劉常敬,李澤兵,鄭照明,趙白航,李 軍* (.北京工業(yè)大學水質(zhì)科學與水環(huán)境恢復工程北京市重點實驗室,北京 004；.東華理工大學水資源與環(huán)境工程學院,江西 南昌 33003)

厭氧氨氧化(ANAMMOX)工藝與傳統(tǒng)脫氮工藝相比,具有能耗低、污泥產(chǎn)量少、節(jié)省外加碳源等顯著優(yōu)勢,但是,厭氧氨氧化過程生成一定量的硝酸鹽氮,使脫氮效果不盡理想.

焦化廢水[1]、制藥廢水[2]、石油化工廢水、染料廢水等工業(yè)廢水成分復雜、毒性大、處理難.這類工業(yè)廢水含有大量的,同時含有苯酚等有機污染物[1-2].Maranon等[1]采用3步法(缺氧-好氧-好氧)來處理焦化廢水;Ramos等[2]采用AO工藝處理制藥廢水.酚類化合物雖然對微生物有抑制作用,但可以作為電子供體用于反硝化

[1-3].若能將 ANAMMOX 與反硝化耦合,就能同時脫氮和去除有機物污染物.周少奇[4]指出,ANAMMOX反應以 CO2為碳源產(chǎn)生一定量的,為反硝化提供電子受體;而反硝化反應消耗有機物且產(chǎn)生 CO2,為 ANAMMOX菌解除有機物抑制并提供無機碳源,理論上兩者可實現(xiàn)協(xié)同作用.Toh等[5]在用ANAMMOX工藝處理焦化廢水的研究中證實了反硝化菌的存在,研究表明 ANAMMOX菌對高濃度酚有耐受能力.林琳等[6]采用ANAMMOX工藝處理焦化廢水短程硝化工藝出水,結(jié)果表明,ANAMMOX過程對低濃度酚類有機物有進一步去除作用.

1 材料與方法

1.1 接種污泥

接種污泥為ANAMMOX顆粒污泥,接種體積為 2L,占反應器有效容積的 20%,揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)為6000mg/L, ANAMMOX顆粒污泥取自本實驗室一個體積為50L的UASB厭氧氨氧化反應器,污泥經(jīng)測序,主要細菌種類為CandidatusBrocadiafulgida(JX852965-JX852969).ANAMMOX顆粒污泥平均粒徑為1mm,最大達到3mm,顏色為淺紅色.

1.2 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示.有效容積為10L,反應器采用黑色軟性材料包裹以避光,廢水由蠕動泵泵入反應器底部,通過水浴使反應器內(nèi)溫度維持在25℃左右,HRT為1.5h,進水pH值控制在7.8左右,反應器內(nèi)部上三分之一部分添加直徑為10cm的球形填料以減少污泥的流失.

1.3 試驗廢水

試驗廢水采用模擬廢水,主要成分有NH4Cl,NaNO2, NaHCO3, KH2PO4, MgSO4·7H2O,CaCl2,苯酚.

圖1 UASB-生物膜反應器示意Fig.1 Schematic diagram of UASB-biofilm reactor

微量元素Ⅰ(mg/L):EDTA 5000,FeSO45000;微量元素Ⅱ(mg/L):EDTA 15000,ZnSO4·7H2O 430,CoCl2·6H2O 240, MnCl2·4H2O 990, CuSO4·5H2O 250,Na2MoO4·2H2O 220, NiCl2·6H2O 190, Na2SeO4·10H2O 210,H3BO314.其中微量元素Ⅰ、Ⅱ投加量各1mL/L.

1.4 分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 ANAMMOX耦合反硝化反應器的啟動

反應器運行前 6d,采用模擬廢水,未投加苯酚,目的是觀察接種的顆粒污泥是否適應新的環(huán)境,在此期間,、、和TN去除率分別由16.2%、16.8%和14.3%上升至25.4%、24.9%和 21.9%,ANAMMOX反應活性逐步提高,表明接種的 ANAMMOX顆粒污泥完全適應新的環(huán)境(圖2).所以從第7d起,開始投加苯酚,苯酚的投加量根據(jù)ANAMMOX過程生成的量確定,7～35d,投加 0.1mmol/L 苯酚;36～58d,投加0.15mmol/L苯酚;59～86d,投加 0.2mmol/L苯酚.苯酚投加量呈梯度增加,一是因為反應器中ANAMMOX菌逐步增多,生成的量逐步增多,異養(yǎng)反硝化需要的電子供體逐步增多;二是逐步提高ANAMMOX菌對苯酚的適應能力.

ANAMMOX耦合異養(yǎng)反硝化反應器啟動過程如圖 2所示.根據(jù)氮素的去除特性將耦合反應器的啟動劃分為3個階段:污泥適應期(7～14d)、活性提高期(15～80d)和穩(wěn)定運行期(81～86d).系統(tǒng)經(jīng)過86d的運行,、和TN去除率分別達到了89.6%、87.9%和83.7%,耦合反應器底部由接種時單一的淺紅色顆粒污泥變?yōu)閮?nèi)部為淺紅色外部為白色的顆粒污泥,標志著ANAMMOX與反硝化耦合反應啟動成功.

圖2 啟動階段、、和TN的去除特性Fig.2 Removal characteristic of , and TN at the startup phase A. -N;B. -N;C.-N;D. TN

污泥適應期(7～14d),如圖 2所示,投加0.1mmol/L的苯酚后,、、和 TN去除率立即分別由 25.4%、24.9%和 21.9%下降至 12.4%、14.5%和 12.8%,ANAMMOX活性迅速降低,是由于苯酚對 ANAMMOX菌有毒性抑制作用,苯酚是一種原生質(zhì)毒物,會引起生物體內(nèi)蛋白質(zhì)變性和凝聚[7].但經(jīng)歷 7d的適應期,ANAMMOX菌活性逐漸恢復,、、和TN去除率分別恢復至20.4%、23.8%和22.1%,說明 ANAMMOX菌抵抗能力較強,對含酚廢水有一定的適應性.

活性提高期(15～80d),如圖 2所示,在活性提高期,反應器進水和濃度分別保持在75.2～114.3mg/L和61.0～133.2mg/L,在此期間,出水和濃度分別逐漸降至7.9mg/L和 10.5mg/L,去除率分別逐漸上升至89.6%和 87.9%,TN去除率從 22.1%逐漸升至83.7%.在整個期間,ANAMMOX活性逐漸提高,同時,的去除量與的去除量之比逐步上升,的生成量與去除量之比低于厭氧氨氧化反應的特征理論值0.26[8-9],說明苯酚可以作為反硝化的電子供體,且苯酚反硝化菌能同時利用、作為電子受體,進一步說明苯酚反硝化菌和 ANAMMOX菌之間存在協(xié)同和競爭作用.由于苯酚反硝化菌與ANAMMOX菌競爭,所以在后期(第76d起)降低了的進水濃度,相應提高了與進水基質(zhì)的比例.

穩(wěn)定期(81～86d) 經(jīng)歷活性提高期后,ANAMMOX耦合異養(yǎng)反硝化反應器進入穩(wěn)定運行期.如圖 2所示,反應器進水和平均濃度分別為 70.7,88.9mg/L,出水和平均濃度分別為 10.3,12.4mg/L,平均去除率分別為 85.39%,86.12%;TN平均容積負荷和TN平均去除負荷分別達到2.63和2.10kg/(m3·d),TN平均去除率為79.9%.

穩(wěn)定運行期間從反應器底部取泥進行觀察污泥的顏色有紅色和白色,由于 ANAMMOX菌的細胞色素c含量較高,成熟的ANAMMOX污泥呈淺紅色[15],因此,紅色的菌為ANAMMOX菌,白色的菌推測為苯酚反硝化菌;污泥形態(tài)為顆粒狀,掰開顆粒污泥觀察,里面為ANAMMOX菌,外面包裹著苯酚反硝化菌.

2.2 苯酚濃度對ANAMMOX耦合異養(yǎng)反硝化脫氮性能的影響

由圖3可知,當苯酚濃度從0.2mmol/L升高至0.3mmol/L時,在前5d,出水濃度升高至 58.3mg/L,去除率下降至 29.8%,去除率稍有下降,TN去除率下降至52.9%,的去除量與的去除量之比升高至 3.05,的生成量與去除量之比降至-0.07,說明0.3mmol/L的苯酚對ANAMMOX菌抑制作用很強,而對苯酚反硝化菌影響很小.之后,ANAMMOX菌活性逐步恢復,耦合系統(tǒng)穩(wěn)定后,出水和平均濃度分別為39.8,13.3mg/L,、和TN的平均去除率分別為47.8%、84.9%和62.9%,的去除量、的去除量與的生成量之比為1:2.00:0.07.

當苯酚濃度從0.3mmol/L升高至0.4mmol/L時,出水和平均濃度分別為41.5,11.9mg/L,、和TN平均去除率分別為 38.0%、79.8%和65.9%的去除量、的去除量與的生成量之比為1:2.09:-0.004.

當苯酚濃度從0.4mmol/L升高至0.6mmol/L時,出水和平均濃度分別為37.1,3.3mg/L,、和TN平均去除率分別為 51.8%、96.4%和 75.6%的去除量、的去除量與的生成量之比為1:2.28:-0.13.

圖3 不同苯酚濃度時各氮素的去除特性Fig.3 Removal characteristic of nitrogen at different concentrations of phenol

當苯酚濃度從0.6mmol/L下降至0.2mmol/L時,經(jīng)過10d的運行,系統(tǒng)逐步恢復,耦合系統(tǒng)穩(wěn)定后,的去除量、的去除量與的生成量之比為1:1.52:0.11.說明耦合系統(tǒng)對高濃度苯酚抵抗能力很強,且苯酚對ANAMMOX的抑制作用是可逆的,跟 Toh等[5]的研究發(fā)現(xiàn)相同.推測抑制機理為:苯酚分子進入ANAMMOX菌體內(nèi)后與細胞內(nèi)酶的特異部位結(jié)合,引起酶構(gòu)型的改變,從而使酶活性受到抑制,由于酶構(gòu)型的改變對酶不發(fā)生持久性的化學損傷,苯酚雖與酶分子相互作用使酶發(fā)生結(jié)構(gòu)的變化,但苯酚可以毫無變化地脫離酶分子,在酶分子上不遺留任何化學損傷,酶仍可恢復原活性[16].

由表 1可知,隨著苯酚濃度的升高,ANAMMOX過程對TN去除率的貢獻率逐步降低,異養(yǎng)反硝化過程去除的的增長量明顯高于去除的的增長量,說明苯酚濃度的升高加劇了苯酚反硝化菌與 ANAMMOX菌之間的競爭,且逐步加強苯酚反硝化菌的競爭優(yōu)勢,這是因為苯酚濃度的升高對 ANAMMOX反應影響很大,當苯酚濃度≥0.3mmol/L 時,ANAMMOX菌的活性受到很大抑制,同時因為異養(yǎng)反硝化菌的生長速率遠大于 ANAMMOX菌的生長速率,研究表明,ANAMMOX菌的倍增時間為 11d[17],所以,ANAMMOX過程起主導作用有助于耦合系統(tǒng)穩(wěn)定運行,若長期在苯酚濃度≥0.3mmol/L的條件下運行,ANAMMOX菌將會被淘汰,將不利于耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定.

表1 不同苯酚濃度時ANAMMOX與異養(yǎng)反硝化的關(guān)系Table 1 Relation between ANAMMOX and heterotrophic denitrification at different concentrations of phenol

在苯酚濃度為 0.2,0.3,0.4,0.6mmol/L時,異養(yǎng)反硝化過程中用于電子供體的苯酚的量分別為0.18,0.25,0.35,0.49mmol/L,所以,控制好進水的C/N,ANAMMOX耦合異養(yǎng)反硝化將達到穩(wěn)定高效的脫氮除碳的效果.當苯酚濃度為0.2mmol/L時,即投加的苯酚(以 COD 計)::為0.86:1:1.52時,ANAMMOX過程起主導作用,ANAMMOX過程對TN去除率的貢獻率為85.3%,且異養(yǎng)反硝化去除和的量相當,分別為10.5mg/L和8.0mg/L, ANAMMOX耦合異養(yǎng)反硝化脫氮效果最好.當苯酚的沖擊不破壞系統(tǒng)中ANAMMOX的主導地位時,ANAMMOX耦合異養(yǎng)反硝化脫氮能提高系統(tǒng)總氮的去除率,跟操沈彬[19]研究結(jié)果相同.

3 結(jié)論

3.1 接種ANAMMOX顆粒污泥,采用模擬廢水,經(jīng)歷86d成功啟動了ANAMMOX耦合異養(yǎng)反硝化反應器.在穩(wěn)定階段,、和TN平均去除率分別為 85.4%、86.1%和 79.9%,TN平均容積負荷和TN平均去除負荷分別為 2.63,2.10kg/(m3·d).顆粒污泥里面為 ANAMMOX 菌,外面包裹著苯酚反硝化菌.

3.2 在ANAMMOX耦合異養(yǎng)反硝化系統(tǒng)中,苯酚反硝化菌與 ANAMMOX菌存在協(xié)同和競爭關(guān)系,苯酚濃度的大小能改變 ANAMMOX菌與苯酚反硝化菌之間競爭和協(xié)同的關(guān)系.當苯酚濃度為 0.2mmol/L時,即投加的苯酚(以 COD計):-N:N為 0.86:1:1.52時,ANAMMOX過程起主導作用, ANAMMOX過程對TN去除率的貢獻率為85.3%,異養(yǎng)反硝化降解N和-N的量分別為 10.5mg/L和 8.0mg/L,ANAMMOX耦合異養(yǎng)反硝化脫氮效果最好.

3.3 當苯酚濃度≥0.3mmol/L時,ANAMMOX菌的活性受到很大抑制,但苯酚對 ANAMMOX菌的抑制作用是可逆的,耦合系統(tǒng)對高濃度苯酚抵抗能力很強.

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