室溫條件下電場緩解高氮負(fù)荷抑制厭氧氨氧化性能的研究*

張 馳 王 超 沙宏舉 胡筱敏

(1.沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110168;2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110819)

厭氧氨氧化(Anammox)工藝作為一種新型的脫氮工藝,與傳統(tǒng)脫氮工藝相比,具有能耗低、無需額外投加有機(jī)物和氧氣供給等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。當(dāng)Anammox工藝處理畜禽養(yǎng)殖廢水、垃圾滲濾液和味精廢水等高氮低碳廢水時(shí),進(jìn)水氮負(fù)荷過高無法及時(shí)降解,使亞硝酸鹽等有毒含氮物質(zhì)不斷在微生物細(xì)胞內(nèi)部累積,導(dǎo)致Anammox細(xì)菌活性降低。有學(xué)者通過使用新型反應(yīng)器添加金屬離子或利用特殊填料強(qiáng)化Anammox反應(yīng)[5-6],有些則通過提高Anammox細(xì)菌活性提高氮處理負(fù)荷,然而上述方法均需依賴外源物質(zhì),不僅易造成水體二次污染,氮處理負(fù)荷也僅在5～8 kg/(m3·d)[7-8]。如何提高Anammox細(xì)菌活性且不污染水體,使氮處理負(fù)荷提高到10 kg/(m3·d)以上,目前仍少有報(bào)道。

外加電場可以有效提高微生物活性,目前被廣泛應(yīng)用于廢水治理領(lǐng)域。WANG等[9]發(fā)現(xiàn),電場能夠?yàn)槲⑸锶剂想姵?MFC)提供能量,有效降解溶解性有機(jī)碳(DOC);而且電場能夠通過降低可溶性微生物產(chǎn)物(SMP),對沉積污垢的降解起到積極作用。電場通常作用在微生物細(xì)胞膜表面,容易“擊穿”細(xì)胞膜進(jìn)而造成細(xì)胞凋亡、微生物滅活,但當(dāng)電場強(qiáng)度降低到一定程度時(shí),損傷的細(xì)胞膜可以恢復(fù)。電場不僅對細(xì)胞膜有影響,對核膜和細(xì)胞器膜也有影響。因此,適當(dāng)?shù)碾妶鰪?qiáng)度能夠通過改變細(xì)胞膜的滲透性和厚度提高離子轉(zhuǎn)移速度[10-11]。然而,施加電場能否在室溫條件下提高Anammox細(xì)菌的活性以用于處理高氮負(fù)荷廢水,以及廢水在生物處理過程中,究竟是電場還是微生物起主要作用仍需深入探究。

為此,本研究采用全混合厭氧反應(yīng)器(CSTR)構(gòu)建Anammox系統(tǒng),在60 d的運(yùn)行過程中逐步提高進(jìn)水總氮(TN)濃度,使氮負(fù)荷逐步從3.43 kg/(d·m3)提高到15.93 kg/(d·m3),分析施加電場對Anammox脫氮效果以及關(guān)鍵酶活性的影響,以期探尋一種能夠有效緩解高氮負(fù)荷對Anammox系統(tǒng)抑制作用的方法。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所采用的CSTR裝置見圖1。CSTR材質(zhì)為有機(jī)玻璃,容積約1.2 L,外部用黑塑料布包裹,不設(shè)置水浴恒溫器,室內(nèi)溫度約(25±3) ℃。試驗(yàn)設(shè)置2組平行反應(yīng)器,均接種較為成熟的Anammox污泥約200 mL,并向進(jìn)水桶中通入N2以去除水中溶解氧(DO),其中R1施加脈沖電源(脈沖電壓1.5 V、脈沖頻率1 000 Hz、占空比50%),R2為未接通電源的對照組,R1、R2內(nèi)均設(shè)有鈦電極板以消除對照試驗(yàn)中極板的干擾。反應(yīng)器采用底部進(jìn)水、頂部出水的方式,采用隔膜計(jì)量泵連續(xù)供水,維持水力停留時(shí)間約為2.4 h。

1—電源;2—進(jìn)水桶;3—隔膜計(jì)量泵;4—鈦陰極板;5—鈦陽極板;6—攪拌器圖1 CSTR試驗(yàn)裝置Fig.1 Diagram of CSTR experiment apparatus

1.2 試驗(yàn)配水

試驗(yàn)進(jìn)水采用人工模擬廢水,由于Anammox工藝主要針對氮元素的去除,因此本研究模擬廢水參照畜禽養(yǎng)殖廢水和豬場廢水中的氮元素含量進(jìn)行調(diào)配,其中以(NH4)2SO4和NaNO2作為Anammox反應(yīng)的氮源,所需濃度按需供給,控制亞硝態(tài)氮與氨氮的質(zhì)量比穩(wěn)定在1.2左右,以KHCO3作為無機(jī)碳源,進(jìn)水中添加微量元素營養(yǎng)液1.0 mL/L,營養(yǎng)液配方為乙二胺四乙酸二鈉10 g/L,FeSO4·7H2O 18 g/L,ZnSO4·7H2O 0.43 g/L,MnCl2·2H2O 0.99 g/L,CuSO4·5H2O 0.25 g/L,CoCl2·6H2O 0.24 g/L,NiCl2·6H2O 0.19 g/L,NaMoO4·10H2O 0.22 g/L。進(jìn)水pH穩(wěn)定在7.0～7.5。

整個(gè)反應(yīng)過程分為3個(gè)階段:階段1(1～7 d)進(jìn)水氮負(fù)荷為3.43 kg/(d·m3),階段2(8～33 d)進(jìn)水氮負(fù)荷為11.38 kg/(d·m3),階段3(34～60 d)進(jìn)水氮負(fù)荷為15.93 kg/(d·m3)。

1.3 分析項(xiàng)目與方法

氨氮采用納氏試劑分光光度法測定;亞硝態(tài)氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法測定;硝態(tài)氮采用紫外分光光度法測定;定期收集污泥樣品,采用試劑盒法,通過酶標(biāo)儀分析測定活性污泥中亞硝酸還原酶(NIR)、聯(lián)氨合成酶(HZS)及聯(lián)氨脫氫酶(HDH)的活性。

2 結(jié)果與討論

2.1 電場對Anammox系統(tǒng)脫氮效果的影響

2.1.1 電場對氨氮去除效果的影響

電場對氨氮去除效果的影響見圖2。在階段1進(jìn)水氮負(fù)荷較低時(shí),電場對氨氮去除效果的影響較弱。隨著階段2進(jìn)水氨氮升高至約500 mg/L時(shí),兩組反應(yīng)器的氨氮去除效果發(fā)生明顯變化。R1在電場作用下,出水氨氮平均值為16.40 mg/L,而R2出水氨氮平均值則高達(dá)159.09 mg/L;R1氨氮去除率高達(dá)96.72%,遠(yuǎn)高于R2的68.18%。隨著階段3進(jìn)水氨氮進(jìn)一步提高,R2出水氨氮濃度瞬時(shí)升高,波動變化,而R1的出水氨氮則呈現(xiàn)先穩(wěn)定后上升的趨勢。

圖2 高氮負(fù)荷下電場對Anammox系統(tǒng)氨氮去除效果的影響Fig.2 Effect of electric field on ammonia nitrogen removal of Anammox process under high nitrogen loading

2.1.2 電場對亞硝態(tài)氮去除效果的影響

電場對亞硝態(tài)氮去除效果的影響見圖3。施加電場能夠整體提升亞硝態(tài)氮的去除效果,但進(jìn)水亞硝態(tài)氮濃度長時(shí)間維持在較高水平時(shí),在亞硝態(tài)氮的毒性抑制作用下,外加電場也無法保證亞硝態(tài)氮的穩(wěn)定去除。階段1進(jìn)水亞硝態(tài)氮在150 mg/L左右,R1、R2的出水亞硝態(tài)氮皆可維持在較低水平。階段2進(jìn)水亞硝態(tài)氮升高至約600 mg/L時(shí),R1的亞硝態(tài)氮去除率可以達(dá)到99.91%,并始終維持在98%以上,而R2則需要一定的適應(yīng)時(shí)間(約19 d)才可以將出水亞硝態(tài)氮降低至10 mg/L以下。階段3進(jìn)水亞硝態(tài)氮升高至約800 mg/L,R2的亞硝態(tài)氮去除率立即降至79.68%,并且總體呈持續(xù)降低趨勢,出水亞硝態(tài)氮最高可以達(dá)到354.89 mg/L;而R1在前19 d仍可以維持較高的亞硝態(tài)氮去除效率,第47天出水亞硝態(tài)氮濃度開始升高,亞硝態(tài)氮去除效果迅速惡化,最終出水亞硝態(tài)氮超出300 mg/L。

圖3 高氮負(fù)荷下電場對Anammox系統(tǒng)亞硝態(tài)氮去除效果的影響Fig.3 Effect of electric field on nitrate nitrogen removal of Anammox process under high nitrogen loading

2.1.3 電場對脫氮性能的影響

電場對Anammox系統(tǒng)脫氮性能的影響見圖4。

圖4 高氮負(fù)荷下電場對Anammox系統(tǒng)脫氮效果的影響Fig.4 Effect of electric field on nitrogen removal of Anammox process under high nitrogen loading

階段1兩組反應(yīng)器均能實(shí)現(xiàn)Anammox反應(yīng)的啟動,且Anammox系統(tǒng)脫氮效果沒有明顯區(qū)別。這是由于接種污泥為成熟的Anammox污泥,能夠較好地適應(yīng)環(huán)境的變化。階段2進(jìn)水氨氮和亞硝態(tài)氮分別在500、600 mg/L左右,進(jìn)水氮負(fù)荷達(dá)到11.38 kg/(d·m3),R1、R2的Anammox脫氮效果發(fā)生明顯變化。R1在階段2仍能保持較高的脫氮效率,TN去除率始終維持在85%以上,最高可以達(dá)到94.59%;而R2的TN去除率下降至53.90%,隨著反應(yīng)器繼續(xù)運(yùn)行,R2的脫氮性能逐漸恢復(fù)并升高,但始終低于R1。階段3進(jìn)水氮負(fù)荷提高到15.93 kg/(d·m3),R1、R2的脫氮性能呈現(xiàn)出明顯的降低趨勢,直至反應(yīng)器崩潰。R1在階段2的Anammox脫氮性能優(yōu)于R2,這是因?yàn)橥暾募?xì)胞膜會因其選擇透過性阻止大部分物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部,雖然細(xì)胞膜阻止了有毒有害物質(zhì)的進(jìn)入,但同時(shí)也阻礙了基質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)的滲入[12-13],使得Anammox細(xì)菌處于一種“饑餓”狀態(tài),這也是Anammox細(xì)菌生長速率緩慢的原因之一。當(dāng)施加電場時(shí),電場不僅能夠改變細(xì)胞膜的通透性,而且能夠影響細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的通透性,進(jìn)而削弱傳質(zhì)阻礙,促進(jìn)基質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部。董銘等[14]也發(fā)現(xiàn),電場能夠改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能,影響蛋白質(zhì)表面疏水性,提高蛋白質(zhì)分子的柔性、溶解度等特性。此外,脈沖電場的間歇特性使得細(xì)胞膜的通透性處于“開放”和“關(guān)閉”交替循環(huán)的狀態(tài),不僅能夠強(qiáng)化基質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部,而且能保證細(xì)胞膜的完整性和恢復(fù)性,降低毒性物質(zhì)的侵入。然而,隨著階段3進(jìn)水氮負(fù)荷進(jìn)一步提升至15.93 kg/(d·m3),遠(yuǎn)超Anammox細(xì)菌所能承受的范圍,累積的亞硝酸鹽逐步滲透進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)部,此時(shí)電場對Anammox細(xì)菌的刺激作用低于亞硝酸鹽的毒性作用;Anammox細(xì)菌無法及時(shí)降解過量的氮負(fù)荷,造成過量的氮素不斷在細(xì)胞內(nèi)部累積毒害細(xì)胞,使反應(yīng)器崩潰。與R1相比,R2的Anammox脫氮性能偏低,這是因?yàn)檫^量的亞硝酸鹽會抑制Anammox細(xì)菌活性,降低Anammox脫氮效率。由于沒有電場的刺激作用,R2需要較長的時(shí)間才能適應(yīng)階段2的氮負(fù)荷水平。階段3進(jìn)水氮負(fù)荷遠(yuǎn)超Anammox細(xì)菌的閾值,導(dǎo)致Anammox脫氮效率始終處于較低水平。

2.2 電場對Anammox關(guān)鍵酶活性的影響

Anammox細(xì)菌活性能夠直接影響Anammox脫氮性能,而Anammox細(xì)菌的活性又主要取決于關(guān)鍵酶的活性。高氮負(fù)荷下電場對Anammox細(xì)菌關(guān)鍵酶活性的影響見圖5。

圖5 高氮負(fù)荷下電場對關(guān)鍵酶活性的影響Fig.5 Effect of electric field on key enzyme activities under high nitrogen loading

NIR、HZS、HDH是實(shí)現(xiàn)Anammox反應(yīng)脫氮的3種關(guān)鍵酶。亞硝態(tài)氮在NIR的作用下被還原成NO,隨后NO和氨氮被HZS氧化成N2H4,最后N2H4在HDH的作用下被還原成N2。從圖5可以發(fā)現(xiàn),R1的3種關(guān)鍵酶活性均明顯高于R2,這說明電場能夠增強(qiáng)Anammox細(xì)菌的關(guān)鍵酶活性,提高氨氮和亞硝態(tài)氮在Anammox細(xì)菌內(nèi)部的轉(zhuǎn)化速率,進(jìn)而提高整個(gè)Anammox的反應(yīng)速率;施加電場不僅強(qiáng)化了Anammox的脫氮效果,而且削弱了氮負(fù)荷過高造成的亞硝態(tài)氮抑制效應(yīng)。

雖然施加電場能夠有效地激活微生物細(xì)胞活性,提高新陳代謝速率,加快基質(zhì)利用速率,削弱高氮負(fù)荷對Anammox反應(yīng)的抑制作用,但當(dāng)進(jìn)水氮負(fù)荷過高時(shí),電場的刺激作用會被氮素抑制作用所掩蓋。這也導(dǎo)致階段3兩組反應(yīng)器NIR、HZS活性整體呈下降趨勢,Anammox細(xì)菌無法及時(shí)將過量的氮素進(jìn)行轉(zhuǎn)化還原,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)部的氮素不斷累積,抑制Anammox細(xì)菌活性,甚至造成反應(yīng)器崩潰。

2.3 電場對微生物群落的影響

高氮負(fù)荷下電場對微生物群落結(jié)構(gòu)(以分類操作單元(OTU)數(shù)目表征)的影響見表1。

表1 高氮負(fù)荷下電場對微生物群落OTU數(shù)目的影響Table 1 Effect of electric field on OUT number of microbial community under high nitrogen loading

由表1可以看出,高氮負(fù)荷下電場對微生物群落結(jié)構(gòu)的影響極其顯著。試驗(yàn)前期,R1、R2的OTU數(shù)目均明顯降低,R1的OTU數(shù)目是R2的1.15倍左右,這表明在逐漸提高氮負(fù)荷時(shí),Anammox反應(yīng)會受到一定的沖擊,微生物的生存環(huán)境受到了影響甚至改變,導(dǎo)致各組反應(yīng)器OTU數(shù)量降低;而在外加電場作用下,電場能夠促進(jìn)微生物活性,進(jìn)而維持一定的OTU數(shù)目,保證Anammox的脫氮性能。

試驗(yàn)進(jìn)行到第36天,R2的OTU數(shù)目開始逐漸增加,在第54天達(dá)到最大值,約是同期R1的1.46倍。這是因?yàn)殡S著進(jìn)水氮負(fù)荷沖擊作用的持續(xù),過高的進(jìn)水氮負(fù)荷已經(jīng)影響反應(yīng)器內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu),不必要的雜菌開始大量滋生,并與Anammox細(xì)菌競爭有限的營養(yǎng)基質(zhì),進(jìn)而使得R2需要較長的時(shí)間才能適應(yīng)高氮負(fù)荷的環(huán)境;而R1中OTU數(shù)目在前36天持續(xù)降低,說明適宜的脈沖電場能夠保證功能菌群(如Anammox細(xì)菌、反硝化細(xì)菌)的穩(wěn)定,促進(jìn)Anammox細(xì)菌活性的同時(shí)將不必要的雜菌進(jìn)行淘洗,降低了雜菌與功能菌群競爭營養(yǎng)基質(zhì)的概率,這也是R1能夠在階段2始終維持較高的脫氮效率的原因。然而,當(dāng)進(jìn)水氮負(fù)荷超過Anammox細(xì)菌等功能菌群的承受閾值時(shí),脈沖電場也無法保證功能菌群的穩(wěn)定性,不必要的雜菌逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位,嚴(yán)重影響了反應(yīng)器的運(yùn)行,導(dǎo)致階段3兩組反應(yīng)器脫氮效率降低甚至崩潰。

2.4 高氮負(fù)荷下電場對Anammox影響的機(jī)理

將以往有關(guān)高氮負(fù)荷對Anammox影響的研究結(jié)果匯總于表2。由表2可見,相關(guān)研究幾乎均是在30～35 ℃進(jìn)行,這是因?yàn)?0～35 ℃是Anammox細(xì)菌生存的適宜溫度,有利于Anammox細(xì)菌的生長和活性[22-23]。這些工藝或通過新型反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)化Anammox脫氮,或通過投加填料等方式提高Anammox細(xì)菌活性進(jìn)而提高氮素去除率,但啟動時(shí)間較長且進(jìn)水氮負(fù)荷始終沒有超過10 kg/(d·m3),脫氮效果會隨著進(jìn)水氮負(fù)荷的增加大幅降低。然而,本研究通過施加電場,在(25±3) ℃的室溫條件下,進(jìn)水氮負(fù)荷增加到11.38 kg/(d·m3)時(shí)R1的脫氮效率仍能維持較高水平,且所需要的適應(yīng)時(shí)間較短?？梢?與其他工藝相比,電場對于提高Anammox細(xì)菌活性,加快Anammox細(xì)菌的新陳代謝速率,降低室溫對Anammox反應(yīng)的影響,削弱高氮負(fù)荷對Anammox反應(yīng)的抑制作用進(jìn)而提高Anammox的脫氮性能等具有明顯優(yōu)勢。

表2 高氮負(fù)荷對Anammox影響的研究比較Table 2 The comparison of the effect of high nitrogen loading on Anammox process

值得說明的是,本研究中R1由于外加電場勢必會造成能源消耗,但與表2中其他Anammox強(qiáng)化方式(如投加金屬離子、填料等)相比,外加電場不會對水體造成二次污染,且由于脈沖電場的“間隔”特性,與直流電場相比,能夠進(jìn)一步降低電能的損耗。即使考慮到外加電場消耗的電能,R1相比于單純的Anammox系統(tǒng)(R2),在室溫條件下能夠顯著激發(fā)Anammox細(xì)菌活性,有效緩解進(jìn)水高氮負(fù)荷對Anammox的抑制作用,優(yōu)勢也十分突出,可為Anammox工藝應(yīng)用于高氮負(fù)荷廢水處理拓寬思路。

3 結(jié) 論

(1) 當(dāng)進(jìn)水氮負(fù)荷較低(3.43 kg/(d·m3))時(shí)R1、R2脫氮性能差異不明顯;隨著進(jìn)水氮負(fù)荷升高至11.38 kg/(d·m3),外加電場可明顯緩解高氮負(fù)荷對Anammox系統(tǒng)的抑制作用,R1的TN去除率維持在85%以上,而R2需要較長的適應(yīng)期,且TN去除率下降至53.90%;隨著進(jìn)水氮負(fù)荷進(jìn)一步提高到15.93 kg/(d·m3),R1、R2的脫氮性能均呈現(xiàn)出明顯的降低趨勢,R2的脫氮性能始終低于R1,直至反應(yīng)器崩潰。

(2) 外加電場能夠改變細(xì)胞膜的通透性,促進(jìn)基質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部,還會通過強(qiáng)化Anammox細(xì)菌關(guān)鍵酶活性來提高微生物活性,提高Anammox反應(yīng)速率,進(jìn)而削弱高氮負(fù)荷對Anammox反應(yīng)的抑制作用。當(dāng)進(jìn)水氮負(fù)荷過高時(shí),電場的刺激作用會被氮素抑制作用所掩蓋,Anammox細(xì)菌無法及時(shí)將過量的氮素進(jìn)行轉(zhuǎn)化還原,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)部的氮素不斷累積,抑制Anammox細(xì)菌活性,甚至造成反應(yīng)器崩潰。

(3) 外加電場可以在室溫條件下激發(fā)Anammox細(xì)菌活性,使Anammox系統(tǒng)在11.38 kg/(d·m3)的進(jìn)水氮負(fù)荷下仍保持較高的脫氮性能,為Anammox工藝應(yīng)用于高氮負(fù)荷廢水處理拓寬思路。