5 mg·L-1的羟胺浓度会抑制Nitrobacter的活性.李佳等[23]在pH为7.5的条件下, 通过向采用PNA工艺的SBR反应器中投加4.5mg·L-1的羟胺成功实现了对NOB的抑制和淘洗, 恢复了短程硝化.Li等[27]则在pH=7.4的条件下, 通过向全程硝化SBR反应器中投加5 mg·L-1羟胺使亚硝酸盐积累率达到90%以上, 快速实现了短程硝化反应.陈佼等[28]发现相同羟胺浓度下, 较高的pH环境能够获得更高的亚硝酸盐积累率, 当pH为8.1~8.4时, 亚硝酸盐积累率最高.以上结果支持了较高pH条件下, 羟胺对于NOB有更好的抑制效果的结论.本试验中较低pH条件下(pH≤7.0)投加羟胺(HA=5mg·L-1)对Nitrobacter活性产生促进的现象, 还鲜见报道.由于空白组1和空白组2的比耗氧速率相近, 所以在没有亚硝态氮存在的条件下, Nitrobacter不会直接利用羟胺.Wang等[29]认为羟胺在水溶液中存在两种形态, 即游离羟胺(FHA)和离子态羟胺(NH3OH+), 并且pH会影响两种形态的羟胺在水溶液中的浓度.羟胺在水溶液中存在如下平衡关系：
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图 1 pH对Nitrobacter相对活性的影响 Fig. 1 Effect of pH on the relative activity of Nitrobacter |
可以看出, 当pH值升高时, 平衡向左移动, 水中游离羟胺的量增多；pH值降低时, 平衡向右移动, 水中离子态羟胺的量增多.Yang等[30]指出游离羟胺具有穿透NOB细胞膜的能力, 对亚硝酸盐氧化还原酶的活性产生抑制作用, 从而抑制NOB的硝化活性.所以推测羟胺对Nitrobacter活性的影响可能和水中离子态羟胺和游离羟胺的浓度有关.游离羟胺会对Nitrobacter造成抑制, 离子态羟胺和亚硝酸盐同时存在时则会促进Nitrobacter的活性.但是目前还缺乏相应的研究, 需要进一步地证明和分析.
2.1.2 羟胺浓度的影响为了进一步探究羟胺对Nitrobacter活性的影响, 进行了第二组试验, 即使溶液pH保持恒定, 改变羟胺的浓度, 观察Nitrobacter相对活性的变化.图 2(a)是pH=6时Nitrobacter相对活性随羟胺浓度变化的关系, 从中可以看出Nitrobacter的相对活性随着羟胺的投加量增多而降低, 并且相对活性均大于100%, 均表现为促进作用.图 2(b)显示了pH=7.5时NOB相对活性和羟胺浓度之间的关系, 可以看到NOB活性的变化趋势和pH=6条件下的变化趋势相似, 同样和羟胺投加量呈负相关, 但是pH=7.5时, 羟胺对Nitrobacter活性的影响表现为抑制.进一步分析, 当pH=6, HA=90mg·L-1时, Nitrobacter相对活性为104%；当pH=7.5, 羟胺浓度为5mg·L-1, 即表现出抑制作用, Nitrobacter相对活性为95%；羟胺浓度达到40mg·L-1时, Nitrobacter相对活性降低到63%.由此可见, 当溶液pH一定时, 羟胺浓度虽然在一定程度上与Nitrobacter的活性呈负相关关系, 但是其并不是影响Nitrobacter活性的主要因素和唯一因素, 溶液pH会显著影响羟胺对Nitrobacter活性抑制作用的大小.
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图 2 pH=6和pH=7.5条件下羟胺浓度对Nitrobacter相对活性的影响 Fig. 2 Effect of hydroxylamine concentration on the relative activity of Nitrobacter under pH=6 and pH=7.5 |
图 3显示了相同羟胺浓度下(HA=5mg·L-1), Nitrospira相对活性随pH值的变化情况.可以看出随着pH的升高, Nitrospira的相对活性并没有发生太大变化, 基本保持在90%以上, 这表明在5 mg·L-1羟胺条件下, 改变溶液pH对Nitrospira活性的影响较小.图 4为溶液pH=7.5条件下羟胺浓度和Nitrospira相对活性的关系, 从中可知, 随着羟胺浓度的增加, Nitrospira活性呈逐渐下降趋势, 但是降幅较小, 当HA=5mg·L-1时, Nitrospira相对的活性为96%, 当HA=45 mg·L-1时, Nitrospira的相对活性为82%, 这表明在一定羟胺浓度范围内(5~45mg·L-1), 羟胺对Nitrospira的抑制效果并不显著.Harper等[31]通过向两个FBBR反应器中分别投加20mg·L-1和40mg·L-1羟胺发现, amoA和nxrA的丰度没有太大变化, 这可能是因为Nitrospira是系统中主要的NOB菌种.而Li等[27]通过长期向稳定运行的全程硝化SBR反应器中投加羟胺, 发现活性污泥中Nitrospira的相对丰度下降明显, 这可能是由于所用富含NOB的污泥在生长环境、污泥浓度、功能菌丰度等方面存在差异造成的.此外, 有研究者认为Nitrospira在活性污泥系统中为K-策略者[32~34], 具有较强的对不良环境的抵御能力, 可能造成羟胺在短时间内(t < 5 min)对Nitrospira的抑制作用不大.
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图 3 pH对Nitrospira相对活性的影响 Fig. 3 Effect of pH on the relative activity of Nitrospira |
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图 4 pH=7.5条件下羟胺浓度对Nitrospira相对活性的影响 Fig. 4 Effect of hydroxylamine concentration on the relative activity of Nitrospira under pH=7.5 |
Noophan等[35]提出一种羟胺电离计算式, 公式如下：
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(4) |
式中, FHA为游离羟胺的浓度(mg·L-1)；Total Hydroxylamine为总羟胺浓度(mg·L-1)；[H+]为水中氢离子浓度(mg·L-1).可见游离羟胺浓度和溶液pH的大小成正比关系, 总羟胺恒定条件下, 当pH降低时, 水中离子态羟胺增多, 游离羟胺减少；当pH升高时, 水中游离羟胺增多, 离子态羟胺减少.
根据本试验结果, 推测羟胺对Nitrobacter和Nitrospira活性的影响可能与水中游离羟胺的浓度密切相关.将pH值和羟胺浓度代入公式(4)得出每个反应条件下水中游离羟胺的浓度, pH、羟胺浓度和FHA的三维散点图如图 5所示. 由于羟胺是亚硝化过程的中间产物[25], 所以用FHA来代替公式(3)中的FA, 采用NOB生长动力学模型(3)对Nitrobacter活性和FHA浓度进行拟合；Park等[36]认为FA不是NOB的基质底物, 可以采用线性分析法进行拟合, 故对Nitrospira活性和FHA浓度直接线性拟合.拟合结果如图 6所示.两条拟合曲线的可决系数R2分别为0.90和0.94.可以得出, 曲线拟合程度较好, 所以水中FHA的浓度与Nitrobacter和Nitrospira的活性有直接联系, FHA可能是造成Nitrobacter和Nitrospira被抑制的主要因素.
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图 5 pH、羟胺浓度和FHA的三维散点图 Fig. 5 Three-dimensional scatter plot of pH, hydroxylamine concentration, and FHA |
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图 6 游离羟胺对NOB相对活性的影响 Fig. 6 Effect of free hydroxylamine on the relative activity of NOB |
(1) 溶液pH会显著影响羟胺对Nitrobacter抑制作用的大小, 当羟胺浓度一定时(HA=5mg·L-1), 随着pH的升高, Nitrobacter相对活性逐渐下降, 高pH条件(≥7.5)有利于提高羟胺对Nitrobacter活性的抑制效果, 低pH条件(≤7)不利于实现羟胺对Nitrobacter活性的抑制；羟胺浓度的大小可能不是造成Nitrobacter被抑制的主要原因.
(2) 羟胺浓度一定时(HA=5mg·L-1), 溶液pH不会显著影响羟胺对Nitrospira抑制作用的大小, 且羟胺在一定浓度范围内(HA为5~45mg·L-1)对Nitrospira抑制作用不明显, 抑制效果随羟胺浓度的增加变化较小.
(3) 分别基于NOB生长动力学模型和非底物线性方程对FHA作为 Nitrobacter和Nitrospira抑制剂进行拟合分析发现, 游离羟胺与Nitrobacter和Nitrospira的相对活性具有良好的相关性, FHA可能是造成Nitrobacter和Nitrospira被抑制的主要因素.
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