種泥預(yù)處理方式對Anammox啟動的影響
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周英杰， 潘松青， 張召基， 陳少華
（1．中山市環(huán)境保護(hù)技術(shù)中心，廣東中山528402;
2．中科學(xué)院城市污染物轉(zhuǎn)化重點實驗室，福建廈門361021：
3．中罔科學(xué)院城市環(huán)境研究所，福建廈門361021）
摘要：對普通活性污泥進(jìn)行硝化和反硝化預(yù)處理后富集Anammox菌。結(jié)果表明，硝化和反硝化預(yù)處理方式富集Anammox菌均耗時102 d。FISH技術(shù)分析表明，兩者富集的微生物中均含Anammox菌。系統(tǒng)啟動后(153—161 d)，硝化和反硝化預(yù)處理方式的總氮平均負(fù)荷分別達(dá)到0.437 g/(gVSS'd)和0.309 g/(gVSS -d)，總氮平均去除率分別達(dá)到71.4%和34.3Vo。可見對同一活性污泥進(jìn)行硝化和反硝化預(yù)處理均可成功啟動厭氧氨氧化過程，但硝化預(yù)處理更有利于厭氧氨氧化菌的寓集。
關(guān)鍵詞：厭氧氨氧化；硝化；反硝化；種泥預(yù)處理
厭氧氨氧化(anaerobic ammonia oxidation,Anammox)是一種新型生物脫氮技術(shù)，其中Anam-mox菌在厭氧條件下以N02一為電子受體直接將NH。+轉(zhuǎn)化為N2。Anammox過程不僅對海洋環(huán)境的氮循環(huán)發(fā)揮著舉足輕重的作用，是污水處理中重要的新型生物脫氮工藝之一。與傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝相比，它可以節(jié)省90%的運行費用。但是，Anammox菌的世代周期相對較長（倍增時間約11 d），因此從普通活性污泥中富集Anammox菌需要很長的時間，這就給Anammox工藝的大規(guī)模應(yīng)用帶來較大障礙。
用普通活性污泥富集Anammox菌時，怎樣將Anammox菌轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢菌種最為關(guān)鍵。從NO。--N的角度來看，它被還原成N：，與反硝化反應(yīng)相似；從NH。+-N的角度來看，其被氧化成N2，又與硝化反應(yīng)相似。因此以普通活性污泥作為種泥富集Anammox菌主要有2種方法，一種是先對普通活性污泥進(jìn)行好氧硝化。如Zheng等培養(yǎng)高活性的硝化污泥后，再用氬氣沖洗反應(yīng)器，通過使反應(yīng)器嚴(yán)格厭氧來富集Anam-mox菌。另一種方法是對普通活性污泥進(jìn)行反硝化培養(yǎng)。如Ana Dapena Mora等采用SBR工藝，接種普通活性污泥，在前2個月采用低濃度的NH4+、N02一和高濃度的N03馴化污泥，然后慢慢提高NH4+和N02一，降低N03的濃度來富集Anammox菌。
但是對同一普通活性污泥，2種預(yù)處理方法中哪一種更有利于Anammox菌富集并沒有得到充分的研究。本研究擬通過對同一普通活性污泥進(jìn)行硝化和反硝化處理，對比研究適合Anammox菌富集的種泥預(yù)處理方法。
1 材料與方法
1.1 接種污泥與模擬廢水
普通活性污泥取自廈門市某污水處理廠二沉池。污泥濃度參數(shù)如下：MLSS 4.588 g/L，MLVSS 2.916 g/L，MLVSS/MLSS 0.64。
試驗用水采用人工模擬廢水，其配方見表1。根據(jù)Anammox菌富集的情況，保持(NH4)：S04和NaN02比值為(1±0.2)，梯度添加(NH4)2S04和NaN02的投加量。人工模擬的廢水采取每天配制以避免其他不必要的干擾因素。調(diào)節(jié)人工模擬廢水的pH值在7.5～8.3。
1.2 實驗裝置及運行條件
實驗采用2套相同的SBR裝置（圖1），接種污泥后分別進(jìn)行硝化和反硝化預(yù)處理。實驗裝置主要包括廣口瓶、氣囊、進(jìn)水池和出水池。體積為2.5 L，有效體積為2L。種泥硝化預(yù)處理過程中，將瓶塞打開，增加曝氣裝置，每天換水1L，HRT為2d。DO控制參數(shù)為2—3 mg/L。反硝化預(yù)處理過程中，瓶塞密閉，每天換水1L，HRT為2d，控制COD溶度為50—100 mg/L。Anammox菌富集階段保持其厭氧環(huán)境，控制溫度為(35+1)℃，每天換水1 L，HRT為2d。在第90天，向2個反應(yīng)器投加4g活性炭，為Anammox菌提供附著載體。
1.3 水質(zhì)分析
試驗中各項常規(guī)水質(zhì)測試項目和儀器如表2所示。
1.4 FISH分析
采用原位熒光雜交FISH (Fluorescence in situhybridization)技術(shù)檢測污泥中的Anammox菌及其豐度。收集含活性炭的污泥樣品超聲分散1 min，和3倍體積的4%多聚甲醛混合后靜置2h。然后用磷酸鹽緩沖鹽水(phosphate buffered saline，PBS)清洗，最后加入1 mL 50%PBS和50%無水乙醇中，存儲于-20t。PBS(pH 7.4)包含：磷酸二氫鉀(KH2P04) 0.24 g，磷酸氫二鈉(Na2HP04) 1.42 g，氯化鈉(NaCI)8 g，氯化鉀(KCl) 0.2 g。
按照Amann的操作方法進(jìn)行FISH雜交，F(xiàn)ISH中所使用的寡核苷酸探針是AMX820(表3)。用激光共聚焦掃描顯微鏡( LSM710，Carl Zeiss，Germany)檢測雜交信號，并用儀器自帶圖像軟件(ZEN 2008Light Edition)分析圖像結(jié)果。
2 結(jié)果與討論
2.1 硝化和反硝化預(yù)處理
將接種污泥分別加入2個相同的SBR反應(yīng)器中，分別進(jìn)行硝化和反硝化預(yù)處理，硝化中NH4+-N和反硝化中NO。--N的去除率超過70%，即認(rèn)為硝化菌和反硝化菌處于相對優(yōu)勢地位。圖2(a)、(b)分別為硝化預(yù)處理時NH。+-N和反硝化預(yù)處理時NO。--N的變化情況。從圖2(a)中可以看出，NH4+-N的去除率從開始的95%，在第6天增加負(fù)荷之后，降低到40%以下。然后在第13天恢復(fù)到近72%。硝化細(xì)菌豐度逐漸增加，達(dá)到硝化預(yù)處理目的。從圖2 (b)中可以看出，N03一．N的去除率呈逐漸提高的趨勢。在第6天增加負(fù)荷之后，降低到38%以下。第9天之后，去除率穩(wěn)定在85%以上。反硝化效果較好，達(dá)到反硝化預(yù)處理的目的。硝化和反硝化預(yù)處理歷時14 d。
2.2Anammox反應(yīng)器啟動策略
2個反應(yīng)裝置分別接種普通活性污泥2L(MLVSS 2.916 g/L)。通過FISH分析，Anammox菌的豐度低于檢測限。經(jīng)過2周的硝化和反硝化預(yù)處理之后，進(jìn)入Anammox菌富集階段，溫度、pH、DO分別控制在(35±1)℃、7.5—8.3、<0.1 mg/L。由于在富集階段N02- -N的濃度超過150 mg/L即會抑制Anammox活性，因此N02- -N的投加量不能太高。Strous等、Dapena Mora等和Ni等均認(rèn)為應(yīng)該采用低濃度啟動Anammox工藝，但是如果NO。--N的投加量過低，又會造成基質(zhì)限制生長的情況。本研究通過增加NH4+-N濃度來提高N02 -N的轉(zhuǎn)化效率，當(dāng)NH4+-N濃度出現(xiàn)負(fù)增長的時候，保持(NH4)。SO。和NaNO：比值為(1±0.2)，梯度增加(NH4)。SO。和NaNO。的投加量。TN濃度從120 mg/L增加到260 mg/L，從圖中可以看出此階段沒有出現(xiàn)明顯的Anammox活性�？紤]到可能是由于N02- -N濃度增加過快，又逐步降低進(jìn)水濃度到120 mg/L．然后再逐步提升負(fù)荷。
盡管對進(jìn)水進(jìn)行了除氧，但是在換水過程中仍然不可避免的會帶人氧氣，因此從第90天起，每次換水后，對實驗裝置均充氬氣，保證其厭氧環(huán)境。另外，向反應(yīng)器中投加2 g/L的活性炭，一方面為Anammox菌提供附著的載體，進(jìn)入活性炭內(nèi)部的Anammox菌有一個良好的厭氧環(huán)境；另一方面，第90天的時候，系統(tǒng)處于Anammox菌的活性提高階段，系統(tǒng)已基本上完成了淘洗，不適宜厭氧生長的硝化細(xì)菌被剔除出系統(tǒng)，與Anammox菌競爭附著環(huán)境的微生物減少，提高了Anammox菌對活性炭的利用率。從圖3中可以看到，系統(tǒng)的厭氧環(huán)境顯現(xiàn)，NO。--N從生成轉(zhuǎn)化為去除，NH4+-N的去除由好氧氨氧化細(xì)菌(ammoniaoxidizing bacteria，AOB)去除轉(zhuǎn)化為厭氧的Anam-mox菌去除，TN去除負(fù)荷增加，說明活性炭的投加有利于Anammox菌的富集。
2.3 啟動效果比較分析
圖3(a)、(b)分別給出了經(jīng)過硝化和反硝化預(yù)處理之后富集Anammox菌的N02一-N和NH。+-N變化情況。Anammox菌在系統(tǒng)中成為優(yōu)勢菌種的重要標(biāo)示是N02- -N和NH4+-N的等比例去除。2個反應(yīng)器在第89天，NO。--N的去除負(fù)荷由負(fù)轉(zhuǎn)為正，說明系統(tǒng)由硝化反應(yīng)占主導(dǎo)的體系已經(jīng)改變，但是此時N02_ -N的去除率非常低，N02- -N和NH。+-N的去除比遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1，因此不認(rèn)為此時Anammox菌富集成功。
2個反應(yīng)器經(jīng)過102 d的富集培養(yǎng)之后，NO。一-N和NH。+-N均出現(xiàn)按比例同步去除的現(xiàn)象，Anammox菌富集成功。在102—153 d中，NO。--N和NH4+-N去除負(fù)荷逐漸上升并趨于穩(wěn)定，Anammox菌逐漸成為系統(tǒng)的優(yōu)勢菌種。
圖4(a)、(b)分別給出了經(jīng)過硝化和反硝化預(yù)處理之后富集Anammox菌的TN變化情況。圖中可以清晰地看到，2個反應(yīng)器經(jīng)過102 d的富集培養(yǎng)之后，TN去除負(fù)荷均逐步上升。經(jīng)過硝化預(yù)處理后，系統(tǒng)最大去除負(fù)荷為0.087 kg/( m3.d)；經(jīng)過反硝化預(yù)處理后，系統(tǒng)最大去除負(fù)荷為0.057 kg/(m3．d)，硝化預(yù)處理污泥富集Anammox菌的效果明顯優(yōu)于反硝化預(yù)處理污泥。在穩(wěn)定運行的153—161 d中，經(jīng)過硝化和反硝化預(yù)處理之后的2個系統(tǒng)MLSS分別為0.945和1.069 g/L，MLVSS分別為0.231和0.455 g/L，污泥去除負(fù)荷分別為0.312和0.106 g/(gVSS -d)，可以認(rèn)為，硝化預(yù)處理系統(tǒng)Anammox菌的豐度比反硝化預(yù)處理系統(tǒng)高�？赡艿脑蚴菍ζ胀ɑ钚晕勰噙M(jìn)行好氧硝化預(yù)處理，提高了污泥中AOB的數(shù)量，而有些AOB是兼性厭氧菌，無氧條件下可進(jìn)行類似Anammox作用。另外，AOB會產(chǎn)生羥胺氧化還原酶(hydroxylamineoxidoreductase．HAO)，這種酶有利于Anammox菌的富集。
值得注意的是，經(jīng)過預(yù)處理后污泥流失嚴(yán)重，但是并沒有影響系統(tǒng)的處理效果，可能的原因是系統(tǒng)保留了高活性的Anammox污泥。Kieling等認(rèn)為這是富集Anammox菌的一種污泥選擇策略。
在第153天2個系統(tǒng)均出現(xiàn)不同程度的活性下降現(xiàn)象，其中經(jīng)過硝化預(yù)處理的系統(tǒng)下降更為明顯。這是由于將裝置打開采取污泥樣品時引入空氣，提高了污泥系統(tǒng)的DO，從而抑制了Anammox菌的活性�？梢娤趸A(yù)處理后的反應(yīng)系統(tǒng)對DO更為敏感。
2.4 FISH分析
在153 d時，分別從2個反應(yīng)器中采取污泥樣品，經(jīng)過污泥固定之后，使用激光共聚焦掃描顯微鏡觀察，結(jié)果如圖5所示。由圖5(a)、(b)可知，經(jīng)過153d之后，2個系統(tǒng)成功富集Anammox菌，硝化預(yù)處理污泥富集Anammox菌的豐度高于反硝化預(yù)處理污泥。
3 結(jié)論與展望
硝化和反硝化預(yù)處理污泥均能在102 d內(nèi)成功富集Anammox菌，且硝化預(yù)處理更有利于Anammox菌的富集。穩(wěn)定運行過程中，硝化和反硝化預(yù)處理方式的TN去除負(fù)荷分別可達(dá)到0.312和0.106g/(gVSS．d)。經(jīng)過硝化和反硝化預(yù)處理后，對富集的Anammox菌屬的演替規(guī)律需要進(jìn)一步的研究。另外，普通活性污泥富集Anammox菌的時間，受到起始富集污泥中Anammox菌拷貝數(shù)、富集條件、富集方式、HRI、是否添加刺激劑等一系列因素的影響。隨著研究人員對Anammox菌的深入研究，富集Anammox菌的時間將不斷縮短，最終投向?qū)嶋H應(yīng)用中。
