常溫條件下厭氧氨氧化污泥儲(chǔ)存及激活

王 賢 ，汪 濤 ，王書(shū)航 ，李 虎 ，劉敬雯

（1.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津300401；2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012）

常規(guī)污水生物脫氮工藝可通過(guò)硝化作用和反硝化作用去除廢水中的氨氮，但處理高氨氮或低碳氮比廢水時(shí)存在運(yùn)行成本高、效率低等問(wèn)題。厭氧氨氧化（Anammox）是在厭氧條件下，厭氧氨氧化菌（AnAOB）以水中氨氮為電子供體，亞硝酸氮為電子受體，生成氮?dú)夂蜕倭肯跛岬纳锓磻?yīng)〔1〕。相比傳統(tǒng)脫氮工藝，Anammox工藝無(wú)需氧氣和外加有機(jī)碳源，剩余污泥產(chǎn)生量少，運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)省90%〔2〕。以Anammox為基礎(chǔ)的新型污水脫氮工藝受到研究者的廣泛關(guān)注。然而AnAOB生長(zhǎng)代謝極其緩慢，世代時(shí)間長(zhǎng)達(dá)11 d，且環(huán)境敏感度高，使得Anammox工藝啟動(dòng)周期冗長(zhǎng)〔3〕。此外，AnAOB稀缺且難以培養(yǎng)，制約了Anammox工藝大規(guī)模應(yīng)用。

有研究表明，儲(chǔ)存后的污泥經(jīng)活化后可快速啟動(dòng) Anammox工藝〔4〕。Anammox污泥的儲(chǔ)存可有效保留AnAOB。接種已儲(chǔ)存污泥既有助于Anammox工藝的快速啟動(dòng)，又可避免AnAOB培養(yǎng)困難等問(wèn)題。因此，儲(chǔ)存的Anammox污泥可成為Anammox工藝的可靠菌種來(lái)源之一。

常溫儲(chǔ)存Anammox污泥可大大減少儲(chǔ)存過(guò)程的能耗，儲(chǔ)存污泥的激活還可縮短Anammox工藝啟動(dòng)時(shí)間，提高工藝啟動(dòng)有效性?？紤]到低溫或超低溫儲(chǔ)存能耗較大，本研究在常溫（20℃）條件下儲(chǔ)存Anammox污泥并激活，以期為Anammox工藝工程化應(yīng)用和技術(shù)推廣提供一定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 污泥儲(chǔ)存方法

Anammox污泥取自運(yùn)行9個(gè)月的Anammox固定床反應(yīng)器（FBR）。用蒸餾水洗滌Anammox污泥，沉淀后撇去上層清液，重復(fù)操作3次。然后將700mL污泥轉(zhuǎn)移到2 L填充蜂窩狀填料的廣口瓶中，通過(guò)填料分散Anammox污泥，減少污泥堆積密度。填料填充比（體積比）為50%。廣口瓶經(jīng)氮?dú)馄貧?5 min以排除溶解氧，用橡皮塞密封保證厭氧環(huán)境，置于恒溫控制室中。Anammox污泥在常溫（20℃）下避光儲(chǔ)存1個(gè)月，儲(chǔ)存過(guò)程不補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)液。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

Anammox激活采用連續(xù)流FBR，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

Anammox反應(yīng)器呈圓柱形，由有機(jī)鋼化玻璃制成，有效體積為2.6 L，配有水浴夾層。恒溫水箱中的熱水經(jīng)過(guò)水浴夾層循環(huán)使反應(yīng)器溫度保持在35℃。進(jìn)料容器與反應(yīng)器密封以保持厭氧條件。反應(yīng)器以黑布包裹，保護(hù)厭氧氨氧化菌生長(zhǎng)免受光的干擾。

將廣口瓶中的Anammox儲(chǔ)存污泥連同蜂窩狀聚乙烯填料一起投加到反應(yīng)器中。該填料平均密度為1 100 g/L，外形近似圓柱，內(nèi)徑25 mm，高12 mm，中心至外圓有3層圓，周邊均為鋸齒狀，內(nèi)部由19個(gè)大小近似的孔結(jié)構(gòu)組成，具有較高的比表面積，單位體積填料表面的微生物附著量較高。同時(shí)，其多孔結(jié)構(gòu)也有利于厭氧氨氧化反應(yīng)產(chǎn)生氮?dú)獾呐懦?。附著在填料表面生長(zhǎng)的厭氧氨氧化菌以生物膜形式存在，產(chǎn)氣的沖刷過(guò)程可避免生物膜生長(zhǎng)過(guò)厚，既有利于底物傳質(zhì)，又使微生物處于高活性的生長(zhǎng)階段。

根據(jù)Anammox培養(yǎng)基制備模擬廢水，主要成分為（NH4）2SO4和 NaNO2，其余組成按表 1、表 2 進(jìn)行配比。定期更換模擬廢水，避免因生物活性或其他因素改變配水組成。儲(chǔ)存污泥激活方式：反應(yīng)器溫度控制在 32℃，pH保持 7.8~8.0，DO控制在 0.05 mg/L以下，模擬廢水中的初始質(zhì)量濃度均為50 mg/L，水力停留時(shí)間為1 d。根據(jù)反應(yīng)器的脫氮性能，逐步提高進(jìn)水和至200 mg/L，從而逐步提高儲(chǔ)存污泥的Anammox活性。

表1 Anammox營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基組成

表2 Anammox營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基微量元素組成

1.3 分析方法

采用實(shí)時(shí)定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（RT-PCR）技術(shù)測(cè)定Anammox污泥中的細(xì)菌和AnAOB的細(xì)胞密度，表征Anammox儲(chǔ)存污泥中AnAOB的存活情況。RT-PCR采用AnAOB特征引物AMX809FAMX1066R和細(xì)菌通用特征引物Eub341FEub534R。 根據(jù) A.Dapena-Mora 等〔5〕的研究，采用批示試驗(yàn)測(cè)定Anammox活性。氨氮采用納氏分光光度法（Spectrum722E型可見(jiàn)分光光度計(jì)）測(cè)定；亞硝酸鹽氮采用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法（Spectrum722E型可見(jiàn)分光光度計(jì)）測(cè)定；硝酸鹽氮用紫外分光光度計(jì)法（UV-1700型紫外分光光度計(jì)）測(cè)定。pH和DO分別用便攜式pH測(cè)試儀（德國(guó)Sartorius AG）和Model 55溶解氧測(cè)試儀（美國(guó)YSI）測(cè)定?；旌弦旱膽腋」腆w質(zhì)量濃度（MLSS）、混合液揮發(fā)性懸浮固體質(zhì)量濃度（MLVSS）用稱重法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 污泥儲(chǔ)存前后的細(xì)胞數(shù)目變化

在常溫（20℃）條件下儲(chǔ)存污泥，儲(chǔ)存時(shí)間1個(gè)月。通過(guò)蜂窩狀填料分散儲(chǔ)存污泥，減少污泥堆積密度，減緩儲(chǔ)存期間細(xì)胞自溶及自溶過(guò)程對(duì)污泥的不利影響。儲(chǔ)存期間不添加任何營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，只維持溫度平衡。分別從儲(chǔ)存前（儲(chǔ)存第1天）和儲(chǔ)存后（儲(chǔ)存第30天）的Anammox污泥中取0.5 g樣品，進(jìn)行RTPCR測(cè)定污泥樣品的細(xì)菌細(xì)胞密度和AnAOB細(xì)胞密度，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 儲(chǔ)存前后細(xì)菌總數(shù)和AnAOB數(shù)目的變化情況

從表3可以看出，細(xì)菌細(xì)胞密度從3.635×1011mL-1減少到3.012×1011mL-1，細(xì)菌總數(shù)未大量減少。為減少自身能量消耗，大多數(shù)細(xì)菌處于休眠狀態(tài)以維持生存。而AnAOB細(xì)胞密度從2.338×1011mL-1減少到1.223×1011mL-1，數(shù)量減少近1/2，其占細(xì)菌總數(shù)的比例也由64.32%減至40.60%，這可能是由于部分AnAOB發(fā)生了自溶。但仍有相當(dāng)一部分AnAOB保存下來(lái)，且儲(chǔ)存污泥發(fā)黑發(fā)臭現(xiàn)象并不明顯。表明在儲(chǔ)存過(guò)程中，蜂窩狀填料分散了Anammox污泥，減少了污泥堆積密度，在一定程度上可減緩自溶過(guò)程，且自溶現(xiàn)象只影響局部，對(duì)整體影響較小。儲(chǔ)存后的污泥中AnAOB占細(xì)菌總數(shù)比例為40.60%，雖然有所減少，但與普通活性污泥相比仍處于較高水平。儲(chǔ)存污泥中較高含量的土著AnAOB有利于Anammox儲(chǔ)存污泥的激活及Anammox工藝的啟動(dòng)。

2.2 Anammox儲(chǔ)存污泥激活

Anammox污泥在常溫（20℃）下儲(chǔ)存1個(gè)月后作為接種污泥啟動(dòng)裝置，進(jìn)行激活。實(shí)驗(yàn)分2個(gè)階段：?jiǎn)?dòng)階段和負(fù)荷提高階段，通過(guò)和的進(jìn)水濃度加以區(qū)分。第1～15天為啟動(dòng)階段，用恒定的低濃度底物（和均為50 mg/L）對(duì)儲(chǔ)存污泥進(jìn)行激活，出水和逐漸降低，并有生成，標(biāo)志Anammox成功啟動(dòng)；第16～55天為負(fù)荷提高階段，開(kāi)始提高進(jìn)水濃度，增設(shè)濃度梯度，此階段主要檢驗(yàn)激活的污泥能承受的負(fù)荷。儲(chǔ)存污泥激活過(guò)程的氮素變化見(jiàn)圖2。

2.2.1 啟動(dòng)階段

吳凱〔6〕用普通污泥啟動(dòng) Anammox 過(guò)程，122 d后運(yùn)行穩(wěn)定，平均去除率為86.67%、91.65%。金仁村等〔7〕以反硝化污泥為接種污泥啟動(dòng)Anammox固定床反應(yīng)器，經(jīng)86 d成功啟動(dòng)?？梢?jiàn)儲(chǔ)存污泥作為接種污泥大大縮短反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間，這是由于儲(chǔ)存污泥含有一定量Anammox菌，避免了污泥轉(zhuǎn)換和活性遲滯期，啟動(dòng)進(jìn)程加快。

圖2 儲(chǔ)存污泥在FBR裝置中激活過(guò)程的氮素變化情況

圖3 啟動(dòng)階段氮素去除情況

圖4 啟動(dòng)階段化學(xué)計(jì)量比隨時(shí)間變化情況

A.A.van de Graff等〔8〕得出 R1、R2的理論值分別為1.32、0.26。從圖 4可見(jiàn)，實(shí)際 R1從起初的 2.12逐漸變成1.22，第9天時(shí)其達(dá)到1.33，非常接近理論值1.32，但隨著生物活性逐漸恢復(fù)，當(dāng)活性完全恢復(fù)時(shí)其比值為1.22，略低于理論值，大致接近。I.Tsushima等〔9〕發(fā)現(xiàn) R1為 0.8~0.7時(shí)反應(yīng)裝置的去除效率較高，而R.C.Jin等〔10〕認(rèn)為1.2時(shí)處理效果最佳，其他學(xué)者也在不同條件下發(fā)現(xiàn)最佳比值在1.32上下浮動(dòng)，大都不等于1.32。從圖4還可看出，R2從0緩慢升高至0.17左右，同樣低于理論值。R1和R2都低于理論值，可能與反應(yīng)裝置的類型、所處環(huán)境條件不同有關(guān)，也與反應(yīng)裝置中的菌種結(jié)構(gòu)和狀態(tài)有聯(lián)系。

2.2.2 負(fù)荷提高階段

負(fù)荷提高階段R1、R2隨時(shí)間變化情況見(jiàn)圖6。

圖5 負(fù)荷提高階段氮素去除情況

圖6 負(fù)荷提高階段化學(xué)計(jì)量比隨時(shí)間變化情況

由圖6可見(jiàn)，負(fù)荷提高階段R1有小幅波動(dòng)，最大值和最小值分別為1.35、1.13，平均值為1.21，與激活階段的比值大致相等。此實(shí)驗(yàn)條件下Anammox反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量比R1大致為1.21，與理論值非常接近，但仍存在一定差值。進(jìn)水由50 mg/L提高到70 mg/L初期，R2呈下降趨勢(shì)，在第21天出現(xiàn)最小值0.07，隨著污泥活性的恢復(fù)R2趨于平穩(wěn)，平均約為0.16，低于理論值0.26。R1和R2的實(shí)際值與理論值存在偏差，除與反應(yīng)裝置類型、環(huán)境條件等有關(guān)外，還可能是由于反應(yīng)器內(nèi)AnAOB為優(yōu)勢(shì)菌種，存在少量以為電子受體的反硝化菌協(xié)同脫氮。

有學(xué)者認(rèn)為，在污泥儲(chǔ)存過(guò)程中添加培養(yǎng)基會(huì)使儲(chǔ)存后的激活效果更好。吳凱〔6〕在室溫（25℃）下添加培養(yǎng)液（50 mg/L和 50 mg/L），儲(chǔ)存 30 d、激活 15 d后，和去除率分別為76.7%、95.8%。而本研究在常溫（20℃）儲(chǔ)存Anammox污泥過(guò)程中不加營(yíng)養(yǎng)液，儲(chǔ)存1個(gè)月的Anammox污泥經(jīng)15 d激活，去除率可達(dá)81.36%、99.34%。無(wú)培養(yǎng)基條件對(duì)常溫短時(shí)間儲(chǔ)存影響不大，且儲(chǔ)存后的激活效果可能更好。間歇添加營(yíng)養(yǎng)液或緩沖液對(duì)儲(chǔ)存過(guò)程可能產(chǎn)生不利影響〔11〕。

Anammox污泥無(wú)基質(zhì)儲(chǔ)存時(shí)要考慮溫度的影響。較高溫度下儲(chǔ)存，Anammox菌活性較高，代謝較快，致使生物量很快衰減，增加了其恢復(fù)難度，且恢復(fù)后的活性不易達(dá)到儲(chǔ)存前水平，即使是短時(shí)間內(nèi)的儲(chǔ)存也很難恢復(fù)；過(guò)低的溫度則可能導(dǎo)致細(xì)胞不可逆的凍傷或破裂，也會(huì)使污泥儲(chǔ)存后的細(xì)胞活性難以恢復(fù)。而在適宜溫度下短時(shí)間儲(chǔ)存，可以減緩Anammox菌的衰減，有利于儲(chǔ)存后Anammox污泥活性恢復(fù)。通過(guò)批式實(shí)驗(yàn)研究?jī)?chǔ)存污泥的激活，發(fā)現(xiàn)-20℃下冷凍儲(chǔ)存45 d的Anammox污泥雖然仍呈鮮亮的紅色，但對(duì)基本沒(méi)有去除作用，且其出水呈淺紅色〔12〕。這表明過(guò)低溫度的冷凍儲(chǔ)存會(huì)使一部分厭氧氨氧化菌的細(xì)胞破裂，細(xì)胞色素進(jìn)入出水，喪失活性。有研究分別考察了常溫、中溫、低溫下儲(chǔ)存1個(gè)月后Anammox污泥的活性，發(fā)現(xiàn)常溫儲(chǔ)存污泥的總氮去除率最高〔13〕。這表明常溫條件對(duì)1個(gè)月的短時(shí)間Anammox污泥儲(chǔ)存可能更有利。本研究表明，常溫（20℃）無(wú)基質(zhì)短時(shí)間（1個(gè)月）儲(chǔ)存可以有效保留相當(dāng)一部分AnAOB，又能避免低溫儲(chǔ)存污泥難以激活的問(wèn)題，且常溫儲(chǔ)存與低溫儲(chǔ)存相比能耗大大降低。因此，常溫?zé)o基質(zhì)短時(shí)間儲(chǔ)存的Anammox污泥可作為一種Anammox菌種來(lái)源，快速啟動(dòng)Anammox工藝。

3 結(jié)論

（1）常溫（20℃）下 Anammox污泥在填充蜂窩狀填料的廣口瓶中儲(chǔ)存1個(gè)月，儲(chǔ)存期間不添加任何外界營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，細(xì)菌密度從3.635×1011mL-1減少到3.012×1011mL-1，AnAOB 細(xì)胞密度從 2.338×1011mL-1減少到1.223×1011mL-1，儲(chǔ)存前后細(xì)菌總數(shù)并未減少很多，而Anammox菌的數(shù)量減少了近一半，但Anammox菌在細(xì)菌中仍有40.60%的較高占比。

（2）在FBR中以儲(chǔ)存1個(gè)月的Anammox污泥作為接種污泥激活A(yù)nammox反應(yīng)，可使Anammox啟動(dòng)時(shí)間變短。與采用普通活性污泥啟動(dòng)的Anammox相比，沒(méi)有停滯期，啟動(dòng)時(shí)間顯著縮短。接種儲(chǔ)存的Anammox污泥可實(shí)現(xiàn)Anammox工藝的快速啟動(dòng)。