多因素對(duì)ANAMMOX菌利用零價(jià)鐵還原硝酸鹽過(guò)程影響

宋 歌,張文靜,2,3,畢 貞,2,3*,黃 勇,2,3,董石語(yǔ),3

多因素對(duì)ANAMMOX菌利用零價(jià)鐵還原硝酸鹽過(guò)程影響

宋 歌1,張文靜1,2,3,畢 貞1,2,3*,黃 勇1,2,3,董石語(yǔ)1,3

(1.蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215009；2.城市生活污水資源化利用技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,江蘇 蘇州 215009；3.蘇州科技大學(xué)環(huán)境生物技術(shù)研究所,江蘇 蘇州 215009)

以厭氧氨氧化(ANAMMOX)菌利用零價(jià)鐵還原硝酸鹽體系為研究對(duì)象,采用單因素調(diào)控法結(jié)合中心復(fù)合法(CCD)系統(tǒng)研究鐵形態(tài)、進(jìn)水pH值、溫度、Fe/N等對(duì)該體系中硝酸鹽去除率的影響.結(jié)果表明,在相同的反應(yīng)條件下,投加納米鐵時(shí)ANAMMOX體系中硝酸鹽的去除效果最優(yōu);反應(yīng)溫度和Fe/N對(duì)體系中硝酸鹽去除率影響十分顯著,而進(jìn)水pH值影響較弱.利用CCD法得出模型預(yù)測(cè)的最佳反應(yīng)條件為:進(jìn)水pH值為4.00,反應(yīng)溫度為35.00℃,Fe/N為38.23,預(yù)測(cè)的硝酸鹽去除率為94.70%,實(shí)際實(shí)驗(yàn)得出的硝酸鹽去除率為88.99%.

厭氧氨氧化(ANAMMOX)；硝酸鹽；零價(jià)鐵；中心復(fù)合(CCD)法

厭氧氨氧化(ANAMMOX)作為一種污水處理領(lǐng)域新興起的脫氮工藝,因其低耗高效的脫氮方式成為人們研究的熱點(diǎn)[1],該過(guò)程由厭氧氨氧化細(xì)菌 (AnAOB)以NO2-為電子受體將NH4+氧化為氮?dú)鈁2].從污水處理角度來(lái)看,ANAMMOX技術(shù)是已知最經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保、高效的生物脫氮技術(shù)[3].目前以ANAMMOX技術(shù)為核心的新型脫氮工藝,如全程自養(yǎng)脫氮、部分亞硝酸化-厭氧氨氧化等主要是用來(lái)處理高氨氮廢水[4-5].但是,該工藝會(huì)產(chǎn)生10.00%左右的硝酸鹽副產(chǎn)物,因此無(wú)法達(dá)到總氮的完全去除,導(dǎo)致出水水質(zhì)難以達(dá)標(biāo)該過(guò)程[6].為了解決這個(gè)問(wèn)題,ANAMMOX工藝通常會(huì)與異養(yǎng)反硝化工藝聯(lián)合以去除ANAMMOX過(guò)程產(chǎn)生的硝酸鹽.然而,在ANAMMOX聯(lián)合異養(yǎng)反硝化工藝中,外源性有機(jī)物的投加會(huì)導(dǎo)致反硝化細(xì)菌的大量滋生,增加污泥產(chǎn)量,提高運(yùn)行成本[7-8].因此若要解決聯(lián)合異養(yǎng)反硝化帶來(lái)的一系列問(wèn)題,就必須找到一種有效的方法利用ANAMMOX菌自身解決其殘留的硝酸鹽問(wèn)題.

零價(jià)鐵化學(xué)性質(zhì)活潑、來(lái)源豐富、價(jià)格低廉;具有強(qiáng)還原能力,已被應(yīng)用于地下水中硝酸鹽原位與異位修復(fù).2013年,Oshiki等[9]發(fā)現(xiàn)ANAMMOX菌可以利用Fe2+為電子供體,將硝酸鹽還原成亞硝酸鹽和氨,再由ANAMMOX反應(yīng)生成氮?dú)?周健等[10]報(bào)道投加ANAMMOX污泥可以強(qiáng)化Fe0還原硝酸鹽.上述理論研究成果為解決ANAMMOX工藝硝酸鹽殘留問(wèn)題提供了一種新思路.然而,在Fe0化學(xué)還原硝酸鹽體系中,硝酸鹽還原速率受Fe0形態(tài)、pH值、溫度、Fe/N等影響.因此若要將此機(jī)理應(yīng)用于實(shí)際工藝中,就必須找到合適的反應(yīng)條件優(yōu)化硝酸鹽去除效果.基于此本實(shí)驗(yàn)采用單因素調(diào)控結(jié)合CCD法探究Fe0形態(tài)、進(jìn)水pH值、溫度和Fe/N對(duì)ANAMMOX菌利用Fe0去除硝酸鹽體系的影響,旨在優(yōu)化ANAMMOX菌利用Fe0去除硝酸鹽工藝條件,對(duì)ANAMMOX工藝自身產(chǎn)生的硝酸鹽進(jìn)行原位處理提供一種新的思路.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)污泥來(lái)自于實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期運(yùn)行的有效體積為60.00L的ANAMMOX反應(yīng)器,污泥顆粒平均粒徑1.60mm、呈磚紅色,污泥性狀較好,總氮去除速率在9.00kg/(m3·d)左右.實(shí)驗(yàn)選用不同形態(tài)和粒徑的Fe0,包括:鐵粉(粒徑150.00μm)、鐵屑(粒徑5.00mm)和納米鐵(粒徑50.00nm),鐵含量398.00%.為去除Fe0表面覆蓋的氧化物,使用前需活化,即先用0.50mol/L HCl淘洗,再用脫氧一級(jí)水反復(fù)沖洗數(shù)次、直至浸出液的 pH值為中性.為避免被空氣氧化,活化后的Fe0須立即使用.反應(yīng)條件(pH值、溫度、Fe/N)根據(jù)各批式實(shí)驗(yàn)需要調(diào)節(jié).

實(shí)驗(yàn)采用人工配制的含硝酸鹽廢水,主要成分包括硝酸鈉和ANAMMOX菌生長(zhǎng)所必須的營(yíng)養(yǎng)鹽,如表1組成.

表1 廢水組成

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置和操作過(guò)程

實(shí)驗(yàn)所使用的裝置均為容量120.00mL的厭氧血清瓶,依據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(詳見(jiàn)1.4),向每個(gè)瓶中加入一定量的ANAMMOX微生物(MLVSS為150.00mg/L)、Fe0和配制的硝酸鹽廢水定容至100.00mL,并分別調(diào)節(jié)pH值.為了保持厭氧條件,每個(gè)血清瓶使用 99.50%的氮?dú)馄貧?0.00min以排除溶解氧,并立刻用橡膠塞加鋁蓋密封.將血清瓶固定于恒溫水浴振蕩器內(nèi)、遮光處理,保持轉(zhuǎn)速為150.00r/min.在反應(yīng)過(guò)程中用注射器連續(xù)取樣2.00mL(0,12,24,36h)測(cè)定以下指標(biāo).

1.3 測(cè)定指標(biāo)和方法

運(yùn)行過(guò)程中反應(yīng)器進(jìn)出水pH值、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、Fe2+、總Fe按照文獻(xiàn)[11]進(jìn)行測(cè)定,如表2所示.

表2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4 中心復(fù)合法(CCD)分析方法

采用CCD法對(duì)硝酸鹽去除率受進(jìn)水pH值、溫度、Fe/N多個(gè)變量影響的問(wèn)題進(jìn)行建模分析.每個(gè)影響因素取3個(gè)水平,以-1、0、1編碼.應(yīng)用Design- Expert 8.0.6中CCD法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表,其中分別設(shè)定進(jìn)水pH值為4.00, 6.00, 8.00,溫度為15.00,35.00, 55.00 ℃, Fe/N為2.00, 26.00, 50.00.根據(jù)Design- Expert 8.0.6中CCD法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)生成的實(shí)驗(yàn)組共有17個(gè),其中前12組是3個(gè)因子的交叉影響實(shí)驗(yàn),后5組是3個(gè)因子在0自由度的重復(fù)實(shí)驗(yàn).對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸擬合,生成含有變量因子交互項(xiàng)和平方項(xiàng)的二次方程:

Y=0+∑bXi+∑bXij+∑bX2(1)

式中:Y是預(yù)測(cè)的目標(biāo)值(即硝酸鹽去除率);X和X是變量;0是常數(shù)項(xiàng);b是線性系數(shù);b是交互作用系數(shù);b是二次項(xiàng)系數(shù).通過(guò)對(duì)模型的方差、值、值以及回歸系數(shù)分析,判斷該模型的擬合程度以及對(duì)目標(biāo)值的響應(yīng)程度.各項(xiàng)系數(shù)值反映出對(duì)應(yīng)的變量因子及其交互作用對(duì)目標(biāo)值的影響程度,由此可以探討進(jìn)水pH值、溫度、Fe/N對(duì)硝酸鹽去除率影響的顯著程度,以及三因素交互作用對(duì)硝酸鹽去除率的影響[12-14].

2 結(jié)果與分析

2.1 不同形態(tài)的零價(jià)鐵對(duì)體系內(nèi)硝酸鹽去除效果影響

本實(shí)驗(yàn)采用單因素調(diào)控法研究在進(jìn)水pH值為6.00,溫度為35.00℃,Fe/N為50.00的情況下不同形態(tài)的Fe0(鐵粉、鐵屑、納米鐵)對(duì)ANAMMOX菌還原硝酸鹽體系的影響.反應(yīng)過(guò)程中液相硝酸鹽濃度變化如圖1(a)所示.在相同的反應(yīng)條件下,不同形態(tài)的Fe0對(duì)硝酸鹽的去除速率和效果有很大差異.反應(yīng)12h后,各組內(nèi)硝酸鹽濃度都呈現(xiàn)下降趨勢(shì),納米鐵組、鐵粉組和鐵屑組剩余硝酸鹽濃度分別為(25.29 ± 3.08)mg/L、(35.66 ± 1.26)mg/L、(39.89 ± 2.14)mg/L.此后各組液相硝酸鹽濃度隨反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)不斷下降,第36h,納米鐵組剩余的硝酸鹽濃度僅為(7.09± 0.38)mg/L,而其余兩組剩余的硝酸鹽濃度明顯高于納米組,其中鐵屑組硝酸鹽濃度最高(31.58± 2.96)mg/L.同時(shí),根據(jù)液相中氨氮、亞硝酸鹽氮濃度變化可知,反應(yīng)36h后,3組實(shí)驗(yàn)液相中都出現(xiàn)了明顯的氮損失(圖1(b)),計(jì)算可得3組硝酸鹽去除率分別是84.97%、65.58%、33.38%,相應(yīng)的總氮去除率分別為81.48%、61.36%、32.99%.顯然,納米鐵組硝酸鹽去除率和總氮去除率均明顯優(yōu)于其他兩組.基于此結(jié)果,后續(xù)應(yīng)用CCD法研究均使用納米鐵作為電子供體.

2.2 溫度、pH值和Fe/N對(duì)體系內(nèi)硝酸鹽去除效果影響與最優(yōu)解

應(yīng)用CCD法探究進(jìn)水pH值、溫度、Fe/N對(duì)ANAMMOX菌還原硝酸鹽體系的影響以及各因子交互作用對(duì)硝酸鹽還原的影響.由軟件生成的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)硝酸鹽去除率與各變量因子進(jìn)行二次擬合,得到下列方程:

=83.20-6.251+19.502+26.003+1.5012+

3.0013+7.0023-0.6012-17.1022-22.6032(2)

式中:表示硝酸鹽去除率%,1、2、3分別代表進(jìn)水pH值、反應(yīng)溫度()以及Fe/N.由表3可以看出,在設(shè)定實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),反應(yīng)條件的變化對(duì)硝酸鹽去除率有顯著影響.不同實(shí)驗(yàn)條件組合下,模擬得到的硝酸鹽去除率最高可達(dá)93.75%,最低僅為7.59%.表4是方差分析表,詳細(xì)提供了值、值以及回歸系數(shù).模型的值是回歸均方和與殘差均方和的比值,模型的越大表明該模型越接近實(shí)際,模型越顯著;擬合模型的值￡0.0500,說(shuō)明回歸方程的關(guān)系是顯著的;若￡0.0100,說(shuō)明回歸方程的關(guān)系是極顯著的.本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹禐?0.69,值<0.0001,表明該模型對(duì)實(shí)驗(yàn)值能高度擬合,且出現(xiàn)誤差的幾率僅有0.01%.

另外,該模型的相關(guān)系數(shù)2為0.98,也表明該模型的擬合程度很好,實(shí)驗(yàn)誤差小;模型的校正系數(shù)Adj2為0.94,說(shuō)明該模型能解釋94.35%的響應(yīng)值變化.由表4可知,由于反應(yīng)溫度與投加Fe/N的值均小于0.0001,所以這2個(gè)因素是影響硝酸鹽去除率最關(guān)鍵的因素.相比之下,進(jìn)水pH值這一因素的值為0.0345,說(shuō)明在實(shí)際過(guò)程中,反應(yīng)進(jìn)水pH值在4.00~8.00范圍對(duì)體系內(nèi)的硝酸鹽去除效果影響較弱,這一結(jié)果與模擬出的二次方程的各因素前的系數(shù)相吻合.二次項(xiàng)中,12的回歸系數(shù)不顯著(>0.0500),而22和32的回歸系數(shù)達(dá)到極其顯著水平(<0.0100),說(shuō)明進(jìn)水pH值的二次效應(yīng)對(duì)體系內(nèi)的硝酸鹽去除率無(wú)顯著影響,溫度和Fe/N的二次效應(yīng)對(duì)體系內(nèi)的硝酸鹽去除率有極其顯著影響.模型方程的信噪比“Adeq.precision”值為17.57,大于4.00,表明該模型可以很好的模擬硝酸鹽去除率.

利用CCD法可以進(jìn)一步分析進(jìn)水pH值、溫度、Fe/N 3個(gè)因素交互作用下對(duì)硝酸鹽去除率的影響.如圖2所示,每個(gè)等高線圖代表2個(gè)獨(dú)立影響因素之間的相互作用,此時(shí)第3個(gè)影響因素保持在最佳水平.圖2(a)是當(dāng)Fe/N為26.00、受進(jìn)水pH值與溫度交互影響下的硝酸鹽去除率等高線圖.當(dāng)溫度由15.00℃升高到55.00℃時(shí),硝酸鹽去除率明顯提高,且pH值越低時(shí)硝酸鹽去除率的增幅越明顯;同時(shí),當(dāng)進(jìn)水pH值由4.00~8.00之間變化時(shí),硝酸鹽去除率隨pH值的升高會(huì)略有下降.與進(jìn)水pH值相比,溫度對(duì)硝酸鹽去除率的影響更為顯著.當(dāng)溫度大于35.00℃,進(jìn)水pH值在4.00~8.00范圍內(nèi),硝酸鹽去除率均能達(dá)到80.00%以上.

表3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)矩陣和結(jié)果

圖2(b)是當(dāng)反應(yīng)溫度為35.00℃、受進(jìn)水pH值與Fe/N交互影響下的硝酸鹽去除率等高線圖.當(dāng)Fe/N由2.00逐漸提高至26.00時(shí),硝酸鹽去除率相應(yīng)由40.00%提高至89.00%,繼續(xù)增大Fe/N至50.00,硝酸鹽去除率并未明顯提高,這表明當(dāng)投加的Fe0已足量時(shí),繼續(xù)增大Fe/N反而會(huì)造成鐵的過(guò)剩.相比之下,進(jìn)水pH值對(duì)硝酸鹽去除率的影響十分有限,隨著pH值的升高,硝酸鹽去除率只是略有下降.模擬結(jié)果顯示,只要Fe/N大于26.00,進(jìn)水pH值在4.00~7.00范圍內(nèi),硝酸鹽去除率均能達(dá)到88.00%以上.

表4 方差分析表

注:相關(guān)系數(shù)(2)=0.98;校正系數(shù)(Adj2)=0.94;信噪比(Adeq precision) = 17.57.

圖2(c)是當(dāng)反應(yīng)進(jìn)水pH值為6、受溫度與Fe/N交互影響下的硝酸鹽去除率等高線圖.與圖2(a)和(b)不同的是,圖中各條等高線的曲度明顯增大,且溫度和Fe/N同時(shí)對(duì)硝酸鹽去除率產(chǎn)生了顯著的影響.當(dāng)溫度由15.00℃升高至55.00℃時(shí),硝酸鹽去除率隨Fe/N的增大而明顯提高,且溫度越高,這種趨勢(shì)越明顯.同時(shí),Fe/N在2.00~50.00之間變化時(shí),硝酸鹽去除率隨溫度上升而提高,且Fe/N越高,這種趨勢(shì)越明顯.由此可見(jiàn),當(dāng)溫度大于35.00℃、Fe/N大于26.00,硝酸鹽去除率均能達(dá)到90.00%以上;在此基礎(chǔ)上提高溫度或Fe/N,對(duì)于進(jìn)一步提高硝酸鹽去除率并無(wú)明顯作用.

根據(jù)軟件模擬出的模型方程,自動(dòng)生成各因素對(duì)硝酸鹽去除率的最優(yōu)解以及預(yù)測(cè)的響應(yīng)值.模型生成的最優(yōu)反應(yīng)條件為:進(jìn)水pH值為4.74、溫度為45.27℃、Fe/N為38.72,此時(shí)模擬出的硝酸鹽去除率能夠達(dá)到100.00%.然而,實(shí)際實(shí)驗(yàn)中當(dāng)反應(yīng)溫度為45.00℃時(shí),ANAMMOX菌活性大大降低,體系內(nèi)硝酸鹽與Fe0之間的化學(xué)反應(yīng)占主導(dǎo),還原產(chǎn)物主要為氨氮和少量亞硝酸鹽氮,此時(shí)體系的總氮去除率僅為14.49%.因此,綜合考慮硝酸鹽去除率與總氮去除率,將溫度設(shè)定為35℃,在此條件下模型預(yù)測(cè)的最優(yōu)反應(yīng)條件應(yīng)為:進(jìn)水pH值=4.00、溫度=35.00℃、Fe/N=38.23,此時(shí)硝酸鹽去除率達(dá)到最優(yōu)值94.70%.通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,在此條件下實(shí)際測(cè)得的硝酸鹽去除率為88.99%,略低于模型預(yù)測(cè)值.

3 討論

在本實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)考察了不同形態(tài)Fe0作用下ANAMMOX菌還原硝酸鹽的速率,再通過(guò)CCD法探討進(jìn)水pH值、溫度、Fe/N及其交互作用對(duì)這一過(guò)程的影響. ANAMMOX 菌可以有效利用不同形態(tài)的Fe0還原硝酸鹽,其還原速率和效率與Fe0的形態(tài)有關(guān);同時(shí),溫度、進(jìn)水pH值和Fe/N 3個(gè)因素在不同程度上影響硝酸鹽的去除率.

3.1 Fe0形態(tài)對(duì)硝酸鹽去除率的影響

納米鐵對(duì)體系內(nèi)硝酸鹽的去除效果明顯優(yōu)于鐵粉組和鐵屑組.首先,Fe0的粒徑越小,其比表面積越大,因此納米鐵可以很容易地通過(guò)孔隙擴(kuò)散到細(xì)胞的各個(gè)區(qū)域;其次,由于比表面積大,納米鐵表面與液相接觸的活性質(zhì)點(diǎn)多,相較于鐵粉和鐵屑具有更高的反應(yīng)活性,越有利于反應(yīng)的進(jìn)行[15];此外,納米鐵具有較高的表面位點(diǎn)內(nèi)在活性和較高的活性表面位點(diǎn)密度[16].因此,納米鐵可獲得更優(yōu)的硝酸鹽去除效果.在本實(shí)驗(yàn)中,經(jīng)過(guò)36h反應(yīng),加入納米鐵的實(shí)驗(yàn)組硝酸鹽去除效果最佳.但是延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間,鐵粉組可以獲得與納米鐵組幾乎相等的硝酸鹽去除率.因此,在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,考慮到成本問(wèn)題,選擇鐵粉是更經(jīng)濟(jì)的方案.

3.2 進(jìn)水pH值、溫度、Fe/N對(duì)硝酸鹽去除率的影響

進(jìn)水pH值、溫度、Fe/N是影響硝酸鹽還原效果的重要因素.本實(shí)驗(yàn)中,在初始硝酸鹽濃度相同的情況下,當(dāng)溫度和進(jìn)水pH值皆在最優(yōu)的條件下, Fe/N成為影響硝酸鹽去除率的重要因素之一.隨著納米鐵投加量的增加,即Fe/N增大,硝酸鹽的去除率明顯提高.當(dāng)Fe/N大于34.00,體系內(nèi)的硝酸鹽去除率均能達(dá)到90.00%以上,總氮去除率達(dá)到84.00%.在此基礎(chǔ)上再增加Fe/N,對(duì)硝酸鹽的去除效率并沒(méi)有顯著改善.Fe/N對(duì)ANAMMOX菌還原硝酸鹽過(guò)程的影響,體現(xiàn)在化學(xué)反應(yīng)和生物反應(yīng)兩方面.化學(xué)反應(yīng)方面,當(dāng)硝酸鹽濃度一定時(shí),Fe/N成為影響硝酸鹽還原的限制因素,增加Fe/N可以提高Fe0化學(xué)還原硝酸鹽的反應(yīng)速率.生物反應(yīng)方面,鐵元素對(duì)包括ANAMMOX菌在內(nèi)的多種微生物均能起到加快反應(yīng)速率、提高代謝活性的作用[20].Fe0通過(guò)水解作用不斷釋放出鐵離子,可以提高ANAMMOX微生物代謝活性,強(qiáng)化硝酸鹽的生物還原過(guò)程.因此,當(dāng)溫度和pH值在合適的范圍內(nèi),只要保證體系內(nèi)的Fe0過(guò)量,硝酸鹽的去除效果就能達(dá)到90.00%以上.在其他研究零價(jià)鐵還原硝酸鹽的文獻(xiàn)中,由于反應(yīng)條件不同,得出的最佳Fe/N也不同[17-19].

溫度是決定硝酸鹽去除率的另一個(gè)重要因素,其影響體現(xiàn)在Fe0化學(xué)還原硝酸鹽和ANAMMOX微生物代謝兩方面.一方面,Fe0還原硝酸鹽的化學(xué)反應(yīng)受溫度影響,提高溫度可以激發(fā)反應(yīng)活化能,有利于反應(yīng)的進(jìn)行,最終的脫氮效果越好[21-22].另一方面,ANAMMOX菌為嗜中溫菌,其對(duì)溫度較為敏感,適宜的生長(zhǎng)溫度在30.00~37.00℃之間,低溫會(huì)阻礙ANAMMOX菌細(xì)胞間的物質(zhì)傳遞,導(dǎo)致細(xì)胞活性降低直至死亡;高溫則易使ANAMMOX菌細(xì)胞內(nèi)的溫度敏感組分變性,導(dǎo)致菌體失活[23].本實(shí)驗(yàn)表明,在pH值和Fe/N在合適的范圍內(nèi),溫度越高, ANAMMOX菌體系內(nèi)硝酸鹽去除率越高,當(dāng)溫度大于35.00℃時(shí),硝酸鹽去除率均能達(dá)到80.00%以上,總氮去除率達(dá)到70.00%,在此基礎(chǔ)上繼續(xù)升高溫度對(duì)硝酸鹽去除率并無(wú)顯著影響.但若溫度過(guò)高、超過(guò)ANAMMOX菌適宜溫度范圍后,硝酸鹽的轉(zhuǎn)化是以Fe0的化學(xué)還原為主,液相中氨氮、亞硝酸鹽氮會(huì)有明顯積累,導(dǎo)致總氮去除率降低.

Fe0化學(xué)還原硝酸鹽反應(yīng)是酸驅(qū)動(dòng)過(guò)程,pH值越低則體系中的H+質(zhì)量濃度越大,越有利于鐵表面的腐蝕,可有效提高硝酸鹽的還原速率[24-25].Zhang等[24]發(fā)現(xiàn),pH值越低,零價(jià)鐵去除垃圾滲濾液中的硝酸鹽效率越高.當(dāng)pH值為2時(shí),反應(yīng)24h后,幾乎所有的硝酸鹽都被去除,且硝酸鹽去除率隨pH值的升高而降低.而當(dāng)pH值大于5時(shí),體系內(nèi)被還原掉的硝酸鹽幾乎可以忽略不計(jì).而在本實(shí)驗(yàn),當(dāng)進(jìn)水pH值從4變化到8時(shí),硝酸鹽去除率并沒(méi)有顯著下降,這是由于在本反應(yīng)體系中,除化學(xué)反應(yīng)外還有ANAMMOX菌的生物反應(yīng).ANAMMOX反應(yīng)消耗H+產(chǎn)生堿度,從而能夠中和體系內(nèi)偏酸性環(huán)境,而且ANAMMOX菌能夠利用零價(jià)鐵溶出的Fe2+將硝酸鹽生物還原.因此,進(jìn)水pH值對(duì)硝酸鹽去除影響不顯著,當(dāng)溫度和Fe/N在合適的范圍內(nèi),保持進(jìn)水pH值在4.00~ 8.00之間,此體系內(nèi)的硝酸鹽能得到有效去除.

綜上所述,ANAMMOX菌利用Fe0去除硝酸鹽的過(guò)程受溫度和Fe/N的影響顯著,而受進(jìn)水pH值影響較弱.當(dāng)溫度為35.00℃,Fe/N大于34.00,進(jìn)水pH值在4.00~8.00之間變化時(shí),ANAMMOX菌能夠利用Fe0有效去除水體中88.99%的硝酸鹽.上述結(jié)果為ANAMMOX工藝自身產(chǎn)生的硝酸鹽進(jìn)行原位處理提供了一種新的解決方案,在后續(xù)的研究中可以將Fe0投加到ANAMMOX反應(yīng)器內(nèi),以考察其自身將反應(yīng)生成的硝酸鹽去除的能力.

4 結(jié)論

4.1 在適宜的反應(yīng)條件下,ANAMMOX菌可以利用Fe0去除水體中的硝酸鹽.

4.2 在ANAMMOX利用Fe0還原硝酸鹽體系中投加等量不同形態(tài)Fe0時(shí)硝酸鹽的去除效率由高到低分別為:納米鐵>鐵粉>鐵屑.

4.3 根據(jù)CCD法擬合出的模型方程值為30.69,值<0.0001,2為0.98,表明該模型擬合程度很好.

4.4 Fe/N和溫度這2個(gè)因素的值均小于0.0001,表明Fe/N和溫度對(duì)ANAMMOX菌去除硝酸鹽過(guò)程的影響顯著.相比之下,進(jìn)水pH值這一因素的P值為0.0345,其對(duì)硝酸鹽去除效果影響較弱.當(dāng)溫度為35.00℃,Fe/N為38.23,進(jìn)水pH值為4.00時(shí),硝酸鹽去除率最高,可達(dá)88.99%.

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Effects of multiple factors on the process of ANAMMOX bacteria strengthening nitrate reduction by zero-valent iron.

SONG Ge1, ZHANG Wen-jing1,2,3, BI Zhen1,2,3*, HUANG Yong1,2,3,DONG Shi-yu1,3

(1.School of Environment Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China；2.National and Local Joint Engineering Laboratory of Municipal Sewage Resource Utilization Technology, Suzhou 215009, China；3.Institute of Environmental Biotechnology, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China)., 2019,39(11)：4666~4672

Effects of iron form, pH, temperature and Fe/N on the process of ANAMMOX bacteria strengthening nitrate reduction by zero-valent iron (Fe0) were studied by single factor control experiment combined with Central Composite Design (CCD) methodology. The results demonstrated that the test with nano- Fe0addition showed the highest nitrate removal efficiency compared with the iron powder and iron filings addition. According to the CCD analysis, the temperature and Fe/N had significant effects on the nitrate removal efficiency, while the effect of pH was weak. The optimum reaction conditions predicted based on CCD analysis were initial pH of 4.00, temperature of 35.00℃, and Fe/N of 38.23. The predictive nitrate removal efficiency was 94.70%, which was closed to the actual experimental value of 88.99%.

ANAMMOX；nitrate；zero-valent iron (Fe0)；Central Composite design (CCD) methodology

X703.1

A

1000-6923(2019)11-4666-07

宋 歌(1998-),女,新疆克拉瑪依人,蘇州科技大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)本科生,主要研究方向水污染控制.

2019-04-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21607110);城市生活污水資源化利用技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室(蘇州科技大學(xué))開(kāi)放課題(2018KF02);蘇州科技大學(xué)大學(xué)生科研立項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(無(wú)項(xiàng)目編號(hào))

* 責(zé)任作者, 講師, bzhen.xi@163.com