基于丙氨酸為底物的厭氧氨氧化過程研究

徐 敏,高大文(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150000)

基于丙氨酸為底物的厭氧氨氧化過程研究

徐 敏,高大文*(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150000)

通過批次實(shí)驗(yàn),分別研究了丙氨酸對(duì)于厭氧氨氧化過程的短期以及長(zhǎng)期影響.研究表明,當(dāng)丙氨酸為唯一底物時(shí),無論短期還是長(zhǎng)期培養(yǎng),厭氧氨氧化過程均受到很大影響,體系內(nèi)未發(fā)生氮的去除. 在缺乏電子受體 NO2--N的情況下,體系內(nèi)未發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng),雖然丙氨酸降解率達(dá)到了86%以上,但產(chǎn)生的NH4+-N在體系內(nèi)積累.當(dāng)向丙氨酸為底物的系統(tǒng)中投加NH4+-N和NO2--N時(shí),短期(7h)培養(yǎng)中厭氧氨氧化活性受到的影響較小.同時(shí),2mmol/L丙氨酸在厭氧氨氧化體系中10h即可去除78%,高濃度(10mmol/L)丙氨酸在60h達(dá)到99%的去除率;長(zhǎng)期培養(yǎng)過程中,濃度為2mmol/L的丙氨酸一定程度上抑制了厭氧氨氧化活性.在厭氧氨氧化與反硝化的共同作用下, TN的去除率達(dá)到57%,丙氨酸的去除率為99%左右.

丙氨酸；厭氧氨氧化；生物脫氮

厭氧氨氧化(ANAMMOX)是指在厭氧條件下通過厭氧氨氧化菌(AAOB)的作用,以 NH4+-N為電子供體,NO2--N為電子受體,將 NH4+-N和NO2--N同時(shí)轉(zhuǎn)化為 N2的過程[1-3].與傳統(tǒng)硝化-反硝化脫氮相比,具有無需外加碳源;節(jié)約成本;避免二次污染;節(jié)省供氧動(dòng)力消耗;降低溫室氣體排放;產(chǎn)泥量少等優(yōu)點(diǎn)[4-7].因此,厭氧氨氧化技術(shù)作為一種高效低耗的新型生物脫氮技術(shù)而受到人們的重視.

厭氧氨氧化工藝多被應(yīng)用于高氨氮、低碳氮比的廢水當(dāng)中,通常認(rèn)為在有機(jī)物存在下,厭氧氨氧化菌會(huì)受到一定的影響.但不含有機(jī)物的廢水十分罕見,廢水在通過厭氧處理后會(huì)產(chǎn)生小分子有機(jī)酸等代謝產(chǎn)物.因此近年來許多學(xué)者對(duì)小分子有機(jī)酸對(duì)厭氧氨氧化過程的影響進(jìn)行了研究.Kartal等[8]發(fā)現(xiàn)了可以氧化丙酸鹽的厭氧氨氧化菌,并命名為 Anammoxoglobus propionicus. Huang等[9]在研究中發(fā)現(xiàn),厭氧氨氧化菌 J. asiatica可以在低濃度的乙酸鹽(120mg/L)和丙酸鹽(200mg/L)的存在下生長(zhǎng).Guven等[10]的研究發(fā)現(xiàn),乙醇對(duì)厭氧氨氧化菌具有抑制作用.然而氨基酸作為多種廢水中的厭氧產(chǎn)物,目前并沒有相應(yīng)地研究報(bào)道.

氨基酸作為蛋白質(zhì)的主要組成部分,廣泛地應(yīng)用于食品工業(yè)、飼料工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)等,這樣含氨基酸的廢水大量排放浪費(fèi)了有實(shí)用價(jià)值的氨基酸.并且這種廢水的排放使得水體的酸度發(fā)生變化,水體自凈能力降低,水中的微生物生長(zhǎng)受到阻礙,嚴(yán)重污染環(huán)境[11].目前國(guó)內(nèi)外對(duì)這類廢水的處理方法主要有電滲析法[12-13]、資源化法

[14-15]、生物法[16]等.其中,電滲析法是利用膜的選擇透過性,以電場(chǎng)為推動(dòng)力將氨基酸與水進(jìn)行分離;資源化法則是對(duì)氨基酸進(jìn)行回收利用,制備農(nóng)藥、飼料以及緩蝕劑等,目前國(guó)內(nèi)對(duì)胱氨酸生產(chǎn)廢水的效益型資源化研究報(bào)道的最多;生物法通過好氧活性污泥法或者厭氧生物處理法進(jìn)行去除[11].

因此,本研究通過批次實(shí)驗(yàn),分別考察了丙氨酸作為唯一底物以及丙氨酸為底物時(shí)向體系中投加 NH4+-N、NO2--N對(duì)于厭氧氨氧化系統(tǒng)的影響.為厭氧氨氧化工藝在含有氨基酸廢水中的實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)短期培養(yǎng)以及長(zhǎng)期培養(yǎng)使用的裝置均為150mL的厭氧瓶.采用丁基橡膠塞進(jìn)行密封,并使用瓶蓋進(jìn)行加固以保證其厭氧特性.接種厭氧氨氧化菌富集培養(yǎng)物后的厭氧瓶放置在 35℃水浴搖床中,以140r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行避光培養(yǎng).

1.2 厭氧氨氧化菌富集培養(yǎng)物

Ⅰ組和Ⅱ組試驗(yàn)所用的厭氧氨氧化菌富集培養(yǎng)物取自實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定運(yùn)行2a以上的EGSB反應(yīng)器,為提高厭氧氨氧化菌的含量,保證在投加丙氨酸之前該體系為厭氧氨氧化體系,對(duì)厭氧氨氧化富集菌培養(yǎng)物分別進(jìn)行一個(gè)月的厭氧瓶強(qiáng)化培養(yǎng),最終兩組 NO△2-/NH△4+, NO△3-/NH△4+的比值能夠分別穩(wěn)定在 1.32±0.05,0.17±0.02; 1.31±0.11,0.19±0.04[17].

1.3 試驗(yàn)用水

短期試驗(yàn)中的試驗(yàn)用水是在 2mmol/L, 5mmol/L, 10mmol/L丙氨酸存在的情況下投加了無機(jī)營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)(表1).

通過信息化系統(tǒng)，將項(xiàng)目建設(shè)中分散在個(gè)人手中的涉及財(cái)務(wù)、采購、招標(biāo)、技術(shù)、申報(bào)、批復(fù)等資料，進(jìn)行統(tǒng)一管理，并與項(xiàng)目建設(shè)同步，形成電子化檔案庫和目錄，解決項(xiàng)目中資料歸檔問題，提高項(xiàng)目檔案管理水平。

表1 無機(jī)營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)配方Table 1 Formula of inorganic nutrient matrix

其中,微量元素的成分:ZnSO4·7H2O 430mg/ L、MnCl2·4H2O 990mg/L、CoCl2·6H2O 240mg/L、NaSeO4·10H2O 210mg/L、CuSO4·5H2O 250mg/L、NiCl2·6H2O 190mg/L 、 H3BO414mg/L 、NaMoO4·2H2O 220mg/L.

維生素的成分:維生素 B15mg/L、維生素B25mg/L、維生素B610mg/L、維生素B120.1mg/ L、維生素H 2mg/L、對(duì)氨基苯甲酸 5mg/L、硫辛酸 5mg/L、煙酸 5mg/L、葉酸 2mg/L、泛酸5mg/L.

1.4 試驗(yàn)方法

短期培養(yǎng)試驗(yàn)開始前將厭氧氨氧化富集培養(yǎng)物放進(jìn)厭氧操作臺(tái)進(jìn)行12h的饑餓處理[18].使用的培養(yǎng)基均是利用N2曝氣20min除去溶解氧后的無氧基質(zhì),并且培養(yǎng)基的更換均是在厭氧操作臺(tái)內(nèi)進(jìn)行.每個(gè)條件下的試驗(yàn)設(shè)置3組平行,試驗(yàn)時(shí)間根據(jù)目標(biāo)物的去除效果而定,為保證系統(tǒng)的密閉性,取樣均采用注射器進(jìn)行抽取,試驗(yàn)結(jié)果取其平均值.根據(jù)短期影響中的效果選擇2mmol/L的丙氨酸作為研究對(duì)象,其余條件與短期培養(yǎng)條件一致,Ⅰ組試驗(yàn)以24h為一個(gè)周期,進(jìn)行17個(gè)周期的長(zhǎng)期培養(yǎng);Ⅱ組試驗(yàn)以12h為一個(gè)周期,進(jìn)行35個(gè)周期的長(zhǎng)期培養(yǎng), 19周期后取出1/3的厭氧氨氧化富集培養(yǎng)物,在保證其余條件不變的情況下調(diào)整進(jìn)水量為之前的 2/3.并通過水中含氮化合物和丙氨酸的變化評(píng)估丙氨酸對(duì)厭氧氨氧化過程的長(zhǎng)期影響.

1.5 檢測(cè)項(xiàng)目與分析方法

丙氨酸采用液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法測(cè)定[19]; NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測(cè)定; NO2--N采用 N-(1-萘基)-乙二胺光度法測(cè)定; NO3--N采用麝香草酚分光光度法測(cè)定;pH值采用德國(guó)WTW公司pH/Oxi 340i手提式多參數(shù)測(cè)試儀測(cè)定.

2 結(jié)果與討論

2.1 丙氨酸對(duì)厭氧氨氧化過程的影響

2.1.1 丙氨酸濃度對(duì)厭氧氨氧化過程短期的影響 圖 1為丙氨酸作為唯一底物時(shí)體系中NH4+-N濃度隨著反應(yīng)時(shí)間的變化曲線.由圖1可知, 由于體系中丙氨酸的氨化作用,使得NH4+-N的濃度隨著反應(yīng)時(shí)間的推移而升高, 而 NO2--N和 NO3--N在體系中始終未被檢測(cè)到,在整個(gè)過程中,未發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng).并且從圖2中可以看出,隨著丙氨酸濃度的提高,丙氨酸降解所需的時(shí)間增長(zhǎng).丙氨酸濃度為2mmol/L時(shí),培養(yǎng)30h丙氨酸去除率可以達(dá)到86%,而10mmol/L丙氨酸在80h時(shí)達(dá)到99%以上的去除率.

圖1 丙氨酸存在下體系中NH4+-N的變化Fig.1 Changes of NH4+-N in the system of alanine

圖2 丙氨酸在厭氧氨氧化體系中隨反應(yīng)時(shí)間的降解Fig.2 Degradation of alanine in ANAMMOX system

圖3 丙氨酸存在下體系中出水含氮化合物的變化Fig.3 Changes of effluent nitrogen compounds in the system of alanine

2.2 丙氨酸對(duì)底物有NH4+-N、NO2--N的厭氧氨氧化過程的影響

2.2.1 丙氨酸對(duì)厭氧氨氧化富集培養(yǎng)物脫氮效能的短期影響 由圖4可知,不同濃度的丙氨酸對(duì)于NO2--N的影響不大,在不同條件下NO2--N被利用的趨勢(shì)基本相同,初始濃度為92.4mg/L的NO2--N在 8h后基本檢測(cè)不出;雖然前 7h都有NO3--N的生成,但與空白對(duì)照組的變化趨勢(shì)不同,含有丙氨酸的 3組試驗(yàn)中,NO3--N的生成量小于空白對(duì)照組NO3--N的量,并且在12h后均檢測(cè)不到 NO3--N.這說明體系中存在反硝化過程利用了厭氧氨氧化過程生成的NO3--N.

圖4 丙氨酸存在下體系中三氮的變化Fig.4 Changes of three nitrogen in the system of alanine

不同丙氨酸濃度條件下的 NH4+-N的出水效果在前6h表現(xiàn)出一樣的趨勢(shì),這一結(jié)果與胡勇有[20]等的研究有一定的相似性,不同濃度的有機(jī)物在反應(yīng)前期對(duì) NH4+-N的去除效果影響較小.但隨著反應(yīng)時(shí)間的推移, NH4+-N在體系中積累,2mmol/L、5mmol/L、10mmol/L丙氨酸條件下的 NH4+-N出水濃度分別為 28,75, 140mg/L.通過計(jì)算可知,在以上 4個(gè)條件下氨氮的去除均在 70mg/L左右,并沒有受到丙氨酸濃度的影響.這說明丙氨酸濃度在短期內(nèi)并不影響厭氧氨氧化活性.這一結(jié)果與楊洋[21]等的研究結(jié)果不太相符,楊洋等通過研究有機(jī)物對(duì)厭氧氨氧化菌活性的影響試驗(yàn)得出,低濃度的葡萄糖對(duì)厭氧氨氧化菌活性沒有影響,而高濃度的葡萄糖能夠抑制厭氧氨氧化菌的活性.本試驗(yàn)則出現(xiàn)高濃度丙氨酸(178mg/L)在短期內(nèi)同樣對(duì)厭氧氨氧化菌的活性影響很小的結(jié)果.這可能是因?yàn)轶w系中反硝化菌的本底含量較少的原因.

體系中 NH4+-N發(fā)生積累的原因在于丙氨酸的降解.由圖5可知,不同濃度的丙氨酸隨著反應(yīng)時(shí)間的推移,均發(fā)生降解.其中,丙氨酸濃度較低時(shí)去除效果較好,在反應(yīng)10h后,去除率能夠達(dá)到78%;但是隨著丙氨酸濃度的提高,由于最初體系中異養(yǎng)菌本底值較低,對(duì)于丙氨酸的利用速度較慢,因此,其降解所需的時(shí)間與低濃度丙氨酸的降解時(shí)間比相對(duì)較長(zhǎng).5mmol/L的丙氨酸在 36h時(shí)去除率達(dá)到 97%;而丙氨酸濃度達(dá)到10mmol/L時(shí),其在60h時(shí)能夠達(dá)到99%的去除率.

圖5 丙氨酸在厭氧氨氧化體系中隨反應(yīng)時(shí)間的降解Fig.5 Degradation of alanine in ANAMMOX system

2.2.2 丙氨酸對(duì)厭氧氨氧化富集培養(yǎng)物脫氮效能的長(zhǎng)期影響 如圖6所示,在長(zhǎng)期培養(yǎng)的35個(gè)周期內(nèi),三氮的出水效果趨于穩(wěn)定.NH4+-N的出水濃度出現(xiàn)2個(gè)周期的波動(dòng)(由于丙氨酸的投加,厭氧氨氧化體系的環(huán)境發(fā)生改變,體系通過2個(gè)周期適應(yīng)新環(huán)境)后趨于穩(wěn)定,出水濃度平均為75mg/L.除去前2個(gè)波動(dòng)期,NH4+-N的去除率平均為20%,NH4+-N出現(xiàn)大量積累,其來源于丙氨酸的降解.從圖 7可知,丙氨酸的去除率保持在99%左右,降解產(chǎn)生大量NH4+-N.

圖6 丙氨酸對(duì)體系脫氮性能的影響Fig.6 Effect of alanine on nitrogen removal performance

出水NO2--N的濃度在前14個(gè)周期內(nèi)都比較低,出水濃度在 3mg/L以下,去除率達(dá)到 97%,但隨著體系的繼續(xù)運(yùn)行,在19周期后NO2--N保持較高的出水濃度,最高出水濃度可達(dá) 14mg/L,去除率降低至85%.這可能是因?yàn)樵?9周期后人為取出體系中部分厭氧氨氧化富集培養(yǎng)物進(jìn)行分析,造成污泥量的減少,導(dǎo)致體系受到?jīng)_擊,最終表現(xiàn)為NO2--N的出水濃度升高.同時(shí),體系在整個(gè)運(yùn)行過程中 NO3--N的含量較低,幾乎檢測(cè)不出. 通過計(jì)算可知 △ N O2-/△N H4+和 △ N O3-/△N H4+比值為4.06和0.02,與理論比值1.32、0.26相差很大.出現(xiàn)這樣結(jié)果的原因可能是丙氨酸以及 NH4+-N對(duì)于厭氧氨氧化過程產(chǎn)生了抑制,并且一定程度上促進(jìn)了反硝化過程.劉金苓等[22]研究表明,少量葡萄糖能促進(jìn)體系中 NH4+-N和NO2--N的去除,但高濃度的葡萄糖則抑制了厭氧氨氧化菌的活性.濃度為2mmol/L的丙氨酸雖然在短期內(nèi)沒有對(duì)厭氧氨氧化菌的活性產(chǎn)生影響,但是這個(gè)濃度卻在長(zhǎng)期培養(yǎng)中抑制了厭氧氨氧化活性;當(dāng)體系中NH4+-N濃度較高時(shí),導(dǎo)致系統(tǒng)中游離氨(FA)濃度升高,也抑制了厭氧氨氧化菌的活性[23-25].Jin等[26]認(rèn)為 FA 抑制濃度僅為1.7mg/L,這一定程度上解釋了在本研究中NH4+-N和NO2--N均有剩余的情況下厭氧氨氧化效果沒有增強(qiáng)的原因.

圖7 厭氧氨氧化體系中丙氨酸的降解Fig.7 Degradation of alanine in ANAMMOX system

3 結(jié)論

3.1 當(dāng)厭氧氨氧化體系中僅含有丙氨酸一種底物時(shí),無論短期還是長(zhǎng)期培養(yǎng),均未發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng),丙氨酸的氨化作用正常進(jìn)行, 生成的NH4+-N未被去除,積累在體系內(nèi).并且丙氨酸的去除效果較好,去除率均高于86%.

3.2 在以丙氨酸為底物的厭氧氨氧化體系中投加NH4+-N和NO2--N后,厭氧氨氧化活性在短期內(nèi)較好,不同濃度丙氨酸條件下的脫氮效果與空白對(duì)照組均類似.并且丙氨酸的去除率也很高.但是隨著長(zhǎng)期培養(yǎng),厭氧氨氧化活性受到抑制,但是出水效果比較穩(wěn)定,丙氨酸去除率達(dá)到99%以上,在一定程度上與反硝化過程保持著穩(wěn)定的脫氮平衡. TN的去除率平均能達(dá)到57%.

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Study on ANAMMOX process with alanine as substrate.

XU Min, GAO Da-wen*(School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150000, China). China Environmental Science, 2017,37(9)：3379～3384

The short-term and long-term effects of alanine on ANAMMOX process were investigated by batch experiments. The ANAMMOX process was greatly affected both in short-term and long-term culture when alanine was the sole substrate, and there was no nitrogen removal in the system. Without electron acceptor NO2--N, ANAMMOX process could not occur in the system, although the alanine removal could reach more than 86%, NH4+-N was accumulated in the system. When NH4+-N and NO2--N were added to the system with alanine as a substrate, the activity of ANAMMOX bacteria was not affected so much in the short term (7h), and 2mmol/L and 10mmol/L alanine reached 78% and 99% removal efficiencies in 10 and 60h, respectively. During the long term experiments, the activity of ANAMMOX bacteria could be inhibited by alanine with a concentration of 2mmol/L. Combined with ANAMMOX and denitrification processes, the removal efficiency of TN reached 57%, and the removal efficiency of alanine was about 99%.

alanine；ANAMMOX；biological nitrogen removal

X703.1

A

1000-6923(2017)09-3379-06

2017-03-11

黑龍江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD201412)

* 責(zé)任作者, 教授, gaodw@hit.edu.cn

徐 敏(1993-),女,新疆塔城人,哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要從事厭氧氨氧化研究.