鹽度脅迫及K+干預(yù)對(duì)厭氧氨氧化脫氮性能的影響研究*

姜雯滔 王 闖 王家輝 李 軍

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

生物法處理含鹽廢水，過(guò)高的鹽度會(huì)造成質(zhì)壁分離，細(xì)胞失活[4]，對(duì)有機(jī)物、氮去除產(chǎn)生不利影響[5]。存在于海洋中的耐鹽性生物菌種，對(duì)含鹽廢水處理提供了新的方向[6],[7]323,[8]。BORIN等[9]的研究表明，在鹽度高達(dá)24%的L’Atalante和Bannock鹽線上檢測(cè)到與厭氧氨氧化相關(guān)的16S rRNA基因，肼合酶基因(hzsA)的擴(kuò)增也證實(shí)了Bannock中存在厭氧氨氧化菌，為其提供了理論依據(jù)。作為一種經(jīng)濟(jì)高效且環(huán)保的脫氮法，厭氧氨氧化顯示出處理高氮含鹽廢水的潛力[10]。在工程應(yīng)用中，厭氧氨氧化工藝易受廢水中無(wú)機(jī)鹽的影響[11]，反應(yīng)器長(zhǎng)期受鹽度脅迫，不僅會(huì)降低脫氮性能，還會(huì)削弱污泥的沉降能力[12]。通過(guò)添加相容性溶質(zhì)、外源添加拮抗性離子等措施可以提升厭氧氨氧化在高鹽度脅迫下的脫氮性能。KARTAL等[13]研究認(rèn)為，厭氧氨氧化細(xì)菌可適應(yīng)30 g/L的鹽度，鹽度再高則可逆地抑制厭氧氨氧化菌。于德爽等[14]證實(shí)相容性溶質(zhì)甘氨酸甜菜堿(GB)為0.3 mmol/L時(shí)脫氮效率最佳，氮去除負(fù)荷(NRR)增加了26.8%，減輕了厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)抑制。鹽度30 g/L時(shí)添加GB，生物適應(yīng)潛力顯著增加[15]。

目前鹽度脅迫對(duì)厭氧氨氧化菌的影響仍有待進(jìn)一步研究。研究表明，在含鹽廢水中添加8 mmol/L K+可對(duì)厭氧氨氧化生物系統(tǒng)起到促進(jìn)作用，但K+作為外源拮抗性離子對(duì)高鹽度脅迫影響的機(jī)理亟待研究[16-17]。本研究通過(guò)梯度添加NaCl實(shí)現(xiàn)高鹽度脅迫，然后梯度添加KCl研究鹽度脅迫下K+干預(yù)厭氧氨氧化菌脫氮性能的影響機(jī)理，為厭氧氨氧化處理高鹽廢水及強(qiáng)化厭氧氨氧化脫氮性能提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

主要反應(yīng)器是有效容積為7 000 mL的升流式污泥床反應(yīng)器(UASB)，材料為有機(jī)玻璃，單側(cè)貼黏性的保溫板，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水浴加熱區(qū)的避光和保溫作用，電子溫度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度。反應(yīng)器見(jiàn)圖1。

圖1 UASB反應(yīng)器Fig.1 UASB reactor

1.2 接種污泥與配水

本試驗(yàn)采用成熟污泥菌種流加的方式快速啟動(dòng)反應(yīng)器，啟動(dòng)成功后氨氮、亞硝態(tài)氮的去除率可達(dá)到89.83%、97.77%。

試驗(yàn)均采用人工配水，氨氮、亞硝態(tài)氮由NH4Cl和NaNO2配置成均為150 mg/L左右，NaHCO3為1.0 g/L，MgSO4為0.2 g/L，KH2PO4為0.027 2 g/L，CaCl2為0.3 g/L。微量元素Ⅰ和Ⅱ各為1 mL/L?？疾禧}度脅迫時(shí)添加NaCl，NaCl為0～30 g/L，考察K+外源干預(yù)時(shí)添加KCl，KCl為0～30 mmol/L。

1.3 分析方法

氨氮，納氏試劑分光光度法；亞硝態(tài)氮，N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；硝態(tài)氮，紫外分光光度法；總氮，堿性過(guò)硫酸鉀消解法；混合液懸浮固體濃度(MLSS)、混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度(MLVSS)，稱重法；胞外聚合物(EPS)，NaOH熱提取法；蛋白質(zhì)(PN)，考馬斯亮藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)方法；多糖(PS)，蒽酮比色法。

1.4 試驗(yàn)方法

中溫控制在(30±2) ℃，水力停留時(shí)間(HRT)為7.63 h。鹽度脅迫厭氧氨氧化污泥影響試驗(yàn)的鹽度梯度提升分為6個(gè)階段。Ⅰ階段，0 g/L；Ⅱ階段，5 g/L；Ⅲ階段，10 g/L；Ⅳ階段，15 g/L；Ⅴ階段，20 g/L；Ⅵ階段，30 g/L。

在30 g/L鹽度脅迫下梯度添加K+的外源干預(yù)試驗(yàn)分為5個(gè)階段。Ⅰ階段，0 mmol/L；Ⅱ階段，5 mmol/L；Ⅲ階段，10 mmol/L；Ⅳ階段，15 mmol/L；Ⅴ階段，20 mmol/L。

觀察和分析鹽度脅迫各個(gè)階段厭氧氨氧化菌的顆粒特性及脫氮性能，分析K+外源干預(yù)對(duì)高鹽度脅迫的影響，并確定最優(yōu)促進(jìn)點(diǎn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 鹽度脅迫過(guò)程脫氮性能變化

鹽度脅迫過(guò)程歷時(shí)兩個(gè)月，氨氮、亞硝態(tài)氮質(zhì)量濃度及去除率見(jiàn)圖2、圖3。Ⅰ階段為穩(wěn)定階段，氨氮、亞硝態(tài)氮含量及去除率為最優(yōu)態(tài)，Ⅱ階段基本保持不變。Ⅲ、Ⅳ階段為小幅度變化階段，污泥少量上浮，在Ⅳ階段恢復(fù)后氨氮和亞硝態(tài)氮去除率穩(wěn)定在84.12%、89.06%。結(jié)果表明前4個(gè)階段鹽度對(duì)厭氧氨氧化菌影響較小，菌體通過(guò)自身調(diào)節(jié)可逐步適應(yīng)，鹽度0～15 g/L為厭氧氨氧化菌的耐受范圍。

Ⅴ階段鹽度提升至20 g/L，氨氮、亞硝態(tài)氮含量及去除率處于明顯波動(dòng)階段，脫離鹽度耐受范圍，污泥大批上浮，氨氮和亞硝態(tài)氮去除率均降至30%左右，對(duì)菌體抑制明顯，可能是此鹽度導(dǎo)致外界環(huán)境的滲透壓大于細(xì)胞內(nèi)部滲透壓，部分菌體細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞，發(fā)生菌體自溶[18]。篩選出不能適應(yīng)此鹽度環(huán)境的菌群后去除率恢復(fù)，部分污泥顆粒呈褐色，上浮污泥中有黑色的顆粒污泥。Ⅵ階段是復(fù)篩選階段，波動(dòng)幅度大，恢復(fù)周期長(zhǎng)，對(duì)厭氧氨氧化脫氮性能產(chǎn)生明顯抑制，污泥二次上浮，污泥含量持續(xù)降低，顏色變暗紅色。

圖2 進(jìn)出水氨氮質(zhì)量濃度及去除率Fig.2 Ammonia nitrogen mass concentration in influent and effluent and its removal rate

將Ⅵ階段上浮污泥重新接種于反應(yīng)器，短時(shí)間內(nèi)顆粒污泥再次上浮，可能是因?yàn)楦啕}度脅迫對(duì)厭氧氨氧化菌具有不可逆抑制作用，上浮污泥不具有活性。這表明高鹽度影響下污泥含量及脫氮性能已經(jīng)很難維持穩(wěn)定態(tài)，即30 g/L鹽度已達(dá)到厭氧氨氧化菌承受能力極限。

2.2 鹽度脅迫過(guò)程總氮去除率及負(fù)荷變化

氮負(fù)荷率(NLR)、NRR及總氮去除率變化見(jiàn)圖4。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ階段，鹽度為0～15 g/L，前4個(gè)階段的NRR平均值在0.99 kg/(m3·d)左右，Ⅳ階段總氮去除率波動(dòng)降至89%左右，階段變化不明顯，厭氧氨氧化菌自我調(diào)節(jié)，逐漸適應(yīng)鹽度環(huán)境，保持較高的總氮去除率和NRR。

圖4 NLR、NRR及總氮去除率Fig.4 NLR,NRR and total nitrogen removal rate

Ⅴ、Ⅵ階段為反應(yīng)器敏感階段，厭氧氨氧化菌受此鹽度影響較大，NRR及總氮去除率呈兩次斷崖式波動(dòng)下降，且恢復(fù)期較長(zhǎng)，污泥沉降性差，僅少部分厭氧氨氧化菌能適應(yīng)此鹽度環(huán)境，恢復(fù)后仍有75.34%的總氮去除率。NRR從整個(gè)階段的峰值1.10 kg/(m3·d)降至Ⅵ階段最終的0.83 kg/(m3·d)。

2.3 鹽度脅迫過(guò)程污泥顆粒形態(tài)及濃度變化

MLSS和MLVSS是檢測(cè)污泥性能是否良好的重要指標(biāo)，MLVSS、MLSS及MLVSS/MLSS變化見(jiàn)圖5。梯度鹽度脅迫階段MLSS和MLVSS呈先增大后減小的趨勢(shì)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ階段MLSS和MLVSS均保持較高水平，0～15 g/L鹽度在厭氧氨氧化污泥的耐受范圍內(nèi)，MLVSS/MLSS稍有下降。Ⅱ階段達(dá)到MLVSS峰值，5 g/L鹽度一定程度促進(jìn)了厭氧氨氧化，可能NaCl的加入加快了細(xì)胞的離子反應(yīng)速率。金仁村等[7]326的研究也表明低濃度的鹽可促進(jìn)厭氧氨氧化，5 g/L NaCl作用下，厭氧氨氧化活性(SAA)提高了49%。

圖5 MLSS、MLVSS及MLVSS/MLSS變化Fig.5 Changes of MLSS,MLVSS and MLVSS/MLSS

Ⅴ階段，MLSS和MLVSS含量驟減，不耐此鹽度的菌體被篩選淘汰，MLVSS/MLSS降至0.8以下，MLVSS含量較低，對(duì)厭氧氨氧化菌脫氮抑制明顯，顆粒顏色變深，可能部分厭氧氨氧化菌因鹽度過(guò)高而破裂，污泥解體；同時(shí)鹽度過(guò)大，顆粒狀污泥密度增大也是致使污泥大量上浮的因素。Ⅵ階段鹽度提升至30 g/L，MLVSS持續(xù)降至4 711.52 mg/L，且大顆粒污泥解體成小顆粒，污泥二次上浮，上浮污泥不具脫氮性能。

2.4 鹽度脅迫過(guò)程PN、PS變化

厭氧氨氧化菌在極端的環(huán)境下產(chǎn)生更多的EPS來(lái)抵御極端的環(huán)境[19-20]。在整個(gè)鹽度脅迫階段PS、PN及PS/PN變化見(jiàn)圖6。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ階段，耐受范圍內(nèi)PS、PN及PS/PN略微提升，可能是厭氧氨氧化菌為抵御鹽度環(huán)境而釋放EPS使PS和PN增加。PS有親水性且?guī)в胸?fù)電性的官能團(tuán)，PN有疏水帶正電性的官能團(tuán)，EPS的釋放有利于負(fù)電性的厭氧氨氧化菌顆?；?/p>

注：PS、PN均以單位質(zhì)量MLVSS計(jì)。圖6 PS、PN及PS/PN變化Fig.6 Changes of PS,PN and PS/PN

Ⅴ階段PS和PN分別升至171、44 mg/g，可能部分菌體難以抵御鹽度的脅迫而破裂，PS、PN外溢，同時(shí)高鹽度廢水具有較高的導(dǎo)電性，細(xì)菌本身也具有負(fù)電性，有利于顆粒污泥的形成，污泥凝聚成大顆粒的同時(shí)，生成的氮?dú)鉄o(wú)法排出，污泥密度減小而上浮。Ⅵ階段PS和PN含量降低，PS/PN持續(xù)走高，可能是因抵御鹽度脅迫而破裂的菌體減少，污泥沉降性能差，脫氮性能不理想，30 g/L鹽度對(duì)厭氧氨氧化菌產(chǎn)生了嚴(yán)重的抑制。

2.5 K+干預(yù)過(guò)程脫氮性能變化

30 g/L鹽度下K+干預(yù)，氨氮和亞硝態(tài)氮質(zhì)量濃度及去除率變化見(jiàn)圖7、圖8。Ⅰ階段為穩(wěn)定運(yùn)行階段，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ階段氨氮去除率上升，不同程度促進(jìn)厭氧氨氧化菌脫氮性能，在5 mmol/L K+干預(yù)時(shí)，氨氮和亞硝態(tài)氮去除率分別升至83.53%、89.52%，為干預(yù)過(guò)程中的最佳促進(jìn)點(diǎn)。可能在K+干預(yù)下，細(xì)胞積累K+抵抗鹽度的脅迫，開(kāi)啟主動(dòng)運(yùn)輸通道(Na+-K+泵)進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。Na+-K+泵的存在使得細(xì)胞主動(dòng)進(jìn)行Na+的排放以及K+的吸收從而維持良好的細(xì)胞活性。同時(shí)K+也是酶合成的重要組分，會(huì)促進(jìn)厭氧氨氧化關(guān)鍵性脫氫酶的合成。

圖7 K+干預(yù)下進(jìn)出水氨氮質(zhì)量濃度及去除率Fig.7 Ammonia nitrogen mass concentration in influent and effluent and its removal rate after K+ intervention

圖8 K+干預(yù)下進(jìn)出水亞硝態(tài)氮質(zhì)量濃度及去除率Fig.8 Nitrous nitrogen mass concentration in influent and effluent and its removal rate after K+ intervention

Ⅴ階段20 mmol/L K+干預(yù)下，氨氮和亞硝態(tài)氮去除率分別降至70.13%、73.87%，已經(jīng)抑制厭氧氨氧化菌，可能K+濃度過(guò)高會(huì)造成細(xì)胞滲透壓紊亂，細(xì)胞活性變差，導(dǎo)致菌體脫氮性能下降。結(jié)果表明0～15 mmol/L K+對(duì)厭氧氨氧化有不同程度的促進(jìn)作用，5 mmol/L K+為最佳促進(jìn)點(diǎn)，20 mmol/L K+出現(xiàn)了抑制。

2.6 K+干預(yù)過(guò)程總氮去除率及負(fù)荷變化

K+干預(yù)過(guò)程N(yùn)LR、NRR及總氮去除率變化見(jiàn)圖9。NRR及總氮去除率隨著K+濃度提升呈先上升后下降的趨勢(shì)。5 mmol/L K+最佳促進(jìn)點(diǎn)下總氮去除率提升至86.22%，總氮去除率較K+未干預(yù)時(shí)提升10.88百分點(diǎn)。NRR可達(dá)0.95 kg/(m3·d)，較不添加K+提升了0.12 kg/(m3·d)。在20 mmol/L K+干預(yù)下，NRR降至0.79 kg/(m3·d)，總氮去除率降至72.08%。一定濃度的K+可以緩解高鹽度的抑制，促進(jìn)酶活性，保持細(xì)胞滲透壓穩(wěn)定，增強(qiáng)反應(yīng)器脫氮性能，但過(guò)高的K+使酶活性紊亂，菌體很難保持理想狀態(tài)。

圖9 K+干預(yù)下NLR、NRR及總氮去除率Fig.9 NLR，NRR and total nitrogen removal rate after K+ intervention

3 結(jié) 論

(1) 鹽度脅迫過(guò)程中厭氧氨氧化污泥MLSS、MLVSS先增大后減少；0～15 g/L鹽度為菌體耐受范圍，在Ⅳ階段恢復(fù)后氨氮和亞硝態(tài)氮去除率穩(wěn)定在84.12%、89.06%，NRR峰值為1.10 kg/(m3·d)；PS和PN含量先升高后降低；鹽度20 g/L時(shí)PS/PN激增，污泥沉降性能差，上浮污泥不具活性；30 g/L鹽度下，脫氮性能波動(dòng)幅度大且恢復(fù)期長(zhǎng)，污泥顏色變暗紅，NRR降至0.83 kg/(m3·d)。

(2) 高鹽度條件下0～15 mmol/L K+干預(yù)對(duì)厭氧氨氧化菌有不同程度的促進(jìn)作用；菌體細(xì)胞開(kāi)啟主動(dòng)運(yùn)輸通道(Na+-K+泵)自我調(diào)節(jié)，進(jìn)行K+的吸收及Na+的排放；5 mmol/L K+為最佳促進(jìn)點(diǎn)，總氮去除率為86.22%，較0 mmol/L K+干預(yù)時(shí)總氮去除率提升了10.88百分點(diǎn)，NRR從0.83 kg/(m3·d)提升至0.95 kg/(m3·d)；20 mmol/L K+干預(yù)出現(xiàn)抑制。