纳米氧化铜对自养脱氮工艺性能的促进作用研究

张肖静，张 楠，张 涵，陈 涛，位登辉，张红丽，马永鹏

（郑州轻工业大学，河南省化工分离过程强化工程技术研究中心，环境污染治理与生态修复河南省协同创新中心，河南郑州450001）

基于厌氧氨氧化（Anammox）反应的自养脱氮工艺是近年来发现的一种新型脱氮路径。 该工艺包含亚硝化反应和厌氧氨氧化反应2 个过程。 在自养脱氮工艺中，首先好氧氨氧化菌（AOB）通过亚硝化反应将部分氨氮氧化为亚硝态氮， 之后厌氧氨氧化菌（AAOB）在厌氧条件下将剩余的氨氮与生成的亚硝态氮转化为氮气排放，实现自养脱氮。相比传统的硝化-反硝化工艺， 以Anammox 反应为主体单元的自养脱氮工艺能节省60%的能耗、90%的温室气体排放以及100%的有机碳源， 同时具有污泥产量低和无二次污染等优点〔1-3〕，被认为是最为经济有效的脱氮工艺。

亚硝化反应和厌氧氨氧化反应可以分别在2个反应器完成，也可在单一反应器内实现。 在单一反应器内完成的工艺被称为全程自养脱氮工艺（CANON），该工艺不仅具备以上自养脱氮的所有优点，还可节约占地面积，尤其是结合膜生物反应器（MBR），还可省去二沉池的建设及运行〔4-5〕。然而，在该工艺中，由于需要微氧曝气，AAOB 的活性一般较差，导致总氮去除负荷较低，因而急需一种能够有效促进其自养脱氮效率的策略及方法。 纳米材料近年来发展迅速，广泛应用在各领域〔6-7〕。 因此，本研究采用目前应用广泛的纳米氧化铜， 考察其对自养脱氮工艺的促进作用。

1 材料与方法

1.1 反应器设置

采用2 个完全相同的MBR 反应器， 分别记为1#MBR 和2#MBR。 反应器的有效体积为1.7 L，该反应器膜组件材料为管式中空纤维膜， 膜丝有效面积为0.1 m2，膜孔孔径为0.1 μm，通过出水泵连续抽吸出水，膜清水通量为36 L/h。 2 个反应器采用同样的进水，从同一进水箱，采用双联的蠕动泵进水，保持进水流量及水质完全一致。 反应器装置见图1。

图1 1#MBR 和2#MBR 反应器装置

1.2 接种污泥及废水

取稳定的亚硝化污泥接种至2 个MBR 反应器，测得污泥浓度（MLSS）为8.0 g/L。该种泥主要微生物组成为AOB 菌群，在原反应器中以亚硝化工艺长期稳定运行，亚硝态氮积累率（NAR）为99%左右，氨氮氧化率大于90%，总氮去除率小于10%。 实验用水为人工配水，主要成分：（NH4）2SO4为0.471 g/L，NaHCO3为2.013 g/L，其 中，（NH4）2SO4提 供 氨 氮，NaHCO3提供碱度；另外补充少量营养元素：KH2PO4为68 mg/L，MgSO4·7H2O 为150 mg/L，CaCl2为68 mg/L，微量元素Ⅰ、Ⅱ号溶液各1 mL/L。 纳米氧化铜粒径为40 nm。 实验中试剂均为优级纯，购自阿拉丁试剂有限公司。

1.3 实验设置

1#MBR 作为空白对照反应器，整个实验过程不添加纳米氧化铜，不改变运行条件。 2#MBR 的运行共包括4 个阶段。 其中阶段Ⅰ（1～20 d）：接种亚硝化污泥并稳定运行；阶段Ⅱ（21～40 d）：每天向反应器投加1 mg/L 的纳米氧化铜；阶段Ⅲ（41～60 d）：每天投加5 mg/L 的纳米氧化铜；阶段Ⅳ（61～90 d）：停止投加纳米氧化铜。在此过程中，运行条件及进水均保持不变， 考察各阶段脱氮性能和污泥性能的变化规律。 DO 保持在0.1 mg/L，水力停留时间（HRT）保持为6 h，其他具体参数见表1。

表1 2 个反应器各阶段的运行参数

1.4 分析方法

每天从2 个反应器取进出水样测定氨氮、 亚硝态氮、硝态氮及反应器内各运行参数。氨氮的测定采用纳氏试剂分光光度法；亚硝态氮测定采用N-1-萘基乙二胺分光光度法； 硝态氮的测定采用紫外分光光度法；pH、DO 和温度采用Multi 3430 型多参数测定仪（德国WTW）测定。

2 结果与讨论

2.1 1#MBR 的运行效果

1#MBR 反应器作为空白对照的反应器，在整个过程中保持运行条件不变，不额外添加任何物质，其进出水氮浓度变化见图2。

图2 1#MBR 反应器的运行效果

由图2 可知，将接种污泥接至该反应器后，污泥仅在前几天表现出不稳定性，后面逐渐稳定，而且氨氮去除率在整个实验过程中缓慢升高。 在进水平均氨氮为98.3 mg/L 的条件下，出水氨氮稳定在8.7 mg/L左右，出水亚硝态氮稳定在81.7 mg/L 左右，氨氮去除率从最初的80%逐步缓慢上升，稳定在91.1%。亚硝态氮积累率始终在95%左右，硝态氮生成质量浓度仅为1.5 mg/L 左右，这说明在此过程中，反应器运行稳定，始终以高效的亚硝化工艺运行。

在整个实验过程，反应器未表现出脱氮性能，总氮去除率一直较低，在10%以下，且出水硝态氮很低。这说明硝化细菌（NOB）受到了很好的抑制，这一方面是由于反应器中提供的DO 仅为0.1 mg/L 左右，另一方面是由于废水中所提供的高pH，以及接种污泥中对NOB 的彻底淘洗。 虽然DO 和高pH 的环境均有利于AAOB 富集〔8〕，且氨氮和亚硝态氮在MBR 反应器中同时存在，为其提供了生长基质，然而反应器始终未表现出总氮去除性能，总氮去除负荷不足0.01 kg/（m3·d），反应器中仍然以亚硝化反应为主。

因此， 将1#MBR 反应器作为空白对照反应器，说明在DO 为0.1 mg/L，进水pH 为7.8，进水氨氮为100 mg/L 左右，温度为21～25 ℃，完全自养的条件下，不采取其他辅助措施，在短时间内是无法实现总氮去除的。

2.2 2#MBR（添加纳米氧化铜）各阶段的运行效果

2#MBR 反应器各阶段的运行效果见图3。

图3 2#MBR 反应器各阶段的运行效果

由图3 可知，2#MBR 反应器在阶段Ⅰ（第1～20 d）的表现与1#MBR 类似， 在进水氨氮为98.2 mg/L 的条件下，出水氨氮稳定在21.6 mg/L 左右，出水亚硝态氮稳定在73.0 mg/L 左右， 氨氮去除率稳定在78.1%。 1#MBR 在第20 d 时的氨氮去除率为77.4%左右，说明2 个反应器在运行条件相同时，反应器的性能也相似，因此1#MBR 可以作为空白对照的反应器。 同样的，2#MBR 在该阶段未表现出脱氮性能，总氮去除负荷不足0.01 kg/（m3·d），说明此时的反应器中仍然以亚硝化反应为主。 值得注意的是， 在该阶段，亚硝态氮积累率一直稳定在95%左右，这说明在反应器内NOB 一直受到持续抑制，不会影响自养脱氮的运行。 NOB 持续抑制是实现自养脱氮稳定运行的重要条件之一，因为NOB 可在好氧条件下将亚硝态氮氧化为硝态氮， 进而与AAOB 争夺基质，破坏自养脱氮系统。 本反应器中的氨氮约为24.8 mg/L，pH 为7.8 左右，温度为25 ℃左右，经过计算可知反应器中脂肪酸（FA）约为1.1 mg/L，处于能够有效抑制NOB 的范围〔9〕，这也为低基质常温下NOB 的持续抑制提供了参考。 此外，低DO 也保证了NOB 得不到充足的氧气进行生长。

在阶段Ⅱ，每天向反应器中投加纳米氧化铜，质量浓度为1 mg/L。由图3 可知，在添加纳米氧化铜之后，反应器出水氨氮开始出现波动，氨氮去除率也受到影响。出水亚硝态氮随着反应的进行逐渐降低，亚硝态氮积累率开始直线下降， 在该阶段的第1 d 即降低到80%左右，这个结果说明反应器中出现了消耗亚硝态氮的反应。 与此同时，出水总氮开始降低，反应器中逐渐出现总氮去除的现象， 随之出水硝态氮也开始增加。 由于在种泥及长期运行后的污泥中均没有检测到NOB 的存在， 推测NOB 已经被完全淘洗出该运行系统。因此，该阶段出水硝态氮的增加并非由于亚硝态氮被NOB 氧化， 而是由于发生了Anammox 反应，进而产生了一部分硝态氮。 随着反应的进行，出水亚硝态氮进一步降低，在该阶段结束时， 亚硝态氮积累率降低到13%左右， 这是由于Anammox 微生物活性增强，将亚硝态氮转化为氮气，亚硝态氮积累的状态被破坏。 同时，总氮去除率逐步上升，虽然由于前期的适应过程波动较大，但整体呈上升趋势，在阶段末提高到约70%。在短短20 d内，未改变运行条件，仅仅在反应器中添加了纳米氧化铜，而此时，1#MBR 未出现任何变化，仍然以稳定的亚硝化工艺运行。因此，推测总氮的去除是由纳米氧化铜引起的，亚硝化和Anammox 在反应器中共存，2#MBR 反应器由亚硝化工艺转变为CANON 工艺。

为了进一步提高脱氮性能， 在阶段Ⅲ将投加纳米氧化铜的质量浓度提高为5 mg/L， 此时总氮去除率进一步提高并逐渐趋于稳定，在阶段末达到90%左右， 这也是CANON 工艺中厌氧氨氧化反应可达到的理论最大脱氮效率〔10〕。可见，此时反应器中存在稳定的自养脱氮反应。 然而，CANON 反应的理论硝态 氮 生 成 量 应 为 氨 氮 去 除 量 的0.11 倍〔5，11〕，而 此 时反应器出水中硝态氮生成质量浓度仅为3.5 mg/L，远远小于理论比值， 这说明有一部分硝态氮在反应系统中被消耗，这可能是内源反硝化引起的。有多篇文献报导〔12-13〕，反硝化菌在自养脱氮系统中可以利用微生物残体进行内源反硝化，进而提高效率。这个推测也在第2.3 节微生物测序结果中得到证实，反硝化细菌在2#MBR 反应器中得到富集，与厌氧氨氧化菌一起完成了自养脱氮。

在阶段Ⅳ， 考虑到纳米氧化铜在反应器中的累积作用，因此停止添加纳米氧化铜，考察自养脱氮性能提高的可持续性。 反应器在短暂的波动及恶化之后，很快适应环境，总氮去除率逐渐稳定，并逐步提高。 这说明，在纳米氧化铜成功诱导了AAOB 富集并表现出活性后，即使不再添加纳米氧化铜，反应器中存在的AAOB 也能够继续进行自养脱氮，因此该方法是可持久的。 此外，由于不再添加纳米氧化铜，一些已经适应其的微生物或者需要富集生长的微生物死亡，提供了微生物残体，进而促进了内源反硝化，因此，最终总氮去除率稳定在92%左右，成为一个稳定运行的自养脱氮系统。

2.3 纳米氧化铜对污泥性能的影响

在实验开始前，测得2 个反应器的SV30为60%，MLSS 为8.0 g/L，SVI 为75 mL/g；实验结束后，测得1#MBR 的SV30为58%，MLSS 为9.1 mg/L，SVI 为63.7 mL/g；2#MBR 的SV30为40%，MLSS 为11.2 g/L，SVI为35.7 mL/g。 由此可知，纳米氧化铜可显著改善污泥的沉降性能。此外，纳米氧化铜作为一种颗粒状物质，可以充当微生物生长的载体，使得更多的微生物能够富集生长，从而使MLSS 升高。 同时，纳米氧化铜的加入使得污泥的相对密度变大， 与污泥产生共沉淀作用，也促使污泥的沉降性能提高。

各污泥样品中微生物的相对比例见表2。

表2 各污泥样品中微生物的相对比例 %

在实验开始前，2 个反应器的污泥均呈现为黄棕色， 而在第90 d 实验结束时，1#MBR 仍然为黄棕色，但2#MBR 的污泥则转变为红棕色，并可肉眼看到里面有悬浮的红色颗粒。测序结果表明，接种污泥中属于AOB 菌的Nitrosomonas相对比例为11.83%，而在长期运行后，1#MBR 中该种群比例增长为18.93%，说明其得到了富集。 2#MBR 中该种群的相对比例则为13%，增长幅度较小。值得注意的是，属于AAOB 的Candidatus Kuenenia的相对比例在1#MBR中一直很低，由最初的0.25%变化为0.46%，但在2#MBR 中则升高为5.22%， 该结果再次证明AAOB在2#MBR 中得到富集。 同时，2#MBR 的反硝化菌相对比例也有所增加，从1.25%增加为7.2%，这说明该反应器中不仅发生了厌氧氨氧化， 同时存在内源反硝化，两者共同完成脱氮，脱氮效率得到提高。 此外， 属于NOB 的Nitrobactor和Nitrospira的相对比例在2 个反应器中非常低，几乎没有检测到，也证实了NOB 在种泥中被彻底淘洗并在2 个反应器中被有效的抑制，因而保证了自养脱氮工艺的稳定运行。

2.4 纳米氧化铜促进自养脱氮的机理分析

纳米氧化铜之所以能够促进自养脱氮， 诱导厌氧氨氧化菌生长并富集， 从而使亚硝化工艺转变为CANON 工艺，分析原因有以下几方面：一方面，颗粒状的纳米氧化铜进入亚硝化反应器后，会聚集变大〔14〕，聚集后形成载体，这些载体不仅限制了氧传递， 在反应器内尤其是膜丝之间和膜丝表面形成厌氧微环境为AAOB 的生长创造了条件， 同时也为AAOB 的生长提供了附着物或者形成颗粒的核。 有研究表明，AAOB 更适合附着生长〔15-16〕，例如在生物膜反应器中或者颗粒污泥中；另一方面，纳米氧化铜进入反应器后会部分溶解，释放铜离子〔17〕，铜离子是AAOB 菌功能酶的重要组成物质， 铜离子的加入有助于诱导其生长。同时，纳米氧化铜造成氧传递的限制使得亚硝化反应中生成的亚硝态氮减少， 进而使得反应器中的亚硝态氮与氨氮比例正好适合AAOB菌的生长。因此，AAOB 在反应器内逐渐生长并表现出活性，反应器逐渐表现出自养脱氮性能。 此外，由于纳米氧化铜的纳米效应， 对某些微生物存在毒害作用，导致一些微生物死亡，进而释放出有机物，为内源反硝化提供了条件， 使得厌氧氨氧化与内源反硝化在反应器中共存，进一步提高了脱氮效率。

因此，纳米氧化铜能够有效诱导AAOB 菌的生长， 促进自养脱氮性能的提高， 且运行效果持久稳定，可有效解决自养脱氮工艺启动时间慢、难以高效稳定运行的难题。

3 结论

（1）1 mg/L 的纳米氧化铜可有效诱导AAOB 菌生长并富集，降低亚硝态氮积累率，提高总氮去除率至70%，5 mg/L 的纳米氧化铜浓度可进一步促进AAOB 的活性，进而提高总氮去除率至90%。

（2）纳米氧化铜诱导AAOB 富集，促进亚硝化工艺转变为CANON 工艺之后， 该工艺可长期稳定高效运行，不需要继续添加纳米氧化铜，仍然能够实现自养脱氮。

（3）纳米氧化铜可改善污泥沉降性能，同时可提供载体诱导AAOB 菌的生长， 并促进内源反硝化，进而提高脱氮效果。