改善厭氧氨氧化反應(yīng)器脫氮效果的新技術(shù)
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作者：鄭曉蒙
本實(shí)驗(yàn)采用2個(gè)平行的連續(xù)攪拌式反應(yīng)器研究電氣石對(duì)厭氧氨氧化工藝運(yùn)行過程中脫氮性能、菌種活性、環(huán)境調(diào)節(jié)及污泥顆�；确矫娴挠绊�，并分析可能機(jī)理。
1材料與方法
1．1 電氣石
電氣石購買于物華天寶公司，產(chǎn)于內(nèi)蒙古赤峰地區(qū)，屬于黑電氣石．電氣石的化學(xué)組成如下（質(zhì)量百分比）:Na02 1,19, Mg0 8.05, Cr203 0.22, Sio2 37.05, K20 0.09,Cao 1.18,Ti02 0.44,B203 10.16,Fe0 8.33和Al203 29.8。平均粒徑為62 μm (d(0．1)35 μm，d(0.5) 58 μm，
d(0.9) 96μm)。掃描電子顯微鏡觀察電氣石主要成顆粒狀或短棒狀。
1.2微生物與培養(yǎng)基
實(shí)驗(yàn)使用的厭氧氨氧化菌取自實(shí)驗(yàn)室規(guī)模連續(xù)運(yùn)行2a的膜生物反應(yīng)器．厭氧氨氧化菌培養(yǎng)基改自van de Graaf等(g/L)：NH4Cl（根據(jù)需要），NaNO2,（根據(jù)需要），KHC03 1.25，KH2P04 0.025，CaCl2 . 2H20 0.3,MgS04 .7H20 0.2,FeS04 0.006 25,EDTA 0.006 25和微量元素液1.25 mL/L。微量元素液組成為（g/L）：EDTA l5,ZnS04.7H20 0.43,CoCl2.6H20 0.24,MnCl2 .4H20 0.99, CuS04 .5H20 0.25,NaM004 .2H20 0.22,NiCl2. 2H20 0.19,NaSe04·1OH20 0.21,H3B04 0.014和NaWO4.2H20 0.050。
1.3連續(xù)實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)采用2個(gè)相同的連續(xù)攪拌式反應(yīng)器( CSTR)，高150 mm，直徑140 mm，有效工作體積為2L。用相同的厭氧氨氧化污泥（1.2節(jié)所述）接種2個(gè)相同的CSTR反應(yīng)器（Rl和R2），反應(yīng)器中污泥濃度約為0.8 gVSS/L。R1不加電氣石，作為空白對(duì)照，R2投加200 g電氣石。初始水力停留時(shí)間(HRT)為R1：1.0 d和R2:1.1 d。通過增加進(jìn)水中NH4+-N和N02- -N
濃度來提升氮負(fù)荷。進(jìn)水時(shí)按N2:C02為95%：5%曝氣，每日更換培養(yǎng)基。反應(yīng)器密封，攪拌速度設(shè)為100r/min以使微生物與電氣石充分懸浮，溫度控制器保證反應(yīng)器在(35±1)℃下運(yùn)行，整個(gè)反應(yīng)器用黑布包圍避光，避免光合菌的生長。
1.4厭氧氨氧化活性批式實(shí)驗(yàn)
連續(xù)運(yùn)行末期取反應(yīng)器Rl和R2中微生物進(jìn)行批式實(shí)驗(yàn)來詳細(xì)比較厭氧氨氧化菌的活性。用100 mL血清瓶裝50 mL厭氧氨氧化菌懸浮液，微生物濃度為1g VSS/L，氮源NH4Cl和NaN02分別為50 mg/L和66 mg/L（根據(jù)理論化學(xué)計(jì)量比），其余培養(yǎng)基與1.2節(jié)所述相同。曝氮?dú)?h用以去除溶解氧，瓶子用膠塞密封，于恒溫35℃、150 r/min搖床中，避光條件下培養(yǎng)。
厭氧氨氧化活性SAA采用式(1)計(jì)算。
式(1)中：h為培養(yǎng)時(shí)間，h；(NH4+-N)，(N02- -N)為NH4+-N和N02- -N消耗量。
1.5分析方法
連續(xù)運(yùn)行過程中，每隔1d收集一次樣品。NH4+、NO2-、EPS和VSS按照標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定。pH和ORP用玻璃電極法測(cè)定，采用便攜式分析儀( WTW -inolab，Germany)。所有化學(xué)品使用分析純，結(jié)果取2次測(cè)定平均值。
1.6掃描電子顯微鏡(SEM)觀察
取運(yùn)行第1天和最后1天反應(yīng)器R1和R2中的厭氧氨氧化污泥，用掃描電子顯微鏡(SEM，F(xiàn)EI，USA)觀察其形態(tài)學(xué)特征。樣品首先用2.5%( V/V，pH為7.2的戊二醛溶液在4℃下固定2h，然后用乙醇梯度脫水，體積濃度從低到高分別為50%、70%、80%、90%、95%和100%，每個(gè)濃度脫水10 min，最后真空干燥并噴金。
2結(jié)果與討論
2.1 電氣石對(duì)反應(yīng)器脫氮性能影響的連續(xù)實(shí)驗(yàn)
運(yùn)行第1～17天(氨氮進(jìn)水100 mg/L，亞硝酸氮132 mg/L):R1和R2氨氮去除率均達(dá)到100%，亞硝酸氮去除率分別達(dá)到85.8%和99.4%，投加電氣石反應(yīng)器R2前5d的氨氮、亞硝酸氮去除率明顯低于R1，可能由于投加電氣石后，菌種需要一定的適應(yīng)時(shí)間。第17—31天(氨氮進(jìn)水150 mg/L，亞硝酸氮198 mg/L):R1和R2氨氮去除率分別為91.5%和100%，亞硝酸氮去除率分別達(dá)到91.3%和100%；第31—41天（氨氮進(jìn)水200 mg/L，亞硝酸氮264 mg/L）：
R1和R2氨氮去除率均達(dá)到1OO%，亞硝酸氮去除率分別為97.8%和100%。見圖1。
從第61天開始，將R2的HRT縮短到0.7 d，R1一直保持1.0 d不變，R2出現(xiàn)N02- -N積累，N02--N/NH4+-N消耗量比值降低，性能明顯下降。第73天，將R2的HRT重新設(shè)為1.1 d，R1和R2進(jìn)水氨氮、亞硝酸氮負(fù)荷分別降低到100 mg/L和132 mg/L，R1和R2性能均得到一定恢復(fù)，最終R1和R2的亞硝酸氮去除率分別達(dá)到90.O%和99.4%。
對(duì)于每次氮負(fù)荷提高，添加電氣石反應(yīng)器R2表現(xiàn)出更好的耐沖擊負(fù)荷能力，出水NH4+-N和N02一-N濃度在小幅增加后能很快地降到較低水平并趨于穩(wěn)定。R1和R2的NLR最高分別達(dá)到471.7 mg(L.d)和542.5 mg/(L .d)，R1和R2的NRR最高分別達(dá)到462.8 mg/(L.d)和515.5 mg/(L.d).
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電氣石的加入能快速提高anammox菌反應(yīng)活性，提高反應(yīng)器脫氮效能和耐負(fù)荷沖擊能力。
2.2電氣石對(duì)厭氧氨氧化活性影響的批式實(shí)驗(yàn)
反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行80 d后，用批式實(shí)驗(yàn)研究2個(gè)反應(yīng)器中的厭氧氨氧化菌活性( SAA)。見圖2。培養(yǎng)36 h后，取自對(duì)照反應(yīng)器R1的樣品的NH4+一N和N02- -N去除率分別達(dá)到88.20%和99.0%，而取自添加電氣石反應(yīng)器R2的樣品的NH4+-N和N02一-N去除率均達(dá)到1OO%。R1和R2的N02- -N消耗量/NH4+-N消耗量平均值分別為1.40和1.32。培養(yǎng)3h，R2表現(xiàn)出明顯的SAA增長，其值為R1的146.6%。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電氣石明顯提高了厭氧氨氧化菌的脫氮性能。電氣石材料能自發(fā)極化形成永久電場(chǎng)，對(duì)微生物的生長代謝產(chǎn)生刺激作用。一方面通過調(diào)節(jié)細(xì)胞膜表面蛋白質(zhì)和脂類的活性，導(dǎo)致細(xì)胞膜流動(dòng)性降低，滲透性增強(qiáng)，降低物質(zhì)跨膜難度。另一方面，外加電場(chǎng)可以減弱或破壞水分子間氫鍵，減小水團(tuán)簇。研究表明，電氣石可以減小水分子團(tuán)體積，增加水的生物膜透過率，加快生長代謝，增加細(xì)胞活力。此外，電氣石釋放少量金屬陽離子也會(huì)對(duì)微生物活性產(chǎn)生一定影響，如Ca2+可以作為某種酶的輔因子以及內(nèi)孢子的組成成分，F(xiàn)e2+參與anammox過程能提高anammox群落活性。
2.3 電氣石對(duì)環(huán)境的調(diào)控作用
圖3所示，添加電氣石反應(yīng)器R2出水pH更接近厭氧氨氧化最適pH 6.7—8.3，恒定HRT條件下，出水pH增加可以指示厭氧氨氧化反應(yīng)性能的提升。
圖4所示，R2的ORP普遍高于R1，可能由于R2中厭氧氨氧化菌活性提高，生成更多的氧化態(tài)NO3--N所致。
電氣石表面會(huì)電離水分子，存在如下反應(yīng)：H20→ H++OH-,2H++2e-→H2 ↑,OH-+H20H302-。該過程可以使H+濃度降低，調(diào)節(jié)pH，形成弱堿性環(huán)境，有利于維持細(xì)胞的酸堿平衡以及內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。恒定的酸堿平衡是保持anammox菌正常代謝的重要條件，文獻(xiàn)報(bào)道的anammox反應(yīng)適宜的pH范圍為6.7—8.3，最大反應(yīng)速率出現(xiàn)在8.0左右。此外，H302-即為“負(fù)堿性離子”，有報(bào)道稱負(fù)堿性離子有助于促進(jìn)機(jī)體氧化還原過程，刺激體內(nèi)酶系統(tǒng)，促進(jìn)體內(nèi)合成代謝。
根據(jù)anammox反應(yīng)相關(guān)熱力學(xué)參數(shù)可以計(jì)算出，電對(duì)N2/NH4+和N02/N2的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)分別為274mV和976 mV（相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極），整個(gè)anammox反應(yīng)的電池標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)為702 mV，因此厭氧氨氧化反應(yīng)與其他厭氧菌相比需要更高的ORP，電氣石的存在不僅滿足此要求，并且能調(diào)控pH和ORP在一定范圍內(nèi)，為菌體生長和反應(yīng)器運(yùn)行提供穩(wěn)定環(huán)境。
2.4胞外聚合物(EPS)與污泥顆�；�
如圖5所示，添加電氣石反應(yīng)器R2的總糖與對(duì)照比沒有明顯變化，但是蛋白質(zhì)比對(duì)照明顯增加。運(yùn)行末期R2的多糖、蛋白質(zhì)和總EPS產(chǎn)量分別為R1的1O5.4%、135.2%和129.7%。
接種污泥的D[4，3]-體積加權(quán)平均粒徑為175.5μm，末期R1和R2的平均粒徑分別增加到464.1μm和233.5μm(圖6)。理論上，EPS產(chǎn)量增加（圖5）會(huì)促進(jìn)污泥顆�；欢Y(jié)果相反，添加電氣石R2反應(yīng)器中厭氧氨氧化菌雖然EPS產(chǎn)量提高，但平均粒徑并未明顯增加，反而對(duì)照反應(yīng)器R1中厭氧氨氧化菌的平均粒徑明顯增加，可見添加電氣石并不利于污泥顆粒形成。
用掃描電鏡(SEM)可以觀察到菌體與電氣石的生長狀態(tài)（圖7）。接種的厭氧氨氧化菌主要呈球狀，運(yùn)行末期，R1與R2中的菌體均呈均勻球狀，表面光滑，但添加電氣石反應(yīng)器R2中的菌體并未以電氣石為核形成顆粒，而是大部分與電氣石分散生長，很少部分附著在電氣石上生長。
該現(xiàn)象可能由于添加電氣石導(dǎo)致蛋白質(zhì)的增加（圖5），使EPS表現(xiàn)出負(fù)電性，與此同時(shí)電氣石因表面陽離子釋放入水中而荷負(fù)電，兩者電性相斥，不利于污泥顆粒形成。最終，電氣石顆粒均勻分散在EPS形成的類膠體多孔結(jié)構(gòu)中，這種狀態(tài)反而增加了電氣石與菌體的接觸面積，更有利于刺激厭氧氨氧化菌生長，提高反應(yīng)活性。
3結(jié)論
(1)在長期運(yùn)行過程中，添加電氣石反應(yīng)器脫氮性能提高，最高NRR比對(duì)照反應(yīng)器提高11.4%，且耐沖擊負(fù)荷能力更好。
(2)電氣石可以調(diào)控pH和ORP使其更適合厭氧氨氧化菌，為菌體生長及反應(yīng)器運(yùn)行提供穩(wěn)定環(huán)境。
(3)添加電氣石反應(yīng)器R2的多糖、蛋白質(zhì)和總EPS分別比對(duì)照反應(yīng)器Rl增加5.4%、35.2%和29.7%，說明電氣石促進(jìn)細(xì)胞生長代謝。
(4)厭氧氨氧化活性批式實(shí)驗(yàn)顯示，添加電氣石明顯提高厭氧氨氧化菌活性，SAA最高比對(duì)照增加46.6%。
(5)粒徑與SEM檢測(cè)說明，電氣石不利于污泥顆�；蟛糠謪捬醢毖趸c電氣石分散生長，少部分附著生長。
4摘要：
實(shí)驗(yàn)研究了電氣石對(duì)連續(xù)運(yùn)行的厭氧氨氧化( anammox)反應(yīng)器脫氮性能的影響，采用2個(gè)平行的連續(xù)攪拌式生物反應(yīng)器(CSTR)．其中一個(gè)添加電氣石(R1)，另一個(gè)未添加電氣石作為空白對(duì)照(R2)．在運(yùn)行過程中，添加電氣石反應(yīng)器R2的最大氮去除率( NRR=515,5 mg/(L .d))比對(duì)照反應(yīng)器Rl(NRR=462.8 mg/(L.d))提高11.4%，并且表現(xiàn)出更好的耐負(fù)荷沖擊能力。厭氧氨氧化活性(SAA)批式實(shí)驗(yàn)顯示，電氣石能明顯提高厭氧氨氧化菌活性，SAA最高比對(duì)照增加46.6% -此外，電氣石可以調(diào)控pH和氧化還原電位( ORP)，使其保持在厭氧氨氧化菌適合范圍內(nèi)，為菌體生長及反應(yīng)器運(yùn)行提供穩(wěn)定環(huán)境。添加電氣石反應(yīng)器R2的多糖、蛋白質(zhì)和總胞外聚合物(EPS)分別比對(duì)照反應(yīng)器R1增加5.4%，35.2%和29.7%粒徑與掃描電子顯微鏡( SEM)檢測(cè)說明，電氣石并不利于厭氧氨氧化污泥顆�；�，而是大部分菌體與電氣石分散牛長，少部分附著生長、
