短程反硝化的啟動(dòng)及多參數(shù)優(yōu)化下NO2--N積累特性

毛佩玥,付 雪,趙鑫磊,邢嘉偉,馬 嬌,陳永志*（1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省污水處理行業(yè)技術(shù)中心,甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省黃河水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730070）

厭氧氨氧化（ANAMMOX）為生物脫氮提供了新路徑,自發(fā)現(xiàn)來(lái)受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注和研究[1-3],其反應(yīng)方程為 NH4++1.32NO2-+0.066HCO3-+0.13H+→1.02N2+0.26NO3-+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O.與傳統(tǒng)硝化/反硝化脫氮工藝相比,該工藝無(wú)須有機(jī)碳源、節(jié)省曝氣、減少污泥產(chǎn)量,將極大節(jié)約能源[4-6],目前主要應(yīng)用于高溫高氨氮工業(yè)廢水處理[7-8],且普遍以短程硝化為厭氧氨氧化提供NO2-.然而,反硝化過(guò)程中的 NO2-積累為耦合厭氧氨氧化和處理含硝酸鹽氮廢水提供了新的污水脫氮工藝[9-10].

短程反硝化（partial denitrification,PD）是異養(yǎng)反硝化菌以有機(jī)物為電子供體,將NO3--N的還原過(guò)程控制在NO2--N階段[11-12].相比全程反硝化,PD可減少外碳源投加量和污泥產(chǎn)量[13-14].近年來(lái),PD被認(rèn)為是耦合厭氧氨氧化（ANAMMOX）極具前景的NO2--N供給工藝,成為污水脫氮研究的熱點(diǎn)[15].Du[16]和Cao[17]在SBR反應(yīng)器中低負(fù)荷下培養(yǎng)出短程反硝化顆粒污泥,能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的NAR.表明短程反硝化能夠成功與厭氧氨氧化耦合.Cui等[18]在生物膜反應(yīng)器中培養(yǎng)短程反硝化污泥,控制進(jìn)水 C/N比為3,能達(dá)到穩(wěn)定的NAR為63.51%.Shi等[19]和畢春雪等[20]接種城市污水廠剩余污泥,分別在第100d和第20d成功啟動(dòng)了短程反硝化.

然而上述研究都是以剩余污泥或廢污泥為接種污泥,啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),而以實(shí)驗(yàn)室在不同培養(yǎng)條件下的種泥啟動(dòng)短程反硝化的研究相對(duì)較少.另外,短程反硝化過(guò)程實(shí)質(zhì)是NO3--N的還原速率大于NO2--N的還原速率,即抑制亞硝酸鹽酸還原酶（Nir）的活性[21],已有研究表明C/N比、初始pH值、缺氧攪拌時(shí)間和初始NO3--N濃度等因素是影響NAR的關(guān)鍵[22-24],但大多研究只考慮單因素變量的影響,對(duì)于多因素間相互關(guān)系的定量研究鮮有報(bào)道.本試驗(yàn)通過(guò)批次試驗(yàn)確定多因素影響范圍,在此基礎(chǔ)上采用響應(yīng)曲面法建立NAR的二次多項(xiàng)式回歸模型,對(duì)短程反硝化運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,旨在為 PD耦合ANAMMOX工藝的工程推廣提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用 SBR反應(yīng)器.該反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成,直徑15cm,高48cm,有效容積5L.側(cè)壁設(shè)置取樣口,底部安裝有排泥口,在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中采用溫控儀來(lái)控制溫度.采用人工進(jìn)水及排水,排水比為80%.溫度控制為25℃.

1.2 運(yùn)行方式及進(jìn)水水質(zhì)

進(jìn)水水質(zhì)采用人工配水,NO3--N和COD由NaNO3和乙酸鈉按比例提供.啟動(dòng)階段設(shè)初始NO3--N濃度30mg/L,C/N比為3,運(yùn)行過(guò)程中不控制pH值,運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 啟動(dòng)工況運(yùn)行參數(shù)Table 1 Operation parameters of Start-up

啟動(dòng)過(guò)程每天取 1個(gè)周期進(jìn)出水樣品,采用0.45μm 定性濾紙過(guò)濾后根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定,NH4+-N采用納氏試劑分光光度法;NO2--N采用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法;NO3--N采用麝香草酚分光光度法;COD采用快速密閉催化消解法;MLSS、MLVSS采用重量法測(cè)定.

1.3 短程反硝化影響因素批次試驗(yàn)設(shè)計(jì)

取穩(wěn)定運(yùn)行R3內(nèi)的短程反硝化污泥,用蒸餾水洗去殘留質(zhì),基投加到2L的錐形瓶中,置于恒溫磁力攪拌器上,維持溫度在（25±0.1）℃.反應(yīng)時(shí)間 180min,每隔15min取一次水樣.探究碳源、初始pH值、初始NO3--N濃度和C/N比等因素對(duì)短程反硝化的影響（表2）.

表2 批次試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)Table 2 Operation parameters of Batch test

1.4 硝酸鹽氮去除率和亞硝酸鹽積累率的計(jì)算方法

硝酸鹽氮去除率（NRE）、亞硝酸鹽積累率（NAR）的計(jì)算方法為:

式中:NO3-inf、NO3-eff、NO2-inf、NO2-eff、分別代表NO3--N、NO2--N進(jìn)出水濃度,mg/L.

1.5 響應(yīng)面設(shè)計(jì)

采用 Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),分別在低、中、高的三個(gè)水平上對(duì)短程反硝化進(jìn)行了中心復(fù)合設(shè)計(jì),研究C/N、初始pH值、缺氧攪拌時(shí)間、初始NO3--N濃度4個(gè)影響因素對(duì)短程反硝化NAR的主效應(yīng)和交互作用.各變量取值范圍見(jiàn)表3.

表3 實(shí)驗(yàn)影響因子的水平編碼Table 3 Code and levels of experimental variables

2 結(jié)果與討論

2.1 不同接種污泥下短程反硝化快速啟動(dòng)特征

R1、R2和R3反應(yīng)器分別接種S-A、S-O和S-A/O種泥,初始NO3--N濃度為30mg/L,C/N比為3,缺氧攪拌時(shí)間為1h,啟動(dòng)過(guò)程見(jiàn)圖1.在第12、5和4d后NAR達(dá)到74.86%,80.81%,81.49%,均能實(shí)現(xiàn)短程反硝化,而R2和R3比R1所需啟動(dòng)時(shí)間較短,且穩(wěn)定后有較高的NAR.這可能是因?yàn)镾-A是厭氧模式運(yùn)行,其代謝速率低于好氧或間歇厭氧/好氧代謝速率[25-26].研究認(rèn)為[27]在 S-A/O活性污泥處理系統(tǒng)中存在不完全反硝化菌,又稱為 NO3--N 呼吸菌.將NO3--N僅還原為NO2--N.Y.Venkata[28]探究好氧污泥的反硝化特性時(shí)發(fā)現(xiàn)NO3--N呼吸菌的細(xì)胞產(chǎn)率比完全反硝化細(xì)菌高3倍.因此有氧條件下NO3--N呼吸菌比完全反硝化菌具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),更易實(shí)現(xiàn)NO2--N積累.

圖1 不同污泥源啟動(dòng)短程反硝化特性Fig.1 Start-up and operation characteristics of partial denitrification reactors with different sludge sources

2.2 短程反硝化的影響因素

2.2.1 不同碳源的短程反硝化特性 圖 2是以葡萄糖、乙酸鈉和甲醇為碳源時(shí)在C/N比為1,2.5,4,5.5時(shí)的短程反硝化特性.在進(jìn)水 NO3--N 為 30mg/L、C/N 比為 1時(shí),出水 NO3--N分別為 14.43,15.92,16.11mg/L,出水NO2--N分別為0.83 ,9.14,5.35mg/L.在C/N比為2.5時(shí),出水NO3--N分別降為5.75,7.30,5.48mg/L,出水 NO2--N分別為9.62,15.32,5.37mg/L.在C/N比為4時(shí),出水NO3--N濃度均降至3mg/L以下,出水 NO2--N 分別為 1.52,8.14,3.45mg/L.在 C/N比為 5.5時(shí),出水 NO3--N和NO2--N濃度均降至2mg/L以下.三種碳源下,隨著C/N比的增大,NRE和最大NO2--N積累量都逐漸增大.在C/N比為1和2.5時(shí),NO2--N積累均能穩(wěn)定在一定水平,在C/N比為4和5.5時(shí),積累的NO2--N會(huì)繼續(xù)反硝化.其中,以乙酸鈉為碳源的反硝化過(guò)程N(yùn)O2--N積累量最大,而以甲醇為碳源的NO3--N還原速率和NO2--N積累量均較低.這是因?yàn)橐宜釋儆趽]發(fā)性脂肪酸,而甲醇生物降解時(shí)要先轉(zhuǎn)化為相應(yīng)地?fù)]發(fā)性脂肪酸;而葡萄糖的存在促進(jìn)了糞產(chǎn)堿菌的補(bǔ)充,從而導(dǎo)致NO2--N在反硝化過(guò)程中的積累.故短程反硝化菌更適應(yīng)乙酸鈉[29],而對(duì)甲醇的利用率低[30].本試驗(yàn)研究認(rèn)為,在實(shí)現(xiàn)短程反硝化的過(guò)程中,選擇碳源優(yōu)先順序?yàn)橐宜徕c＞葡萄糖＞甲醇.

Sun等[31]以SBR處理垃圾滲濾液時(shí),發(fā)現(xiàn)以乙酸鈉為碳源的反硝化過(guò)程出現(xiàn)較高的 NO2--N積累,但反硝化系統(tǒng)不能利用葡萄糖當(dāng)電子供體.Yang等[32]考察了反硝化菌在不同碳源條件下的NO2--N積累特性,結(jié)果表明NO2--N積累量從大到小的碳源依次為葡萄糖、乙酸鹽、檸檬酸鹽.Ge等[33]研究葡萄糖、乙酸鹽和甲醇3種碳源的反硝化過(guò)程,發(fā)現(xiàn)葡萄糖和甲醇有較高的 NO2--N產(chǎn)生量.可見(jiàn),研究者采用的不同種泥會(huì)影響反硝化對(duì)碳源的代謝速率.

2.2.2 C/N比對(duì)反硝化特征參數(shù)的影響 圖 3是C/N 比對(duì)反硝化特征參數(shù)的影響.乙酸鈉為碳源,初始硝酸鹽氮濃度為 30mg/L,在 C/N比為 1和 2時(shí),NRE為50.90%和72.91%,NO2--N最大積累量分別為 8.08mg/L和 15.64mg/L.在 C/N 比為 3,4,5時(shí),NRE分別為86.31%,93.83%,95.51%,NO2--N最大積累量分別為 22.63,22.53,21.35mg/L,NAR分別為82.44%,68.47%,23.84%.隨著C/N比增大,NO3--N還原速率與NO2--N生成速率都逐漸增大,而NAR先增大后減小.

圖3 C/N比對(duì)反硝化特征參數(shù)的影響Fig.3 Parameters of denitrification under different C/N

一般研究認(rèn)為[34-35],在低 C/N比時(shí),硝酸還原酶（Nar）和 Nir會(huì)爭(zhēng)奪電子,易出現(xiàn) NO2--N積累.Gong等[36]發(fā)現(xiàn)以乙酸鹽作為短程反硝化碳源時(shí),C/N為2.5 時(shí),NAR高達(dá)70%以上.Cao等[37]以污泥發(fā)酵液為短程反硝化碳源時(shí),當(dāng) C/N比為 3,NAR穩(wěn)定在80%.而Ge等[23]的研究發(fā)現(xiàn),在C/N大于10時(shí)也會(huì)出現(xiàn)NO2--N 積累,并且 NO2--N最大積累量隨著C/N比的增加而增加.Xu[38]提出當(dāng)NO2--N積累達(dá)到峰值后有機(jī)碳源仍然存在時(shí),積累的NO2--N會(huì)被反硝化還原.因此,控制 C/N比是短程反硝化的關(guān)鍵因素.本試驗(yàn)在 C/N 比為 3～5時(shí),可以實(shí)現(xiàn)較高的NO2--N最大積累量,且C/N比越高,NO2--N積累速率越快,所需要的反應(yīng)時(shí)間越短,而在 C/N比大于 3時(shí),積累的 NO2--N易被反硝化.故本試驗(yàn)選擇 C/N比為3,此時(shí)NAR最大.

2.2.3 初始pH值對(duì)反硝化特征參數(shù)的影響 圖4是初始pH值對(duì)反硝化特征參數(shù)的影響.乙酸鈉為碳源,初始硝酸鹽氮濃度為30mg/L,C/N比為3,在初始pH值為5和6時(shí),NO3--N的還原與NO2--N的生成均受到較強(qiáng)的抑制,NO3--N還原速率分別為0.18mg/（g·h）和 0.21mg/（g·h）,NRE 分別為 40.90%和65.81%.NO2--N 生成速率分別為 0.07mg/（g·h）和0.14mg/（g·h）,NAR分別為 13.50%和 46.89%.在初始pH值為 7、8和 9時(shí)均有較好的短程反硝化性能,NO3--N 還原速率分別為 0.30,0.35,0.31mg/（g·h）,相應(yīng)的NRE為89.70、90.65和88.62%,NO2--N生成速率分別為 0.28,0.32,0.30mg/（g·h）,NAR 分別為80.16%,91.21%,87.38%.在初始pH值從5增大到8時(shí),NO3--N還原速率和NO2--N生成速率均隨著初始pH值的增大而增大.在初始pH值為9時(shí),反硝化受到了較小的抑制作用,故 NO3--N還原速率和NO2--N生成速率均有輕微下降.

圖4 初始pH值對(duì)反硝化特征參數(shù)的影響Fig.4 Parameters of denitrification under different initial pH

pH值通過(guò)影響酶的活性來(lái)影響短程反硝化中的NO2--N 積累[39].硝酸還原酶（Nar）和亞硝酸鹽酸還原酶（Nir）在特定的pH值條件下活性有一定的差異[40],在 Nar活性高于Nir時(shí),易發(fā)生NO2--N積累.Glass等[41]發(fā)現(xiàn)pH值為7.5～9.0時(shí),反硝化過(guò)程N(yùn)AR隨著pH值的提高而增加,分別達(dá)到42.36%,63.35%,72.57%.Qian[42]發(fā)現(xiàn) pH 值為 9時(shí),能實(shí)現(xiàn) 85%的NAR,而在pH值低于5和高于9時(shí),Nar和Nir的抑制作用都比較明顯,無(wú)法實(shí)現(xiàn)反硝化.本研究中當(dāng)pH值為7～9時(shí),NO2--N積累量明顯增大,說(shuō)明此時(shí)Nar活性高于 Nir.SHI[19]認(rèn)為高 pH 值（pH 值＞7）時(shí)對(duì)NO2--N積累的影響主要有三個(gè)原因:高 pH值條件下質(zhì)子和電子相互競(jìng)爭(zhēng)[43];高 pH值抑制 Nir;高 pH值容易富集NO3--N還原菌[44].

2.2.4 初始NO3--N濃度對(duì)反硝化特征參數(shù)的影響圖5是初始NO3--N濃度對(duì)反硝化特征參數(shù)的影響.以乙酸鈉為碳源,C/N比為3時(shí),初始NO3--N濃度從20mg/L增大到 60mg/L時(shí)對(duì)短程反硝化影響較小,NRE和 NAR均能穩(wěn)定在 80%.而隨著初始NO3--N濃度的增加,NO3--N還原速率和NO2--N生成速率都逐漸增大.畢春雪等[20]發(fā)現(xiàn)初始NO3--N濃度從20mg/L增大到25mg/L時(shí)NO2--N積累速率增大.這是由于NO3--N濃度升高,Nar能結(jié)合的電子受體增加[45],使得 NO3--N反硝化速率升高.牛萌等[46]研究表明,不同NO3--N濃度下NAR相近,但NO2--N積累速率隨NO3--N濃度增加而升高,與本研究一致.因此,初始 NO3--N濃度增大,對(duì) NAR影響較小,NO2--N積累量較高.

圖5 初始NO3--N濃度對(duì)反硝化特征參數(shù)的影響Fig.5 Parameters of denitrification under different initial NO3--N concentration

2.3 多因素影響下的NO2--N積累特性

2.3.1 響應(yīng)曲面模型及方差分析 對(duì)影響 NAR的4個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化,共有29組實(shí)驗(yàn),其中中心點(diǎn)實(shí)驗(yàn)重復(fù)5組,并且每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次取平均值作為響應(yīng)值.

短程反硝化NO2--N積累特性的Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)矩陣和結(jié)果Table 4 Experimental design matrix and results of response surface method

續(xù)表4

以NAR為響應(yīng)值,以C/N比、初始pH值、缺氧攪拌時(shí)間、初始NO3--N濃度為自變量建立響應(yīng)面二次多項(xiàng)式:

式中:Y為響應(yīng)值,即NAR;A、B、C、D分別代表C/N比、初始pH值、缺氧攪拌時(shí)間、初始NO3--N濃度這四個(gè)自變量的編碼值.

對(duì)表 4中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,結(jié)果見(jiàn)表5.由表 5可知,自變量 A、B、C、D 的效應(yīng)顯著,即C/N比、初始pH值、缺氧攪拌時(shí)間、初始NO3--N濃度對(duì)NAR有顯著影響.模型的F值為46.81,P值小于0.0001,這表明模型非常顯著;失擬項(xiàng)的P值為0.089,說(shuō)明失擬項(xiàng)不顯著,即回歸模型顯著.模型 R2為0.979,表明97.9%的數(shù)據(jù)可由回歸模型來(lái)解釋,模型的精密度為 24.686,大于 4,說(shuō)明模型可用預(yù)測(cè).綜上,可以用該模型來(lái)估算多因素影響的NO2--N積累特性.

表5 模型方差分析表Table 5 Analysis of variance for regression model

圖6是采用二次多項(xiàng)式模型計(jì)算出的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間的對(duì)比.可知模型值和預(yù)測(cè)值基本在一條直線上,說(shuō)明該模型可用.

圖6 預(yù)測(cè)值與真實(shí)值擬合Fig.6 The fitting of predicted value and actual value

2.3.2 響應(yīng)面分析 應(yīng)用 DE-8軟件對(duì)短程反硝化NAR影響因素二次多項(xiàng)式回歸方程做出等直線圖及響應(yīng)面圖.圖7為4個(gè)影響因素相互作用的響應(yīng)曲面和等高線圖.

由圖 7（a）可知,在初始 NO3--N濃度為40mg/L,缺氧攪拌時(shí)間為2h的條件下,初始pH值和C/N比的相互作用對(duì)NAR的影響顯著.隨著C/N比和初始pH值的增大,NAR均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).在pH值為7～8.5,C/N比為2.5～4時(shí),NAR大于80%.C/N值比初始pH值對(duì)NAR的影響更為顯著.

圖 7（b）是初始 pH值為 7,初始 NO3--N濃度為40mg/L,在 C/N比和缺氧攪拌時(shí)間的交互作用對(duì)NAR的影響.在 C/N比小于 3時(shí),缺氧攪拌時(shí)間對(duì)NAR幾乎沒(méi)有影響,NAR主要由C/N比決定.在C/N比大于3時(shí),缺氧攪拌時(shí)間越長(zhǎng),NAR越低.在缺氧攪拌時(shí)間為1～2h,C/N比為3～4時(shí),NAR大于80%.C/N值比缺氧攪拌時(shí)間對(duì)NAR的影響更為顯著.

圖 7（c）為初始 pH 值為 7,缺氧攪拌時(shí)間為 2h,在C/N比和初始NO3--N濃度的交互作用下對(duì)NAR的影響.在 C/N 一定時(shí),隨著初始 NO3--N濃度的增加,NAR略有增大.而初始 NO3--N 濃度一定時(shí),隨著C/N比的增大,NAR先增大后減小.在NO3--N濃度大于35mg/L,C/N比為2.5～4,NAR可達(dá)80%.C/N值比初始NO3--N濃度對(duì)NAR的影響更為顯著.

由圖7（d、e）可知,在C/N比為3時(shí),初始NO3--N濃度和缺氧攪拌時(shí)間對(duì)NAR的影響均小于初始pH值的影響.隨著pH值的增大,NAR逐漸增大,在初始pH值大于7,缺氧攪拌時(shí)間小于2.5h ,NO3--N濃度大于35mg/L時(shí),NAR可達(dá)80%.

由圖 7（f）可知,在 C/N比和初始 pH值一定時(shí),初始NO3--N濃度和缺氧攪拌時(shí)間對(duì)NAR的影響均很小,但初始 NO3--N濃度比缺氧攪拌時(shí)間對(duì) NAR的影響更顯著.

圖7 各因素之間的交互效應(yīng)對(duì)NAR影響的等高線圖和響應(yīng)曲面Fig.7 Contour and response surface plots for interaction effects of multiple factors on NAR

2.3.3 響應(yīng)面參數(shù)選取驗(yàn)證 通過(guò)響應(yīng)曲面法的優(yōu)化,在C/N比為3.16,初始 pH值為 8.51,缺氧攪拌時(shí)間為1.27h,初始NO3--N濃度為60mg/L的條件下,通過(guò)平行試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,得 NAR 為（90.17±1.42）%;而NAR預(yù)測(cè)值為91.32%,可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值吻合.

3 結(jié)論

3.1 以厭氧、好氧和交替厭氧/好氧活性污泥為種泥,在 C/N比為 3,缺氧攪拌時(shí)間為 1h時(shí),分別在第15、5和4d實(shí)現(xiàn)短程反硝化,NAR分別為分別達(dá)到75.34%、84.51%和86.23%.

3.2 采用葡萄糖、乙酸鈉和甲醇做批次試驗(yàn),均有部分NO2--N積累.在C/N比為2.5時(shí),葡萄糖、乙酸鈉和甲醇為碳源時(shí)分別可實(shí)現(xiàn) 8.23、15.41和5.16mg/L的NO2--N積累量.

3.3 方差分析結(jié)果表明,回歸模型極顯著（P＜0.001）,R2為0.979,可以全面反映C/N比、初始pH值、缺氧攪拌時(shí)間和初始NO3--N濃度對(duì)短程反硝化NAR的影響規(guī)律.優(yōu)化后最佳工藝參數(shù):C/N比為 3.16,初始pH值為8.51,缺氧攪拌時(shí)間為1.27h,初始NO3--N濃度為60mg/L;實(shí)驗(yàn)值NAR為（90.17±1.42）%,NAR預(yù)測(cè)值為91.32%,二者吻合.