厭氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation, ANAMMOX)工藝因其成本低、效率高引起人們的廣泛關注.與傳統硝化反硝化工藝相比, ANAMMOX工藝無需氧氣和外加碳源, 并且污泥產量低.然而許多廢水如水產加工廢水、畜禽養殖廢水等都含有高濃度的氮和化學需氧量(COD), 這意味著單一ANAMMOX過程很難有效地處理廢水.目前, 人們對厭氧氨氧化耦合反硝化工藝(SAD)的研究興趣越來越濃厚.在有機碳存在的環境中, 厭氧氨氧化與反硝化反應能同步發生且相互促進. ANAMMOX菌(AnAOB)與反硝化菌(HDB)的協同作用可以同時去除有機物和氨氮.另外, SAD工藝還可以解決傳統生物脫氮工藝外碳源不足的問題.

　　當前由于淡水資源短缺且水質下降, 海水的應用越來越受到人們的廣泛關注, 尤其是在沿海地區.制革廠、食品、紡織工業以及漁業也都排放高鹽度的廢水, 這不可避免地產生了大量的含鹽廢水.鹽度對微生物代謝、污染物去除以及污泥沉降等方面均會產生負面影響.微生物在高鹽度條件下可以通過“相容性溶質”策略來調節滲透壓以適應高鹽環境.同時, 細胞內處于高離子強度時, 相容性溶質還可以作為蛋白質的穩定劑.

　　海藻糖作為一種相容性溶質可以調節微生物滲透壓, 添加海藻糖強化SAD工藝處理高鹽廢水鮮見報道.本研究通過按濃度梯度逐步提高海藻糖濃度, 探討了海藻糖對SAD工藝處理高鹽水脫氮除碳效能的影響, 并利用動力學分析了反應穩定運行的相關策略, 以期為強化SAD工藝處理高鹽廢水提供理論依據.

　　1 材料與方法1.1 實驗裝置

　　本實驗所采用的SBR反應器如圖 1所示.反應器是雙層結構, 由有機玻璃制成, 有效容積為7 L, 其溫度通過外室水循環控制在(35±0.5)℃.反應器用黑布包裹, 以防止光營養微生物的生長.該反應器運行一個周期包括進水0.5 h, 厭氧攪拌反應6 h, 污泥沉淀0.5 h和出水排水0.5 h.進水pH通過添加1 mol ·L-1的NaOH或HCl控制在7.4±0.2.海藻糖按濃度梯度0~0.6 mmol ·L-1逐步添加, 實驗采用人工配制的模擬廢水, 經高純N2吹脫10 min以保持厭氧狀態.

　　圖 1

1.取樣口及進出水口; 2.攪拌; 3.儲水箱; 4.水浴進出水口; 5.水浴恒溫控制器; 6.進水蠕動泵圖 1 厭氧氨氧化耦合反硝化裝置示意 

　　1.2 接種污泥和實驗廢水

　　在本研究之前, 反應器已經運行了兩年多, 具有長期穩定的脫氮性能.混合液懸浮固體(MLSS)的濃度和污泥沉降比(SV)分別為11.48 g ·L-1、11%.本實驗采用的合成廢水是由實際海水制備而來的.廢水的鹽度為32 g ·L-1, NH4+-N、NO2--N和COD分別由NH4Cl、NaNO2以及葡萄糖按進水80、160和214 mg ·L-1提供.實驗所采用的合成廢水成分為(g ·L-1): KH2PO4 0.029、CaCl2 ·2H2O 0.136、KHCO3 1.4、MgSO4 ·7H2O 0.06, 微量元素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.

　　1.3 分析項目和方法

　　根據標準方法分析了NH4+-N、NO2--N、NO3--N和COD的濃度.污泥體積指數(SVI)和污泥沉降比(SV)也是基于標準方法進行測量的.對每個水樣測3次取平均值. pH值: WTW pH/Oxi 340i;溫度:水銀溫度計; 總氮去除速率(TNRR)和總氮去除率根據三氮進出水濃度和水力停留時間(HRT)得出, 如式(1)和(2)所示.

(1) (2)

　　式中, HRT為水力停留時間(HRT=6 h, 采樣間隔t=0.5 h), cinf為進水總氮濃度(mg ·L-1); ceff為出水總氮濃度(mg ·L-1).

　　厭氧氨氧化脫氮貢獻率和反硝化脫氮貢獻率如式(3)和(4)所示:

(3) (4)

　　式中, 下標中ana、den、rem、inf、eff分別代表厭氧氨氧化、反硝化、去除率、進水和出水. NH4+、NO2-和NO3-的濃度以N(mg ·L-1)表示.

　　1.4 動力學模型

　　Haldane模型被用來描述硝化過程中基質抑制. Ewards模型用來描述高濃度基質濃度抑制微生物的生長. Aiba模型用來描述乙醇發酵過程中產物的抑制作用. Luong模型用來描述丁醇抑制酵母的生長過程. Haldane模型和Aiba模型目前被廣泛應用于擬合ANAMMOX反應器的基質抑制動力學特性.在本研究中, 這4個模型用于描述海藻糖添加對SAD處理高鹽廢水脫氮過程影響的動力學特性.

　　(1) Haldane模型

(5)

　　式中, NRRmax為最大基質轉化速率, kg ·(m3 ·d)-1; S為出水基質濃度, mg ·L-1; KS為半飽和常數, mg ·L-1; KIH為Haldane動力學常數, mg ·L-1.

　　(2) Ewards模型

(6)

　　式中, KIE為動力學Ewards常數, mg ·L-1.

　　(3) Aiba模型

(7)

　　式中, KIA為Luong動力學常數, mg ·L-1.

　　(4) Luong模型

(8)

　　式中, Sm為微生物凈生長停止時的最大基質濃度, mg ·L-1; n為Luong動力學常數, mg ·L-1.

　　對于單周期內基質降解過程動力學模型, 不同的數學動力學模型運用于不同的生物反應器.修正的Logistic模型、修正的Boltzman模型和修正的Gompertz模型適合描述SBR反應器中ANAMMOX單周期內基質的降解過程.

　　(5) 修正的Logistic模型

(9)

　　把式(9)與式(2)合并:

(10)

　　式中, NRE為總氮去除率(%); NREmax為最大總氮去除率(%); Rmax為最大總氮去除速率(% ·h-1); λ為延遲時間(h); t為反應時間(h).

　　(6) 修正的Boltzman模型

(11)

　　把式(11)與式(2)合并:

(12)

　　式中, NREmin為最小總氮去除率(%); tc為1/2 NREmax時所對應的時間(h); td為時間常數(h).

　　(7) 修正的Gompertz模型

(13)

　　把式(13)與式(2)合并:

(14)

　　2 結果與討論2.1 長期添加海藻糖對SAD脫氮除碳效能的影響

　　海藻糖強化作用下的NH4+-N、NO2--N和NO3--N進出水濃度如圖 2(a)所示.當海藻糖濃度≤0.25mmol ·L-1, 出水NH4+-N和出水NO2--N逐漸下降到0 mg ·L-1, NH4+-N和NO2--N去除率逐漸上升并最終達到100%.與沒有添加海藻糖時相比, NH4+-N、NO2--N和總氮去除率分別提高了50%、43%和46%.在海藻糖濃度分別為0.05、0.1、0.15、0.2和0.25 mmol ·L-1時, 平均COD去除率分別為56.87%、68.03%、75.57%、87.00%和95.95%.以上結果表明0.25 mmol ·L-1海藻糖對于SAD工藝處理高鹽廢水效能的提高是最有效的, 反應器的脫氮效能最佳. Vyrides等[21]報道添加K+對緩解鹽度抑制有積極的作用, 然而其效用相對于添加甜菜堿處于劣勢.然而海藻糖濃度為0.5mmol ·L-1時, 平均出水NH4+-N濃度為33.25 mg ·L-1, 此時NH4+-N平均去除率為58.82%, 高于沒有添加海藻糖時NH4+-N平均去除率(50.38%), 去除率高出8.44%.這一結果表明0.5 mmol ·L-1海藻糖還未對ANAMMOX產生抑制作用.馬春研究了在NaCl為10 g ·L-1條件下添加1mmol ·L-1甜菜堿出水NH4+-N和NO2--N減少.這一結果與本研究一致, 通過投加適量的海藻糖對于強化促進ANAMMOX和反硝化的協同作用是有效的.

　　圖 2

(a)NH4+-N、NO2--N和NO3--N進出水濃度; (b)厭氧氨氧化與反硝化對氮去除的貢獻率; (c)NH4+-N、NO2--N和COD負荷以及去除速率(d)化學計量比圖 2 不同海藻糖濃度下SAD的性能

　　ANAMMOX和反硝化脫氮貢獻率的變化規律如圖 2(b)所示.當海藻糖在0~0.15 mmol ·L-1時, ANAMMOX脫氮貢獻率在50%左右波動, 平均脫氮貢獻率為53.01%, 與此同時, 反硝化脫氮貢獻率跟ANAMMOX的變化趨勢一致, 其平均脫氮貢獻率為46.99%.此階段平均COD去除率為64%.此階段ANAMMOX與反硝化表現出良好的脫氮除碳的協同作用.當海藻糖濃度大于0.3 mmol ·L-1時, 反硝化脫氮貢獻率大于ANAMMOX脫氮貢獻率.當海藻糖濃度為0.5 mmol ·L-1時, 反硝化脫氮貢獻率在57.94%~66.58%之間, ANAMMOX脫氮貢獻率在33.42%~42.46%之間, 此時反硝化成為耦合反應中的主導反應.有報道指出海藻糖能夠被生物降解, 當海藻糖添加濃度超過ANAMMOX作為滲透調節劑的吸收濃度范圍時, 多余的海藻糖反而會充當HDB的有機碳源.隨著海藻糖的添加, 有機負荷(OLR)增加, AnAOB的活性降低而HDB的活性得到提升, 因而反硝化成為耦合反應中的主導反應.具體聯系污水寶或參見http://www.xhxdt.com更多相關技術文檔。

　　NH4+-N去除速率(ARR)、NO2--N去除速率(NRR)、COD去除速率(ORR)的變化趨勢如圖 2(c)所示. ARR逐漸增加直到海藻糖濃度為0.25 mmol ·L-1, 此時平均ARR為0.29 kg ·(m3 ·d)-1, 在海藻糖濃度大于0.25 mmol ·L-1開始下降, 在濃度為0.5 mmol ·L-1時ARR為0.19 kg ·(m3 ·d)-1, 仍然高于沒有添加海藻糖時ARR的值[0.16 kg ·(m3 ·d)-1]在最適濃度(0.25 mmol ·L-1)海藻糖添加下, ARR提高了81.25%, 0.5 mmol ·L-1海藻糖對ANAMMOX沒有產生抑制作用. NRR隨著海藻糖的添加而升高, 在0.25 mmol ·L-1時達到最大值[0.63 kg ·(m3 ·d)-1], 隨后保持穩定. ORR隨著海藻糖的添加而增加.與沒有添加海藻糖相比, NRR提高了75%. Liu等[28]報道添加1 mmol ·L-1甜菜堿ANAMMOX反應中NRR和總氮去除率高于沒有添加相容性溶質的值, 此外甜菜堿添加可以顯著減少ANAMMOX在高鹽條件下的馴化時間.這與Cyplik等的研究結果相似, 該結果發現添加1 mmol ·L-1的四氫嘧啶能夠加快反硝化反應進程.以上結果表明海藻糖能夠促進ANAMMOX反應速率和反硝化反應速率.

　　ΔNO2--N/ΔNH4+-N(Ra)和ΔNO3--N/ΔNH4+-N(Rb)的變化趨勢如圖 2(d)所示.隨著海藻糖的添加, Rb在整個反應過程基本穩定, 而Ra在整個反應過程中波動變化.文獻[1]報道ANAMMOX反應ΔNO2--N/ΔNH4+-N和ΔNO3--N/ΔNH4+-N理論值分別為1.32和0.26. Ra和Rb分別高于和低于理論值.其原因可能是由于抑制條件下, 細胞的裂解會導致有機物和過量的氨釋放, 隨后反硝化會利用這一過程中產生的有機物質作為電子供體, 使得硝酸鹽和亞硝酸鹽減少.

　　2.2 海藻糖對SAD典型周期內脫氮除碳效能的影響

　　典型單周期內氮和COD去除如圖 3所示.當海藻糖濃度為0.05 mmol ·L-1時, NH4+-N、NO2--N和COD濃度隨反應時間逐漸遞減, NO3--N呈現微小的變化最后接近于0 mg ·L-1. NO2--N的轉化和COD的降解變化幾乎表現為同步.這一結果表明AnAOB和HDB菌具有良好的活性. pH值從7.44升高到8.03.海藻糖濃度為0.25 mmol ·L-1時, NH4+-N, NO2--N和COD在反應時間為5 h時幾乎被完全去除.這一結果表明0.25 mmol ·L-1海藻糖為SAD處理高鹽廢水最適添加濃度. pH值從7.32升高到7.86.海藻糖濃度為0.4mmol ·L-1時, NO2--N和COD在反應時間為4 h完全去除, NH4+-N濃度隨著反應時間逐漸減少, 在反應時間6 h末, 出水NH4+-N濃度為22.95 mg ·L-1. pH值從7.38升高到8.06而后又降低到7.7.海藻糖濃度為0.5 mmol ·L-1時, NO2--N和COD在反應時間為3.5 h時完全去除, 而NH4+-N在反應時間為3.5 h時減少到32.12 mg ·L-1, 在反應周期末卻又升高到37.77 mg ·L-1. pH值從7.32升高到8.02, 隨后又降到7.55.

　　圖 3

圖 3 不同海藻糖濃度下典型周期內氮去除過程

　　當海藻糖濃度為0.4 mmol ·L-1和0.5 mmol ·L-1時, 單周期內pH值均出現了先升高然后在反應時間3.5 h后下降的現象. NO2--N消耗盡的點剛好為pH下降的點, NO2--N消耗盡時, ANAMMOX和反硝化反應停止, pH下降可能是由于NH4+和游離氨(FA)之間的化學平衡導致, OH-消耗使得反應器內pH值下降.另外, FA的形成會在一定程度上抑制ANAMMOX過程, 從而使得pH下降. ANAMMOX由于沒有NO2--N可利用, 使得反應器內的剩余NH4+-N不能被完全轉化.出現上升的原因可能是因為SBR系統中存在其他形式的氮轉化反應.文獻報道稱AnAOB能夠表現出異化作用即揮發性脂肪酸(VFA)氧化以硝酸鹽作為中間產物將NO2--N轉化為NH4+-N(DNRA).在批次實驗中, 富集的ANAMMOX和自養菌可以表現出高效率的DNRA耦合ANAMMOX反應, 從而使得NH4+-N濃度上升.

　　本研究發現單周期內ΔpH和COD之間存在良好的線性關系(ΔpH=0.001 8COD-0.0486, R2=0.9921).這一結果與Li等的研究相似.有報道指出, ANAMMOX更適應中性的pH條件.高濃度海藻糖抑制了ANAMMOX的活性, 一方面是由于海藻糖的降解使得反應器內有機碳源增加, 從而使得HDB活性提高, 在基質NO2--N的競爭中處于優勢地位.另一方面, 高濃度海藻糖使得反應器內pH值升高, 這在一定程度也抑制了ANAMMOX的活性.

　　2.3 動力學分析

　　出水基質濃度可作為評價反應器脫氮效能的一個重要的因素.在本研究中Haldane模型、Ewards模型、Aiba模型和Luong模型被用來擬合SAD脫氮過程動力學特性.模型擬合得到的結果如圖 4所示. 4個模型均具有較高的R2, 這一結果顯示4個模型均適合描述海藻糖添加條件下SAD處理高鹽廢水脫氮過程.從4個模型擬合的結果中可以得到最大基質轉化速率的值, 但其相對誤差各不相同. Haldane模型、Ewards模型、Aiba模型所得到的NRRmax的相對誤差分別為27.94%、14.97%和9.09%, 而Luong模型得到的相對誤差僅為4.15%, 這一結果表明Luong模型跟其他3個模型相比最適合描述海藻糖添加條件下SAD處理高鹽廢水的脫氮過程. Luong模型擬合所得到的各參數NRRmax、KS、Sm和n分別為0.954 kg ·(m3 ·d)-1、0 mg ·L-1、184.785 mg ·L-1和0.718.以上參數的獲取為反應器的管理和控制, 以及反應器脫氮性能的分析等提供了較好的參考價值.

　　圖 4

圖 4 海藻糖添加下SAD全過程脫氮過程動力學模型曲線

　　采用修正的Logistic模型、修正的Boltzman模型和修正的Gompertz模型對典型周期內的氮去除表現進行擬合, 擬合結果如圖 5和表 1所示. 3個模型所得到的預測值與實驗值之間的對比如表 2所示.對比3個模型所得到的參數, 均具有較高的R2.修正的Gompertz模型擬合得到的R2值的平均值比其他2個模型都高. 3個模型擬合得到的NREmax均接近于實驗值.修正的Gompertz模型得到的預測值與實驗值最為貼近.以上結果表明修正的Gompertz模型更適合描述海藻糖添加條件下單周期內基質的降解過程. Zhu等用再次修正的Logistic模型擬合有機物存在時ANAMMOX脫氮過程并預測ANAMMOX脫氮效能, 結果表明不同有機物濃度下λ在0.69~1.93范圍內變化, 表明NH4+-N去除的延遲.而在本研究中3個模型擬合得到的λ都幾乎接近于0, 這一結果表明海藻糖添加條件下SAD對氮的去除沒有延遲.當海藻糖濃度為0.15 mmol ·L-1時, 修正的Logistic模型和修正的Gompertz模型擬合所得到的λ分別為0.12 h和0.064 h.當海藻糖濃度不超過0.25 mmol ·L-1時, 修正的Logistic模型和修正的Gompertz模型擬合得到的Rmax隨著海藻糖濃度的增加而增加, 且在海藻糖濃度為0.25 mmol ·L-1時達到最大值, 由此可以看出, ≤0.25 mmol ·L-1海藻糖能夠促進SAD的脫氮效能. 3個模型擬合所得到的參數包括最大總氮去除率、單周期內最大氮去除速率, 并且能夠預測出單周期內SAD脫氮延遲時間.這些參數的獲取將為反應器的優化設計和反應器的運行調控提供參考.

　　圖 5

圖 5 不同單周期內氮去除過程動力學模型擬合曲線

 　　表 1 不同海藻糖濃度SAD脫氮過程動力學擬合參數 　　

　　

表 2 單周期內模型擬合得到的預測值和實驗數據之間的對比

　　3 結論

　　(1) 采用海藻糖可以強化SAD工藝處理高鹽廢水的脫氮除碳效能, 最適投加量為0.25 mmol ·L-1.在該條件下, 與沒有添加海藻糖相比, NH4+-N、NO2--N和總氮去除率分別提高了50%、43%和46%, ARR和NRR分別提高了81.25%和75.00%.

　　(2) 相比于Haldane模型和Aiba模型, Luong模型更適合擬合海藻糖添加條件下SAD的脫氮性能.由其擬合得到的NRRmax、KS、Sm和n分別為0.954 kg ·(m3 ·d)-1、0 mg ·L-1、184.785 mg ·L-1和0.718.

　　(3) 與修正的Logistic模型和修正的Boltzman模型相比, 修正的Gompertz模型得到的預測值與實驗值最為貼近, 修正的Gompertz模型更適合描述海藻糖添加條件下單周期內基質的降解過程.(來源：環境科學 作者：楊振琳)