厭氧氨氧化耦合反硝化底物競(jìng)爭(zhēng)抑制特性

楊京月,鄭照明,李 軍,杜 佳,馬 靜

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厭氧氨氧化耦合反硝化底物競(jìng)爭(zhēng)抑制特性

楊京月,鄭照明,李 軍*,杜 佳,馬 靜

(北京工業(yè)大學(xué)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,北京市污水脫氮除磷處理與過(guò)程控制工程技術(shù)研究中心,北京 100124)

通過(guò)連續(xù)流實(shí)驗(yàn)和批式實(shí)驗(yàn)研究了有機(jī)物和NO2--N對(duì)厭氧氨氧化菌和反硝化菌耦合脫氮特性的影響.在連續(xù)流實(shí)驗(yàn)中,保證底物NO2--N充足,研究了葡萄糖有機(jī)物對(duì)厭氧氨氧化顆粒污泥反應(yīng)器脫氮性能的影響.當(dāng)進(jìn)水葡萄糖有機(jī)物的COD濃度為100mg/L時(shí),顆粒污泥具有良好的厭氧氨氧化耦合反硝化脫氮活性,當(dāng)COD濃度為200mg/L時(shí),顆粒污泥的厭氧氨氧化耦合反硝化脫氮活性較差.當(dāng)進(jìn)水COD濃度分別為100,200mg/L時(shí),反應(yīng)器中顆粒污泥的厭氧氨氧化NH4+-N去除活性分別為0.096,0.071kg NH4+-N/(kgVSS?d),厭氧氨氧化NO2--N去除活性分別為0.153,0.092kg NO2--N/(kgVSS?d),反硝化NO2--N去除活性分別為0.111,0.212kg NO2--N/(kgVSS?d).在批式實(shí)驗(yàn)中,研究了碳源種類和COD/NO2--N比對(duì)厭氧氨氧化耦合反硝化顆粒污泥脫氮性能的影響.控制COD/NO2--N比為1~4,以葡萄糖為碳源時(shí),厭氧氨氧化菌在亞硝態(tài)的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中占據(jù)優(yōu)勢(shì);以乙酸鈉為碳源時(shí),控制COD/NO2--N比為1~4,厭氧氨氧化菌在亞硝態(tài)的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中處于劣勢(shì).

厭氧氨氧化；顆粒污泥；碳源種類；COD/NO2--N比；亞硝態(tài)氮

傳統(tǒng)生物脫氮工藝采用硝化反硝化技術(shù),曝氣能耗高、污泥產(chǎn)量大、需要額外投加外碳源[1].厭氧氨氧化是一種經(jīng)濟(jì)便捷的脫氮方式,厭氧氨氧化菌以NH4+-N為電子供體,以NO2--N為電子受體,生成N2和少量NO3--N[2].但是,厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)速率緩慢,倍增時(shí)間長(zhǎng)達(dá)11d,研究發(fā)現(xiàn),有機(jī)物的存在會(huì)抑制厭氧氨氧化菌的脫氮性能[3-5].有機(jī)物的主要抑制機(jī)理有兩種:一是基質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)抑制,在厭氧氨氧化反應(yīng)器中,非毒性有機(jī)物的存在會(huì)促進(jìn)反硝化菌的大量繁殖,與厭氧氨氧化菌競(jìng)爭(zhēng)底物亞硝態(tài)氮[6-9];二是毒性抑制,毒性有機(jī)物的存在會(huì)直接抑制厭氧氨氧化菌的活性[6,10-11].

其中基質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)的抑制作用與有機(jī)物的濃度及種類,亞硝態(tài)氮濃度和厭氧氨氧化菌的聚集狀態(tài)有關(guān)[12-15].碳源種類和COD/NO2--N比都會(huì)影響厭氧氨氧化耦合反硝化脫氮性能.有機(jī)物的代謝途徑越復(fù)雜,污泥的反硝化速率越低[9,14,16-17].厭氧氨氧化顆粒污泥中厭氧氨氧化菌的生物密度較高,而且顆粒污泥存在傳質(zhì)阻力,表面含有豐富的胞外多聚物,有助于緩解外界環(huán)境對(duì)厭氧氨氧化菌的抑制作用[15,18].相關(guān)研究通過(guò)批式實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)于厭氧氨氧化耦合反硝化污泥,當(dāng)?shù)孜飦喯鯌B(tài)氮濃度不足時(shí),較高濃度的葡萄糖有機(jī)物會(huì)明顯抑制污泥的厭氧氨氧化活性;但是當(dāng)?shù)孜飦喯鯌B(tài)氮充足時(shí),葡萄糖有機(jī)物對(duì)污泥厭氧氨氧化活性的抑制作用得以緩解[12-13].研究人員還通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)考察了有機(jī)物濃度對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)器脫氮性能的影響[7,19].但是在相關(guān)研究中,反應(yīng)器內(nèi)的亞硝態(tài)氮濃度常處于不足的狀態(tài),亞硝態(tài)氮的缺乏也會(huì)抑制厭氧氨氧化菌的活性,不能很好地反映厭氧氨氧化反應(yīng)器對(duì)有機(jī)物的極限承受能力.相關(guān)連續(xù)流實(shí)驗(yàn)研究表明向反應(yīng)器中添加足量亞硝態(tài)氮后,有助于緩解葡萄糖有機(jī)物對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)器的抑制作用[20],但是他們的研究沒(méi)有深入分析有機(jī)物對(duì)反應(yīng)器中污泥脫氮活性的影響.

本研究擬通過(guò)批式實(shí)驗(yàn)和連續(xù)流反應(yīng)器系統(tǒng)地考察在底物亞硝態(tài)氮充足的條件下,葡萄糖有機(jī)物濃度對(duì)厭氧氨氧化顆粒污泥反應(yīng)器脫氮性能的影響.分別以葡萄糖和乙酸鈉為有機(jī)物,研究COD/ NO2--N比對(duì)厭氧氨氧化耦合反硝化顆粒污泥脫氮性能的影響.以期為厭氧氨氧化耦合反硝化工藝在污水處理中的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持.

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1為試驗(yàn)采用的UASB厭氧氨氧化顆粒污泥反應(yīng)器.反應(yīng)器有效容積為10L,外部包裹黑色軟性材料以避光,進(jìn)水由蠕動(dòng)泵打入反應(yīng)器底部,通過(guò)水浴控制反應(yīng)器內(nèi)溫度為25℃,顆粒污泥上方填充直徑為2.5cm的鮑爾環(huán)載體以減少污泥的流失.

1.2 接種污泥和反應(yīng)器進(jìn)水

1.2.1 接種污泥 接種厭氧氨氧化顆粒污泥4L,揮發(fā)性懸浮固體為45g/L.顆粒污泥取自本實(shí)驗(yàn)室一個(gè)體積為50L的UASB厭氧氨氧化反應(yīng)器,顆粒污泥平均粒徑為2mm.

1.2.2 反應(yīng)器進(jìn)水水質(zhì) 反應(yīng)器進(jìn)水采用人工配水,主要成分為NH4Cl, NaNO2, NaHCO3, KH2PO4, MgSO4·7H2O, CaCl2,葡萄糖和微量元素.微量元素的成分和添加量參照文獻(xiàn)[10,21].NaHCO3, KH2PO4, MgSO4·7H2O, CaCl2的相應(yīng)濃度分別為1.25,0.01,0.3和0.0056g/L.實(shí)驗(yàn)分為4個(gè)階段,各階段進(jìn)水NH4Cl, NaNO2和葡萄糖濃度見(jiàn)表1.由于有機(jī)物的加入會(huì)促進(jìn)反硝化菌的生長(zhǎng),反硝化菌會(huì)利用有機(jī)物和亞硝態(tài)氮.為了保證底物亞硝態(tài)氮充足,在實(shí)驗(yàn)的不同階段,相應(yīng)地提高進(jìn)水亞硝態(tài)氮的濃度.進(jìn)水葡萄糖濃度以CODGr表示,取CODGr/葡萄糖=1.07g/g.

圖1 UASB反應(yīng)器示意

1.進(jìn)水泵; 2.取樣口; 3.鮑爾環(huán); 4.顆粒污泥; 5.溫度計(jì); 6.出水; 7.加熱棒; 8.出氣口

表1 連續(xù)流反應(yīng)器各階段運(yùn)行工況

1.3 批式實(shí)驗(yàn)裝置及其運(yùn)行條件

1.3.1 批式實(shí)驗(yàn)水質(zhì) 通過(guò)批式實(shí)驗(yàn)測(cè)定不同階段顆粒污泥的厭氧氨氧化活性,反硝化活性以及厭氧氨氧化耦合反硝化特性.主要配水組分為NH4Cl, NaNO2和乙酸鈉.各脫氮活性測(cè)定時(shí)的配水組分濃度見(jiàn)表2.

1.3.2 批式實(shí)驗(yàn)裝置和程序 采用500mL血清瓶,控制實(shí)驗(yàn)溫度為30℃.在階段1(30d),階段2(60d),階段3(90d)和階段4(120d)中,取反應(yīng)器內(nèi)的顆粒污泥進(jìn)行厭氧氨氧化活性,反硝化活性以及厭氧氨氧化耦合反硝化特性的測(cè)定,操作方法參照文獻(xiàn)[14,22].在階段4(120d),取反應(yīng)器內(nèi)的顆粒污泥,分別以葡萄糖和乙酸鈉為碳源,研究COD/NO2--N比對(duì)顆粒污泥耦合脫氮性能的影響,操作方法參照文獻(xiàn)[14].

表2 脫氮活性測(cè)定時(shí)的配水組分(mg/L)

1.4 分析方法

NH4+-N:納氏試劑光度法; NO2--N:N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法; NO3--N:麝香草酚分光光度法; MLSS、MLVSS:重量法;溫度:WTW/Multi 3420測(cè)定儀.取NH4+-N, NO2--N和NO3--N濃度之和為T(mén)IN濃度.

1.5 計(jì)算方法

分別對(duì)反應(yīng)器以及批式實(shí)驗(yàn)中的厭氧氨氧化耦合反硝化脫氮性能進(jìn)行分析,計(jì)算公式如下:

厭氧氨氧化NO2--N去除比例(1)和反硝化NO2--N去除比例(2)的計(jì)算如下:

式中:(NO2--N)in和(NO2--N)eff分別為反應(yīng)器進(jìn)水和出水NO2--N濃度;Δ(NO2--N)denitrification, Δ(NO2--N)anammox和Δ(NO2--N)total分別為反硝化、厭氧氨氧化和總的NO2--N去除量.

2 結(jié)果與討論

2.1 亞硝態(tài)氮足量時(shí)反應(yīng)器的厭氧氨氧化耦合反硝化脫氮性能

底物亞硝態(tài)氮足量時(shí),葡萄糖濃度對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)器脫氮性能的影響如圖2和圖3所示.從階段1至階段4,反應(yīng)器的進(jìn)水NH4+-N濃度平均值維持為50mg/L,水力停留時(shí)間維持為0.96h.階段1(0~30d)進(jìn)水中未添加葡萄糖有機(jī)物,反應(yīng)器具有良好的厭氧氨氧化性能.進(jìn)水NH4+-N、NO2--N和NO3--N濃度平均值分別為50,66,4.0mg/L,出水NH4+-N, NO2--N和NO3--N濃度平均值分別為1.2,7.1, 15.6mg/L, NH4+-N和NO2--N的平均去除率分為97.5%和90.0%.階段2至階段4進(jìn)水中添加不同濃度的葡萄糖有機(jī)物,其COD濃度分別為50,100, 200mg/L.為了保證反應(yīng)器內(nèi)的底物亞硝態(tài)氮足量,階段2至階段4反應(yīng)器的進(jìn)水NO2--N濃度平均值分別為100,110,110mg/L,這3個(gè)階段的出水NO2--N濃度為11.9~35.6mg/L.

圖2 厭氧氨氧化顆粒污泥反應(yīng)器的脫氮性能

圖3 反應(yīng)器NH4+-N去除率及不同過(guò)程N(yùn)O2--N去除比例

階段2和階段3反應(yīng)器的NH4+-N去除性能較為穩(wěn)定,出水NH4+-N濃度平均值均為1.0mg/L, NH4+-N平均去除率均為97.8%;階段4反應(yīng)器的NH4+-N去除性能逐漸變差,出水NH4+-N濃度逐漸增加,表明反應(yīng)器的厭氧氨氧化性能逐漸降低,到第120d,出水NH4+-N濃度上升至13.4mg/L, NH4+-N去除率降低至73.4%.從階段2至階段4,隨著進(jìn)水有機(jī)物濃度的增加,反應(yīng)器中厭氧氨氧化過(guò)程消耗的NO2--N比例逐漸降低,反硝化過(guò)程消耗的NO2--N比例逐漸增加.階段2反應(yīng)器中厭氧氨氧化過(guò)程消耗的NO2--N比例從100%降低至83.6%;階段3反應(yīng)器中厭氧氨氧化過(guò)程消耗的NO2--N比例變化較小,平均值為79%;階段4反應(yīng)器中厭氧氨氧化過(guò)程消耗的NO2--N比例從75.5%降低至61.9%.

一些研究人員通過(guò)批式實(shí)驗(yàn)研究了葡萄糖有機(jī)物對(duì)厭氧氨氧化耦合反硝化污泥的影響.楊洋等[12]的研究表明,當(dāng)葡萄糖有機(jī)物的COD濃度超過(guò)200mg/L且底物亞硝態(tài)氮不足時(shí),污泥的厭氧氨氧化活性明顯受到抑制;但是在底物亞硝態(tài)氮充足的情況下,污泥的厭氧氨氧化活性基本恢復(fù)至不加有機(jī)物的水平.呂永濤等[13]的研究也表明,當(dāng)批式裝置內(nèi)底物亞硝態(tài)氮不足且葡萄糖有機(jī)物的COD濃度分別為0,70mg/L時(shí),污泥的厭氧氨氧化NH4+-N去除速率分別為0.189,0.05kg N/(kg VSS?d);在底物亞硝態(tài)氮充足且葡萄糖有機(jī)物COD濃度為100mg/L時(shí),有機(jī)物對(duì)污泥的厭氧氨氧化NH4+-N去除速率基本無(wú)影響.此外,研究人員也通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)考察了有機(jī)物濃度對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)器脫氮性能的影響. Chamchoi等[19]以全脂牛奶為有機(jī)物,研究結(jié)果表明當(dāng)進(jìn)水COD濃度為100~200mg/L時(shí),厭氧氨氧化菌能夠有效地競(jìng)爭(zhēng)亞硝態(tài)氮;當(dāng)進(jìn)水COD濃度超過(guò)300mg/L時(shí),反應(yīng)器中厭氧氨氧化菌的活性受到強(qiáng)烈抑制. Tang等[7]以蔗糖為有機(jī)物,研究結(jié)果表明當(dāng)進(jìn)水COD濃度分別為100,200,300mg/L時(shí),厭氧氨氧化菌的活性良好,厭氧氨氧化NO2--N去除量占總NO2--N去除量的比例分別為83.3%, 65.3%和55.3%;當(dāng)進(jìn)水COD濃度為700mg/L時(shí),反應(yīng)器中厭氧氨氧化菌的脫氮性能惡化, 厭氧氨氧化過(guò)程消耗的NO2--N比例降低至2.1%.但是,在Chamchoi等[19]和Tang等[7]的研究中,當(dāng)有機(jī)物對(duì)反應(yīng)器的厭氧氨氧化性能產(chǎn)生強(qiáng)烈抑制作用時(shí),反應(yīng)器內(nèi)的底物亞硝態(tài)氮都處于不足的狀態(tài),不能很好地反映反應(yīng)器對(duì)有機(jī)物負(fù)荷的極限承受性能.

在本研究中,階段2至階段4反應(yīng)器內(nèi)底物NO2--N充足,階段2和階段3進(jìn)水COD濃度分別為50,100mg/L,反應(yīng)器的平均NH4+-N去除率達(dá)97.8%;階段4進(jìn)水COD濃度為200mg/L,反應(yīng)器的NH4+-N去除率降低至73.4%,厭氧氨氧化過(guò)程消耗的NO2--N比例從75.5%降低至61.9%.研究結(jié)果與Chamchoi等[19]和Tang等[7]的研究結(jié)果相近,但是不同于楊洋和呂永濤等[12-13]的研究結(jié)果.因此,維持充足的進(jìn)水亞硝態(tài)氮不能有效提高厭氧氨氧化顆粒污泥反應(yīng)器對(duì)有機(jī)物的承受能力.分析原因,首先,一些研究表明,在小分子非抑制性有機(jī)物存在的條件下,經(jīng)過(guò)富集培養(yǎng),厭氧氨氧化菌的優(yōu)勢(shì)菌群發(fā)生轉(zhuǎn)變,代謝途徑具有多樣性[6, 23-24].富集后的厭氧氨氧化菌能以NO2--N或NO3--N為電子受體氧化丙酸或乙酸.當(dāng)厭氧氨氧化菌的代謝途徑發(fā)生改變之后,反應(yīng)器的NH4+-N去除性能變差.厭氧氨氧化菌代謝途徑的轉(zhuǎn)變對(duì)反應(yīng)器脫氮性能的影響,有待于結(jié)合分子生物學(xué)技術(shù)和批式實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入分析.其次, 當(dāng)反應(yīng)器中存在有機(jī)物、氨氮和亞硝態(tài)氮時(shí),反硝化菌和厭氧氨氧化菌同時(shí)利用底物進(jìn)行代謝生長(zhǎng).但是反硝化菌為異養(yǎng)型細(xì)菌,其細(xì)胞產(chǎn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于厭氧氨氧化菌,反硝化菌逐漸占據(jù)顆粒污泥的有效空間[25].顆粒污泥中厭氧氨氧化菌的生物密度降低,反硝化菌的生物密度增加,從而導(dǎo)致反應(yīng)器的厭氧氨氧化性能降低.

2.2 各階段反應(yīng)器中顆粒污泥的脫氮活性

為了明確葡萄糖有機(jī)物對(duì)反應(yīng)器中顆粒污泥脫氮活性的影響,取各階段反應(yīng)器中的顆粒污泥,通過(guò)批式實(shí)驗(yàn)確定其脫氮活性.圖4為各階段顆粒污泥的厭氧氨氧化活性和反硝化活性批式實(shí)驗(yàn)結(jié)果.實(shí)驗(yàn)以乙酸鈉為碳源,階段1至階段4顆粒污泥的厭氧氨氧化NH4+-N去除活性分別為0.101,0.106, 0.096,0.071kg NH4+-N/(kgVSS×d), NO2--N的去除活性分別為0.129,0.169,0.153,0.092kg NO2--N/ (kgVSS×d),反硝化活性分別為0.004,0.046,0.111, 0.212kg NO2--N/(kgVSS×d).階段1至階段3顆粒污泥的厭氧氨氧化NH4+-N去除活性相近,但是階段4顆粒污泥的厭氧氨氧化NH4+-N去除活性比階段1降低了29.3%;從階段1至階段4,顆粒污泥的反硝化活性顯著增強(qiáng).階段2至階段4顆粒污泥的厭氧氨氧化NO2--N去除活性分別是反硝化NO2--N去除活性的3.6,1.4和0.4倍.圖5為階段2至階段4反應(yīng)器中顆粒污泥厭氧氨氧化耦合反硝化脫氮批式實(shí)驗(yàn)結(jié)果.實(shí)驗(yàn)以乙酸鈉為碳源,階段2至階段4顆粒污泥厭氧氨氧化過(guò)程的NO2--N去除比例分別為73.67%,54.99%和26.41%.階段2和3顆粒污泥的厭氧氨氧化菌在NO2--N競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì),但是階段4厭氧氨氧化菌在NO2--N的競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì).

圖4 各階段顆粒污泥的脫氮活性

圖5 各階段顆粒污泥的厭氧氨氧化耦合反硝化脫氮特性

在連續(xù)流實(shí)驗(yàn)中,階段4反應(yīng)器中的厭氧氨氧化菌在NO2--N競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì).批式實(shí)驗(yàn)和連續(xù)流實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同,其原因可能為批式實(shí)驗(yàn)和連續(xù)流實(shí)驗(yàn)采用的碳源不同,批式實(shí)驗(yàn)以乙酸鈉為碳源,連續(xù)流實(shí)驗(yàn)以葡萄糖為碳源,乙酸鈉和葡萄糖需要經(jīng)過(guò)不同的代謝途徑才能被反硝化菌利用[14,16].乙酸鈉經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的代謝途徑與輔酶A結(jié)合形成乙酰輔酶A,直接進(jìn)入TCA循環(huán),反硝化速率較快[14,26-27].葡萄糖需首先轉(zhuǎn)化為丙酮酸,丙酮酸被轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A再進(jìn)入TCA循環(huán),反硝化速率較慢[27].因此,反硝化菌對(duì)碳源的不同代謝途徑也影響了厭氧氨氧化耦合反硝化脫氮性能.

2.3 葡萄糖和乙酸鈉對(duì)厭氧氨氧化耦合反硝化顆粒污泥脫氮特性的影響

為了明確葡萄糖和乙酸鈉對(duì)厭氧氨氧化耦合脫氮顆粒污泥的影響,取階段4(第120d)顆粒污泥進(jìn)行批式實(shí)驗(yàn).分別以葡萄糖和乙酸鈉為碳源,研究顆粒污泥在不同COD/NO2--N比條件下的耦合脫氮性能.圖6為耦合脫氮批式實(shí)驗(yàn)結(jié)果.批式實(shí)驗(yàn)初始NO2--N濃度為70mg/L.當(dāng)以葡萄糖為碳源,COD/ NO2--N比分別為1,2,4時(shí),顆粒污泥厭氧氨氧化過(guò)程的NO2--N去除比例分別為93.1%,69.1%和50.5%;當(dāng)以乙酸鈉為碳源,COD/NO2--N比分別為1,2,4時(shí),顆粒污泥厭氧氨氧化過(guò)程的NO2--N去除比例分別為47.1%,30.1%和28.3%.隨著COD/NO2--N比的增加,厭氧氨氧化過(guò)程的NO2--N去除比例逐漸降低.控制COD/NO2--N比為1~4,以葡萄糖為碳源時(shí),厭氧氨氧化過(guò)程的NO2--N去除比例大于50%,厭氧氨氧化菌比反硝化菌具有更強(qiáng)的亞硝態(tài)競(jìng)爭(zhēng)能力,顆粒污泥可以實(shí)現(xiàn)良好的耦合脫氮;控制COD/NO2-- N比為1~4,以乙酸鈉為碳源時(shí),厭氧氨氧化菌在亞硝態(tài)的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中處于劣勢(shì),不利于顆粒污泥的耦合脫氮.

圖6 碳源種類和COD/NO2--N比對(duì)顆粒污泥耦合脫氮性能的影響

鄭照明等[14]通過(guò)批式實(shí)驗(yàn)研究了COD/NO2--N比對(duì)厭氧氨氧化耦合反硝化生物膜脫氮性能的影響.研究結(jié)果表明,以乙酸鈉為碳源,當(dāng)COD/NO2--N比為0~2時(shí),厭氧氨氧化過(guò)程的NO2--N去除比例大于50%,厭氧氨氧化耦合反硝化生物膜可以實(shí)現(xiàn)良好的耦合脫氮;當(dāng)COD/NO2--N比大于2時(shí),厭氧氨氧化菌在亞硝態(tài)的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中處于劣勢(shì).當(dāng)以葡萄糖為外加碳源并且COD/NO2--N比為5時(shí),厭氧氨氧化耦合反硝化生物膜可以實(shí)現(xiàn)良好的耦合脫氮.其他研究人員通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)考察了COD/NO2--N比對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)器脫氮性能的影響. Chamchoi等[19]以全脂牛奶為有機(jī)物,當(dāng)進(jìn)水COD/NO--N比為2~3時(shí),厭氧氨氧化反應(yīng)器中的厭氧氨氧化菌活性良好;當(dāng)COD/NO--N比大于3時(shí),反應(yīng)器中厭氧氨氧化菌的脫氮性能惡化. Tang等[7]以蔗糖為有機(jī)物,當(dāng)進(jìn)水COD/NO2--N比為1.25時(shí),厭氧氨氧化反應(yīng)器中的厭氧氨氧化菌活性良好,厭氧氨氧化過(guò)程的NO2--N去除比例為55.3%;當(dāng)進(jìn)水COD/NO2--N比為2.92時(shí),反應(yīng)器中厭氧氨氧化菌的脫氮性能惡化,厭氧氨氧化過(guò)程的NO2--N去除比例降低至2.1%.本研究的批式實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,階段4厭氧氨氧化耦合反硝化顆粒污泥對(duì)葡萄糖和乙酸鈉有機(jī)物的耐受能力優(yōu)于Chamchoi等[19]和Tang等[7]的研究結(jié)果,但是低于鄭照明等[14]的研究結(jié)果.和鄭照明等[14]的研究相比,本研究的連續(xù)流實(shí)驗(yàn)中,進(jìn)水有機(jī)物濃度和NO2--N濃度較高,有利于反硝化菌生長(zhǎng),顆粒污泥的反硝化活性更高,所以在批式實(shí)驗(yàn)中,反硝化菌的亞硝態(tài)氮競(jìng)爭(zhēng)能力也更強(qiáng).

2.4 各階段反應(yīng)器顆粒污泥照片

圖7 各階段顆粒污泥照片

圖7為各階段反應(yīng)器中顆粒污泥的照片.階段1顆粒污泥呈鮮艷的磚紅色,從階段2至階段4,顆粒污泥內(nèi)部黑色區(qū)域逐漸增加.汪彩華等[28]的研究表明,厭氧氨氧化菌混培物活性與血紅素c含量有直接相關(guān)性.結(jié)合反應(yīng)器的脫氮性能和批式實(shí)驗(yàn)結(jié)果,表明顆粒污泥中厭氧氨氧化菌的生物密度逐漸降低,反硝化菌的生物密度逐漸增加.從而使得顆粒污泥的厭氧氨氧化活性降低,反硝化活性增加.

3 結(jié)論

3.1 當(dāng)?shù)孜飦喯鯌B(tài)氮足量且進(jìn)水中葡萄糖有機(jī)物的COD濃度為100mg/L時(shí),厭氧氨氧化顆粒污泥反應(yīng)器可以實(shí)現(xiàn)良好的耦合脫氮性能.反應(yīng)器的NH4+-N平均去除率為97.8%,厭氧氨氧化過(guò)程的NO2--N去除比例為83.6%~100%,顆粒污泥的厭氧氨氧化NH4+-N去除活性為0.096kg NH4+-N/ (kgVSS×d),厭氧氨氧化NO2--N去除活性為0.153kg NO2--N/(kgVSS×d),反硝化NO2--N去除活性為0.111kg NO2--N/(kgVSS×d).

3.2 當(dāng)?shù)孜飦喯鯌B(tài)氮足量且進(jìn)水中葡萄糖有機(jī)物的COD濃度為200mg/L時(shí),厭氧氨氧化顆粒污泥反應(yīng)器仍具有良好的耦合脫氮性能,但是顆粒污泥的厭氧氨氧化活性受到較強(qiáng)的抑制.反應(yīng)器的NH4+-N去除率降低至73.4%,厭氧氨氧化過(guò)程的NO2--N去除比例為61.9%~75.5%,顆粒污泥的厭氧氨氧化NH4+-N去除活性為0.071kg NH4+-N/(kgVSS×d),厭氧氨氧化NO2--N去除活性為0.092kg NO2--N/ (kgVSS×d),反硝化NO2--N去除活性為0.212kg NO2--N/(kgVSS×d).

3.3 分別以葡萄糖和乙酸鈉為碳源時(shí),顆粒污泥的厭氧氨氧化耦合反硝化脫氮性能具有顯著差異.對(duì)于階段4的顆粒污泥,在批式過(guò)程中,以葡萄糖為碳源時(shí),控制COD/NO2--N比為1~4,顆粒污泥具有良好的耦合脫氮性能,厭氧氨氧化過(guò)程的NO2--N去除比例大于50%;以乙酸鈉為碳源時(shí),控制COD/ NO2--N比為1~4,厭氧氨氧化菌在亞硝態(tài)的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中處于劣勢(shì),不利于顆粒污泥的耦合脫氮.

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The inhibitive characteristics by substrate competition of the anammox coupling denitrification process.

YANG Jing-yue, ZHENG Zhao-ming, LI Jun*, DU Jia, MA Jing

(National Engineering Laboratory for Advanced Municipal Wastewater Treatment and Reuse Technology, Engineering Research Center of Beijing, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)., 2018,38(8)：2947~2953

The effect of organic matters and nitrite on the anaerobic ammonium oxidation (anammox)-denitrification coupling process was studied in a continuous flow reactor and batch tests. During the continuous flow experiment, the effect of glucose on the nitrogen removal performance of the anammox granules reactor was investigated with the addition of sufficient nitrite. As a result, the granules performed excellent anammox-denitrification coupling activities with the COD concentration of 100mg/L. While the COD concentration was improved to 200mg/L, the granules performed bad anammox-denitrification coupling activities. With the COD concentrations of 100 and 200mg/L, the corresponding ammonium removal activities of granules through anammox process were 0.096 and 0.071kg NH4+-N/(kgVSS?d). The nitrite removal activities of granules through anammox process were 0.153 and 0.092kg NO2--N/(kgVSS?d). Meanwhile, the corresponding denitrification activities of the granules were 0.111 and 0.212kg NO2--N/(kgVSS?d). As for the batch tests, the effect of carbon sources and chemical oxygen demand (COD)/NO2--N ratios on the nitrogen removal performance of the anammox-denitrification coupling granules was analyzed. With the carbon source of glucose and the COD/NO2--N ranges of 1 to 4, the anammox bacteria performed greater nitrite competitive ability than denitrifiers. However, with the carbon source of sodium acetate and the COD/NO2--N ranges of 1 to 4, the anammox bacteria performed lower nitrite competitive ability than denitrifiers.

anammox；granules；carbon source；COD/NO2--N ratios；nitrite

X703.5

A

1000-6923(2018)08-2947-07

楊京月(1993-),女,河北唐山人,北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要從事厭氧氨氧化脫氮研究.

2018-01-16

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2017ZX07103);北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(8172012)

* 責(zé)任作者, 教授, jglijun@bjut.edu.cn