溫度對厭氧氨氧化與反硝化耦合脫氮除碳的影響

于德爽,魏思佳,李津,齊泮晴,管勇杰

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溫度對厭氧氨氧化與反硝化耦合脫氮除碳的影響

于德爽,魏思佳,李津*,齊泮晴,管勇杰

(青島大學環(huán)境科學與工程學院,山東 青島 266071)

采用ASBR反應器,研究了溫度對厭氧氨氧化與反硝化耦合反應的短期影響.試驗結(jié)果表明:耦合反應的活化能要小于單純厭氧氨氧化反應的活化能,厭氧氨氧化與反硝化耦合反應可在一定程度上緩解低溫對單純厭氧氨氧化反應造成的消極影響,溫度降低對厭氧氨氧化反應的影響大于對反硝化反應的影響.溫度與耦合反應最大比反應速率的關系符合Arrhenius方程,在25~35℃時,耦合反應活化能為49.56kJ/mol,小于厭氧氨氧化反應的活化能66.18kJ/mol,且厭氧氨氧化反應為主導反應,對脫氮的貢獻率約為61.29%.9~25℃時耦合反應的活化能為74.91kJ/mol,小于此溫度梯度下厭氧氨氧化的活化能106.40kJ/mol,反硝化反應對脫氮的貢獻率隨溫度的降低逐漸升高,9℃時,反硝化反應成為主導反應,對脫氮的貢獻率約為75.10%.溫度低于25℃時,反應器的容積氮去除速率(NRR)會受溫度的影響.

溫度；厭氧氨氧化；反硝化；活化能

廢水生物處理工藝中,傳統(tǒng)生物脫氮過程能耗大,并且很難用于處理低碳氮比廢水[1].厭氧氨氧化反應是以NO2-為電子受體,將NH4+氧化為N2的自養(yǎng)過程,無需外加碳源,在工業(yè)應用中,能耗可減少60%左右[1-2].因此,厭氧氨氧化工藝被認為是一種環(huán)境友好型脫氮技術,發(fā)展前景廣闊[3].然而,厭氧氨氧化反應易受環(huán)境因素影響,如溫度、有機物、溶解氧、光線等,在實際應用中,需通過人工手段加以克服,如細菌的協(xié)同作用可以緩解有機物、溶解氧、溫度等的抑制作用[4],因此有學者提出將厭氧氨氧化反應與反硝化反應結(jié)合以實現(xiàn)同時脫氮除碳.異養(yǎng)反硝化反應以有機物為電子供體,可為厭氧氨氧化過程消除有機物的抑制,從而擴大其應用范圍,在工業(yè)中,常用來處理含氮含碳廢水.

溫度依賴性是影響生物反應器運行的重要因素[5],溫度影響微生物活性主要通過影響微生物酶促反應,其主要途徑有兩種,一是影響酶催化反應的速率,二是影響基質(zhì)擴散到細胞的速率[6].作為生物處理過程,厭氧氨氧化與反硝化反應均受溫度影響.據(jù)報道,厭氧氨氧化菌與反硝化菌的最適生長溫度分別為30~40℃[7-10]、15~35℃[11-12].低溫下,厭氧氨氧化菌與反硝化菌都會受到抑制,而在市政與工業(yè)廢水處理中,隨四季氣候變化,水溫大致在5~20℃,因此,厭氧氨氧化與反硝化耦合工藝在廢水處理中需應對低溫帶來的嚴峻挑戰(zhàn).近幾年, 國內(nèi)外研究者對厭氧氨氧化耦合異養(yǎng)反硝化做了很多研究[13-14],厭氧氨氧化工藝的低溫應用引發(fā)較多關注,但中低溫對厭氧氨氧化與反硝化耦合脫氮除碳的影響還鮮有報道.本試驗通過改變反應器水浴溫度,研究溫度對厭氧氨氧化與反硝化耦合脫氮除碳的短期運行影響、活化能的變化情況以及二者對脫氮的貢獻率,可為厭氧氨氧化與反硝化耦合工藝的實際應用提供理論依據(jù).{Chamchoi, 2008 #32}

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

1取樣口及進出水口;2.排泥口;3.攪拌;4.水浴循環(huán)進出水口;5.水浴恒溫控制器;6.水封;7.進水蠕動泵;8.水浴循環(huán)蠕動泵;9.儲水箱

試驗采用ASBR反應器,試驗裝置如圖1所示.反應器使用有機玻璃制作而成,總體積為8.0L,有效體積7.0L.人工配置的廢水從反應器下部的進水口由蠕動泵泵入反應器內(nèi),內(nèi)置精密攪拌器,整個反應器表面用黑布包裹,防止光線對厭氧氨氧化活性污泥造成負面影響.反應器溫度通過恒溫水浴保持,通過向水浴中添加冰水混合物達到所需低溫.反應器運行一個周期的時間為10.5h,其中進水2min,攪拌10h,靜置25min,出水3min.

1.2 試驗廢水

試驗廢水為人工配水,主要成分為(mg/L): KH2PO420, CaCl297, MgSO4·7H2O 214, KHCO3857, 微量元素Ⅰ(1mL/L): EDTA 5g/L, FeSO4·7H2O 5g/L; 微量元素Ⅱ(1mL/L): EDTA 15g/L, H3BO30.014g/L, MnCl2·4H2O 0.99g/L, CuSO4·5H2O 0.25g/L, ZnSO4·7H2O 0.43g/L, NiCl26H2O 0.19g/L, Na2MoO4·2H2O 0.22g/L, CoCl2·6H2O 0.24g/L, NaSeO4·10H2O 0.21g/L.

NH4+-N、NO2--N和COD由NH4Cl、NaNO2和葡萄糖按需提供.進水NH4+-N濃度為80mg/L, NO2--N濃度為150mg/L,COD濃度為300mg/L,進水pH值控制在7.54±0.10.

1.3 污泥性狀

試驗開始時,耦合反應器中活性污泥的污泥沉降比(SV%)為24.1%,混合液懸浮固體濃度(MLSS)為19.4g/L,污泥沉降指數(shù)(SVI)為12.4mL/g,活性污泥呈現(xiàn)明顯的顆?；?其粒徑主要分布在0.6~1.5mm范圍內(nèi).

1.4 分析項目和方法

NH4+-N:納氏試劑法[15];NO2--N:N-(1-萘基)乙二胺分光光度法[15];NO3--N:[15];COD:重鉻酸鉀法[15];MLSS:重量法[15]; pH值:WTW pH/0xi 340i便攜式pH計;溫度:水銀溫度計.

在厭氧氨氧化和反硝化耦合反應中,全部的NH4+-N和部分NO2--N參與厭氧氨氧化反應,剩余的部分NO2--N及厭氧氨氧化產(chǎn)生的NO3--N則參與反硝化反應.因此,將進水中NO2--N和NO3--N的濃度之和看作一個整體,可由厭氧氨氧化反應去除的NO2--N占耦合反應中NO2--N和NO3--N去除總量的比值計算得到厭氧氨氧化反應在耦合反應中的貢獻率:

(1)

反硝化反應在耦合反應中的貢獻率為:

式中:NH4+-Nrem、NO2--Nrem分別為NH4+-N、NO2--N去除量;ΔNO3--N為NO3--N變化量.

溫度對生物反應的影響和溫度對化學反應的影響一樣都可以使用活化能表述,耦合反應的活化能可以使用Arrhenius方程式(3)來描述.

式中:為反應所需的活化能,J/mol;為氣體常數(shù), 8.314J/(k·mol);為熱力學溫度,K;SAA為最大比反應速率,mg N/(g MLSS·h);為Arrhenius常數(shù).

2 結(jié)果

2.1 溫度對耦合反應運行穩(wěn)定性的影響

為了避免高溫對微生物造成不可逆轉(zhuǎn)的危害,將最高溫度設定為35,并分別研究了35,30, 25,20,15,9℃對厭氧氨氧化與反硝化耦合反應器的影響.

由圖2可以看出,溫度為30~35℃時耦合反應幾乎沒有受到溫度變化的影響,出水NH4+-N和NO2--N的去除率均可保持在99%以上,耦合反應的容積總氮去除負荷(NRR)的平均值也未受到溫度變化的影響,其平均值為0.55kg N/(m3·d).當溫度降至25℃時,耦合反應開始受到溫度降低的微弱影響,出水NH4+-N和NO2--N濃度的平均值分別為7.37mg/L和13.45mg/L,去除率分別下降了7.75%和7.98%.隨著溫度的下降,NRR也出現(xiàn)了微弱的下降,由30℃的0.55kg N/(m3·d)下降至0.52kg N/(m3·d),約下降了5.45%.從20℃開始,溫度對耦合反應的影響急劇增大,由25℃至20℃,出水NH4+-N和NO2--N濃度的平均值分別為25.04mg/L和37.31mg/L,去除率分別下降了24.08%和16.97%, NRR下降至0.42kg N/(m3·d).由20℃至15℃,耦合反應器的脫氮性能進一步惡化,出水NH4+-N和NO2--N濃度的平均值分別為36.21mg/L和56.37mg/L,去除率分別下降至56.92%和64.31%, NRR下降至0.37kg N/(m3·d).但反應器內(nèi)并沒有出現(xiàn)Dosta等[16]報道的溫度為15℃時由于亞硝酸鹽積累而造成亞硝酸鹽抑制的現(xiàn)象,這可能是由于反硝化反應的存在抵消了這種影響.溫度由15℃降至9℃時,耦合反應器的脫氮性能急劇惡化,出水NH4+-N和NO2--N濃度的平均值分別為73.89mg/L和99.57mg/L,去除率分別下降至12.80%和32.87%,較15℃時分別下降了77.51%和48.89%,NRR下降至0.16kg N/(m·d),與Isaka等[17]在在水溫為6 ℃時得到的基質(zhì)氮去除速率0.36kg N/(m3·d)相似.由此可見降低溫度對NH4+-N去除率的影響要大于對NO2--N去除率的影響.COD去除率隨溫度的降低逐漸下降,但下降的幅度較小,可能與溫度降低時反硝化菌的呼吸作用加強以抵抗溫度的下降有關,但溫度降為9℃時,COD的去除率出現(xiàn)了較大的下降,主要原因是低溫抑制了反硝化菌體內(nèi)酶的活性.

如圖2(e)所示,隨溫度的降低,厭氧氨氧化對耦合脫氮的貢獻率逐漸下降,在20~35℃時,厭氧氨氧化在耦合反應中占主導地位,在15℃時,厭氧氨氧化與反硝化反應的脫氮貢獻率相當,當溫度降低至9℃時,反硝化對耦合脫氮的貢獻率急劇上升,并成為耦合系統(tǒng)中的主導反應.當溫度從35℃下降至20℃時,厭氧氨氧化對耦合脫氮的貢獻率平均值由61.80%下降至55.79%,變化幅度為9.72%;當溫度從15℃下降至9℃時,其貢獻率平均值由53.51%下降至24.92%,變化幅度為53.43%,可見厭氧氨氧化菌對低溫更敏感.這一變化規(guī)律與圖2(c)中耦合系統(tǒng)的ΔNO2--N/ ΔNH4+-N計量比變化趨勢基本相同,當溫度由35 ℃下降至20℃時,ΔNO2--N/ΔNH4+-N計量比平均值由1.88增加至2.10;當溫度由15℃下降至9℃時,ΔNO2--N/ΔNH4+-N計量比平均值由2.14增加至4.67,均反映了耦合系統(tǒng)中厭氧氨氧化的貢獻率逐漸減弱,反之,反硝化的貢獻率逐漸加強.

2.2 溫度對耦合反應脫氮過程的影響

圖3為不同溫度條件下,反應器單周期內(nèi)NH4+-N、NO2--N、NO3--N濃度及pH值、ORP變化.由圖3(a)和圖3(b)可知,在35℃及30℃下,耦合反應在5h內(nèi)即可結(jié)束,溫度的變化幾乎不會對耦合系統(tǒng)造成較大的影響.但是當溫度降至25℃時,耦合反應開始受到較明顯的影響, NH4+-N在反應開始后7h反應完全, NO2--N需約7.5h才可反應完全.隨溫度繼續(xù)降至20℃, NH4+-N和NO2--N的反應速度開始受到溫度降低的影響急劇下降.至9℃時,10h內(nèi)NH4+-N和NO2--N的去除率分別僅為12.18%和36.18%,表明厭氧氨氧化菌的活性受到嚴重抑制.對于NO3--N的變化,由于溫度小于25℃后,10h的反應時間內(nèi)厭氧氨氧化反應始終存在,造成NO3--N的變化波動加大.溫度小于30℃時,單周期內(nèi)COD濃度隨溫度的變化不大,但9℃時,仍然可以看出溫度對COD去除速率影響較大.

當溫度大于30℃時,耦合系統(tǒng)內(nèi)的pH值變化出現(xiàn)了先升高后下降的趨勢,這與馬娟等[18]報道的反硝化反應系統(tǒng)內(nèi)的pH值變化現(xiàn)象相似,pH值變化的最高點是“亞硝酸鹽峰”[18-19],即耦合反應中,NO2--N耗盡,pH值出現(xiàn)的最高點與圖3(b)中NO2--N耗盡的點一致.在耦合反應單周期反應過程中pH值先升高后下降,出現(xiàn)向上凸起的原因可能是:反硝化反應產(chǎn)生CO2溶于水,形成碳酸,反硝化反應結(jié)束后,厭氧氨氧化菌繼續(xù)消耗水中的HCO3-,造成碳酸平衡向生成HCO3-的方向移動,使水中H+增多,最終導致pH值下降.

對耦合反應,通過計算可得基質(zhì)濃度的最大比反應速率,以lnSAA為縱坐標,1/為橫坐標作圖,結(jié)果如圖4所示.由于耦合反應系統(tǒng)中NH4+- N的去除主要通過厭氧氨氧化進行,因此可以通過圖3(a)計算NH4+-N的最大比反應速率,然后通過Arrhenius方程即可計算出厭氧氨氧化反應的活化能,結(jié)果如圖5所示.

通過圖4可以發(fā)現(xiàn),溫度在9~35℃時,耦合反應存在兩個活化能,溫度在25~35℃時的活化能為49.56kJ/mol,溫度在9~25℃時的活化能為74.91kJ/mol,約為25~35℃時的1.51倍.較低的活化能意味著反應可以較容易的進行,對于厭氧氨氧化與反硝化耦合反應,在25~35℃時具有較高的反應速率,耦合反應的最大比反應速率(SAA)出現(xiàn)在35℃時,約為4.05mg N/(g MLSS·h).25℃時的最大比反應速率約為2.12mg N/(g MLSS·h),為35℃時的52.35%.9℃時耦合系統(tǒng)的最大比反應速率最小,約為0.44mg N/(g MLSS·h),為35℃時的10.86%.對于耦合系統(tǒng)中的厭氧氨氧化菌而言,溫度對厭氧氨氧化比反應速率的影響如圖5所示,易知溫度在9~35℃時,厭氧氨氧化反應也存在兩個活化能,溫度為25~35℃時的活化能為66.18kJ/mol,這一值高于圖4中溫度在25~35℃時耦合反應的活化能,而溫度為9~25℃時的活化能為106.40kJ/mol,這一值也高于圖4中溫度為9~25℃時耦合反應的活化能.隨著溫度的降低,厭氧氨氧化菌的最大比反應速率也出現(xiàn)下降,最大值出現(xiàn)在35℃時,約為1.50mg NH4+-N/(g MLSS·h).25℃時的最大比反應速率約為0.63mg NH4+-N/(g MLSS·h),是35℃時的41.94%,這一值高于楊洋等的研究結(jié)果:溫度由35℃下降至25℃時厭氧氨氧化菌的比反應速率約下降24.14%.溫度降至20℃時,厭氧氨氧化菌的比反應速率約為0.27mg NH4+-N/(g MLSS·h),較25℃時下降約57.14%,這一結(jié)果與楊洋等[20]的研究結(jié)果相近,其研究顯示厭氧氨氧化菌在25℃和20℃時比反應速率分別為0.132mg/(mg·d)和0.064mg/(mg·d), 20℃時的比反應速率較25℃時約下降51.52%.溫度為9℃時的最大比反應速率最小,約為0.067mg NH4+-N/(g MLSS·h),是35℃時的4.46%,可見9℃的低溫對厭氧氨氧化菌的活性起到了嚴重的抑制作用.這與李祥等[21]的研究存在較大差異,其認為溫度為11.5℃時,厭氧氨氧化活性較37℃時下降幅度達67%,原因可能與其長時間的低溫馴化有關.由此可見,反硝化反應的加入降低了耦合反應的活化能,并提高了耦合反應的最大比反應速率,使得厭氧氨氧化與反硝化耦合反應相較于單純的厭氧氨氧化反應具有更高的脫氮效率.

3 討論

降低溫度對厭氧氨氧化菌的短期影響要大于對反硝化菌的短期影響,溫度對于NH4+-N去除率的影響要大于對NO2--N去除率的影響,這與Ma等[22]的研究具有相似性.耦合反應中,厭氧氨氧化對脫氮的貢獻率變化也反映了低溫對厭氧氨氧化菌的影響大于對反硝化菌的影響,這可能是由于厭氧氨氧化菌的適宜溫度為30~ 40 ℃[7-10],而反硝化菌的適宜溫度為15~35℃[12],因此反硝化菌對低溫具有更強的適應性.本研究中反硝化菌對低溫的適應性強于厭氧氨氧化菌也可能與本研究所使用的顆粒污泥有關,其主要有3種存在形式,即:一種是厭氧氨氧化顆粒污泥,一種是反硝化顆粒污泥,一種是厭氧氨氧化菌外面包裹著反硝化菌的顆粒污泥.而包裹厭氧氨氧化菌的反硝化菌由于受到厭氧氨氧化菌呼吸產(chǎn)熱的影響,在低溫下仍表現(xiàn)出對溫度降低的較低敏感度.但Canion等[23]研究北極峽灣泥漿中厭氧氨氧化菌與反硝化菌的行為時認為:厭氧氨氧化菌相較于反硝化菌對于低溫具有更強的適應性.這可能與菌群的種類差異以及馴化時間的長短有關.海洋環(huán)境中的厭氧氨氧化菌主要是嗜冷耐寒微生物[23],在-2℃時仍然具有活性[24],反硝化菌的種類更加繁多[25],不同的種屬其最適溫度也會有差異.而漸進的馴化被認為是厭氧氨氧化菌適應低溫環(huán)境的主要因素[16].相比于35~15℃,厭氧氨氧化菌對15~9℃的溫度變化更敏感,這與Dosta等[16]的研究結(jié)果一致.綜合考慮經(jīng)濟成本、運行效果等因素,利用厭氧氨氧化與反硝化耦合工藝進行脫氮除碳時應不低于15℃.

厭氧氨氧化與反硝化耦合反應可在一定程度上緩解低溫對單純厭氧氨氧化反應造成的消極影響,有利于增強反應器運行的穩(wěn)定性.通過研究耦合反應在不同溫度下的活化能可以發(fā)現(xiàn),在同一溫度梯度下耦合反應的活化能均小于單純厭氧氨氧化反應的活化能,可認為反硝化反應的加入降低了脫氮的難度,使耦合反應脫氮效率更高.本研究中厭氧氨氧化反應的活化能與Strous等[7]、Dosta等[16]的研究結(jié)果相當,高于Isaka等[5]的研究結(jié)果,其研究認為厭氧氨氧化菌在溫度為6~22℃時的活化能為94kJ/mol,在28~37℃時活化能為33kJ/mol.產(chǎn)生這種差異的原因可能與顆粒污泥的形態(tài)有關,本研究中的顆粒污泥有一種為厭氧氨氧化菌外面包裹著反硝化菌的顆粒污泥,被反硝化菌包裹的厭氧氨氧化顆粒由于傳質(zhì)速率受到外層反硝化污泥的阻力而減慢,從而導致了整個體系中厭氧氨氧化菌脫氮效率的下降.厭氧氨氧化反應在不同的溫度梯度下呈現(xiàn)兩個活化能,可能與厭氧氨氧化菌體內(nèi)存在的兩種有不同最適溫度的酶有關[5],另外反應器內(nèi)菌群種類的豐富度隨溫度發(fā)生的改變也是厭氧氨氧化菌在不同溫度梯度下存在兩個活化能的可能原因[5].

耦合系統(tǒng)的活化能比單純的厭氧氨氧化反應的活化能低,因此,厭氧氨氧化反應通過與反硝化的聯(lián)合可降低耦合系統(tǒng)對溫度下降的敏感度,提高系統(tǒng)的脫氮穩(wěn)定性,Gao等[26]的研究結(jié)果也證實了這一點.這可能與反硝化菌的加入可以快速提高耦合系統(tǒng)中的生物量并在一定程度上提高污泥的溫度有關[26].

4 結(jié)論

4.1 溫度在30~35℃對厭氧氨氧化與反硝化耦合反應的脫氮效能幾乎沒有影響,其平均值為(0.55±0.02)kg N/(m3·d).溫度在25℃時耦合反應的脫氮效能開始下降,NRR的平均值為(0.51± 0.01)kg N/(m3·d),較30~35℃時約下降7.27%.溫度為9~20℃時會對耦合反應的脫氮效能產(chǎn)生強烈抑制,9℃時耦合反應器的NRR僅為(0.16± 0.007)kg N/(m3·d).

4.2 溫度降低對厭氧氨氧化反應的影響大于對反硝化反應的影響,隨著溫度的下降,厭氧氨氧化反應對耦合反應脫氮的貢獻率逐漸下降.25~ 35 ℃時,厭氧氨氧化反應為耦合反應的主導反應,其對耦合反應脫氮的貢獻率的平均值約為61.29%.溫度在15~20℃時,厭氧氨氧化與反硝化反應的脫氮貢獻率相當.9℃時,反硝化反應成為耦合反應的主導反應,其對耦合反應的脫氮貢獻率約為75.10%.

4.3 耦合反應的活化能小于單純厭氧氨氧化反應的活化能,厭氧氨氧化與反硝化耦合反應可在一定程度上緩解低溫對單純厭氧氨氧化反應造成的消極影響,有利于增強反應器運行的穩(wěn)定性.25~35℃時耦合反應的活化能為49.56kJ/mol,小于厭氧氨氧化反應的活化能66.18kJ/mol.9~ 25 ℃時耦合反應的活化能為74.91kJ/mol,小于此溫度梯度下厭氧氨氧化的活化能106.40kJ/mol.

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* 責任作者, 教授, ljin0532@126.com

Effect of temperature on simultaneous carbon and nitrogen removal by anaerobic ammonium oxidation and denitrification

YU De-shuang, WEI Si-jia, LI Jin*, QI Pan-qing, GUAN Yong-jie

(School of Environmental Science and Engineering, Qingdao University, Qingdao 266071, China)., 2016,36(5)：1384~1391

An anaerobic sequencing batch reactor (ASBR) was used to investigate the short effects of temperature on nitrogen removal by anaerobic ammonium oxidation and denitrification. The activation energy of the coupled reaction contained anammox and denitrification was lower than the single reactor only contained anammox process. The coupled reaction could balance the negative effects of low temperature. Decrease in temperature had more severe effects on anammox process than denitrification process. The relationship between temperature and the maximum specific nitrogen removal rate could accord with Arrhenius equation. The activation energy of coupled reaction was 49.56kJ/mol which was lower than 66.18kJ/mol calculated by anammox reaction at 25~35℃ and anammox was the dominated reaction in the reactor whose contribution rates to nitrogen removal were 61.29%. The activation energy of coupled reaction was 74.91kJ/mol which was lower than 106.40kJ/mol calculated by anammox reaction at 9~25℃. The contribution rates made by denitrification to nitrogen removal were increased with the decreasing of temperature. Denitrification became the dominated reaction when the temperature dropped to 9℃, and its contribution rate to nitrogen removal was 75.10%. The volume of nitrogen removal rate(NRR) would be influenced by temperature when temperature was lower than 25℃.

temperature；ANAMMOX；denitrification；activation energy

X703

A

1000-6923(2016)05-1384-08

于德爽(1964-),男,山東青島人,教授,博士,主要從事水污染控制方面研究.發(fā)表論文30余篇.

2015-10-09

國家自然科學基金(51278258;51478229);山東省自然科學基金(BS2015HZ007);山東省高等學校科技計劃項目(J15LC61);青島市應用基礎研究項目(13-1-4-203-jch)