生物滤池厌氧氨氧化菌的富集分析

田晓燕，谢青松，郭桐羽，郝心瑞

吉林建筑大学 市政与环境工程学院,长春 130118

0 引言

随着近代生物科技的不断发展,生物脱氮新理论和新技术层出不穷,如短程硝化反硝化(shortcut nitrification and denitrification,英文缩写为SND)脱氮工艺、同步硝化反硝化(simultaneous nitrification and denitrification,英文缩写为SND)脱氮工艺、缺氧氨氧化(Anammox)脱氮工艺、A2O脱氮工艺、SBR脱氮工艺等[1].纵观国内外多种形式的污水处理工艺流程,依据微生物的脱氮原理,最终若有理想的脱氮效果,都与很多运行因素的影响密切相关,即进水方式、运行工况、反应温度、DO、泥龄、NO2--N浓度、进水营养比等[2-7]. 缺氧氨氧化污水处理技术是由荷兰Delft技术大学Kluyver生物研究技术实验室研究发展的一类新型微生物脱氮污水处理技术[8-10],本文基于缺氧氨氧化生物滤池脱氮工艺对其中亚硝态氮浓度、反应温度、DO和pH值对缺氧氨氧化菌活性的影响进行探讨.

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置生物滤池污水处理反应器见图1.生物滤池反应器由有机玻璃材料制作而成,高39.4 cm,直径9.8 cm,反应器底部排泥斗为圆锥形,总有效容积为14 L.该运行装置外壁的每隔12 cm设有一个检测取样口(同时具有排水作用),反应器底部圆锥体部分安装排泥管,运行装置反应容器中安装有搅拌装置,使运行过程中使泥水充分混合均匀.采用温控仪控制温度.在反应装置中装有DO,ORP和pH传感器,实时监测反应运行过程中溶解氧、ORP和pH值的运行情况.通过排泥口向系统外部排放老化的剩余污泥,从而将反应器中污泥的污泥龄θc有效地控制在12 d左右.反应器内MLSS维持在2 500 mg/L左右.

图1 生物滤池工艺试验装置图Fig.1 The configuration of SBR process1-反应器;2-pH传感器;3-DO传感器;4-ORP传感器;5-温度传感器;6-pH值测定仪;7-DO测定仪;8-ORP测定仪;9-温度控制仪;10-曝气砂头;11-空压机;12-转子流量计;13-搅拌器;14-取样口;15-排泥口1-reactor;2-ph sensor;3-do sensor;4-orp sensor;5-temperature sensor;6-pH value tester;7-do tester;8-orp tester;9-temperature controller;10 aeration sand head;11 air compressor;12 rotor flowmeter;13 agitator;14 sampling port;15 sludge discharge port

1.2 试验污水与试验接种污泥

缺氧氨氧化反应器启动阶段,试验用水采用自配水.首先采用无机碳化物NaHCO3作为反应过程中唯一的碳素来源,NaHCO3弱碱性无机物,还可以起到调节以运行过程中反应器pH值的作用,随着缺氧氨氧化的不断富集再投以葡萄糖逐步提高进水COD;NH4C,NaNO2,KH2PO4分别作为反应器运行过程中氨态氮的氮素来源、亚硝态氮的氮素来源、磷素来源;另外,还需要加入无机物MgSO4和CaCl来满足反应器运行中缺氧氨氧化菌对无机离子Mg2+和Ca2+等的要求;投加配制好的微量元素液来充分满足反应器中污泥颗粒微生物生长代谢的营养需要.模拟废水成份及水质特性见表1.

反应器试验开始阶段接种的污泥为本市西郊污水厂二沉池分离的回流污泥.自2018年9月启动运行,以配置的模拟生活污水污染物为处理对象进行反应器启动.运行8个周期后,反应器脱氮效果达到基本稳定的状态,开始定期取样进行指标测定.

表1 试验模拟废水成分及水质特性Table 1 The ingredient and the characteristic of the experimental wast wate

1.3 检测项目和分析方法

反应器内取出的污水水样经过沉降后再离心,取上清液进行检测.化学需氧量应用5 B-1型快速测定仪检测;总氮检测方法采用过硫酸钾氧化后,经紫外分光光度法测定;氨氮采用纳氏试剂分光光度法;硝态氮采用麝香草酚分光光度法;亚硝态氮采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法;MLSS采用滤纸重量法测定;SVI污泥指数应用基本方法检测(SV30/MLSS).

2 结果与讨论

由图2可知,缺氧氨氧化菌对反应器内亚硝酸盐浓度变化非常敏感,亚硝态氮浓度较低时对缺氧氨氧化菌的活性影响不明显,随着亚硝态氮浓度的不断增加,缺氧氨氧化菌的活性变化大体可以分为两个阶段：

首先是随着亚硝酸盐浓度的不断增加缺氧氨氧化菌的活性不断提高,随着缺氧氨氧化菌的活性提高从而使得反应速率不断增加,直至达到最大反应速率值后,开始缓慢下降,显示出亚硝酸盐对缺氧氨氧化自养菌活性明显抑制现象.原因可能由于缺氧氨氧化菌是自养菌、代时长、过高的亚硝酸盐基质浓度,干扰缺氧氨氧化菌的正常代谢,从而降低微生物活性.

当亚硝态氮浓度达到90 mg/L时,厌氧氨氧化自养菌的活性表现出明显的抑制现象,抑制缺氧氨氧化菌的生长并干扰菌体的代谢;

当亚硝态氮浓度达到200 mg/L时,厌氧氨氧化菌的活性几乎丧失.分析原因可能是随着亚硝态氮浓度的增加使脱氮反应的中间体物质减少,进而使厌氧氨氧 化菌活性降低.

由图3可看出,当温度从10 ℃上升至45 ℃时,缺氧氨氧化TN去除率呈现先增加后下降的趋势.当反应器内温度由10 ℃上升至30 ℃时,相应的厌氧氨氧化反应速率也在不断提高；当温度为30 ℃时,达到最大转化速率；当温度高于30 ℃时,相应的厌氧氨氧化反应速率出现下降现象；当温度提高45 ℃时厌氧氨氧化反应速率丧失.

图2 亚硝态氮浓度与缺氧氨氧化速率关系曲线Fig.2 The curve of the relation of the sub-nitrate concentration and the ammonia oxidation rate

图3 不同温度下厌氧氨氧化速率的变化曲线与去除率Fig.3 variation curve and removal rate of anammox at different temperatures

厌氧氨氧化菌是一种厌氧菌,氧气对菌的活性产生明显的抑制作用,由于采用生物滤池反应器考察缺氧氨氧化菌的活性.由图4可看出,当DO大于0.5 mg/L时厌氧氨氧化自养菌的活性将被完全抑制.但是,随着DO减少厌氧氨氧化自养菌的活性将逐渐恢复.DO的逐渐减少主要是兼性菌在代谢有机物时所消耗,为缺氧氨氧化反应创造有利条件.

图4 不同氧气含量下厌氧氨氧化速率的变化曲线与去除率Fig.4 Variation curve and removal rate of anammox under different oxygen content

图5 不同酸碱度下厌氧氨氧化速率的变化曲线与去除率关系Fig.5 Relationship between anammox rate and removal rate under different pH values

由图5可看出,当pH值从5.0上升至9.0时,缺氧氨氧化TN去除率呈现先增加后下降的趋势；当pH值从6.5上升至8.0时,厌氧氨氧化速率不断提高；当pH值上升到8.0时,达到最大转化速率；当pH值大于到8.0时,厌氧氨氧化速率不断下降,而当温度达到9.0时,厌氧氨氧化速率丧失.

3 结论

(1) 随着亚硝态氮浓度的增加,缺氧氨氧化反应速率出现一定的变化规律,当亚硝态氮浓度由50 mg/L达到90 mg/L时,最初亚硝酸盐浓度的不断增加能提高缺氧氨氧菌的活性,加快反应速率；在亚硝态氮浓度90 mg/L反应速率提高到最大值，而后,随着亚硝酸盐浓度的不断增加,反应器内缺氧氨氧化反应速率出现下降现象,出现了明显的抑制作用.

(2) 温度是影响缺氧氨氧化菌的重要因素之一.在低温情况下,缺氧氨氧化菌的活性降低,影响营养物质的主动运输速率;在高温情况下,缺氧氨氧化菌的结构物质会发生变性,甚至导致缺氧氨氧化菌的死亡.最适温度为30℃时,达到最大转化速率.

(3) 厌氧氨氧化菌是一种自养厌氧菌,缺氧环境DO在0.5 mg/L以下是缺氧氨氧化反应的适宜条件,所以,在厌氧氨氧化菌的富集和运行过程中尽量保持厌氧状态,以免影响缺氧氨氧化自养菌的活性.

(4) pH值是影响缺氧氨氧化菌的重要因素之一.一方面是影响厌氧氨氧化菌的耐受程度,酸性和碱性过强导致菌的活性丧失;另一方面也影响系统基质的平衡状态.研究表明厌氧氨氧化菌的最适pH在6.5～8.5之间,在pH为8.0时达到最大转化速率.