碳氮比對(duì)短程反硝化及胞外聚合物的影響

錢九州，韓 懿，夏 良，謝 珍，李海波，宋圓圓，郭建博

（天津城建大學(xué)a.環(huán)境與市政工程學(xué)院；b.天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384）

厭氧氨氧化（Anammox）工藝是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的新型生物脫氮技術(shù)，其以氨氮作為電子供體，亞硝酸鹽作為電子受體，直接將氮化合物還原為氮?dú)鈁1].因而采用Anammox 工藝處理含氮廢水受到很多研究者的青睞，但是Anammox 工藝對(duì)進(jìn)水濃度要求較高，嚴(yán)重限制了該工藝應(yīng)用的廣度[2-3].因此，急需開發(fā)輔助工藝，解決穩(wěn)定供給的問(wèn)題.

本研究采用上流式厭氧污泥床（UASB）反應(yīng)器，擬通過(guò)不同的C/N 對(duì)短程反硝化系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比分析UASB 反應(yīng)器在不同C/N（3.0/1，2.7/1，2.5/1，2.2/1）條件下對(duì)短程反硝化性能的影響，和該過(guò)程中短程反硝化泥EPS 含量變化的響應(yīng)；同時(shí)進(jìn)行反加批次瓶裝實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步探究EPS 對(duì)短程反硝化的作用.旨在探索C/N 對(duì)短程反硝化及EPS 的影響及EPS 對(duì)短程反硝化的作用，為今后主流Anammox 工藝的應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)和思路.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)污泥

反應(yīng)器采用上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB，見圖1），由有機(jī)玻璃制成，直徑為10 cm，總高度為29 cm，總?cè)莘e為4.5 L.實(shí)驗(yàn)污泥采用實(shí)驗(yàn)室馴化16 天得到的短程反硝化污泥，其中短程反硝化菌中Thauera 豐度為15.42%. 反應(yīng)器由底部進(jìn)水，進(jìn)水桶分為硝酸鹽進(jìn)水桶和COD 進(jìn)水桶，以連續(xù)流的方式運(yùn)行.反應(yīng)器運(yùn)行期間通過(guò)加熱帶維持溫度（25±1℃）.

1.2 實(shí)驗(yàn)廢水

圖1 UASB 反應(yīng)裝置

實(shí)驗(yàn)采用合成廢水，其組成:KH2PO40.01 g/L、CaCl2·2H2O 0.01 g/L、MgSO4·7H2O 0.30 g/L；微量元素濃縮液Ⅰ、濃縮液Ⅱ各1.25 mL/L.微量元素濃縮液Ⅰ的成分:EDTA 5.00 g/L、FeSO45.00 g/L. 微量元素液Ⅱ成分:EDTA 15.00 g/L、H3BO40.01 g/L、MnCl2·4H2O 0.99 g/L、CuSO4·5H2O 0.25 g/L、ZnSO4·7H2O 0.43 g/L、NiCl2·6H2O 0.19 g/L、NaSeO4·10H2O 0.21g/L、NaMoO4·2H2O 0.22 g/L.硝酸鹽和化學(xué)需氧量（COD）以NaNO3和無(wú)水乙酸鈉提供，濃度按照實(shí)驗(yàn)需要配置. 所用藥品均為分析純.

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

UASB 反應(yīng)器采用上述合成廢水模擬高濃度硝酸鹽工業(yè)廢水，初始水力停留時(shí)間（HRT）定為4.1 h，控制初始進(jìn)水硝態(tài)氮為200 mg/L.實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變不同的進(jìn)水COD 來(lái)改變進(jìn)水碳氮比（C/N），考察不同C/N（3.0/1，2.7/1，2.5/1，2.2/1）下短程反硝化的性能，胞外聚合物（EPS）產(chǎn)量. 分析C/N 與短程反硝化性能及EPS 的關(guān)系，具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如表1 所示.

表1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

反加批次實(shí)驗(yàn)1，反應(yīng)器采用500 mL 血清瓶，使用去除EPS 后的短程反硝化污泥作為實(shí)驗(yàn)污泥.將污泥均分到裝有合成廢水的血清瓶中，分別加入10 mg/L的多糖（PS）和蛋白質(zhì)（PN）.批次實(shí)驗(yàn)分別以海藻酸鈉和牛血清白蛋白作為PS 和PN[13].設(shè)置一組空白對(duì)照組.測(cè)定硝態(tài)氮的還原速率和亞硝態(tài)氮的積累速率.實(shí)驗(yàn)設(shè)有3 組平行對(duì)照，結(jié)果取平均值.

反加批次實(shí)驗(yàn)2，反應(yīng)器采用250 mL 的錐形瓶，加入等量的短程反硝化菌液和合成廢水，分別加入10 mg/L 的PS 和PN.批次實(shí)驗(yàn)分別以海藻酸鈉和牛血清白蛋白作為PS 和PN[13].設(shè)置一組空白對(duì)照組.OD600是利用細(xì)菌的吸光來(lái)測(cè)量細(xì)菌培養(yǎng)液的濃度，所以通常用來(lái)判斷細(xì)菌的生物量.每?jī)尚r(shí)測(cè)定一次錐形瓶中的OD600，判斷細(xì)菌的生長(zhǎng)速率.實(shí)驗(yàn)設(shè)有3 組平行對(duì)照，結(jié)果取平均值.

1.4 亞硝態(tài)氮積累率（NAR）計(jì)算方法

本實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于亞硝態(tài)氮積累率（NAR）的計(jì)算，可根據(jù)下式

式中:NAR 為亞硝態(tài)氮積累率，%；C亞硝態(tài)氮，出水為出水時(shí)的亞硝態(tài)氮濃度，mg/L；C硝態(tài)氮，出水為出水時(shí)的硝態(tài)氮濃度，mg/L.

1.5 分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 C/N 對(duì)短程反硝化性能的影響

C/N 分別為3.0，2.7，2.5，2.2 時(shí)短程反硝化過(guò)程中的還原，的積累和COD 去除性能的變化如圖2 所示.從圖中可以看出，在4 種C/N 下，均有不同程度的積累. 當(dāng)C/N 為3.0（1—7 d）時(shí)，由于更改進(jìn)水C/N，短程反硝化污泥需要適應(yīng)新的水質(zhì).因此，初始的NAR 只有25.55%，出水低于5 mg/L. 經(jīng)過(guò)2 d 的適應(yīng)期之后，平均出水和NAR 分別增長(zhǎng)至68.96 mg/L 和87.79%，說(shuō)明短程反硝化菌的適應(yīng)能力強(qiáng)，可以快速適應(yīng)環(huán)境，恢復(fù)活性.之后的5 d 運(yùn)行趨于穩(wěn)定，平均出水和NAR 分別穩(wěn)定在65.92 mg/L 和87.79%.但是出水含量較低（4.19 mg/L），而且出水中還殘留著大量的COD（53.31 mg/L）.這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明C/N 為3.0 時(shí)，短程反硝化過(guò)程含有過(guò)量的COD，導(dǎo)致部分被完全反硝化還原成氮?dú)?因此，可以通過(guò)進(jìn)一步減少進(jìn)水COD的含量來(lái)提升的產(chǎn)生量和積累量.當(dāng)C/N 減少為2.7 時(shí)，初始的NAR 從86.72%降低至78.13%，而出水從65.92 mg/L 上升至72.04 mg/L. 經(jīng)過(guò)短程反硝化菌5 d 的適應(yīng)期之后，平均NAR 和出水進(jìn)一步增長(zhǎng)至83.19%和98.67 mg/L. 這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明降低進(jìn)水COD 的含量可以提升的累積量.當(dāng)C/N 為2.5 時(shí)，出水僅從98.67 mg/L 增長(zhǎng)至99.38 mg/L，而NAR 則從83.19%快速下降至76.52%.NAR 明顯降低但是出水濃度小幅上升，這個(gè)現(xiàn)象需要進(jìn)一步的研究來(lái)解釋.進(jìn)一步降低C/N 至2.2，平均出水和NAR 進(jìn)一步降至90.90 mg/L 和65.50%.運(yùn)行8 d 后，短程反硝化總體性能出現(xiàn)惡化，平均出水和NAR 進(jìn)一步降至80.23 mg/L 和62.10%.這可能是由于碳源不足和高的毒害作用[8]，導(dǎo)致大量短程反硝化菌裂解死亡（見表2，eDNA 14.53±1.43 mg/g MLVSS）.

2.2 C/N 對(duì)短程反硝化EPS 的影響

2.3 EPS 對(duì)短程反硝化的性能影響分析

表2 C/N 對(duì)短程反硝化的EPS 的影響

圖2 不同C/N 下短程反硝化的性能

圖3 PN 和PS 對(duì)短程反硝化性能和細(xì)菌生長(zhǎng)曲線的影響

EPS 的主要成分是PS 和PN[11].因此，采用500 mL的血清瓶，通過(guò)分別反加PS 和PN 的批次實(shí)驗(yàn)來(lái)探究EPS 對(duì)短程反硝化的性能影響.如圖3a 所示，空白組和反加PN 實(shí)驗(yàn)組的在24 h 內(nèi)沒(méi)有完全被還原，而反加PS 實(shí)驗(yàn)組的在24 h 內(nèi)被完全還原.同時(shí)可以看出的還原速率在10 h 前后有明顯的變化，這可能與反應(yīng)器中的積累的含量有關(guān). 對(duì)比三組數(shù)據(jù)，反加PS 實(shí)驗(yàn)組的還原速率最快. 根據(jù)計(jì)算，反加PS 的實(shí)驗(yàn)組的還原速率約為空白組的1.03 倍. 這說(shuō)明PS 可以加速短程反硝化過(guò)程中的還原. 如圖3b 所示，反加PS的實(shí)驗(yàn)組的在前10 h 內(nèi)快速積累，達(dá)到了峰值（79.7 mg/L），在隨后的14 h 內(nèi)基本保持平穩(wěn).相較于空白組的在第22 h 達(dá)到的峰值（71.32 mg/L），反加PS 實(shí)驗(yàn)組的積累速率明顯提升2.4 倍，同時(shí)積累量也有了小幅的上漲. 結(jié)合圖3c 中的反加PS 實(shí)驗(yàn)組的NAR 變化，可以得到PS 可以加速短程反硝化菌對(duì)的還原和的積累，提升的最大積累量. 這些結(jié)果也解釋了2.1 中C/N減少為2.5 時(shí)NAR 下降，卻上升的原因.這主要是隨著C/N 從2.7 減少為2.5，碳源含量進(jìn)一步降低導(dǎo)致出水含量增高（見圖2a），因此NAR 下降，但PS 的含量明顯增加（見表2），PS 的增加促使出水含量的提升.如圖3d 所示，采用250 mL 的錐形瓶，通過(guò)分別反加PS 和PN 的批次實(shí)驗(yàn)來(lái)探究EPS對(duì)短程反硝化菌生長(zhǎng)的影響.其中，反加PN 和PS 實(shí)驗(yàn)組的OD600均高于空白組. 反加PN 實(shí)驗(yàn)組的OD600在6 h 時(shí)達(dá)到峰值（0.30），而反加PS 實(shí)驗(yàn)組和空白組的OD600在8 h 時(shí)才達(dá)到峰值（0.25，0.23）. 反加PN 實(shí)驗(yàn)組細(xì)菌的生長(zhǎng)速率大約是空白組的1.79 倍，同時(shí)細(xì)菌的總量相較空白組也出現(xiàn)明顯的上升.反加PS 組也有類似的促進(jìn)作用，但作用效果不明顯.因此，PN 可以促進(jìn)短程反硝化菌的生長(zhǎng).綜上所述，EPS 可以作為生物添加劑強(qiáng)化短程反硝化的性能.

3 結(jié) 語(yǔ)

（2）通過(guò)C/N 對(duì)短程反硝化EPS 的影響分析和EPS 濃度與短程反硝化性能的詳細(xì)對(duì)比，C/N 和短程反硝化的EPS 含量呈負(fù)相關(guān)，而且EPS 的含量與NAR呈負(fù)相關(guān)，EPS 的含量會(huì)對(duì)短程反硝化的性能產(chǎn)生影響，PS 對(duì)短程反硝化的影響作用強(qiáng)于PN.

（3）通過(guò)反加批次瓶裝實(shí)驗(yàn)得到，EPS 可以作為生物添加劑強(qiáng)化短程反硝化的性能.反加PS 的實(shí)驗(yàn)組的積累速率明顯提升2.4 倍，反加PN 實(shí)驗(yàn)組細(xì)菌生長(zhǎng)速率大約是空白組的1.79 倍.PS 可以促進(jìn)短程反硝化菌的產(chǎn)生和積累，PN 可以促進(jìn)短程反硝化菌的生長(zhǎng).