袁 砚,周 正,林 兴,王 凡,李 祥*,顾澄伟,朱 亮(1.苏州科技大学环境科学与工程学院,江苏 苏州 215002；2.苏州科技大学环境生物技术研究所,江苏 苏州 215002)

氨氮对厌氧氨氧化过程的抑制规律及调控策略

袁 砚1,2,周 正1,2,林 兴1,2,王 凡1,2,李 祥1,2*,顾澄伟1,2,朱 亮1,2(1.苏州科技大学环境科学与工程学院,江苏 苏州 215002；2.苏州科技大学环境生物技术研究所,江苏 苏州 215002)

氨氮是厌氧氨氧菌主要基质之一,但常常因浓度过高而产生脱氮速率不稳定,甚至微生物活性抑制的现象.为了有效避免氨氮对厌氧氨氧化菌活性的抑制,从抑制物形态、主要影响因素和抑制规律探讨了氨氮对厌氧氨氧化菌活性的影响及调控.结果表明,温度、pH值变化对氨氮、游离氨的形态及浓度变化产生重要影响.在恒定进水氨氮浓度500mg/L的情况下,将抑制状态下的pH值从7.9下降到7.3,经过44h运行厌氧氨氧化菌活性获得恢复.在不同进水氨氮浓度下,FA对厌氧氨氧菌活性的半抑制浓度不一样.半抑制浓度与抑制时间存在一定的曲线关系(y=732.38x-0.89).因此,恒定氨氮浓度的条件下,可以通过改变pH值避免FA对厌氧氨氧化菌活性的影响.在不同进水氨氮浓度下,除了考虑降低pH值,还可以通过缩短HRT来避免FA对厌氧氨氧化菌活性的影响.

厌氧氨氧化；游离氨；半抑制浓度；控制策略

由于厌氧氨氧化反应在废水生物脱氮过程中显现出高效的脱氮效能和廉价的处理成本,而受到研究者广泛关注.近二十年来,研究者们对厌氧氨氧化反应及其功能微生物进行了大量而又深入的研究.结果表明,厌氧氨氧化反应广泛存在于自然界中,包括:海洋[1]、河流[2-3]、湖泊[4]、湿地[5]等等.只要环境适宜,接种不同性质的活性污泥(普通活性污泥[6]、甲烷化污泥[7]、海洋底泥[8-9]等)均能成功驯化出以厌氧氨氧化反应为主导的厌氧氨氧化污泥.但是研究者在富集培养过程中发现,厌氧氨氧化菌倍增时间较长,生长环境严格[10],导致厌氧氨氧化菌的驯化时间较长,严重制约着其工程化的运用[11].为了尽可能地缩短驯化时间,研究者对厌氧氨氧化菌反应机理及生长因子(温度[12-13]、pH[14]、DO[15-16]等等)进行了大量研究,寻求较短时间内尽快地富集更多厌氧氨氧化菌的控制参数,以便快速提高 NH4+-N与NO2--N反应速率.

NH4+-N是废水中主要的氮素形态,也是厌氧氨氧化菌的主要基质,但是过高的浓度又会对反应的稳定性产生影响,甚至会对生物活性产生完全抑制[14,17].一旦厌氧氨氧化菌活性受到抑制,一般需要较长的时间才能够得到恢复.虽有众多研究者发现并报道了过高 NH4+-N对厌氧氨氧化菌产生的抑制现象,但是产生抑制时对应的NH4+-N值相差甚大[17].同时很少考虑温度、pH值等运行参数与之联系,导致能够参考和利用的信息很少.因此本文在众多研究者所报道现象的基础之上,剖析NH4+-N对厌氧氨氧化菌生化反应过程影响及调控策略.旨在为今后厌氧氨氧化菌富集及高NH4+-N浓度下厌氧氨氧化反应稳定运行的控制参数选择及稳定运行提供一点参考.

1 材料与方法

1.1 实验装置与控制条件

图1 微生物培养装置Fig.1 A microorganism culture device

实验装置采用内径16cm、有效体积4L的细胞培养罐(INFORS Labfors 3),由圆柱型玻璃制成,如图1所示.反应器外设有水浴夹套,通过控制循环水的温度将反应控制在(32±1)℃.反应器内设置DO和ORP电极(METTLER 4800)用于监测反应器内的溶解氧环境;设置 pH 电极(METTLER 405)在线实时监测反应过程中pH的变化,在必要的情况下,通过控制系统自动添加稀HCl(1mol/L)或 NaOH溶液(1mol/L)调节反应器内的 pH环境.反应器顶端设有搅拌装置,通过控制搅拌速度使得泥水充分混合,有利于反应完全.

1.2 接种污泥

接种污泥为经过 10a培养的厌氧氨氧化颗粒污泥,外观为鲜艳的红色,厌氧氨氧化特征明显.每次实验的厌氧氨氧化污泥接种量为120mL(量筒内10min沉淀后的体积).厌氧氨氧化污泥接种入反应器前经过超纯水清洗3次.

1.3 模拟营养液

营养液的主要成分为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 浓 缩 液1.25mL/L.微量元素浓缩液组分为: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 测定方法

分析方法参见《水和废水检测分析方法》[18]. NH4+-N:纳氏试剂分光光度法;NO2--N 和NO3--N:戴安ICS-900/AS23离子色谱; pH值和ORP由在线监测探头测定.

1.5 批式实验方法

将等量的厌氧氨氧化污泥(120mL)分别接种入多组细胞培养罐,控制反应器的进水亚硝酸盐浓度为 100mg/L,不同进水氨氮浓度(500,1000, 1500,2000,3000,4000,5000mg/L).同时控制反应器内pH值8.0,温度(32±1)℃,探讨不同进水氨氮浓度下,厌氧氨氧化菌活性的抑制情况.

2 结果与讨论

2.1 温度、pH值变化对水中 NH4+、游离氨(Free Ammonium,FA)浓度变化的影响

水中 FA浓度的计算过程如式(1)所示[19],浓度变化除了与所处环境的 NH4+-N浓度有关,同时还与环境中温度、pH值变化密切关联.在含有200mg/LNH4+-N的水环境中,pH的变化对FA浓度变化产生巨大的影响(如图2A所示).当pH为6.5时,FA的浓度为 0.73mg/L;而当 pH上升到10.5时,FA的浓度为235.09mg/L.由此可见,在固定NH4+-N浓度的水环境中,pH对FA浓度的影响幅度相差近百倍,变化范围主要集中在 pH值为6.5～10.5.厌氧氨氧化反应是一个消耗H+,产生OH-的过程,pH值在厌氧氨氧化反应过程中随着底物的消耗一直处于不断上升的状态[20].一旦控制不好,将会造成厌氧氨氧化过程中 NH4+、FA浓度的巨大波动.温度对FA的影响趋势与pH相同,但变化幅度较小.在其他条件不变的条件下,当温度从20℃上升到40℃时, FA浓度的变化幅度仅相差3倍左右.因此温度和pH值对水环境中NH4+、FA的浓度变化起着重要作用,其中pH对FA的影响明显高于温度和NH4+-N浓度.因此研究 NH4+-N浓度对厌氧氨氧化菌活性影响时,必须考虑到当时环境中pH值的变化.

式中:CFA为FA的浓度,mg/L;CtNH3为总NH4+-N浓度,mg/L; T为温度,℃.

2.2 NH4+-N存在形态及浓度对厌氧氨氧化反应的影响及解决方法

FA对传统的生物脱氮反应(亚硝化反应、硝化反应)的影响已经得到研究者的广泛认同,并且通过控制环境中FA浓度可以很好地实现亚硝化和硝化过程分离[21].厌氧氨氧化作为一个新型的生物脱氮反应,NH4+-N存在形态及浓度对厌氧氨氧化反应的影响也受到广泛关注.Cema等[22]和 Dapena等[23]通过研究发现,对厌氧氨氧化菌产生抑制的物质不是离子态的 NH4+,而是NH4+所形成的FA.随后,Jung等[24]发现当进水中FA浓度达到1.7mg/L就会对厌氧氨氧化过程产生抑制,当FA浓度达到32mg/L时厌氧氨氧化反应将会完全终止.

图2 温度、pH对FA浓度的影响(A、温度32℃,NH4+-N浓度 200mg/L;B、pH值8,NH4+-N浓度 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)

图3 相同FA浓度下NH4+-N浓度与pH值变化关系Fig.3 The relationship between the change of concentration of NH4+-N and pH under the same concentration of FA

依据 Jung等[24]和 Jaroszynski等[25]的有关FA对厌氧氨氧化菌活性影响的研究结果,以 pH值为变量,NH4+-N浓度为因变量,绘制出FA浓度2mg/L(设定为出现抑制时浓度)和 35mg/L(设定为完全抑制浓度)的pH值与NH4+-N浓度的关系图,如图 3所示.由图 3可以看出,在不同的进水NH4+-N浓度下,当FA值小于2mg/L,即处于区域(A)时,厌氧氨氧化菌最适宜;而当 FA值大于2mg/L而小于 35mg/L,即处于区域(B)时,厌氧氨氧化菌活性开始出现抑制,并随着 FA浓度的增加甚至产生完全抑制;而当FA值大于35mg/L,即处于区域(C)时,厌氧氨氧化菌将不适应此时的FA环境.并且从图 3中可以看出,在同样的进水NH4+-N浓度下,不同的pH值环境可以将厌氧氨氧化菌对 FA的适应性控制在不同的区域.同样甚至在较低的 NH4+-N浓度下也会产生抑制厌氧氨氧化菌活性的 FA浓度.同时也说明在保证pH值处于厌氧氨氧化菌活性范围内,可以通过调控pH值环境来避免FA对厌氧氨氧化的影响.

为了探讨高NH4+-N浓度下,通过调节pH能否避免 FA对厌氧氨氧化菌活性的抑制.设定进水NH4+-N浓度500mg/L,NO2--N浓度100mg/L,反应器内pH值恒定在7.9.研究了反应器内厌氧氨氧化菌活性变化,如图 4所示.随着进水NH4+-N浓度的提高,NO2--N开始不断积累.当反应器运行至 68h时,出水 NH4+-N浓度达到472mg/L,而NO2--N浓度累积到79.45mg/L,此时反应器内FA达到33.34mg/L,说明反应器内厌氧氨氧化菌活性产生了抑制.其他条件不变,当反应器运行至72h,仅将反应器内的pH值下降到7.3,此时反应器内的 FA 浓度下降到 8.6mg/L, NH4+-N和NO2--N浓度也开始出现下降.当反应器运行至116h时,出水NH4+-N和NO2--N浓度分别为418.9mg/L和10mg/L,说明通过pH值的调控使得 FA浓度下降后,厌氧氨氧化菌的活性可以得到了恢复.因此通过 pH的调控可以实现厌氧氨氧化处理高NH4+-N浓度废水.

图4 FA对厌氧氨氧化反应器脱氮的影响及pH调控Fig.4 effect of FA on nitrogen removal and pH regulate in anammox reactor

2.3 NH4+-N对厌氧氨氧化反应的抑制规律及相应解决方法

目前,在厌氧氨氧化污泥富集培养过程中,可以通过缩短HRT和提高基质浓度的方式提高反应器氮容积负荷.研究者在采用后者富集培养微生物时发现基质浓度过高而导致厌氧氨氧化菌活性受到抑制现象[26].Jaroszynski等[25]通过实验表明当FA浓度达到2mg/L时就会对厌氧氨氧化菌活性产生影响.Fernández等[27]发现当环境中FA浓度突然达到38mg/L时,厌氧氨氧化菌活性仅被抑制 50%;而将长期处于 FA浓度为 35～40mg/L的环境时,厌氧氨氧化反应会变的极不稳定,反应速率甚至可能降到 0mg/L.Niu等[28]通过重复的抑制和恢复实验表明FA对厌氧氨氧化菌活性的半抑制浓度为 16～20mg/L.因此,众多研究者所报道的抑制值不一样,范围太大,并将其原因归咎于生物活性的不同.但是很少有研究者在研究过程中考虑到 pH、温度等环境变化对 FA浓度的影响,研究过程并未做到环境因子的恒定.也未对抑制规律进一步阐述,因此无法供其他研究者参考.

图5 不同氨氮浓度对厌氧氨氧化菌活性的影响Fig.5 Effect of different ammonium on Anammox activity

在进水pH值8.0,温度32℃的条件下研究了高 NH4+-N对厌氧氨氧化活性的抑制,设定进水NO2--N恒定在 104mg/L, NH4+-N初始浓度2000mg/L,如图5所示.经过9h的运行,反应器内FA浓度150mg/L,出水NO2--N上升到50mg/L以上.说明厌氧氨氧化菌活性受到抑制.在运行的10h,将进水氨氮浓度下降到1000mg/L,随着反应器内 FA的逐步下降,出水亚硝氮出现明显的下降.但是随着反应器持续运行至15h时,出水亚硝酸盐开始逐步上升,最终又上升到 50mg/L.在反应器运行的 21h,将进水氨氮浓度下降到500mg/L,出水亚硝酸盐同样出现下降的现象,最低下降到18.2mg/L,但是随着运行时间的延长,反应器内的亚硝酸盐仍然有上升趋势.说明 FA对厌氧氨氧化菌活性的抑制并没有一个固定的值.

图6 不同NH4+-N浓度下FA半抑制浓度与抑制时间的关系(C为进水NH4+-N浓度)Fig.6 relation of half maximal inhibitory concentration of FA to inhibitory time under different NH4+-N concentrations

为此,本实验在控制温度,pH值恒定的条件下,采用等量、等性能的厌氧氨氧化污泥,并且以半抑制浓度为参考指标,研究了不同 NH4+-N浓度对厌氧氨氧化菌活性的影响.当厌氧氨氧化菌活性达到半抑制时所对应的FA浓度和所需要的时间(简称“抑制时间”)存在明显差异.随着进水NH4+-N浓度的增加,出现相同抑制效果时,存在半抑制浓度增大而抑制时间缩短的现象.为此,对数据进行拟合后发现,抑制浓度和出现抑制的时间存在一定的曲线关系:y=732.38x-0.89,R2=0.99,如图5所知.因此在利用提高NH4+-N浓度方式提高反应器脱氮效能或者利用厌氧氨氧化处理高NH4+-N废水时,遇到水质波动较大的情况,除了通过降低pH值的方法降低反应器内的FA,同时可考虑相应缩短高 NH4+-N浓度与厌氧氨氧化菌的接触时间,避免厌氧氨氧化菌活性的抑制.

3 结论

3.1 pH值和温度是影响水中NH4+-N和FA形态和浓度的重要影响因素,但是 pH值的影响大于温度.

3.2 在恒定进水NH4+-N浓度500mg/L的条件下,将pH值从7.9降低到7.3,可以避免FA对厌氧氨氧化菌活性的影响.因此通过 pH调节可实现高含氨废水的厌氧氨氧化脱氮处理.

3.3 不同进水NH4+-N浓度下,厌氧氨氧化菌活性达到半抑制状态所对应的FA浓度和时间不同,并呈现良好的曲线关系.因此当反应器内氨氮浓度增高时,除了通过降低pH值避免FA对厌氧氨氧化活性的影响,还需要缩短厌氧氨氧化污泥与基质的接触时间.

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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

国家重点研发计划(2016YFC0401103);国家自然科学基金项目(51478284,51408387);江苏省特色优势学科二期项目;江苏省水处理技术与材料协同创新中心项目;苏州市分离净化材料与技术重点实验室(SZS201512)

* 责任作者, 实验师, lixiang@mail.usts.edu.cn

袁 砚(1983-),女,四川泸州人,硕士,实验师,主要研究方向为废水脱氮处理理论及新工艺.发表论文10余篇.