氨氮對厭氧氨氧化過程的抑制規律及調控策略

袁 硯,周 正,林 興,王 凡,李 祥*,顧澄偉,朱 亮(1.蘇州科技大學環境科學與工程學院,江蘇 蘇州 215002；2.蘇州科技大學環境生物技術研究所,江蘇 蘇州 215002)

氨氮對厭氧氨氧化過程的抑制規律及調控策略

袁 硯1,2,周 正1,2,林 興1,2,王 凡1,2,李 祥1,2*,顧澄偉1,2,朱 亮1,2(1.蘇州科技大學環境科學與工程學院,江蘇 蘇州 215002；2.蘇州科技大學環境生物技術研究所,江蘇 蘇州 215002)

氨氮是厭氧氨氧菌主要基質之一,但常常因濃度過高而產生脫氮速率不穩定,甚至微生物活性抑制的現象.為了有效避免氨氮對厭氧氨氧化菌活性的抑制,從抑制物形態、主要影響因素和抑制規律探討了氨氮對厭氧氨氧化菌活性的影響及調控.結果表明,溫度、pH值變化對氨氮、游離氨的形態及濃度變化產生重要影響.在恒定進水氨氮濃度500mg/L的情況下,將抑制狀態下的pH值從7.9下降到7.3,經過44h運行厭氧氨氧化菌活性獲得恢復.在不同進水氨氮濃度下,FA對厭氧氨氧菌活性的半抑制濃度不一樣.半抑制濃度與抑制時間存在一定的曲線關系(y=732.38x-0.89).因此,恒定氨氮濃度的條件下,可以通過改變pH值避免FA對厭氧氨氧化菌活性的影響.在不同進水氨氮濃度下,除了考慮降低pH值,還可以通過縮短HRT來避免FA對厭氧氨氧化菌活性的影響.

厭氧氨氧化；游離氨；半抑制濃度；控制策略

由于厭氧氨氧化反應在廢水生物脫氮過程中顯現出高效的脫氮效能和廉價的處理成本,而受到研究者廣泛關注.近二十年來,研究者們對厭氧氨氧化反應及其功能微生物進行了大量而又深入的研究.結果表明,厭氧氨氧化反應廣泛存在于自然界中,包括:海洋[1]、河流[2-3]、湖泊[4]、濕地[5]等等.只要環境適宜,接種不同性質的活性污泥(普通活性污泥[6]、甲烷化污泥[7]、海洋底泥[8-9]等)均能成功馴化出以厭氧氨氧化反應為主導的厭氧氨氧化污泥.但是研究者在富集培養過程中發現,厭氧氨氧化菌倍增時間較長,生長環境嚴格[10],導致厭氧氨氧化菌的馴化時間較長,嚴重制約著其工程化的運用[11].為了盡可能地縮短馴化時間,研究者對厭氧氨氧化菌反應機理及生長因子(溫度[12-13]、pH[14]、DO[15-16]等等)進行了大量研究,尋求較短時間內盡快地富集更多厭氧氨氧化菌的控制參數,以便快速提高 NH4+-N與NO2--N反應速率.

NH4+-N是廢水中主要的氮素形態,也是厭氧氨氧化菌的主要基質,但是過高的濃度又會對反應的穩定性產生影響,甚至會對生物活性產生完全抑制[14,17].一旦厭氧氨氧化菌活性受到抑制,一般需要較長的時間才能夠得到恢復.雖有眾多研究者發現并報道了過高 NH4+-N對厭氧氨氧化菌產生的抑制現象,但是產生抑制時對應的NH4+-N值相差甚大[17].同時很少考慮溫度、pH值等運行參數與之聯系,導致能夠參考和利用的信息很少.因此本文在眾多研究者所報道現象的基礎之上,剖析NH4+-N對厭氧氨氧化菌生化反應過程影響及調控策略.旨在為今后厭氧氨氧化菌富集及高NH4+-N濃度下厭氧氨氧化反應穩定運行的控制參數選擇及穩定運行提供一點參考.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置與控制條件

圖1 微生物培養裝置Fig.1 A microorganism culture device

實驗裝置采用內徑16cm、有效體積4L的細胞培養罐(INFORS Labfors 3),由圓柱型玻璃制成,如圖1所示.反應器外設有水浴夾套,通過控制循環水的溫度將反應控制在(32±1)℃.反應器內設置DO和ORP電極(METTLER 4800)用于監測反應器內的溶解氧環境;設置 pH 電極(METTLER 405)在線實時監測反應過程中pH的變化,在必要的情況下,通過控制系統自動添加稀HCl(1mol/L)或 NaOH溶液(1mol/L)調節反應器內的 pH環境.反應器頂端設有攪拌裝置,通過控制攪拌速度使得泥水充分混合,有利于反應完全.

1.2 接種污泥

接種污泥為經過 10a培養的厭氧氨氧化顆粒污泥,外觀為鮮艷的紅色,厭氧氨氧化特征明顯.每次實驗的厭氧氨氧化污泥接種量為120mL(量筒內10min沉淀后的體積).厭氧氨氧化污泥接種入反應器前經過超純水清洗3次.

1.3 模擬營養液

營養液的主要成分為NH4+-N(由NH4HCO3按需配制)、NO2--N (由 NaNO2按需配制)、KH2PO427mg/L、 CaCl2·2H2O 92mg/L、MgCl2·7H2O 16.5mg/L,微 量 元 素 濃 縮 液1.25mL/L.微量元素濃縮液組分為:EDTA 5000mg/L, ZnSO4·7H2O 430mg/L, CoCl2·6H2O 240mg/L, CuSO4·5H2O 250mg/L, NaMoO4·2H2O 220mg/L, NiCl2·6H2O 190mg/L, NaSeO4·10H2O 210mg/L, H3BO414mg/L.

1.4 測定方法

分析方法參見《水和廢水檢測分析方法》[18]. NH4+-N:納氏試劑分光光度法;NO2--N 和NO3--N:戴安ICS-900/AS23離子色譜; pH值和ORP由在線監測探頭測定.

1.5 批式實驗方法

將等量的厭氧氨氧化污泥(120mL)分別接種入多組細胞培養罐,控制反應器的進水亞硝酸鹽濃度為 100mg/L,不同進水氨氮濃度(500,1000, 1500,2000,3000,4000,5000mg/L).同時控制反應器內pH值8.0,溫度(32±1)℃,探討不同進水氨氮濃度下,厭氧氨氧化菌活性的抑制情況.

2 結果與討論

2.1 溫度、pH值變化對水中 NH4+、游離氨(Free Ammonium,FA)濃度變化的影響

水中 FA濃度的計算過程如式(1)所示[19],濃度變化除了與所處環境的 NH4+-N濃度有關,同時還與環境中溫度、pH值變化密切關聯.在含有200mg/LNH4+-N的水環境中,pH的變化對FA濃度變化產生巨大的影響(如圖2A所示).當pH為6.5時,FA的濃度為 0.73mg/L;而當 pH上升到10.5時,FA的濃度為235.09mg/L.由此可見,在固定NH4+-N濃度的水環境中,pH對FA濃度的影響幅度相差近百倍,變化范圍主要集中在 pH值為6.5～10.5.厭氧氨氧化反應是一個消耗H+,產生OH-的過程,pH值在厭氧氨氧化反應過程中隨著底物的消耗一直處于不斷上升的狀態[20].一旦控制不好,將會造成厭氧氨氧化過程中 NH4+、FA濃度的巨大波動.溫度對FA的影響趨勢與pH相同,但變化幅度較小.在其他條件不變的條件下,當溫度從20℃上升到40℃時, FA濃度的變化幅度僅相差3倍左右.因此溫度和pH值對水環境中NH4+、FA的濃度變化起著重要作用,其中pH對FA的影響明顯高于溫度和NH4+-N濃度.因此研究 NH4+-N濃度對厭氧氨氧化菌活性影響時,必須考慮到當時環境中pH值的變化.

式中:CFA為FA的濃度,mg/L;CtNH3為總NH4+-N濃度,mg/L; T為溫度,℃.

2.2 NH4+-N存在形態及濃度對厭氧氨氧化反應的影響及解決方法

FA對傳統的生物脫氮反應(亞硝化反應、硝化反應)的影響已經得到研究者的廣泛認同,并且通過控制環境中FA濃度可以很好地實現亞硝化和硝化過程分離[21].厭氧氨氧化作為一個新型的生物脫氮反應,NH4+-N存在形態及濃度對厭氧氨氧化反應的影響也受到廣泛關注.Cema等[22]和 Dapena等[23]通過研究發現,對厭氧氨氧化菌產生抑制的物質不是離子態的 NH4+,而是NH4+所形成的FA.隨后,Jung等[24]發現當進水中FA濃度達到1.7mg/L就會對厭氧氨氧化過程產生抑制,當FA濃度達到32mg/L時厭氧氨氧化反應將會完全終止.

圖2 溫度、pH對FA濃度的影響(A、溫度32℃,NH4+-N濃度 200mg/L;B、pH值8,NH4+-N濃度 200mg/L)Fig.2 Effect of temperature, pH on the concentration of FA (A,the temperature 32℃,the concentration of NH4+-N was 200mg/L; B, pH was 8; the concentration of NH4+-N was 200mg/L)

圖3 相同FA濃度下NH4+-N濃度與pH值變化關系Fig.3 The relationship between the change of concentration of NH4+-N and pH under the same concentration of FA

依據 Jung等[24]和 Jaroszynski等[25]的有關FA對厭氧氨氧化菌活性影響的研究結果,以 pH值為變量,NH4+-N濃度為因變量,繪制出FA濃度2mg/L(設定為出現抑制時濃度)和 35mg/L(設定為完全抑制濃度)的pH值與NH4+-N濃度的關系圖,如圖 3所示.由圖 3可以看出,在不同的進水NH4+-N濃度下,當FA值小于2mg/L,即處于區域(A)時,厭氧氨氧化菌最適宜;而當 FA值大于2mg/L而小于 35mg/L,即處于區域(B)時,厭氧氨氧化菌活性開始出現抑制,并隨著 FA濃度的增加甚至產生完全抑制;而當FA值大于35mg/L,即處于區域(C)時,厭氧氨氧化菌將不適應此時的FA環境.并且從圖 3中可以看出,在同樣的進水NH4+-N濃度下,不同的pH值環境可以將厭氧氨氧化菌對 FA的適應性控制在不同的區域.同樣甚至在較低的 NH4+-N濃度下也會產生抑制厭氧氨氧化菌活性的 FA濃度.同時也說明在保證pH值處于厭氧氨氧化菌活性范圍內,可以通過調控pH值環境來避免FA對厭氧氨氧化的影響.

為了探討高NH4+-N濃度下,通過調節pH能否避免 FA對厭氧氨氧化菌活性的抑制.設定進水NH4+-N濃度500mg/L,NO2--N濃度100mg/L,反應器內pH值恒定在7.9.研究了反應器內厭氧氨氧化菌活性變化,如圖 4所示.隨著進水NH4+-N濃度的提高,NO2--N開始不斷積累.當反應器運行至 68h時,出水 NH4+-N濃度達到472mg/L,而NO2--N濃度累積到79.45mg/L,此時反應器內FA達到33.34mg/L,說明反應器內厭氧氨氧化菌活性產生了抑制.其他條件不變,當反應器運行至72h,僅將反應器內的pH值下降到7.3,此時反應器內的 FA 濃度下降到 8.6mg/L, NH4+-N和NO2--N濃度也開始出現下降.當反應器運行至116h時,出水NH4+-N和NO2--N濃度分別為418.9mg/L和10mg/L,說明通過pH值的調控使得 FA濃度下降后,厭氧氨氧化菌的活性可以得到了恢復.因此通過 pH的調控可以實現厭氧氨氧化處理高NH4+-N濃度廢水.

圖4 FA對厭氧氨氧化反應器脫氮的影響及pH調控Fig.4 effect of FA on nitrogen removal and pH regulate in anammox reactor

2.3 NH4+-N對厭氧氨氧化反應的抑制規律及相應解決方法

目前,在厭氧氨氧化污泥富集培養過程中,可以通過縮短HRT和提高基質濃度的方式提高反應器氮容積負荷.研究者在采用后者富集培養微生物時發現基質濃度過高而導致厭氧氨氧化菌活性受到抑制現象[26].Jaroszynski等[25]通過實驗表明當FA濃度達到2mg/L時就會對厭氧氨氧化菌活性產生影響.Fernández等[27]發現當環境中FA濃度突然達到38mg/L時,厭氧氨氧化菌活性僅被抑制 50%;而將長期處于 FA濃度為 35～40mg/L的環境時,厭氧氨氧化反應會變的極不穩定,反應速率甚至可能降到 0mg/L.Niu等[28]通過重復的抑制和恢復實驗表明FA對厭氧氨氧化菌活性的半抑制濃度為 16～20mg/L.因此,眾多研究者所報道的抑制值不一樣,范圍太大,并將其原因歸咎于生物活性的不同.但是很少有研究者在研究過程中考慮到 pH、溫度等環境變化對 FA濃度的影響,研究過程并未做到環境因子的恒定.也未對抑制規律進一步闡述,因此無法供其他研究者參考.

圖5 不同氨氮濃度對厭氧氨氧化菌活性的影響Fig.5 Effect of different ammonium on Anammox activity

在進水pH值8.0,溫度32℃的條件下研究了高 NH4+-N對厭氧氨氧化活性的抑制,設定進水NO2--N恒定在 104mg/L, NH4+-N初始濃度2000mg/L,如圖5所示.經過9h的運行,反應器內FA濃度150mg/L,出水NO2--N上升到50mg/L以上.說明厭氧氨氧化菌活性受到抑制.在運行的10h,將進水氨氮濃度下降到1000mg/L,隨著反應器內 FA的逐步下降,出水亞硝氮出現明顯的下降.但是隨著反應器持續運行至15h時,出水亞硝酸鹽開始逐步上升,最終又上升到 50mg/L.在反應器運行的 21h,將進水氨氮濃度下降到500mg/L,出水亞硝酸鹽同樣出現下降的現象,最低下降到18.2mg/L,但是隨著運行時間的延長,反應器內的亞硝酸鹽仍然有上升趨勢.說明 FA對厭氧氨氧化菌活性的抑制并沒有一個固定的值.

圖6 不同NH4+-N濃度下FA半抑制濃度與抑制時間的關系(C為進水NH4+-N濃度)Fig.6 relation of half maximal inhibitory concentration of FA to inhibitory time under different NH4+-N concentrations

為此,本實驗在控制溫度,pH值恒定的條件下,采用等量、等性能的厭氧氨氧化污泥,并且以半抑制濃度為參考指標,研究了不同 NH4+-N濃度對厭氧氨氧化菌活性的影響.當厭氧氨氧化菌活性達到半抑制時所對應的FA濃度和所需要的時間(簡稱“抑制時間”)存在明顯差異.隨著進水NH4+-N濃度的增加,出現相同抑制效果時,存在半抑制濃度增大而抑制時間縮短的現象.為此,對數據進行擬合后發現,抑制濃度和出現抑制的時間存在一定的曲線關系:y=732.38x-0.89,R2=0.99,如圖5所知.因此在利用提高NH4+-N濃度方式提高反應器脫氮效能或者利用厭氧氨氧化處理高NH4+-N廢水時,遇到水質波動較大的情況,除了通過降低pH值的方法降低反應器內的FA,同時可考慮相應縮短高 NH4+-N濃度與厭氧氨氧化菌的接觸時間,避免厭氧氨氧化菌活性的抑制.

3 結論

3.1 pH值和溫度是影響水中NH4+-N和FA形態和濃度的重要影響因素,但是 pH值的影響大于溫度.

3.2 在恒定進水NH4+-N濃度500mg/L的條件下,將pH值從7.9降低到7.3,可以避免FA對厭氧氨氧化菌活性的影響.因此通過 pH調節可實現高含氨廢水的厭氧氨氧化脫氮處理.

3.3 不同進水NH4+-N濃度下,厭氧氨氧化菌活性達到半抑制狀態所對應的FA濃度和時間不同,并呈現良好的曲線關系.因此當反應器內氨氮濃度增高時,除了通過降低pH值避免FA對厭氧氨氧化活性的影響,還需要縮短厭氧氨氧化污泥與基質的接觸時間.

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Inhibiting regularity and control strategy of NH4+-N on ANAMMOX Process.

YUAN Yan1,2, ZHOU Zheng1,2, LIN Xin1,2, WANG Fan1,2, LI Xiang1,2*, GU Chen-wei1,2, ZHU Liang1,2(1.School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 2150l1, China). China Environmental Science, 2017,37(9)：3309～3314

NH4+-N was one of the important substrate for ANAMMOX bacteria. But instable nitrogen removal process often occurred and microbial activity even had inhibited by using ANAMMOX bacteria, because of high substrate concentration. In order to effectively avoid NH4+-N inhibition to anammox bacteria activity, the effect of NH4+-N on the activity of anammox bacteria was analysis by inhibitor morphology, main influence factors and inhibiting regularity. The results showed that temperature and pH were important impact on morphology and concentration changes between NH4+-N and FA. The ANAMMOX activity was recovered after 44h operation when the pH was decreased from 7.9 to 7.3under the influent concentration of NH4+-N was fixed at 500mg/L. Half maximal inhibitory concentration (IC50) of FA on ANAMMOX was different when the influent concentration of NH4+-N was variety. IC50of FA and inhibitory time under different NH4+-N concentrations have relationship (y=732.38x-0.89). Thus, we avoided the effect of FA on activity of anammox bacteria by changing the pH when the influent concentration of NH4+-N was constant. Besides pH decreased, HRT can also be shortened to avoid the effect of FA on activity of ANAMMOX bacteria, when the influent concentration of NH4+-N was fluctuate.

Anammox；free ammonium；half maximal inhibitory concentration；control Strategy

X703.1

A

1000-6923(2017)09-3309-06

2017-01-09

國家重點研發計劃(2016YFC0401103);國家自然科學基金項目(51478284,51408387);江蘇省特色優勢學科二期項目;江蘇省水處理技術與材料協同創新中心項目;蘇州市分離凈化材料與技術重點實驗室(SZS201512)

* 責任作者, 實驗師, lixiang@mail.usts.edu.cn

袁 硯(1983-),女,四川瀘州人,碩士,實驗師,主要研究方向為廢水脫氮處理理論及新工藝.發表論文10余篇.