鈣離子對厭氧氨氧化工藝啟動過程的影響

徐國慶，何春華

(合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

與傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)相比，厭氧氨氧化工藝無需曝氣和外加碳源，能夠節(jié)省64%的曝氣量和100%的外源電子供體，并減少了80%～90%的剩余污泥產(chǎn)量[1]，但是，厭氧氨氧化菌是化能自養(yǎng)菌，世代周期長，增殖速率慢，且對環(huán)境條件要求嚴苛，故其推廣和應(yīng)用仍將面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，厭氧氨氧化工藝的快速啟動成為廣大學者研究的焦點。

顆粒污泥因具有優(yōu)良的沉降性能，且其內(nèi)部物種多樣性豐富，微生物系統(tǒng)更加穩(wěn)定，故加速污泥顆粒化進程能有效促進反應(yīng)器中厭氧氨氧化菌的富集[2]。因此，厭氧氨氧化的顆粒化研究對于厭氧氨氧化工藝的進步意義重大。而污泥的顆粒化過程往往與金屬離子有關(guān)，其中鈣離子的影響重大，由于鈣離子帶正電，會被吸附在帶負電的細胞表面，中和了電荷，使細菌表面的電荷減少形成疏水性，從而使細胞凝聚在一起。此外，在一定條件下，較高濃度的鈣離子可以促進CandidatusBrocadia菌的擴增和促進雙弧酸環(huán)化酶的產(chǎn)生，從而加速厭氧氨氧化過程[3]。因此，本實驗將探究鈣離子對厭氧氨氧化工藝啟動過程的影響。

1 材料與方法

1.1 反應(yīng)器設(shè)置與運行

如圖1所示，實驗由2個相同的圓柱形反應(yīng)器進行，R1為對照組，R2為實驗組。2個反應(yīng)器均為有機玻璃材質(zhì)，高150 cm，橫截面直徑20 cm，有效容積48 L，水力停留時間為72 h，采用電熱與溫控系統(tǒng)維持反應(yīng)器內(nèi)部溫度為(35±2)℃，控制pH為7.6±0.2，溶解氧濃度低于2 μmol·L-1，內(nèi)部循環(huán)水上升速度為1.52 m·h-1。

反應(yīng)器運行過程采用SBR模式，分為進水、反應(yīng)、沉淀、出水、閑置5個階段。其中，進、出水量均為16 L·d-1，時間均控制為10 min，沉淀時間為60 min，反應(yīng)時間22 h。將每天的進、出水以及各階段體系污泥取樣進行研究與分析。

圖1 厭氧氨氧化反應(yīng)器示意圖Fig.1 Schematic diagram of the anammox reactor

1.2 接種污泥和反應(yīng)器進水參數(shù)

按照活性污泥和厭氧氨氧化泥濃度比10∶1向反應(yīng)器接種污泥。其中，活性污泥取自合肥市朱磚井污水處理廠的SBR生化池，接種濃度TSS為4.4 g·L-1，VSS為2 g·L-1。厭氧氨氧化污泥取自合肥工業(yè)大學土木樓106室的厭氧氨氧化反應(yīng)器，接種濃度VSS為0.2 g·L-1。接種前污泥用PBS緩沖液洗脫3遍，以去除雜質(zhì)和沉降性較差的污泥。

進水主要由氯化銨、亞硝酸鈉、碳酸氫鉀、磷酸二氫鉀、硫酸鎂、氯化鈣以及2種微量元素組成。其中，氨氮和亞硝態(tài)氮濃度保持1∶1.32，碳酸氫鉀500 mg·L-1、氯化鈣180 mg·L-1、磷酸二氫鉀25 mg·L-1。實驗一共分為2個階段，1～40 d 為啟動階段，進水氨氮為50 mg·L-1；41～80 d 為提高負荷階段，進水氨氮為100 mg·L-1。

1.3 污泥活性測定

測定污泥厭氧氨氧化活性和反硝化活性，具體操作步驟參考之前的報道[4]。

1.4 微生物群落結(jié)構(gòu)分析

利用16S rRNA對各個階段末獲得的污泥樣本進行微生物群落多樣性分析。所有污泥樣品在6 000 r/min離心5 min后去掉上清液。采用515F(GTGCCAGCMGCCGCGGTAA)和806R(GGACTACHVGGGTWTCTAAT)引物。具體分析實驗由中國上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司進行。

1.5 分析方法

TSS、VSS、氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮、蛋白質(zhì)含量、多糖含量等指標的測定根據(jù)標準方法[5]分別采用納氏試劑光度法、N-(1-萘基)-乙二胺光度法、紫外分光光度法、Lowry法和苯酚-硫酸法。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同階段反應(yīng)器運行效果

反應(yīng)器進出水污染物濃度變化如圖2、圖3所示，兩種反應(yīng)器運行1～9 d，出水氨氮均升高至60 mg·L-1，由于反應(yīng)器初期污泥體系不穩(wěn)定，沒有碳源補給，污泥體系中大量異養(yǎng)或好氧微生物死亡，微生物細胞裂解會釋放出氨氮，從而導(dǎo)致出水氨氮值的升高[6]。此后，R2在第11天出水氨氮值率先降低至45 mg·L-1，并在之后去除率大幅提高，第23天出水氨氮值達到0；而R1在第19天出水氨氮才降低至46.5 mg·L-1，直至31 d出水氨氮值才降低至0。在第41天提高反應(yīng)器進水氨氮至100 mg·L-1，由實驗結(jié)果可知，R2能更快適應(yīng)氮負荷的提升，其氨氮去除效果明顯好于R1。

圖2 反應(yīng)器進出水氨氮、亞硝態(tài)氮濃度Fig.2 Concentrations of ammonia nitrogen and nitrite nitrogen in inlet and outlet water of the reactor

圖3 反應(yīng)器進出水硝態(tài)氮濃度Fig.3 Concentrations of nitrate nitrogen in inlet and outlet water of the reactor

總氮去除效果如圖4所示，兩反應(yīng)器運行1～18 d均能實現(xiàn)30%左右的總氮去除率，此時反應(yīng)器體系中的主導(dǎo)過程為反硝化作用，其后，R2的總氮去除率迅速上升，于23天達85.02%，而此時R1僅為45.81%。因此，R2內(nèi)部污泥體系在鈣離子作用下率先表現(xiàn)出厭氧氨氧化性，率先實現(xiàn)了厭氧氨氧化的啟動，總氮去除效率率先提高，而此時R1中厭氧氨氧化過程微弱。31 d后，兩個反應(yīng)器的總氮去除率均能達到85%，說明此時R1也實現(xiàn)了厭氧氨氧化的啟動。提高進水負荷后的趨勢與前階段一致，R2的總氮去除率短暫降低后在第57天回升至85%，而R1明顯降低且恢復(fù)緩慢，后期最高達80%。實驗表明R2具有更高的總氮去除率和更高的抗氮負荷沖擊能力。鈣離子能夠促進部分厭氧氨氧化菌的生長，從而促進實驗組污泥體系更快的實現(xiàn)高效脫氮效果，也與Zhen[3]所得出的結(jié)論吻合。

圖4 反應(yīng)器總氮去除效率Fig.4 The removal of total nitrogen in the reactor

2.2 厭氧氨氧化活性及反硝化活性變化

圖5 不同階段反應(yīng)器污泥活性變化Fig.5 Variation of sludge activity in the reactor at different stages

2.3 微生物群落結(jié)構(gòu)變化及分析

穩(wěn)定階段反應(yīng)器污泥菌群結(jié)構(gòu)分析如圖6所示。研究發(fā)現(xiàn)，啟動后R1污泥的主要菌群為unclassified_k__norank_d__Bacteria(9.51%)、PHOS-HE36(5.51%)、AKYH767(4.80%)、CandidatusBrocadia(4.40%)、JG30-KF-CM45(4.35%)、Caldilineaceae(4.25%)、SBR1031(4.09%)以及Romboutsia(2.29%)。其中，Caldilineaceae為絲狀菌，其過度生長會產(chǎn)生更多的EPS，增加體系中的有機物濃度，引起絲狀菌膨脹和起泡的問題[7]。Romboutsia是一種產(chǎn)酸類微生物，會對體系中厭氧氨氧化菌的生長產(chǎn)生一定的抑制作用[8]。R2污泥主要菌群為CandidatusBrocadia(14.37%)、SBR1031(5.21%)、Bacillus(4.56%)、AKYH767(4.12%)、Ellin6067(2.72%)、Chthonomonadales(2.51%)、unclassified_k__norank_d__Bacteria(2.03%)和Gemmatimonadaceae(2.02%)。其中，Bacillus菌屬于反硝化細菌，表明R2組污泥仍存在部分反硝化作用，能有效抑制硝酸鹽的積累，有利于厭氧氨氧化過程。Ellin6067菌是硝化細菌，Ellin6067能完成部分硝化的過程[9]，能與厭氧氨氧化菌共同形成短程硝化-厭氧氨氧化(PN/A)的微生物系統(tǒng)，促進厭氧氨氧化作用。氯化鈣呈弱酸性，添加后在一定程度上能夠抑制R2體系產(chǎn)酸細菌Romboutsia的生長，產(chǎn)酸菌的減少能有效維持體系pH的穩(wěn)定，從而避免部分酸化而引起的絲狀菌Caldilineaceae過量生長，因此R2組污泥體系能保持更加穩(wěn)定的環(huán)境。此外，R2污泥體系中既有厭氧氨氧化細菌，同時具有硝化細菌和反硝化細菌，能達到類似于短程硝化-厭氧氨氧化/短程反硝化-厭氧氨氧化耦合工藝的效果[10]。

圖6 穩(wěn)定階段反應(yīng)器污泥在屬水平上菌群結(jié)構(gòu)分析Fig.6 Analysis of bacterial community structure at the genus level for the sludge at the stable stage

3 結(jié) 論

本研究通過在厭氧氨氧化SBR反應(yīng)器中投加鈣離子，發(fā)現(xiàn)其能明顯促進反應(yīng)器啟動過程的脫氮效果，提高反應(yīng)器內(nèi)污泥的厭氧氨氧化活性，顯著提高厭氧氨氧化菌的豐度。具體結(jié)論如下：

(1)鈣離子的投加能將厭氧氨氧化SBR反應(yīng)器的啟動時間縮短8 d，厭氧氨氧化啟動效率提高25.8%；

(2)鈣離子能增強厭氧氨氧化反應(yīng)器的脫氮穩(wěn)定性，當進水氨氮濃度達100 mg·L-1時，反應(yīng)器穩(wěn)定階段的脫氮效率仍能達85%以上；

(3)鈣離子能有效抑制污泥體系產(chǎn)酸細菌的生長，減少對厭氧氨氧化過程的負面影響，促進厭氧氨氧化菌的富集，穩(wěn)定階段CandidatusBrocadia的豐度達14.37%；

(4)鈣離子能促進污泥形成硝化細菌、反硝化細菌、厭氧氨氧化菌共存的狀態(tài)，從而提高微生物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提升體系的脫氮效率。