楊開亮+占志強+王瑩+時繼東+廖德祥+逯煥波+許樂平

摘要：為研究厭氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidizing， ANAMMOX）菌的活性恢復(fù)，采用SBR工藝對長時間（100 d左右）停止運行的反應(yīng)器中ANAMMOX菌進(jìn)行活性培養(yǎng)。經(jīng)過22 d的恢復(fù)試驗，ANAMMOX菌活性基本恢復(fù)， 在第17 天，NH+4—N和NO-2—N的轉(zhuǎn)化率均在90%以上，TN的去除率在80%以上。在培養(yǎng)過程中，載體的顏色由白色逐漸變成淡黃色。結(jié)果表明，在常溫閑置較長時間的反應(yīng)器中ANAMMOX菌的活性可恢復(fù)性強，恢復(fù)周期短，恢復(fù)后的脫氮性能良好；ANAMMOX反應(yīng)器通過對生物膜載體的培養(yǎng)可以使ANAMMOX菌的活性快速恢復(fù)。

關(guān)鍵詞： 厭氧氨氧化（ANAMMOX）； 活性恢復(fù)； SBR； 脫氮

中圖分類號： X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： To study the activity recovery of anaerobic ammonium oxidizing （ANAMMOX） bacteria， the SBR process is used to carry out the activity cultivation of ANAMMOX bacteria in the reactor that has stopped running for a long time （about 100 d）. After 22 d recovery test， the activity of ANAMMOX bacteria is almost recovered. At 17th day， the conversion rates of NH+4—N and NO-2—N are above 90%， and the removal rate of TN is above 80%. In the process of culture， the color of the carrier changes from white to light yellow. The results show that： ANAMMOX bacteria in SBR with a long idle time at the normal atmospheric temperature can be easily recovered， the recovery period is short， and the nitrogen removal performance is good after the recovery； through the cultivation of the biofilm carrier， ANAMMOX reactor can make the activity of ANAMMOX bacteria recover quickly.

Key words： anaerobic ammonium oxidizing （ ANAMMOX）； activity recovery； SBR； nitrogen removal

引 言

厭氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidizing， ANAMMOX）工藝無需外加有機碳源作為電子供體，可在節(jié)約成本的同時，防止投加碳源產(chǎn)生的二次污染，不會像傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝那樣產(chǎn)生溫室氣體，同時ANAMMOX反應(yīng)器占地空間也很小[1-3]。目前，ANAMMOX工藝及其應(yīng)用已成為研究的熱點，對ANAMMOX菌活性恢復(fù)的研究也已經(jīng)展開。唐崇儉等[4]通過改變進(jìn)水基質(zhì)濃度研究了不同的恢復(fù)策略及反應(yīng)器恢復(fù)性能；李祥等[5]通過接種污泥研究了ANAMMOX菌活性恢復(fù)及富集培養(yǎng)過程中氮負(fù)荷提高對厭氧序批式生物膜反應(yīng)器（ASBBR）的影響；李晶[6]通過考察廢水中兩種抗生素對ANAMMOX菌活性的抑制作用，得出諾氟沙星對ANAMMOX污泥的抑制作用強于左氧氟沙星的結(jié)論；鄒翔[7]通過短期抑制影響試驗，發(fā)現(xiàn)不同濃度的Cr6+和V5+均會對ANAMMOX菌的活性產(chǎn)生不同的抑制作用，被Cr6+和V5+抑制的ANAMMOX菌的活性均可以恢復(fù)，其中被V5+抑制的活性可以完全恢復(fù)；張捍民等[8]通過對比試驗研究電氣石對ANAMMOX菌馴化過程的影響，發(fā)現(xiàn)電氣石可以促進(jìn)微生物生長代謝，提高ANAMMOX反應(yīng)活性。

近年來對ANAMMOX的研究主要在其影響因素方面，如添加重金屬、抗生素等，且均是在活性污泥的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。本文的研究以彗星狀纖維材料為載體（其特點是利用中間的小珠將纖維固定起來，兩端呈放射狀），采用SBR工藝對在已經(jīng)長時間停止運行的反應(yīng)器中ANAMMOX菌進(jìn)行活性培養(yǎng)并研究恢復(fù)活性后ANAMMOX菌的脫氮效果。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)備

試驗裝置見圖1。圖中：ANAMMOX反應(yīng)器為玻璃器皿，有效體積為10.0 L，水體體積為5.0 L；反應(yīng)器內(nèi)有1 000個左右彗星狀纖維材料載體，換水比為0.2（即每次進(jìn)、出水體積均為1.0 L）。整個試驗裝置接口均密封，以減少DO對ANAMMOX菌的影響。外接集氣袋收集反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的氣體。反應(yīng)器被黑色塑料袋包裹，在恒溫水浴振蕩器上以120次/min的頻率振蕩，以此保證反應(yīng)器內(nèi)部水體分布均勻。通過恒溫裝置將溫度設(shè)定在（35±1）℃，水力停留時間（HRT）為24 h，反應(yīng)器內(nèi)pH為7.5～8.6。

1.2 模擬廢水

模擬廢水進(jìn)水配方[9]見表1。

2 試驗結(jié)果

重新啟動已停止運行100 d左右的ANAMMOX反應(yīng)器，進(jìn)行活性恢復(fù)培養(yǎng)。試驗進(jìn)水采用人工模擬配水，依據(jù)是STROUS等[11]得到的目前被認(rèn)為最合理的計量化學(xué)反應(yīng)式：

試驗初始恢復(fù)階段，進(jìn)水的氨氮與亞硝態(tài)氮配比參考式（1），為1∶1.32，氨氮和亞硝態(tài)氮質(zhì)量濃度分別為50.0 mg/L和66.0 mg/L。水力停留時間為24 h，pH控制在7.5～8.6。溫度通過恒溫振蕩器控制在（35±1）℃。反應(yīng)器啟動后NH+4—N和NO-2—N的轉(zhuǎn)化率都比較低。由圖2可知：進(jìn)水NH+4—N質(zhì)量濃度維持在50.0 mg/L左右；出水NH+4—N質(zhì)量濃度第1天為33.5 mg/L，第3天由35.9 mg/L下降到24.9 mg/L，隨后的3 d基本維持在25.0 mg/L左右，第7天下降到15.7 mg/L，此時NH+4—N轉(zhuǎn)化率達(dá)到69%，反應(yīng)器內(nèi)主要以ANAMMOX反應(yīng)為主；從第8天起，出水NH+4—N質(zhì)量濃度呈整體下降趨勢，到第17天時只有3.9 mg/L，此時NH+4—N轉(zhuǎn)化率達(dá)到90.0%；第23天，提高進(jìn)水NH+4—N質(zhì)量濃度至80.0 mg/L，此階段出水NH+4—N質(zhì)量濃度依舊較低；第31天繼續(xù)提高進(jìn)水NH+4—N質(zhì)量濃度至200.0 mg/L，出水NH+4—N質(zhì)量濃度仍然很低。endprint

由圖3可知：由于反應(yīng)器剛啟動時ANAMMOX菌活性不高，硝化細(xì)菌在反應(yīng)器內(nèi)起主導(dǎo)作用，出水NO-2—N質(zhì)量濃度最初前4 d呈局部上升的趨勢，峰值為16.1 mg/L，隨后3 d基本穩(wěn)定，第8～12天逐漸下降，說明ANAMMOX菌活性逐漸恢復(fù)，NO-2—N轉(zhuǎn)化率逐漸升高，在第12天已經(jīng)高達(dá)99.0%；第13～22天，出水中幾乎沒有NO-2—N；第23天，隨著進(jìn)水NH+4—N質(zhì)量濃度的提高，以及NO-2—N質(zhì)量濃度提高至105.0 mg/L，出水NO-2—N質(zhì)量濃度仍然很低；第31天，進(jìn)水NO-2—N質(zhì)量濃度提高至264.0 mg/L，出水NO-2—N質(zhì)量濃度依舊很低，而反應(yīng)器內(nèi)載體由灰色逐漸變?yōu)榈S色，表明ANAMMOX反應(yīng)起主導(dǎo)作用。

出水NO-3—N的質(zhì)量濃度也是判斷ANAMMOX菌活性的重要指標(biāo)。由圖4可知：進(jìn)水不添加NO-3—N，但出水卻有NO-3—N的產(chǎn)生，這是進(jìn)水基質(zhì)中NH+4—N與NO-2—N發(fā)生反應(yīng)所導(dǎo)致的；前期出水NO-3—N的質(zhì)量濃度約為20.0 mg/L，其原因可能是反應(yīng)器剛剛啟動時，載體上的硝化細(xì)菌較多，也可能是啟動反應(yīng)器前未將多余的氧氣去除干凈，導(dǎo)致進(jìn)水NO-2—N與氧氣直接發(fā)生硝化反應(yīng)生成NO-3—N，或者可能是好氧細(xì)菌將NH+4—N先氧化成NO-2—N，再進(jìn)一步氧化生成NO-3—N；隨著反應(yīng)器的運行，多余的氧氣被消耗殆盡，NO-3—N的濃度也逐漸下降，其原因是ANAMMOX菌活性增強，將進(jìn)水中的NH+4—N和NO-2—N轉(zhuǎn)變成氮氣，生成部分NO-3—N（見式（1））；隨著試驗的繼續(xù)進(jìn)行，反應(yīng)器中ANAMMOX反應(yīng)開始慢慢占據(jù)主導(dǎo)地位，ANAMMOX菌活性也逐漸恢復(fù)，第7天出水NO-3—N質(zhì)量濃度只有12.8 mg/L，NH+4—N消耗量、NO-2—N消耗量、NO-3—N生成量之比為1∶1.32∶0.256，這與STROUS等[11]得出的理論比值1∶1.32∶0.260接近。

TN的去除可更直觀地表現(xiàn)出反應(yīng)器的脫氮性能。由圖5可知：反應(yīng)器啟動后，前期ANAMMOX反應(yīng)不明顯，但前5 d TN的去除率都能保持在50.0%左右，根據(jù)出水NH+4—N和NO-2—N的質(zhì)量濃度可以推斷，反硝化作用去除了大部分NO-2—N；第7天TN的去除率上升到60.6%，之后3 d去除率并未得到提高，第10天去除率升高至77.8%，說明ANAMMOX反應(yīng)逐漸增強；第14天TN去除率達(dá)到去除率變化曲線83.1%，第18天達(dá)到89.0%，TN平均去除率為86.7%，比李亞峰等[12]試驗得到的70.1%效果顯著，ANAMMOX菌活性的恢復(fù)時間比李祥等[5]試驗得到的更短（23 d）；隨著反應(yīng)器的運行，TN去除率始終維持在85%以上，且出水澄清，可判定ANAMMOX菌活性已恢復(fù)。使ANAMMOX菌的富集方法有很多種：van der STAR等[13]以ANAMMOX顆粒污泥為接種污泥，在膜生物反應(yīng)器中成功富集出純度約為97.6%的具有ANAMMOX活性的微生物，ANAMMOX菌在培養(yǎng)液中處于懸浮均勻分布的狀態(tài)，倍增時間僅為5 d。TOH等[14]采用固定床反應(yīng)器接種澳大利亞污水處理廠的市政污泥，經(jīng)過一年的富集篩選，在載體上成功培養(yǎng)出大量桃紅色的、ANAMMOX菌約占88%的生物膜。

本試驗中ANAMMOX菌在17 d內(nèi)快速恢復(fù)，恢復(fù)速度快的原因有：停止運行的ANAMMOX反應(yīng)器內(nèi)還存在具有一定活性的ANAMMOX菌；試驗根據(jù)前人在ANAMMOX菌恢復(fù)方面的研究，采用了最佳條件（如最佳水溫、pH、溶解氧），實驗的填料相比于污泥具有比表面積較大等特點，更適合微生物的生長。

3 結(jié) 論

（1）通過一次性進(jìn)水對長時間停止運行的反應(yīng)器中厭氧氨氧化（ANAMMOX）菌的活性進(jìn)行恢復(fù)，經(jīng)過17 d后，ANAMMOX反應(yīng)逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，ANAMMOX菌活性基本恢復(fù)；反應(yīng)器穩(wěn)定運行時，NH+4—N和NO-2—N平均去除率達(dá)90%以上，TN平均去除率達(dá)80%以上。

（2）在長時間停止運行的反應(yīng)器中ANAMMOX菌的活性可恢復(fù)性強，恢復(fù)周期短，恢復(fù)后的脫氮性能良好；ANAMMOX反應(yīng)器通過對生物膜載體的培養(yǎng)可以使ANAMMOX菌的活性快速恢復(fù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] JETTEN M S， CIRPUS I， KARTAL B， et al. 1994-2004： 10 years of research on the anaerobic oxidation of ammonium[J]. BiochemSoc Trans， 2005， 33（1）：119-123.

[2] JOSS A， SALZGEBER D， EUGSTER J， et al. Full-scale nitrogen removal from digester liquid with partial nitritation and ANAMMOX in one SBR[J]. Environmental Scienc & Technology， 2009， 43（14）： 5301-5306.

[3] van der STAR W R， ABMA W R， BLOMMERS D， et al. Startup of reactors for anoxic ammonium oxidation： experiences from the first full-scale ANAMMOX reactor in Rotterdam[J]. Water Research， 2007， 41（18）： 4149-4163.

[4] 唐崇儉， 鄭平， 陳小光. ANAMMOX工藝的基質(zhì)抑制及其恢復(fù)策略[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報， 2010， 18（4）： 561-570. DOI： 10.3969/j.sssn.1005-0930.2010.04.003.endprint

[5] 李祥， 黃勇， 袁怡. ANAMMOX菌活性恢復(fù)及富集培養(yǎng)研究[J]. 環(huán)境污染與防治， 2010， 32（1）： 61-66. DOI： 10.15985/j.cnki.1001-3865.2010.01.013.

[6] 李晶. 氟喹諾酮抗生素對ANAMMOX菌活性抑制研究[D]. 大連： 大連理工大學(xué)， 2015.

[7] 鄒翔. Cr6+/V5+對ANAMMOX菌的活性抑制研究[D]. 大連： 大連理工大學(xué)， 2016.

[8] 張捍民， 李義菲， 趙然， 等. 電氣石對ANAMMOX菌馴化與反應(yīng)器啟動的影響[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2015， 41（10）： 1469-1478.

[9] 廖德祥， 李小明， 曾光明， 等. 單級SBR生物膜中全程自養(yǎng)脫氮的研究[J]. 中國環(huán)境科學(xué)， 2005， 25（2）： 222-225.

[10] 國家環(huán)境保護(hù)局. 水和廢水監(jiān)測分析方法[M]. 4版. 北京： 中國環(huán)境科學(xué)出版社， 2002.

[11] STROUS M， HEIJNEN J J， KUENEN J G， et al. The sequencing batch reactor as a powerful tool for the study of slowly growing anaerobic ammonium-oxidizing microorganisms[J]. Applied Microbiology & Biotechnology， 1998， 50（5）： 589-596.

[12] 李亞峰， 張文靜， 馬晨曦， 等. ANAMMOX脫氮性能及主要影響因素的試驗[J]. 沈陽建筑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2013， 29（2）： 333-337.

[13] van der STAR W R， MICLEA A I， van DONGEN U G， et al.The membrane bioreactor：a novel tool to grow ANAMMOX bacteria as free cells[J]. Biotechnol Bioeng， 2008， 101（2）：286-294.

[14] TOH S K，WEBB R L， ASHBOLT N J. Enrichment of autotrophic anaerobic ammonium-oxidizing consortia from various wastewaters[J]. Microbial Ecology， 2002， 43（1）： 154-167.

（編輯 賈裙平）endprint