流加菌種對(duì)厭氧氨氧化工藝的影響

唐崇儉，鄭平，陳建偉

浙江大學(xué)環(huán)境工程系，杭州 310029

流加菌種對(duì)厭氧氨氧化工藝的影響

唐崇儉，鄭平，陳建偉

浙江大學(xué)環(huán)境工程系，杭州 310029

厭氧氨氧化工藝具有很高的容積氮去除速率，現(xiàn)已成功應(yīng)用于污泥壓濾液等含氨廢水的脫氮處理，容積氮去除速率高達(dá)9.5 kg/(m3·d)。但由于厭氧氨氧化菌為自養(yǎng)型細(xì)菌，生長(zhǎng)緩慢，對(duì)環(huán)境條件敏感，致使厭氧氨氧化工藝啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，運(yùn)行容易失穩(wěn)，并且不適合處理有機(jī)含氨廢水和毒性含氨廢水，極大地限制了該工藝的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。為了克服厭氧氨氧化工藝實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題，結(jié)合發(fā)酵工業(yè)中常用的菌種流加技術(shù)，提出了一種新型的菌種流加式厭氧氨氧化工藝，研究了該新型工藝在厭氧氨氧化工藝的啟動(dòng)過(guò)程、穩(wěn)定運(yùn)行以及處理有機(jī)含氨廢水和毒性含氨廢水等方面的應(yīng)用情況。結(jié)果表明，通過(guò)向反應(yīng)器內(nèi)補(bǔ)加優(yōu)質(zhì)厭氧氨氧化菌種，可提高厭氧氨氧化菌數(shù)量及其在菌群中的比例，強(qiáng)化厭氧氨氧化功能。據(jù)此研發(fā)的菌種流加式厭氧氨氧化工藝不僅可以實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)，而且可以穩(wěn)定運(yùn)行，并突破了有機(jī)物和毒物所致的運(yùn)行障礙，拓展了厭氧氨氧化工藝的應(yīng)用范圍。

厭氧氨氧化，菌種流加技術(shù)，生物脫氮，有機(jī)物，毒物

Abstract:Anaerobic ammonium oxidation (Anammox) process is a high-rate nitrogen removal technology that has been applied in sludge dewatering effluents treatment with nitrogen removal rate as high as 9.5 kg/(m3·d). However, due to the slow growth rate of the autotrophic Anammox bacteria and the susceptivity to environmental conditions, the start-up of Anammox process is very long;the operation is unstable; and the nitrogen removal from organic-containing and/or toxicant-containing ammonium-rich wastewaters using Anammox process becomes difficult. Thus, the application of this high-rate process is significantly limited. In this paper, a newly-developed Anammox process with sequential biocatalyst (Anammox biomass) addition was established based on the procedure in fermentation engineering. We introduced the Anammox process with sequential biocatalyst addition on start-up, stable operation and the treatment of organic-containing and toxicant-containing ammonium-rich wastewaters. Results show that supplementing high-activity Anammox biomass into reactors will increase the amount of as well as the ratio of Anammox bacteria. Thus, the innovative Anammox process with sequential biocatalyst addition not only accelerates the start-up course, but also enhances the stability of Anammox process. Furthermore, it overcomes the drawbacks of wastewaterscontaining high organic content and toxic substances. Therefore, the application of Anammox process may be further enlarged.

Keywords:Anammox, sequential biocatalyst addition, biological nitrogen removal, organic matter, toxic substance

厭氧氨氧化 (Anaerobic ammonium oxidation，Anammox) 是近 20年中開(kāi)發(fā)成功的一種高效生物脫氮技術(shù)[1-3]，其最高容積去除速率可達(dá)50.75 kg/(m3·d)[4]。2002年世界上第一個(gè)生產(chǎn)性 Anammox反應(yīng)器在荷蘭鹿特丹投入運(yùn)行，用于處理厭氧消化污泥壓濾液，容積去除速率高達(dá) 9.5 kg/(m3·d)[3]，對(duì)于一個(gè) 62萬(wàn)人口的城市，其污泥消化液處理僅用了70 m3裝置。Anammox工藝的效能大大突破了傳統(tǒng)硝化-反硝化生物脫氮工藝，受到了環(huán)境工程界的高度關(guān)注；其處理費(fèi)用僅為0.75 歐元/kg N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)生物脫氮工藝 (2~5歐元/kg N)[5]，顯示了誘人的應(yīng)用前景。

但是，厭氧氨氧化菌為嚴(yán)格化能自養(yǎng)菌，其倍增時(shí)間長(zhǎng)達(dá)11~19 d[3,6]，細(xì)胞產(chǎn)率僅為0.11 g VSS/g NH4+-N[7]，Anammox菌擴(kuò)增困難，導(dǎo)致反應(yīng)器啟動(dòng)過(guò)程十分緩慢，前述第一個(gè)生產(chǎn)性Anammox反應(yīng)器的啟動(dòng)過(guò)程長(zhǎng)達(dá)3.5年[3]。由于厭氧氨氧化菌為自養(yǎng)菌，當(dāng)環(huán)境中存在有機(jī)物時(shí)，其基質(zhì)亞硝酸鹽易受反硝化菌的競(jìng)爭(zhēng)[8-9]。厭氧氨氧化菌對(duì)環(huán)境條件 (如水質(zhì)、溫度) 敏感[10-12]，對(duì)毒性物質(zhì)適應(yīng)能力較差[12-13]。迄今為止，厭氧氨氧化工藝的應(yīng)用僅局限于少數(shù)幾種低C/N和易生物處理的廢水。含氨廢水同時(shí)含有機(jī)物 (如味精廢水[14]) 或毒性物質(zhì) (如制藥廢水[12])是普遍現(xiàn)象，因此突破上述過(guò)程瓶頸對(duì)厭氧氨氧化工藝的推廣應(yīng)用具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

菌種擴(kuò)大培養(yǎng)是發(fā)酵工業(yè)中廣泛采用的一種菌種應(yīng)用技術(shù)[15]。在批次發(fā)酵中，一般通過(guò)“試管→三角瓶→種子罐→發(fā)酵罐”的多級(jí)擴(kuò)增，使菌量滿足生產(chǎn)需要。而在連續(xù)發(fā)酵中，菌種擴(kuò)增與發(fā)酵生產(chǎn)往往同時(shí)進(jìn)行。在厭氧氨氧化工藝的啟動(dòng)過(guò)程中，除裝置內(nèi)菌種自身增殖外，外加菌種無(wú)疑有利于加快菌體積累。在厭氧氨氧化工藝用于處理高濃度有機(jī)含氨廢水或者毒性含氨廢水時(shí)，外加菌種則無(wú)疑有助于保持功能菌數(shù)量及其在混合菌群 (污泥) 中的比例，從而增強(qiáng)對(duì)有機(jī)物和毒物的抗性?；谶@一理念，本課題組開(kāi)發(fā)了新型菌種流加式厭氧氨氧化工藝[16]，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，以下對(duì)此方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 有機(jī)物對(duì)厭氧氨氧化工藝的影響

在豬場(chǎng)廢水、味精廢水和水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水等眾多實(shí)際廢水中，有機(jī)物與氨共存。不同有機(jī)物對(duì)厭氧氨氧化工藝的影響不盡相同，如甲醇、酚類(lèi)等毒性有機(jī)物對(duì)厭氧氨氧化菌的抑制作用十分強(qiáng)烈[17-18]，筆者將其歸入毒性物質(zhì)。常見(jiàn)的無(wú)毒可溶性有機(jī)物如葡萄糖、乙酸、丙酸、丁酸等對(duì)厭氧氨氧化工藝的影響主要可歸結(jié)為反硝化作用[8-9]。本文擬從分子水平、細(xì)胞水平以及生態(tài)水平等層面來(lái)探討無(wú)毒有機(jī)物對(duì)厭氧氨氧化工藝的影響。

從分子水平看，亞硝酸是厭氧氨氧化和反硝化的共同反應(yīng)物，兩者的化學(xué)反應(yīng)式分別為 (1) 和(2) (其中有機(jī)物以葡萄糖表示)[19]。在缺氧以及同時(shí)存在氨、亞硝酸鹽和有機(jī)物的條件下，因反硝化的吉布斯自由能 (?472 kJ/mol) 低于厭氧氨氧化(?335 kJ/mol) 的吉布斯自由能，反硝化更易發(fā)生，因此反應(yīng)物亞硝酸被優(yōu)先用于反硝化，導(dǎo)致厭氧氨氧化因缺乏反應(yīng)物亞硝酸而難以進(jìn)行。

從細(xì)胞水平看，反硝化菌的倍增時(shí)間一般以小時(shí)計(jì)，而厭氧氨氧化菌的倍增時(shí)間則一般以天計(jì)[20]，前者遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于后者。由于反硝化先于厭氧氨氧化發(fā)生，因此體系內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) (包括亞硝酸) 也優(yōu)先滿足反硝化菌的細(xì)胞合成之需。在實(shí)際廢水中，一些營(yíng)養(yǎng)成分 (如微量元素和生長(zhǎng)因子) 的含量較低，易成為限制性因子，有異養(yǎng)菌生長(zhǎng)時(shí)，這些限制性因子供求關(guān)系更加緊張，對(duì)厭氧氨氧化菌的生存和發(fā)展是一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

從生態(tài)水平看，反硝化菌為異養(yǎng)型細(xì)菌，可利用有機(jī)物作為碳源，其細(xì)胞產(chǎn)率 (細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù)Y=0.3) 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于厭氧氨氧化菌 (Y=0.066)[9,19-20]，因而在生存空間 (顆粒污泥空間、反應(yīng)器有效空間) 的競(jìng)爭(zhēng)中也處于優(yōu)勢(shì)[9]。若長(zhǎng)期在高有機(jī)物濃度下運(yùn)行，反硝化菌可逐漸占據(jù)顆粒污泥和反應(yīng)器的有效空間，并將厭氧氨氧化菌排擠出反應(yīng)器系統(tǒng)[9]。

Chamchoi等[8]的研究結(jié)果表明，在UASB反應(yīng)器容積氮負(fù)荷低于0.1 kg/(m3·d)的工況下，進(jìn)水COD濃度提高至300 mg/L[有機(jī)負(fù)荷為0.1~0.2 kg COD/(m3·d)]即可抑制厭氧氨氧化菌混培物的活性。Molinuevo等[20]也證實(shí)，COD濃度為292 mg/L可導(dǎo)致厭氧氨氧化反應(yīng)器性能?chē)?yán)重惡化。楊洋等[21]研究表明葡萄糖 (200 mg COD/L) 可明顯抑制污泥的厭氧氨氧化活性，污泥表現(xiàn)出較高的反硝化活性。本課題組研究表明，長(zhǎng)期在高濃度有機(jī)物 (COD/NO2?-N為2.29)下運(yùn)行，厭氧氨氧化反應(yīng)器的容積脫氮效能可由11.70 kg/(m3·d)直線下降至 0.1~0.3 kg/(m3·d)，最后幾近消失 (通過(guò)厭氧氨氧化消耗的 NO2?-N 僅為2.1%)[9]。長(zhǎng)期 (130 d) 在高濃度有機(jī)物下運(yùn)行后，即使從廢水中去除有機(jī)物，恢復(fù)在無(wú)機(jī)狀態(tài)下運(yùn)行(持續(xù)運(yùn)行18 d)，厭氧氨氧化反應(yīng)器的容積效能也不能恢復(fù)至原有水平[9]。這一現(xiàn)象表明，有機(jī)物已對(duì)厭氧氨氧化工藝的脫氮功能產(chǎn)生了深刻的影響。采用透射電鏡對(duì)比觀察反應(yīng)器內(nèi)的污泥樣品發(fā)現(xiàn)，添加有機(jī)物后，污泥中的厭氧氨氧化菌細(xì)胞顯著下降(圖1中A、B為未添加有機(jī)物前的污泥樣品；C、D、E、F為添加有機(jī)物長(zhǎng)期運(yùn)行后的污泥樣品)，大量厭氧氨氧化細(xì)胞處于分解狀態(tài) (圖 1E、F)[9]。有機(jī)物對(duì)厭氧氨氧化菌的影響可歸因?yàn)椋悍聪趸鷥?yōu)先利用亞硝酸鹽，致使厭氧氨氧化菌缺乏基質(zhì)而處于饑餓狀態(tài)，反硝化菌逐漸在反應(yīng)器內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位，導(dǎo)致厭氧氨氧化功能最終消失[9]。

圖1 添加有機(jī)物前后污泥樣品的透射電鏡照片[9]Fig. 1 TEM photographs of sludges before (A, B) and after (C,D, E, F) dosing organic matter[9].

2 毒性物質(zhì)對(duì)厭氧氨氧化工藝的影響

從分子水平看，毒性物質(zhì)對(duì)厭氧氨氧化的影響主要有 2個(gè)方面：一是與厭氧氨氧化競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)物氨或亞硝酸，如在脫氮硫桿菌的作用下廢水中的硫化物可將亞硝酸還原為氮?dú)鈁22]；又如在硝化細(xì)菌的作用下氧可將氨氧化成亞硝酸而造成氨缺乏，也可將亞硝酸氧化成硝酸而造成亞硝酸缺乏[23]。二是導(dǎo)致催化厭氧氨氧化反應(yīng)的酶失活，如羥胺氧還酶中含有大量細(xì)胞色素[23]，CN?可與細(xì)胞色素中的鐵結(jié)合而使之失活。

從細(xì)胞水平看，毒物會(huì)破壞厭氧氨氧化菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)或抑制厭氧氨氧化菌的代謝活動(dòng)[13]。抗生素是含氨制藥廢水中常見(jiàn)的抑制物質(zhì)[12-13]，其中青霉素、頭孢菌素類(lèi)、萬(wàn)古霉素等可干擾細(xì)胞壁的合成；鏈霉素、慶大霉素、氯霉素、四環(huán)素等可干擾核糖體的蛋白質(zhì)合成[24]。

從生態(tài)水平看，厭氧氨氧化菌生長(zhǎng)速度慢、細(xì)胞產(chǎn)率低、對(duì)毒性物質(zhì)抗性弱；而異養(yǎng)菌生長(zhǎng)速度快、細(xì)胞產(chǎn)率高、對(duì)毒性物質(zhì)抗性強(qiáng)。當(dāng)廢水中存在毒性物質(zhì)時(shí)，厭氧氨氧化菌所受的抑制更嚴(yán)重，更易被淘汰。

我國(guó)抗生素生產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，現(xiàn)有 300多家抗生素生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)70多個(gè)抗生素品種，產(chǎn)量占世界原料藥產(chǎn)量的 20%~30%?？股乜梢种茀捬醢毖趸幕钚浴an de Graaf等[7]通過(guò)批次實(shí)驗(yàn)研究了氯霉素對(duì)厭氧氨氧化污泥活性的影響，結(jié)果表明氯霉素添加量為200 mg/L時(shí)，厭氧氨氧化活性降低了 68%。Fernández等[13]的研究結(jié)果表明，四環(huán)素濃度為10 mg/L可導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)厭氧氨氧化菌的活性降低60%。含氨制藥廢水因含有殘余的抗生素，采用厭氧氨氧化工藝處理時(shí)，效果往往較差。本課題組的研究表明，采用厭氧氨氧化工藝直接處理制藥廢水 (進(jìn)水氨氮、亞硝氮濃度為 120~250 mg/L)時(shí)，反應(yīng)器的厭氧氨氧化脫氮功能逐漸下降，至41 d后完全消失。生物毒性試驗(yàn)表明，制藥廢水的生物毒性是導(dǎo)致反應(yīng)器厭氧氨氧化功能消失的主要原因[12]。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，毒性物質(zhì)可在厭氧氨氧化污泥中積累而呈現(xiàn)蓄積毒性[12]，更加重了毒性物質(zhì)對(duì)厭氧氨氧化菌的抑制，反應(yīng)器的脫氮性能最終完全崩潰。

3 菌種流加式厭氧氨氧化技術(shù)

菌種流加式厭氧氨氧化技術(shù)是針對(duì)常規(guī)厭氧氨氧化工藝的固有缺陷而開(kāi)發(fā)的一種新型廢水生物脫氮技術(shù)[16]，本課題組對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了初步探究。

3.1 加速啟動(dòng)過(guò)程

厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動(dòng)緩慢，這一缺陷嚴(yán)重制約了該工藝的工程化應(yīng)用。采用菌種流加技術(shù)可大大縮短厭氧氨氧化工藝的啟動(dòng)時(shí)間[10]。

在本課題組所做的厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動(dòng)研究中，中試厭氧氨氧化反應(yīng)器采用上流式濾器(2.5 m3)，接種污泥為普通活性污泥 (短程硝化污泥、厭氧顆粒污泥、反硝化污泥以及厭氧絮體污泥)，由于在常溫下啟動(dòng)，反應(yīng)器運(yùn)行200 d后仍未見(jiàn)氨氮去除現(xiàn)象[10]。為了縮短啟動(dòng)時(shí)間，于第214天向反應(yīng)器內(nèi)投加了 20 L高效厭氧氨氧化污泥[VSS為14.2 g/L，比污泥活性為1.68 g/(gVSS·d)]，中試反應(yīng)器立即呈現(xiàn)厭氧氨氧化功能，之后氨氮去除率逐漸上升，厭氧氨氧化功能逐漸增強(qiáng)。至第 255天，反應(yīng)器容積總氮去除速率升高為1.11 kg/(m3·d)，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)值，反應(yīng)器啟動(dòng)成功[10]。后續(xù)運(yùn)行結(jié)果表明，該中試厭氧氨氧化反應(yīng)器的容積脫氮效能可達(dá)3.5 kg/(m3·d)[25]。

就污泥投加量而論，相對(duì)于中試裝置內(nèi)的污泥量，所投加的厭氧氨氧化污泥并不多 (污泥投加比約為2%)[10]，理論上不足以產(chǎn)生如此顯著的功效。這個(gè)現(xiàn)象表明，經(jīng)過(guò) 200多天的運(yùn)行，中試反應(yīng)器內(nèi)已積累一定數(shù)量的厭氧氨氧化菌，只是由于某些因素的限制而不能顯現(xiàn)厭氧氨氧化功能。

實(shí)驗(yàn)證明，厭氧氨氧化菌富集培養(yǎng)物只有在細(xì)胞密度高達(dá) 1010個(gè)/mL以上時(shí)，才能顯現(xiàn)出厭氧氨氧化活性[23]。在該中試反應(yīng)器的啟動(dòng)過(guò)程中 (2007年10月至2008年5月)，水溫維持在較低水平 (5 ℃~20 ℃)，在此溫度下，厭氧氨氧化的活化能高達(dá)93~94 kJ/mol[11]，反應(yīng)較難進(jìn)行(在廢水生物處理中，活化能的取值范圍通常為8.37~83.68 kJ/mol[23])，故厭氧氨氧化菌的細(xì)胞密度難以提高，這可能是導(dǎo)致該中試厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動(dòng)過(guò)程持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)的主要原因。通過(guò)向該中試反應(yīng)器補(bǔ)充高活性厭氧氨氧化菌種，可在中試反應(yīng)器的局部空間內(nèi)提高厭氧氨氧化菌的細(xì)胞密度，從而顯現(xiàn)出厭氧氨氧化活性，進(jìn)而帶動(dòng)了中試反應(yīng)器內(nèi)其他厭氧氨氧化菌的代謝作用，最終得以在較短時(shí)間內(nèi)完成啟動(dòng)，菌種流加效應(yīng)顯著[10]。

3.2 加速失穩(wěn)恢復(fù)

厭氧氨氧化菌的基質(zhì)為氨和亞硝酸鹽，均具毒性，其中尤以亞硝酸鹽毒性更大。在反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)基質(zhì)濃度較高時(shí)，容易出現(xiàn)基質(zhì)的自抑制而導(dǎo)致反應(yīng)器運(yùn)行失穩(wěn)。厭氧氨氧化反應(yīng)器基質(zhì)抑制后的性能恢復(fù)是工藝穩(wěn)定運(yùn)行的重要內(nèi)容。

Strous等[6]研究表明，亞硝酸鹽濃度達(dá)98 mg/L時(shí)即可完全抑制厭氧氨氧化菌的活性。Kimura等[26]研究了亞硝酸鹽沖擊對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)器性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)水亞硝酸鹽濃度突然提高至750 mg/L，并在此濃度下維持7 d，反應(yīng)器內(nèi)厭氧氨氧化菌活性降低為原來(lái)的10%。此外，研究還表明游離氨濃度達(dá)80~104 mg/L時(shí)，也能導(dǎo)致厭氧氨氧化反應(yīng)器運(yùn)行性能的惡化[27]。本課題組研究表明，當(dāng)厭氧氨氧化反應(yīng)器的進(jìn)水濃度提升為1 100 mg/L (進(jìn)水氨氮為1 000 mg/L) 時(shí)，反應(yīng)器出水濃度逐漸升高為 703 mg/L，出水濃度升高為716 mg/L；和去除率分別僅為28%和36%，反應(yīng)器性能?chē)?yán)重惡化。將基質(zhì)濃度降低后進(jìn)行恢復(fù)試驗(yàn)，運(yùn)行39 d后反應(yīng)器的進(jìn)水亞硝酸鹽濃度僅能恢復(fù)至800 mg/L，恢復(fù)程度只有89%。筆者在后續(xù)研究中，當(dāng)反應(yīng)器發(fā)生基質(zhì)自抑制時(shí)，通過(guò)向反應(yīng)器內(nèi)流加少量高效厭氧氨氧化菌種，即可有效緩解基質(zhì)的自抑制作用，快速恢復(fù)厭氧氨氧化反應(yīng)器的脫氮性能。

3.3 克服有機(jī)物影響

本課題組研究了菌種流加式厭氧氨氧化工藝處理有機(jī)含氨廢水的運(yùn)行性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。兩個(gè)平行運(yùn)行的序批式反應(yīng)器 (分別記為 R1和R2)，其中R1不流加菌種，作為對(duì)照；R2每日定時(shí)流加菌種[比厭氧氨氧化活性為1.9 g/(g VSS·d)]，流加速率為0.097 g VSS/(L廢水·L反應(yīng)器·d)，進(jìn)水氨氮、亞硝酸鹽濃度為350 mg/L和400 mg/L，有機(jī)物濃度為 500 mg COD/L，COD/為 1.25，HRT為24 h。在前15天，由于未對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的pH值進(jìn)行控制，體系內(nèi)pH值高達(dá)9.0~9.3 (主要由反硝化所致)。與此對(duì)應(yīng)，2個(gè)反應(yīng)器的氨氮去除率較低，但R2反應(yīng)器的氨氮、亞硝酸鹽氮的去除率均高于R1。適時(shí)調(diào)控 pH值后，2個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的 pH值穩(wěn)定在7.5~8.0，R2反應(yīng)器的氨氮去除率上升至70%~80%，厭氧氨氧化功能顯著增強(qiáng)；而R1的氨氮去除率仍維持在20%以下，厭氧氨氧化功能較弱。以上結(jié)果表明，采用菌種流加技術(shù)可有效克服有機(jī)物對(duì)厭氧氨氧化的負(fù)面影響。

3.4 緩解毒物影響

本課題組試驗(yàn)了菌種流加式厭氧氨氧化工藝處理制藥廢水 (含多種抗生素) 的性能。圖 3為對(duì)照UASB反應(yīng)器 (未采用菌種流加技術(shù)) 的運(yùn)行性能，由圖 3可見(jiàn)，在制藥廢水氨氮和亞硝酸鹽濃度分別為120~200 mg/L和160~240 mg/L，HRT設(shè)置為16 h時(shí)，反應(yīng)器的出水氨氮和亞硝酸鹽濃度均高達(dá)150~200 mg/L，氨氮去除率甚至低于20%，容積氮去除速率僅為 0.1 kg/(m3·d)。而采用菌種流加技術(shù)[菌種流加速率為0.028 gVSS/(L廢水·L反應(yīng)器·d)]，厭氧氨氧化反應(yīng)器的HRT可逐漸縮短為1.11 h，反應(yīng)器出水氨氮濃度低于50 mg/L (圖4A)，氨氮去除率穩(wěn)定在80%左右；出水亞硝酸鹽濃度基本穩(wěn)定在20 mg/L以下(圖4A)，亞硝酸鹽去除率為90%；反應(yīng)器的容積負(fù)荷高達(dá)8.0~9.4 kg/(m3·d)，容積去除速率達(dá)7.9 kg/(m3·d) (圖4B)。上述結(jié)果表明，采用菌種流加式厭氧氨氧化工藝，可實(shí)現(xiàn)制藥廢水等有毒含氨廢水的高效生物脫氮。

圖2 存在有機(jī)物時(shí)厭氧氨氧化SBR的運(yùn)行性能Fig. 2 Performance of Anammox SBR in the presence of organic content. R1: without biocatalyst addition; R2: with biocatalyst addition.

圖3 厭氧氨氧化工藝直接處理制藥廢水的運(yùn)行性能Fig. 3 Performance of conventional Anammox process treating pharmaceutical wastewater. Eff.: effluent.

圖4 菌種流加式厭氧氨氧化工藝處理制藥廢水的運(yùn)行性能Fig. 4 Performance of Anammox process with sequential biocatalyst addition. (A) Profile of influent and effluent nitrogen concentration and hydraulic retention time (HRT). (B) Profile of nitrogen loading rate and nitrogen removal rate. Eff.: effluent; Inf.: influent.

綜合來(lái)看，基質(zhì)、有機(jī)物和毒性物質(zhì)都會(huì)對(duì)厭氧氨氧化菌產(chǎn)生抑制，導(dǎo)致厭氧氨氧化反應(yīng)器的脫氮性能失穩(wěn)。如前所述，作為毒物，這些物質(zhì)均可從分子水平、細(xì)胞水平和生態(tài)水平影響厭氧氨氧化，其中尤以直接破壞厭氧氨氧化菌的細(xì)胞更為強(qiáng)烈。在處理含氨制藥廢水的過(guò)程中，經(jīng)41 d的連續(xù)運(yùn)行，UASB反應(yīng)器內(nèi)的厭氧氨氧化顆粒污泥逐漸解體，顆粒粒徑由2.51 mm降低為1.49 mm，污泥顏色由鮮紅色轉(zhuǎn)變?yōu)闇\黃色；通過(guò)透射電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)污泥中厭氧氨氧化菌的細(xì)胞數(shù)量銳減。同樣，高濃度的亞硝酸鹽也會(huì)對(duì)厭氧氨氧化菌產(chǎn)生強(qiáng)烈的毒害作用，由于厭氧氨氧化性能的恢復(fù)往往是通過(guò)厭氧氨氧化菌數(shù)量增多來(lái)實(shí)現(xiàn)，而在基質(zhì)抑制條件下，厭氧氨氧化菌難以增長(zhǎng)，導(dǎo)致反應(yīng)器性能失穩(wěn)后的恢復(fù)過(guò)程十分緩慢。存在無(wú)毒有機(jī)物的工況下，由于反硝化作用以及反硝化菌的特性，厭氧氨氧化菌在基質(zhì) (分子水平)、營(yíng)養(yǎng) (細(xì)胞水平) 以及生存空間(生態(tài)水平) 的競(jìng)爭(zhēng)中都處于絕對(duì)劣勢(shì)[9]，長(zhǎng)期在高有機(jī)物濃度下運(yùn)行，厭氧氨氧化菌容易被淘汰出反應(yīng)器系統(tǒng)[9]?？梢?jiàn)，無(wú)論是發(fā)生基質(zhì)自抑制，還是因毒物和有機(jī)物存在而導(dǎo)致的性能惡化，都使得厭氧氨氧化菌的數(shù)量不能滿足需求。通過(guò)流加高活性厭氧氨氧化菌種，可人為增加反應(yīng)器內(nèi)厭氧氨氧化菌的數(shù)量，從而強(qiáng)化脫氮功能。另外，厭氧氨氧化菌可分泌大量胞外多聚物[4]，可使厭氧氨氧化菌大量聚集，容易形成沉淀性能優(yōu)良的厭氧氨氧化顆粒污泥[4]，并具有較高活性[1.9 g/(g VSS·d)][4]，同時(shí)也具有較強(qiáng)抵抗外界不利因素影響的能力[9,28]。因此，通過(guò)流加高活性、沉淀性能優(yōu)良的厭氧氨氧化顆粒污泥，可增加體系中厭氧氨氧化菌的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化菌的有效持留，并能增強(qiáng)其抵抗外界不利因素影響的能力，最終發(fā)揮出菌種流加的效應(yīng)。

4 結(jié)論與展望

厭氧氨氧化可在厭氧條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水中氨和亞硝酸鹽的同時(shí)去除，具有較高的容積去除效能和較低的運(yùn)行費(fèi)用，是目前廢水生物脫氮技術(shù)的研究熱點(diǎn)。但由于厭氧氨氧化菌倍增時(shí)間長(zhǎng)、細(xì)胞產(chǎn)率低、且對(duì)環(huán)境條件敏感、反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)行易失穩(wěn)、難以應(yīng)用于高濃度有機(jī)含氨廢水和毒性含氨廢水的生物脫氮，嚴(yán)重限制了該工藝的應(yīng)用范圍?；诰N流加技術(shù)的菌種流加式厭氧氨氧化工藝不僅可加快厭氧氨氧化工藝的啟動(dòng)和失穩(wěn)后的恢復(fù)，而且可克服有機(jī)物和毒物所致的負(fù)面影響，實(shí)現(xiàn)制藥廢水等有機(jī)毒性含氨廢水的高效脫氮，具有誘人的開(kāi)發(fā)潛力。在后續(xù)研究中，宜深入研究厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)和代謝動(dòng)力學(xué)特性，獲得菌種流加的定量參數(shù)；以現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)為手段，建立菌群動(dòng)態(tài)變化指示系統(tǒng)；引進(jìn)自動(dòng)化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)該技術(shù)過(guò)程的自動(dòng)化控制。

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Effect of sequential biocatalyst addition on Anammox process

Chongjian Tang, Ping Zheng, and Jianwei Chen
Department of Environmental Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310029, China

Received: April 26, 2010; Accepted: August 27, 2010

Supported by: National Natural Science Foundation of China (No. 10772150), New Century Excellent Talents in University (No. NCET-06-0885),Ph.D Programs Foundation of the Ministry of Education of China (No. 200806990011), Fundamental Research Foundation of Northwestern Polytechnical University in China (No. 3).

Corresponding author: Dachuan Yin. Tel/Fax: +86-29-88460254; E-mail: yindc@nwpu.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金 (No. 10772150)，新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃 (No. NCET-06-0885)，國(guó)家博士點(diǎn)基金 (No. 200806990011)，西北工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)科研重點(diǎn)項(xiàng)目 (No. 3) 資助。