納米氧化銅對(duì)自養(yǎng)脫氮工藝性能的促進(jìn)作用研究

張肖靜，張 楠，張 涵，陳 濤，位登輝，張紅麗，馬永鵬

（鄭州輕工業(yè)大學(xué)，河南省化工分離過(guò)程強(qiáng)化工程技術(shù)研究中心，環(huán)境污染治理與生態(tài)修復(fù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南鄭州450001）

基于厭氧氨氧化（Anammox）反應(yīng)的自養(yǎng)脫氮工藝是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一種新型脫氮路徑。 該工藝包含亞硝化反應(yīng)和厭氧氨氧化反應(yīng)2 個(gè)過(guò)程。 在自養(yǎng)脫氮工藝中，首先好氧氨氧化菌（AOB）通過(guò)亞硝化反應(yīng)將部分氨氮氧化為亞硝態(tài)氮， 之后厭氧氨氧化菌（AAOB）在厭氧條件下將剩余的氨氮與生成的亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀欧?，?shí)現(xiàn)自養(yǎng)脫氮。相比傳統(tǒng)的硝化-反硝化工藝， 以Anammox 反應(yīng)為主體單元的自養(yǎng)脫氮工藝能節(jié)省60%的能耗、90%的溫室氣體排放以及100%的有機(jī)碳源， 同時(shí)具有污泥產(chǎn)量低和無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)〔1-3〕，被認(rèn)為是最為經(jīng)濟(jì)有效的脫氮工藝。

亞硝化反應(yīng)和厭氧氨氧化反應(yīng)可以分別在2個(gè)反應(yīng)器完成，也可在單一反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)。 在單一反應(yīng)器內(nèi)完成的工藝被稱(chēng)為全程自養(yǎng)脫氮工藝（CANON），該工藝不僅具備以上自養(yǎng)脫氮的所有優(yōu)點(diǎn)，還可節(jié)約占地面積，尤其是結(jié)合膜生物反應(yīng)器（MBR），還可省去二沉池的建設(shè)及運(yùn)行〔4-5〕。然而，在該工藝中，由于需要微氧曝氣，AAOB 的活性一般較差，導(dǎo)致總氮去除負(fù)荷較低，因而急需一種能夠有效促進(jìn)其自養(yǎng)脫氮效率的策略及方法。 納米材料近年來(lái)發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用在各領(lǐng)域〔6-7〕。 因此，本研究采用目前應(yīng)用廣泛的納米氧化銅， 考察其對(duì)自養(yǎng)脫氮工藝的促進(jìn)作用。

1 材料與方法

1.1 反應(yīng)器設(shè)置

采用2 個(gè)完全相同的MBR 反應(yīng)器， 分別記為1#MBR 和2#MBR。 反應(yīng)器的有效體積為1.7 L，該反應(yīng)器膜組件材料為管式中空纖維膜， 膜絲有效面積為0.1 m2，膜孔孔徑為0.1 μm，通過(guò)出水泵連續(xù)抽吸出水，膜清水通量為36 L/h。 2 個(gè)反應(yīng)器采用同樣的進(jìn)水，從同一進(jìn)水箱，采用雙聯(lián)的蠕動(dòng)泵進(jìn)水，保持進(jìn)水流量及水質(zhì)完全一致。 反應(yīng)器裝置見(jiàn)圖1。

圖1 1#MBR 和2#MBR 反應(yīng)器裝置

1.2 接種污泥及廢水

取穩(wěn)定的亞硝化污泥接種至2 個(gè)MBR 反應(yīng)器，測(cè)得污泥濃度（MLSS）為8.0 g/L。該種泥主要微生物組成為AOB 菌群，在原反應(yīng)器中以亞硝化工藝長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，亞硝態(tài)氮積累率（NAR）為99%左右，氨氮氧化率大于90%，總氮去除率小于10%。 實(shí)驗(yàn)用水為人工配水，主要成分：（NH4）2SO4為0.471 g/L，NaHCO3為2.013 g/L，其 中，（NH4）2SO4提 供 氨 氮，NaHCO3提供堿度；另外補(bǔ)充少量營(yíng)養(yǎng)元素：KH2PO4為68 mg/L，MgSO4·7H2O 為150 mg/L，CaCl2為68 mg/L，微量元素Ⅰ、Ⅱ號(hào)溶液各1 mL/L。 納米氧化銅粒徑為40 nm。 實(shí)驗(yàn)中試劑均為優(yōu)級(jí)純，購(gòu)自阿拉丁試劑有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1#MBR 作為空白對(duì)照反應(yīng)器，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程不添加納米氧化銅，不改變運(yùn)行條件。 2#MBR 的運(yùn)行共包括4 個(gè)階段。 其中階段Ⅰ（1～20 d）：接種亞硝化污泥并穩(wěn)定運(yùn)行；階段Ⅱ（21～40 d）：每天向反應(yīng)器投加1 mg/L 的納米氧化銅；階段Ⅲ（41～60 d）：每天投加5 mg/L 的納米氧化銅；階段Ⅳ（61～90 d）：停止投加納米氧化銅。在此過(guò)程中，運(yùn)行條件及進(jìn)水均保持不變， 考察各階段脫氮性能和污泥性能的變化規(guī)律。 DO 保持在0.1 mg/L，水力停留時(shí)間（HRT）保持為6 h，其他具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 2 個(gè)反應(yīng)器各階段的運(yùn)行參數(shù)

1.4 分析方法

每天從2 個(gè)反應(yīng)器取進(jìn)出水樣測(cè)定氨氮、 亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮及反應(yīng)器內(nèi)各運(yùn)行參數(shù)。氨氮的測(cè)定采用納氏試劑分光光度法；亞硝態(tài)氮測(cè)定采用N-1-萘基乙二胺分光光度法； 硝態(tài)氮的測(cè)定采用紫外分光光度法；pH、DO 和溫度采用Multi 3430 型多參數(shù)測(cè)定儀（德國(guó)WTW）測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 1#MBR 的運(yùn)行效果

1#MBR 反應(yīng)器作為空白對(duì)照的反應(yīng)器，在整個(gè)過(guò)程中保持運(yùn)行條件不變，不額外添加任何物質(zhì)，其進(jìn)出水氮濃度變化見(jiàn)圖2。

圖2 1#MBR 反應(yīng)器的運(yùn)行效果

由圖2 可知，將接種污泥接至該反應(yīng)器后，污泥僅在前幾天表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，后面逐漸穩(wěn)定，而且氨氮去除率在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中緩慢升高。 在進(jìn)水平均氨氮為98.3 mg/L 的條件下，出水氨氮穩(wěn)定在8.7 mg/L左右，出水亞硝態(tài)氮穩(wěn)定在81.7 mg/L 左右，氨氮去除率從最初的80%逐步緩慢上升，穩(wěn)定在91.1%。亞硝態(tài)氮積累率始終在95%左右，硝態(tài)氮生成質(zhì)量濃度僅為1.5 mg/L 左右，這說(shuō)明在此過(guò)程中，反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定，始終以高效的亞硝化工藝運(yùn)行。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，反應(yīng)器未表現(xiàn)出脫氮性能，總氮去除率一直較低，在10%以下，且出水硝態(tài)氮很低。這說(shuō)明硝化細(xì)菌（NOB）受到了很好的抑制，這一方面是由于反應(yīng)器中提供的DO 僅為0.1 mg/L 左右，另一方面是由于廢水中所提供的高pH，以及接種污泥中對(duì)NOB 的徹底淘洗。 雖然DO 和高pH 的環(huán)境均有利于AAOB 富集〔8〕，且氨氮和亞硝態(tài)氮在MBR 反應(yīng)器中同時(shí)存在，為其提供了生長(zhǎng)基質(zhì)，然而反應(yīng)器始終未表現(xiàn)出總氮去除性能，總氮去除負(fù)荷不足0.01 kg/（m3·d），反應(yīng)器中仍然以亞硝化反應(yīng)為主。

因此， 將1#MBR 反應(yīng)器作為空白對(duì)照反應(yīng)器，說(shuō)明在DO 為0.1 mg/L，進(jìn)水pH 為7.8，進(jìn)水氨氮為100 mg/L 左右，溫度為21～25 ℃，完全自養(yǎng)的條件下，不采取其他輔助措施，在短時(shí)間內(nèi)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)總氮去除的。

2.2 2#MBR（添加納米氧化銅）各階段的運(yùn)行效果

2#MBR 反應(yīng)器各階段的運(yùn)行效果見(jiàn)圖3。

圖3 2#MBR 反應(yīng)器各階段的運(yùn)行效果

由圖3 可知，2#MBR 反應(yīng)器在階段Ⅰ（第1～20 d）的表現(xiàn)與1#MBR 類(lèi)似， 在進(jìn)水氨氮為98.2 mg/L 的條件下，出水氨氮穩(wěn)定在21.6 mg/L 左右，出水亞硝態(tài)氮穩(wěn)定在73.0 mg/L 左右， 氨氮去除率穩(wěn)定在78.1%。 1#MBR 在第20 d 時(shí)的氨氮去除率為77.4%左右，說(shuō)明2 個(gè)反應(yīng)器在運(yùn)行條件相同時(shí)，反應(yīng)器的性能也相似，因此1#MBR 可以作為空白對(duì)照的反應(yīng)器。 同樣的，2#MBR 在該階段未表現(xiàn)出脫氮性能，總氮去除負(fù)荷不足0.01 kg/（m3·d），說(shuō)明此時(shí)的反應(yīng)器中仍然以亞硝化反應(yīng)為主。 值得注意的是， 在該階段，亞硝態(tài)氮積累率一直穩(wěn)定在95%左右，這說(shuō)明在反應(yīng)器內(nèi)NOB 一直受到持續(xù)抑制，不會(huì)影響自養(yǎng)脫氮的運(yùn)行。 NOB 持續(xù)抑制是實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)脫氮穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件之一，因?yàn)镹OB 可在好氧條件下將亞硝態(tài)氮氧化為硝態(tài)氮， 進(jìn)而與AAOB 爭(zhēng)奪基質(zhì)，破壞自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)。 本反應(yīng)器中的氨氮約為24.8 mg/L，pH 為7.8 左右，溫度為25 ℃左右，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知反應(yīng)器中脂肪酸（FA）約為1.1 mg/L，處于能夠有效抑制NOB 的范圍〔9〕，這也為低基質(zhì)常溫下NOB 的持續(xù)抑制提供了參考。 此外，低DO 也保證了NOB 得不到充足的氧氣進(jìn)行生長(zhǎng)。

在階段Ⅱ，每天向反應(yīng)器中投加納米氧化銅，質(zhì)量濃度為1 mg/L。由圖3 可知，在添加納米氧化銅之后，反應(yīng)器出水氨氮開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)，氨氮去除率也受到影響。出水亞硝態(tài)氮隨著反應(yīng)的進(jìn)行逐漸降低，亞硝態(tài)氮積累率開(kāi)始直線下降， 在該階段的第1 d 即降低到80%左右，這個(gè)結(jié)果說(shuō)明反應(yīng)器中出現(xiàn)了消耗亞硝態(tài)氮的反應(yīng)。 與此同時(shí)，出水總氮開(kāi)始降低，反應(yīng)器中逐漸出現(xiàn)總氮去除的現(xiàn)象， 隨之出水硝態(tài)氮也開(kāi)始增加。 由于在種泥及長(zhǎng)期運(yùn)行后的污泥中均沒(méi)有檢測(cè)到NOB 的存在， 推測(cè)NOB 已經(jīng)被完全淘洗出該運(yùn)行系統(tǒng)。因此，該階段出水硝態(tài)氮的增加并非由于亞硝態(tài)氮被NOB 氧化， 而是由于發(fā)生了Anammox 反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生了一部分硝態(tài)氮。 隨著反應(yīng)的進(jìn)行，出水亞硝態(tài)氮進(jìn)一步降低，在該階段結(jié)束時(shí)， 亞硝態(tài)氮積累率降低到13%左右， 這是由于Anammox 微生物活性增強(qiáng)，將亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，亞硝態(tài)氮積累的狀態(tài)被破壞。 同時(shí)，總氮去除率逐步上升，雖然由于前期的適應(yīng)過(guò)程波動(dòng)較大，但整體呈上升趨勢(shì)，在階段末提高到約70%。在短短20 d內(nèi)，未改變運(yùn)行條件，僅僅在反應(yīng)器中添加了納米氧化銅，而此時(shí)，1#MBR 未出現(xiàn)任何變化，仍然以穩(wěn)定的亞硝化工藝運(yùn)行。因此，推測(cè)總氮的去除是由納米氧化銅引起的，亞硝化和Anammox 在反應(yīng)器中共存，2#MBR 反應(yīng)器由亞硝化工藝轉(zhuǎn)變?yōu)镃ANON 工藝。

為了進(jìn)一步提高脫氮性能， 在階段Ⅲ將投加納米氧化銅的質(zhì)量濃度提高為5 mg/L， 此時(shí)總氮去除率進(jìn)一步提高并逐漸趨于穩(wěn)定，在階段末達(dá)到90%左右， 這也是CANON 工藝中厭氧氨氧化反應(yīng)可達(dá)到的理論最大脫氮效率〔10〕?？梢?jiàn)，此時(shí)反應(yīng)器中存在穩(wěn)定的自養(yǎng)脫氮反應(yīng)。 然而，CANON 反應(yīng)的理論硝態(tài) 氮 生 成 量 應(yīng) 為 氨 氮 去 除 量 的0.11 倍〔5，11〕，而 此 時(shí)反應(yīng)器出水中硝態(tài)氮生成質(zhì)量濃度僅為3.5 mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論比值， 這說(shuō)明有一部分硝態(tài)氮在反應(yīng)系統(tǒng)中被消耗，這可能是內(nèi)源反硝化引起的。有多篇文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)〔12-13〕，反硝化菌在自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)中可以利用微生物殘?bào)w進(jìn)行內(nèi)源反硝化，進(jìn)而提高效率。這個(gè)推測(cè)也在第2.3 節(jié)微生物測(cè)序結(jié)果中得到證實(shí)，反硝化細(xì)菌在2#MBR 反應(yīng)器中得到富集，與厭氧氨氧化菌一起完成了自養(yǎng)脫氮。

在階段Ⅳ， 考慮到納米氧化銅在反應(yīng)器中的累積作用，因此停止添加納米氧化銅，考察自養(yǎng)脫氮性能提高的可持續(xù)性。 反應(yīng)器在短暫的波動(dòng)及惡化之后，很快適應(yīng)環(huán)境，總氮去除率逐漸穩(wěn)定，并逐步提高。 這說(shuō)明，在納米氧化銅成功誘導(dǎo)了AAOB 富集并表現(xiàn)出活性后，即使不再添加納米氧化銅，反應(yīng)器中存在的AAOB 也能夠繼續(xù)進(jìn)行自養(yǎng)脫氮，因此該方法是可持久的。 此外，由于不再添加納米氧化銅，一些已經(jīng)適應(yīng)其的微生物或者需要富集生長(zhǎng)的微生物死亡，提供了微生物殘?bào)w，進(jìn)而促進(jìn)了內(nèi)源反硝化，因此，最終總氮去除率穩(wěn)定在92%左右，成為一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行的自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)。

2.3 納米氧化銅對(duì)污泥性能的影響

在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，測(cè)得2 個(gè)反應(yīng)器的SV30為60%，MLSS 為8.0 g/L，SVI 為75 mL/g；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)得1#MBR 的SV30為58%，MLSS 為9.1 mg/L，SVI 為63.7 mL/g；2#MBR 的SV30為40%，MLSS 為11.2 g/L，SVI為35.7 mL/g。 由此可知，納米氧化銅可顯著改善污泥的沉降性能。此外，納米氧化銅作為一種顆粒狀物質(zhì)，可以充當(dāng)微生物生長(zhǎng)的載體，使得更多的微生物能夠富集生長(zhǎng)，從而使MLSS 升高。 同時(shí)，納米氧化銅的加入使得污泥的相對(duì)密度變大， 與污泥產(chǎn)生共沉淀作用，也促使污泥的沉降性能提高。

各污泥樣品中微生物的相對(duì)比例見(jiàn)表2。

表2 各污泥樣品中微生物的相對(duì)比例 %

在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，2 個(gè)反應(yīng)器的污泥均呈現(xiàn)為黃棕色， 而在第90 d 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，1#MBR 仍然為黃棕色，但2#MBR 的污泥則轉(zhuǎn)變?yōu)榧t棕色，并可肉眼看到里面有懸浮的紅色顆粒。測(cè)序結(jié)果表明，接種污泥中屬于AOB 菌的Nitrosomonas相對(duì)比例為11.83%，而在長(zhǎng)期運(yùn)行后，1#MBR 中該種群比例增長(zhǎng)為18.93%，說(shuō)明其得到了富集。 2#MBR 中該種群的相對(duì)比例則為13%，增長(zhǎng)幅度較小。值得注意的是，屬于AAOB 的Candidatus Kuenenia的相對(duì)比例在1#MBR中一直很低，由最初的0.25%變化為0.46%，但在2#MBR 中則升高為5.22%， 該結(jié)果再次證明AAOB在2#MBR 中得到富集。 同時(shí)，2#MBR 的反硝化菌相對(duì)比例也有所增加，從1.25%增加為7.2%，這說(shuō)明該反應(yīng)器中不僅發(fā)生了厭氧氨氧化， 同時(shí)存在內(nèi)源反硝化，兩者共同完成脫氮，脫氮效率得到提高。 此外， 屬于NOB 的Nitrobactor和Nitrospira的相對(duì)比例在2 個(gè)反應(yīng)器中非常低，幾乎沒(méi)有檢測(cè)到，也證實(shí)了NOB 在種泥中被徹底淘洗并在2 個(gè)反應(yīng)器中被有效的抑制，因而保證了自養(yǎng)脫氮工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 納米氧化銅促進(jìn)自養(yǎng)脫氮的機(jī)理分析

納米氧化銅之所以能夠促進(jìn)自養(yǎng)脫氮， 誘導(dǎo)厭氧氨氧化菌生長(zhǎng)并富集， 從而使亞硝化工藝轉(zhuǎn)變?yōu)镃ANON 工藝，分析原因有以下幾方面：一方面，顆粒狀的納米氧化銅進(jìn)入亞硝化反應(yīng)器后，會(huì)聚集變大〔14〕，聚集后形成載體，這些載體不僅限制了氧傳遞， 在反應(yīng)器內(nèi)尤其是膜絲之間和膜絲表面形成厭氧微環(huán)境為AAOB 的生長(zhǎng)創(chuàng)造了條件， 同時(shí)也為AAOB 的生長(zhǎng)提供了附著物或者形成顆粒的核。 有研究表明，AAOB 更適合附著生長(zhǎng)〔15-16〕，例如在生物膜反應(yīng)器中或者顆粒污泥中；另一方面，納米氧化銅進(jìn)入反應(yīng)器后會(huì)部分溶解，釋放銅離子〔17〕，銅離子是AAOB 菌功能酶的重要組成物質(zhì)， 銅離子的加入有助于誘導(dǎo)其生長(zhǎng)。同時(shí)，納米氧化銅造成氧傳遞的限制使得亞硝化反應(yīng)中生成的亞硝態(tài)氮減少， 進(jìn)而使得反應(yīng)器中的亞硝態(tài)氮與氨氮比例正好適合AAOB菌的生長(zhǎng)。因此，AAOB 在反應(yīng)器內(nèi)逐漸生長(zhǎng)并表現(xiàn)出活性，反應(yīng)器逐漸表現(xiàn)出自養(yǎng)脫氮性能。 此外，由于納米氧化銅的納米效應(yīng)， 對(duì)某些微生物存在毒害作用，導(dǎo)致一些微生物死亡，進(jìn)而釋放出有機(jī)物，為內(nèi)源反硝化提供了條件， 使得厭氧氨氧化與內(nèi)源反硝化在反應(yīng)器中共存，進(jìn)一步提高了脫氮效率。

因此，納米氧化銅能夠有效誘導(dǎo)AAOB 菌的生長(zhǎng)， 促進(jìn)自養(yǎng)脫氮性能的提高， 且運(yùn)行效果持久穩(wěn)定，可有效解決自養(yǎng)脫氮工藝啟動(dòng)時(shí)間慢、難以高效穩(wěn)定運(yùn)行的難題。

3 結(jié)論

（1）1 mg/L 的納米氧化銅可有效誘導(dǎo)AAOB 菌生長(zhǎng)并富集，降低亞硝態(tài)氮積累率，提高總氮去除率至70%，5 mg/L 的納米氧化銅濃度可進(jìn)一步促進(jìn)AAOB 的活性，進(jìn)而提高總氮去除率至90%。

（2）納米氧化銅誘導(dǎo)AAOB 富集，促進(jìn)亞硝化工藝轉(zhuǎn)變?yōu)镃ANON 工藝之后， 該工藝可長(zhǎng)期穩(wěn)定高效運(yùn)行，不需要繼續(xù)添加納米氧化銅，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)自養(yǎng)脫氮。

（3）納米氧化銅可改善污泥沉降性能，同時(shí)可提供載體誘導(dǎo)AAOB 菌的生長(zhǎng)， 并促進(jìn)內(nèi)源反硝化，進(jìn)而提高脫氮效果。