超濾水對厭氧氨氧化菌活性的影響

摘要：為了探究不同比例的人工配水、超濾水和沼液含量對厭氧氨氧化菌活性的影響，開展厭氧氨氧化反應(yīng)試驗，在菌群培養(yǎng)中使用不同混合比例的人工配水、超濾水和沼液，觀察并比較氨氮和亞硝酸鹽氮的轉(zhuǎn)化情況，分析不同水質(zhì)條件下厭氧氨氧化菌的活性變化。設(shè)置5個試驗組，其中，1#瓶中加入460 mL人工配水，2#瓶中加入230 mL人工配水+230 mL超濾水，3#瓶中加入460 mL超濾水，4#瓶中加入230 mL超濾水+230 mL沼液，5#瓶中加入460 mL沼液。試驗結(jié)果顯示，在不同試驗組中，添加不同比例的超濾水和沼液顯著影響厭氧氨氧化菌的活性。2#瓶的氨氮和亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化情況最佳，而在完全添加沼液的5#瓶中，厭氧氨氧化菌的活性明顯降低。這凸顯超濾水和沼液在厭氧氨氧化反應(yīng)中對菌群行為的重要性。這些觀察結(jié)果對于優(yōu)化和控制污水處理中的厭氧氨氧化反應(yīng)具有重要意義。未來的研究可進(jìn)一步探討超濾水和沼液中特定成分對菌群的影響，以更全面地理解不同水質(zhì)條件下厭氧氨氧化菌的行為特征。

關(guān)鍵詞：厭氧氨氧化菌；比厭氧氨氧化活性（SAA）；超濾水；沼液；污水處理

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）05-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.05.006

effect of ultrafiltration water on the activity of anaerobic ammonia oxidizing bacteria

LIU Bo， ZHOU Jun， RAO Yao， WU Bing， HE Sha， HU Jinwei

（Hunan Junxin Environmental Protection Co.， Ltd.， Changsha 410007， China）

Abstract： In order to investigate the effects of different ratios of artificial water， ultrafiltration water， and biogas slurry on the activity of anaerobic ammonia oxidizing bacteria， anaerobic ammonia oxidation reaction experiments are conducted， and different mixed ratios of artificial water， ultrafiltration water， and biogas slurry are used in microbial community cultivation to observe and compare the conversion of ammonia nitrogen and nitrite nitrogen， and to analyze the changes in the activity of anaerobic ammonia oxidizing bacteria under different water quality conditions. Five experimental groups are set up， including 460 mL of artificially prepared water added to bottle 1#， 230 mL of artificially prepared water + 230 mL of ultrafiltration water added to bottle 2#， 460 mL of ultrafiltration water added to bottle 3#， 230 mL of ultrafiltration water + 230 mL

of biogas slurry added to bottle 4#， and 460 mL of biogas slurry added to bottle 5#. The experimental results show that adding different proportions of ultrafiltration water and biogas slurry significantly affects the activity of anaerobic ammonia oxidizing bacteria in different experimental groups. The conversion of ammonia nitrogen and nitrite nitrogen is optimal in bottle 2#， while the activity of anaerobic ammonia oxidizing bacteria significantly decreases in bottle 5# with complete addition of biogas slurry. This highlights the importance of ultrafiltration water and biogas slurry on microbial behavior in anaerobic ammonia oxidation reactions. These observations are of great significance for optimizing and controlling anaerobic ammonia oxidation reactions in wastewater treatment. Future research can further explore the effects of specific components in ultrafiltration water and biogas slurry on microbial communities， in order to gain a more comprehensive understanding of the behavioral characteristics of anaerobic ammonia oxidizing bacteria under different water quality conditions.

Keywords： anaerobic ammonia oxidizing bacteria; Specific Anammox Activaty （SAA）; ultrafiltration water; biogas slurry; wastewater treatment

厭氧氨氧化反應(yīng)是一種生物反應(yīng)，是厭氧氨氧化菌在缺氧條件下利用亞硝酸鹽作為電子受體，直接將氨氮（NH4+-N）轉(zhuǎn)化為氮氣和少量硝酸鹽的脫氮過程。與缺氧反硝化反應(yīng)相比，厭氧氨氧化反應(yīng)以氨氮作為電子供體；與好氧硝化反應(yīng)相比，其改變電子受體，以亞硝酸鹽氮（NO2--N）取代氧氣。與傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比，厭氧氨氧化工藝不需要曝氣，無須額外投加碳源或調(diào)節(jié)堿度，同時污泥產(chǎn)生量和溫室氣體排放量少。然而，厭氧氨氧化菌對生長與運行條件的要求較高，導(dǎo)致厭氧氨氧化菌難以富集培養(yǎng)，使得工程化應(yīng)用啟動困難[1]。為了解決這些問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行多方面的研究，以此來突破厭氧氨氧化工藝的不足，提高厭氧氨氧化菌活性，進(jìn)而強化和穩(wěn)定厭氧氨氧化工藝，最終達(dá)到提高污水脫氮效率的目的[2-5]。

影響厭氧氨氧化菌活性的因素眾多，其中包括基質(zhì)濃度（氨、亞硝酸鹽）[6]、反應(yīng)體系pH[7]、溫度[8]、有機物以及污泥顆粒大小[9]等。高底物基質(zhì)濃度通常會嚴(yán)重抑制厭氧氨氧化菌活性，關(guān)于亞硝酸鹽濃度的影響，不同的研究有不同的結(jié)論，但一般來說，亞硝酸鹽濃度達(dá)到60 mg/L左右時，厭氧氨氧化菌活性會受到抑制[6]。pH對于厭氧氨氧化反應(yīng)器運行至關(guān)重要，厭氧氨氧化菌在氨氮轉(zhuǎn)化時消耗H+，從而導(dǎo)致pH升高，這是厭氧氨氧化反應(yīng)pH變化的主要原因之一。研究顯示，在批次試驗和連續(xù)試驗中，厭氧氨氧化菌在37 ℃左右的溫度下表現(xiàn)出最高的活性，而當(dāng)溫度超過45 ℃時，厭氧氨氧化菌會失去活性[10]。王曉瞳等[11]的研究表明，厭氧氨氧化菌顆粒的大小對其活性有著顯著的影響。具體而言，粒徑大于4.75 mm的厭氧氨氧化菌表現(xiàn)出最高的活性，可達(dá)到426.8 mg/（g·d）。

然而，超濾水對厭氧氨氧化菌活性影響的研究相對較少。因此，有必要研究厭氧氨氧化菌在人工配水、超濾水及沼液三種水質(zhì)條件下的活性。

1 試驗材料和方法

1.1 接種污泥與進(jìn)水水質(zhì)

試驗選取污水處理廠兩段式厭氧氨氧化反應(yīng)器（穩(wěn)定運行3年）中的污泥作為接種污泥，反應(yīng)器有效容積為420 m3。針對3種不同水質(zhì)設(shè)計試驗，采用人工配水、超濾水以及沼液三種進(jìn)水水質(zhì)，根據(jù)體積配比，設(shè)計5個試驗組。

1.2 試驗裝置分組

人工配水中，氨氮和亞硝酸鹽氮濃度分別為

50 mg/L和60 mg/L，每瓶分裝40 mL厭氧氨氧化污泥。1#瓶中加入460 mL人工配水，2#瓶中加入230 mL人工配水+230 mL超濾水，3#瓶中加入460 mL超濾水，4#瓶中加入230 mL超濾水+230 mL沼液，5#瓶中加入460 mL沼液。厭氧氨氧化活性試驗裝置如圖1所示。

1.3 檢測項目及方法

1.3.1 水質(zhì)指標(biāo)測定

水質(zhì)指標(biāo)測定采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》推薦的方法[12]。水樣經(jīng)孔徑0.45 μm的濾膜過濾后，測定氨氮和亞硝酸鹽氮。氨氮的測定采用納氏試劑分光光度法，亞硝酸鹽氮的測定采用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法。采用重量法測定污泥的混合液懸浮固體濃度（Mixed Liquor Suspended Solids，MLSS）與混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度（Mixed Liquid Volatile Suspended Solids，MLVSS），pH的測定采用便攜式pH計。試驗中，氨氮和亞硝酸鹽氮濃度都以氮計。

1.3.2 比厭氧氨氧化活性測定

在測定比厭氧氨氧化活性（Specific Anammox Activaty，SAA）的過程中，首先需要對混合液樣品中氨氮和亞硝酸鹽氮隨時間的消耗進(jìn)行批次測定。在試驗開始前，用流動自來水沖洗污泥樣品2～3次，以去除污泥表面的殘留基質(zhì)。隨后，取清洗后的污泥40 mL放入預(yù)先加熱的500 mL血清瓶內(nèi)。對人工配水、超濾水和沼液進(jìn)行分組，裝置分裝完成后，用氮氣吹脫至溶解氧濃度為0 mg/L，確保體系內(nèi)部形成厭氧環(huán)境。為了保持這種狀態(tài)，進(jìn)行氣體吹脫后，迅速蓋上瓶蓋并繼續(xù)吹脫10 min。氮氣吹脫完成后，立即用夾子夾住未連接底部的橡膠管。將血清瓶置于溫度35 ℃、轉(zhuǎn)速170 r/min的恒溫振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每隔0.5 h取樣，每次取樣體積5 mL，樣品經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后，測定反應(yīng)液中氮素含量，繪制底物基質(zhì)降解曲線，斜率除以生物量濃度，得到SAA的數(shù)值。在反應(yīng)結(jié)束前后對反應(yīng)液的pH進(jìn)行測定。反應(yīng)結(jié)束后，對每個反應(yīng)瓶補充水至反應(yīng)前體積，并對混合液進(jìn)行MLSS及MLVSS的測定。試驗進(jìn)行3次，測定結(jié)果取平均值，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性[11]。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同超濾水與沼液含量對厭氧氨氧化菌脫氮的影響

由圖2可以看出，在不同試驗瓶中，氨氮和亞硝酸鹽氮的轉(zhuǎn)化情況表現(xiàn)出顯著差異，特別是在2#瓶中觀察到氨氮和亞硝酸鹽氮的最佳轉(zhuǎn)化，但當(dāng)加入不同比例的超濾水時，觀察到活性發(fā)生變化，這可能是由于超濾水的特定成分對菌群產(chǎn)生影響，氨氮濃度從69.5 mg/L下降至28.43 mg/L，亞硝酸鹽氮濃度從56.10 mg/L下降至0.45 mg/L。這種顯著的降低暗示著超濾水的添加在促進(jìn)厭氧氨氧化反應(yīng)中扮演重要角色。然而，與完全添加沼液的5#瓶相比，厭氧氨氧化活性明顯較低，沼液的加入對菌群產(chǎn)生抑制作用，這可能源于沼液中含有的有機物質(zhì)、微量元素或其他成分[13]。進(jìn)一步比較2#瓶和3#瓶的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)2#瓶在厭氧氨氧化脫氮方面表現(xiàn)更出色，反應(yīng)時間為1.5～3.5 h時，2#瓶氨氮和亞硝酸鹽氮呈直線下降趨勢，表明2#瓶在這個時間段內(nèi)呈現(xiàn)更好的反應(yīng)活性，相較于超濾水系統(tǒng)，其厭氧氨氧化活性更為突出。綜合數(shù)據(jù)變化趨勢，可以推斷不同配比的超濾水和沼液添加對厭氧氨氧化菌群的活性有明顯影響，這種觀察為進(jìn)一步研究不同水質(zhì)條件下厭氧氨氧化反應(yīng)提供重要線索，有助于優(yōu)化污水處理工藝和提高處理效率。

2.2 厭氧氨氧化活性

揮發(fā)性懸浮物（Volatile Suspended Solids，VSS）是水中不穩(wěn)定懸浮的有機物，易導(dǎo)致氧消耗和有機物腐爛等問題。水樣SAA的變化如圖3所示，分別以氨氮和亞硝酸鹽氮來表征?？傮w來說，隨著水質(zhì)的變化，SAA表現(xiàn)出不同的活性，其中沼液的添加使得厭氧氨氧化菌始終處于較低的水平，僅為0.33 g N/（g VSS·d）左右，5#瓶污泥濃度為0.50 g/L（均以3次平均值計）。整體來看，人工配水和超濾水混合添加下，厭氧氨氧化菌活性最好，為1.1 g N/（g VSS·d），2#瓶污泥濃度為0.51 g/L。Wang等[13]研究證實沼液對厭氧氨氧化菌活性的抑制，沼液稀釋50%時，SAA為0.138 g N/（g VSS·d），沼液稀釋100%時，SAA為0.073 g N/（g VSS·d）。4#瓶培養(yǎng)菌SAA值略高于3#瓶，氨氮SAA與亞硝酸鹽氮SAA幾乎呈現(xiàn)持平狀態(tài)，SAA為0.91 g N/（g VSS·d）左右，污泥濃度為0.48 g/L。1#瓶SAA值最高，為1.15 g N/（g VSS·d）左右，污泥濃度為0.42 g/L，活性相較于2#瓶略高。

3 結(jié)論

試驗結(jié)果表明，不同比例的超濾水和沼液含量對厭氧氨氧化菌活性產(chǎn)生顯著影響。在試驗中，加入不同比例超濾水的2#瓶呈現(xiàn)出最佳的氨氮和亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化情況，而完全添加沼液的5#瓶中，厭氧氨氧化活性明顯降低。這表明超濾水和沼液的不同配比在厭氧氨氧化反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用。此外，試驗比較不同條件下的厭氧氨氧化活性，2#瓶在特定時間段內(nèi)呈現(xiàn)出更好的反應(yīng)活性。這些觀察結(jié)果強調(diào)水質(zhì)對厭氧氨氧化菌行為的重要性。不同水質(zhì)條件下，菌群的反應(yīng)性和氮素轉(zhuǎn)化能力存在顯著差異，這對于污水處理中厭氧氨氧化反應(yīng)的優(yōu)化與控制具有重要意義。雖然不同水質(zhì)條件下厭氧氨氧化反應(yīng)的機理初步明確，但仍存在深入探究超濾水和沼液中特定成分對菌群生態(tài)影響的潛力。未來的研究可進(jìn)一步探討這些影響因素，以便更全面地理解不同水質(zhì)條件下厭氧氨氧化菌的行為特征，并更有效地優(yōu)化污水處理工藝。

參考文獻(xiàn)

1 CHEN T T，ZHENG P，SHEN L D.Growth and metabolism characteristics of anaerobic ammonium-oxidizing bacteria aggregates[J].Applied Microbiology and Biotechnology，2013（12）：5575-5583.

2 郭 瓊，金仁村.厭氧氨氧化（Anammox）工藝的強化方法研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2014（14）：3075-3081.

3 李 佳，郭 希，陳彈霓.廢水生物脫氮技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].廣東化工，2019（6）：193-194.

4 李 佳，李夕耀，張 瓊，等.投加羥胺原位恢復(fù)城市污水短程硝化-厭氧氨氧化工藝[J].中國環(huán)境科學(xué)，2019（7）：2789-2795.

5 許曉毅，張婷婷，尤曉露，等.包埋固定化硝化污泥處理氨氮廢水的過程特性[J].中國環(huán)境科學(xué)，2016（10）：2988-2996.

6 STROUS M，Kuenen J G，JETTEN M S.Key Physiology of Anaerobic Ammonium Oxidation[J].Applied and Environmental Microbiology，1999（7）：3248-3250.

7 WAKI M，YASUDA T，SUZUKI K，et al.Rate determination and distribution of anammox activity in activated sludge treating swine wastewater[J].Bioresource Technology，2010（8）：2685-2690.

8 PATHAK B K，KAZAMA F，TANAKA Y，et al.Quantification of anammox populations enriched in an immobilized microbial consortium with low levels of ammonium nitrogen and at low temperature[J].Applied Microbiology amp; Biotechnology，2007（5）：1173-1179.

9 鄭照明.不同粒徑的厭氧氨氧化顆粒污泥脫氮性能研究[J].中國環(huán)境科學(xué)，2014（12）：3078-3085.

10 DOSTA J，F(xiàn)ERNANDEZ I，VAZQUEZ-PADIN J R，et al.Short- and long-term effects of temperature on the Anammox process[J].Journal of Hazardous Materials，2008（1）：688-693.

11 王曉曈，楊 宏.基于粒徑分化的厭氧氨氧化污泥性能與微生物多樣性分析[J].環(huán)境科學(xué)，2021（4）：1930-1938.

12 國家環(huán)境保護總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002：6-7.

13 WANG S，GONG H，DING J，et al.Unbalanced inhibition on granular and mixed anammox sludge by different molecular weight fractions of unbiodegradable proportion of sludge anaerobic digestion reject water[J].Journal of Water Process Engineering，2021，42：102197.