垃圾渗滤液中富里酸对厌氧氨氧化污泥的脱氮效能的影响

王家辉，张苧文

垃圾渗滤液中富里酸对厌氧氨氧化污泥的脱氮效能的影响

王家辉，张苧文

（沈阳建筑大学， 辽宁 沈阳 110168）

为了探究富里酸浓度对反应器脱氮能力的敏感性，采用接续实验的方式，分别向反应器内加入5、50、80以及100 mg·L-1富里酸，结果显示，5 mg·L-1的富里酸对反应器内脱氮效果具有促进作用，总氮去除率达到86.21%，EPS总量上升至111.98 mg·g-1VSS，PS/PN数值下降至1.49，水相和菌体信号分子质量浓度分别上升至2.07 ng·L-1和251.23 ng·L-1。50 mg·L-1的富里酸加入后反应器脱氮效果的促进作用增强，总氮去除率达到87.19%，EPS总量上升至128.84 mg·g-1VSS，PS/PN数值降至1.41，信号分子质量浓度上升至4.45和362.36 ng·L-1。80、100 mg·L-1的富里酸加入后对脱氮效果产生了抑制作用，总氮去除率降低至59.87%，EPS总量上升至167.66，PS/PN数值上升至0.217，信号分子浓度上升至7.97和478.45 ng·L-1。

厌氧氨氧化； 富里酸； 脱氮效能

在中国经济的快速发展和城市化进程不断提高的背景下，我国人民的生活水平也在不断上升，但与此同时所产生的城市垃圾总量也呈现出逐年升高的趋势。现阶段针对垃圾处理技术主要有四种，分别为填埋、堆肥、焚烧和简易堆放。其中应用较为广泛的处理技术为填埋和焚烧处理，占垃圾总处理量的82.5%[1]，但同时在处理过程中产生的大量的垃圾渗滤液，成为废水处理领域的新一大难题。垃圾渗滤液的组成成分极为复杂，氨氮浓度高、碳氮比低、有机物含量高、色度高，且水质变化波动性较大[2]。

在脱氮工艺中，生物脱氮最为经济有效，其中厌氧氨氧化（ANAMMOX）是最具有前景的新型脱氮技术。厌氧氨氧化是指在厌氧条件下，厌氧氨氧化菌利用NO2--N为电子受体将NH4+-N转换为N2的生物过程[3]。大量研究表明，厌氧氨氧化适宜pH值范围是6.4～8.3，比较适宜的温度范围为20～43 ℃[4]。厌氧氨氧化菌的生长周期较长，而厌氧氨氧化菌生长的因素还有溶解氧浓度，有机物浓度、基质浓度以及金属离子等[5]。由于厌氧氨氧化菌的生产率较低倍增速度较慢，且厌氧氨氧化菌对环境条件要求较高，所以研究影响厌氧氨氧化菌的生长速率因素以及如何促进厌氧氨氧化菌活性就有了重要意义。

渗滤液中的腐殖质是一类具有羰基结构的高分子芳香聚合物，成分复杂且稳定性高，通常以黑褐色、无定形的酸性有机物混合物质存在[6]。腐殖质与腐殖酸等大分子有机物很难被微生物直接降解和利用，导致出水指标很难达到要求。富里酸是在土壤和天然水系统发现的腐殖质，与所有水生生物相容。富里酸含有许多反应性官能团，包括醌，羟基，羧基和酚[7]。Li等将富里酸添加到反硝化细菌中，发现富里酸通过糖酵解和三羧酸循环途径增加碳源的代谢，以产生更多可用的NADH[8]。

考虑到腐殖酸本身的特性，为避免厌氧氨氧化工艺处理垃圾渗滤液的试验效果产生影响，试验研究了腐殖酸中的富里酸逐步驯化厌氧氨氧化污泥的脱氮效能，以及在驯化过程中污泥特性的变化。以期对厌氧氨氧化工艺在实际工程的运用中做出贡献。

本文通过向反应器里逐步提升富里酸浓度的方式快速驯化厌氧氨氧化污泥，并且检测污泥氨氮去除率、亚硝态氮去除率变化及其各项指标。

1 材料与方法

1.1 试验设备仪器

本试验用到的主要设备仪器列于表1中。UASB反应器装置示意图见图1。

图1 UASB反应器装置示意图

表 1 试验用主要设备仪器

1.2 接种污泥与配水组成

本试验中，UASB反应器中的接种污泥一部分取自辽宁抚顺三宝屯污水处理厂二沉池回流污泥，接种量为2 L，污泥沉降比为20%，MLVSS为15.235 g·L-1。另外一部分污泥取自实验室经低温高盐度驯化的厌氧氨氧化颗粒污泥，氨氮和亚硝态氮去除率分别在49%、96%。

为了保证试验数据的稳定性和准确性，本试验采用人工配水模拟经预处理后的垃圾渗滤液进水，驯化阶段UASB反应器主要由NH4Cl和NaNO2提供NH4+和NO2-且调节为NH4+/NO2-比值约为1，以NaHCO3作为碱度调节pH值，另添加MgSO4·7H2O，无水CaCl2，KH2PO4和微量元素。表2为各成分浓度。

1.3 试验装置与试验方法

本试验采用上流式厌氧污泥床（UASB），反应器为带有夹层的有机玻璃制圆柱形容器，有效容积为7 L。反应器分为3个部分，分别是水浴加热区、反应区和三相分离器。

表2 模拟污水主要成分

注：ND的含量值随着试验不断发生改变。

表3 厌氧氨氧化反应器配水微量元素成分

采用单侧黏性的黑色挤塑板包裹在反应器外壁装，用于满足厌氧氨氧化菌避光和保温的培养条件。反应器两侧各设有4个取样口。通过三项分离器实现固液气三项分离。反应器进水采用50 L容积的进水桶，采用通入氮气的方式去除氧气控制进水DO。采用控制进水蠕动泵的方式控制流速从而控制HRT，进水方式为由装置底部进入，经过三项分离器后从装置顶部流出，出水采用重力流自然流出。

在启动中温厌氧氨氧化工艺后，稳定运行装置20 d后，开始进行试验。通过水浴加热器将反应温度维持在32±1℃，通过调节流量计，控制溶解氧（DO）为0.1～0.3 mg·L-1，HRT为6.72 h。各阶段富里酸投加质量浓度分别为5、50、80、100和0 mg·L-1。

1.4 分析方法

常规水质指标的测定方法参照《水和废水检测分析方法》(第四版)[9]。详见表4。

1.5 感应信号分子的检测

感应信号分子主要通过为生物传感菌检测法来进行检测，通过将待测水样或菌体与为生物传感菌相结合，用平板划线法将二者用接种环分别固定在固体平板培养基上采用“T”型垂直划线培养，通过检测两者交界处的菌体性状即可得出AHLs的种类及浓度。

表4 分析指标及方法

2 结果与讨论

2.1 富里酸对厌氧氨氧化颗粒污泥脱氮的影响

2.1.1 富里酸对氨氮浓度的影响

在第一阶段内，富里酸加入量为5 mg·L-1，进水氨氮含量在150 mg·L-1附近波动，出水氨氮随着反应器内生化反应进程的推进逐渐由27.24 mg·L-1降低至24.44 mg·L-1，氨氮去除率逐渐提升至84.22%。

在第二阶段内，富里酸加入量增加至50 mg·L-1，进水氨氮含量在150 mg·L-1附近波动，出水氨氮继续降低至20.75 mg·L-1，氨氮去除率继续提升至86.45%，随着富里酸加入量的提升反应器体系内去除氨氮的能力提升。

图2 富里酸胁迫下氨氮浓度的变化

在第三阶段内，富里酸浓度提升至80 mg·L-1，进水氨氮含量在150 mg·L-1附近波动，出水氨氮提升至55.29 mg·L-1，氨氮去除率降低了23%左右，随着更高浓度的富里酸的加入，富里酸的存在抑制了反应器内的氨氮去除能力。

第四阶段继续提升加入富里酸浓度至100 mg·L-1，反应器内出现了更加明显的抑制作用，出水氨氮浓度从55.29 mg·L-1提升至77.89 mg·L-1，进水氨氮浓度继续维持150 mg·L-1，氨氮去处率下降至48.68%，不难看出，一定程度的高浓度富里酸会抑制去氨氮进程。

第五阶段中，将富里酸浓度降低至0 mg·L-1，出水氨氮浓度在原有基础上降低了44 mg·L-1至33.44 mg·L-1，去除率提升至77.35%，在此阶段，本收到抑制的氨氮去除效果随着富里酸的停止加入逐渐恢复原反应器内的平衡。

2.1.2 富里酸对亚硝氮浓度的影响

在第一阶段内，富里酸加入量为5 mg·L-1，进水亚硝氮含量在150 mg·L-1附近波动，出水亚硝氮在初段去除率接近100%。

在第二阶段内，富里酸加入量增加至50 mg·L-1，进水氨氮质量浓度在150 mg·L-1附近波动，亚硝氮去除率依旧接近100%。

图3 富里酸胁迫下亚硝氮浓度的变化

在第三阶段内，富里酸质量浓度提升至80 mg·L-1，进水亚硝氮氮质量浓度在150 mg·L-1附近波动，出水亚硝氮从接近0 mg·L-1提升至18 mg·L-1，氨氮去除率降低了10%左右，随着更高浓度的富里酸的加入，富里酸的存在抑制了反应器内的厌氧氨氧化菌的活性和对亚硝氮去除能力，去亚硝氮能力出现下降。

第四阶段继续提升加入富里酸质量浓度至100 mg·L-1，反应器内也出现了更加明显的抑制作用，出水亚硝氮质量浓度从18 mg·L-1提升至32 mg·L-1，进水亚硝氮浓度继续维持150 mg·L-1，亚硝氮去处率下降至79%，不难看出，一定程度的高浓度富里酸会抑制去除亚硝氮进程。

第五阶段中，为了接续下文实验，避免前文实验带来的反应器内污染，将富里酸质量浓度改变至0 mg·L-1，出水亚硝氮浓度在原有基础上重新降低至接近0 mg·L-1，恢复反应器内原有的生化环境，不难看出，适量增加富里酸浓度对提升反应器内去亚硝氮效率有一定作用，但过度添加会导致厌氧氨氧化菌出现酸性抑制。

2.1.3 富里酸对总氮去除率的影响

在第一阶段中与第二阶段中，富里酸添加量分别为5、50 mg·L-1，总氮去除率与NRR的数值在30日内一直小幅增长，增长速率比较均匀，总氮去除率由84.1%上升至87.2%，NRR由0.892 kg/(m3·d)上升至0.943 kg/(m3·d)。第三阶段中向反应器内添加80 mg·L-1富里酸，根据前文的数据显示，随着去除能力被抑制，剩余的氮含量随之增加，NRR数值随之下降至0.76 kg/(m3·d)，总氮去除率下降至72.01%，NLR数值只受进水氮加入量的影响，全程基本无变化。第四阶段内，与第三阶段类似，反应器内添加了100 mg·L-1的富里酸，NRR数值从0.74 kg/(m3·d)降低至0.65 kg/(m3·d)，总氮去除率继续下降至59.87%。第五阶段停止加入富里酸，经过15 d的恢复，反应器内脱氮效率恢复至接近投加富里酸之前的水平。

图4 富里酸胁迫下总氮去除率的变化

可以看出适量的富里酸的投加可以促进厌氧氨氧化系统的脱氮能效，但在第三阶段加入80 mg·L-1的富里酸后氮去除率大幅降低，出现污泥大量上浮，菌群的活性受到抑制，而在投加100 mg·L-1的富里酸后这种抑制效果加剧。

2.2 富里酸投加过程中化学计量比变化

化学计量比以反映硝氮、亚硝氮与氨氮之间的容量关系反映厌氧氨氧化反应的进行，在整体反应器反应进程中，硝氮与氨氮比值基本处于稳定状态，说明不同浓度富里酸的加入对氨氮与硝氮之间的转化关系影响不大，在投入5 mg·L-1富里酸与50 mg·L-1富里酸时，亚硝氮/氨氮数值并无大幅波动，说明去除能力变化不大，但当加入80、100 mg·L-1富里酸时，可能因为系统内少量存在的反硝化菌的耐受性明显好于厌氧氨氧化菌，亚硝氮/氨氮值显著上升，最高可以达到1.63。在停止投入富里酸时，这一数值开始回落，最终稳定在1.32附近。

图5 富里酸胁迫下化学计量比的变化

结合以上的实验内容，不难看出，在反应器内少量添加富里酸时对反应器内的反应进程具有轻微的促进作用，初步分析由于富里酸结构中含有大量酚羟基、羰基等基团，因而可与氧化物、金属离子和包括有毒有害物质在内的有机物发生相互作用，从而影响这些物质的环境化学行为，从而改良反应器内的生物环境，为厌氧氨氧化菌提供良好的作用环境，但随着反应器加入富里酸浓度继续提升，水解后产生了负电粒子，在化学键作用下容易与反应过程中促进反应进程的生物菌落结合，占用菌表面的电子受体，从而抑制菌落活性，因此导致了第三第四阶段时反应器内脱氮效果受到抑制。

2.3 富里酸的投加对EPS的影响

胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances， EPS) 是在一定环境条件下由微生物，主要是细菌，分泌于体外的一些高分子聚合物。主要成分与微生物的胞内成分相似，是一些高分子物质，如多糖(PS)、蛋白质(PN)和核酸等聚合物。

从图9可以看出，初始状态反应器内未添加富里酸，反应器内PS含量为13.02 mg·g-1VSS，PN含量为85.86 mg·g-1VSS，PS/PN为0.152。第一阶段反应器内添加富里酸浓度为5 mg·L-1时，PN质量分数增加至97.46 mg·g-1VSS，PS质量分数增加至14.52 mg·g-1VSS，PS/PN为0.149。第二阶段反应器内添加富里酸质量浓度增加到50 mg·L-1，PN和PS大量增加，分别为112.92 mg·g-1VSS和15.92 mg·g-1VSS，PS/PN为0.141。第三阶段反应器内添加富里酸质量浓度增加到80 mg·L-1，PN和PS质量分数继续变化，PN增加至119.6 mg·g-1VSS、PS增加至21.77 mg·g-1VSS，PS/PN为0.182。第四阶段反应器内添加富里酸质量浓度增加到100 mg·L-1，PN和PS质量分数继续变化，PN增加至137.77 mg·g-1MLSS、PS大幅提升至29.89 mg·g-1MLSS，PS/PN为0.217。第五阶段停止向反应器内添加富里酸，PN与PS含量逐渐降低至初始状态水平。

图6 富里酸胁迫下EPS的变化

随着富里酸浓度的增加，EPS总量先增加后减少，当富里酸停止时，EPS总量减少，可能是由于厌氧氨氧化菌为抵抗外部恶劣环境而产生了更多的胞外聚合物。适当的胞外聚合物的提高可以促进厌氧氨氧化污泥颗粒化，增强脱氮效能。但不难看出，由于三阶段富里酸的生物毒性，酸性抑制厌氧氨氧化菌的生物活性导致部分细菌死亡后，产生大量细胞内聚合物，从而使EPS数值快速提升，胞外聚合物中糖被大量水解，而分解蛋白质的蛋白酶受酸中毒影响，导致蛋白质含量继续上升。PS/PN的值，可以表示污泥的疏水性，PS/PN值越大，污泥的疏水性越差，细胞间的作用力越弱，污泥的聚集效果越差。在富里酸投加过程中，PS/PN的值先降低后增加，说明一定量的富里酸的加入可以促进污泥的活性，但过量的富里酸可能导致污泥聚集性变差，沉降性降低，污泥上浮。停止加入富里酸后，生物群落的生物活性得到恢复，重新开始分解，恢复正常状态。

2.4 富里酸的投加对群体感应信号分子的影响

目前已发现的信号分子有三种[10]，其中酰基高丝氨酸内脂（AHL）存在于革兰氏阴性菌中；自体诱导肽（AIP）存在于革兰氏阳性菌中；自诱导分子-2（AI-2）在两种菌中都存在。由于厌氧氨氧化菌属于革兰氏阴性菌，所以通过监测水中及菌体内的AHLs浓度来探究富里酸对厌氧氨氧化系统感应信号分子的影响。

图7 富里酸胁迫下C8-HSL的变化

在水和菌体内检测到了C4-HSL、C46-HSL、C8-HSL、C12-HSL、C14-HSL，其中水中C46-HSL、C8-HSL、C14-HSL占主要部分，C8-HSL在水和菌体中都占主导地位。随着富里酸投加量的增加，水和菌体中的C8-HSL都呈增加趋势。从富里酸5 mg·L-1到100 mg·L-1的投加过程中，水中的C8-HSL从2.07 ng·L-1增加到7.97 ng·L-1，菌体中的C8-HSL从251.23 ng·L-1增长到478.45 ng·L-1。不难看出，随着富里酸浓度的升高，水和菌体中的AHLs浓度随之提高，尤其是C8-HSL。在停止加入富里酸一段时间后，C8-HSL浓度回落到投加之前的水平。

在本试验中，将富里酸投加到厌氧氨氧化系统中，富里酸中的醌类官能团作为电子穿梭体，参与厌氧氨氧化反应过程中的电子转移，并加速这一过程。这促进了细菌间的信号传递，导致水和菌体中的AHLs浓度升高，改变了厌氧氨氧化菌的活性。在本试验中，C8-HSL浓度与EPS总量正相关，表明C8-HSL可以促进EPS的产生，当信号分子的浓度达到一定阈值时，促进了微生物之间的相互生长并产生了EPS[11]。在本试验中，C8-HSL浓度与不同富里酸剂量下的EPS变化呈正相关，较高的EPS浓度为厌氧氨氧化细菌结合提供广泛的表面积并确保良好的脱氮性能[12]。

3 结 论

1）富里酸对厌氧氨氧化工艺有着显著的影响，一定量的富里酸对厌氧氨氧化工艺脱氮效能有促进作用，随着富里酸浓度的增大（50～80 mg·L-1之间），厌氧氨氧化污泥脱氮效果、活性变差。

2）EPS总量随着富里酸浓度提升含量逐渐上升，厌氧氨氧化菌出现自我保护的机制，PS/PN值先降低，说明一定量富里酸可以促进污泥活性提升，80 g·L-1和100 mg·L-1时EPS含量迅速增加，由于细胞破裂，蛋白质含量增幅明显，PS/PN值随之上升，污泥疏水性变差，污泥间作用力减弱，难以形成颗粒污泥。

3）感应信号分子AHLs浓度随着富里酸的浓度增加而增加，一定浓度的信号分子可以促进厌氧氨氧化工艺脱氮效果，但过量可能会加速细菌细胞破裂。

4）在停止加入富里酸后，厌氧氨氧化污泥脱氮效能及污泥活性得到恢复，可以接近投加前的水平。

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Effect of Fulvic Acid in Landfill Leachate on Denitrification Efficiency of Anammox Sludge

,

（Shenyang Jianzhu University, Shenyang Liaoning 110168, China）

In order to explore the sensitivity of fulvic acid concentration to the denitrification ability of the reactor, a continuous experiment was adopted to add 5, 50, 80,100 mg·L-1fulvic acid to the reactor. The results showed that, adding 5 mg·L-1fulvic acid had promoting effect on the denitrification effect in the reactor. The total nitrogen removal rate reached 86.21%, the total amount of EPS rose to 111.98 mg·g-1VSS, the PS/PN value dropped to 1.49, and the water phase and bacterial cell signal molecular concentration rose to 2.07 ng·L-1and 251.23 ng·L-1, respectively. After 50 mg·L-1fulvic acid was added, the denitrification effect of the reactor was enhanced. The total nitrogen removal rate reached 87.19%, the total amount of EPS rose to 128.84 mg·g-1VSS, the PS/PN value fell to 1.41, and the signal molecule concentration rose to 4.45 ng·L-1and 362.36 ng·L-1. The addition of 80 mg·L-1and 100 mg·L-1fulvic acid had inhibitory effect on the denitrification effect. The total nitrogen removal rate was reduced to 59.87%, the total amount of EPS rose to 167.66, the PS/PN value rose to 0.217, and the signal molecule concentration rose to 7.97 ng·L-1and 478.45 ng·L-1.

Anaerobic ammonia oxidation; Fulvic acid; Denitrification efficiency

2021-05-25

王家辉（1995-），男，辽宁沈阳人，硕士学位，2021年毕业于沈阳建筑大学市政工程专业，研究方向：厌氧氨氧化处理新技术。

X703

A

1004-0935（2021）12-1793-06