稀土氨氮廢水的厭氧氨氧化處理試驗研究

董 炎，敬雙怡，殷震育，李衛平，楊文煥，于玲紅

(內蒙古科技大學，內蒙古 包頭 014000)

稀土生產過程中產生大量廢水[1]，其中氨氮質量濃度在8～20 g/L之間，若直接排放，不僅造成資源浪費，也對生態環境產生嚴重威脅[2-3]，需采取有效手段進行處理。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

UASB厭氧氨氧化反應器結構如圖1所示。

圖1 UASB厭氧氨氧化反應器示意

反應區容積12 L，頂部加蓋密封，預留有排氣孔。進水口和出水口分別設在底部和距頂部15 cm處。反應器中部為懸浮的厭氧氨氧化活性污泥，底部設有采樣口，外部包裹遮光帶以防止光線抑制細菌生長，內部安裝攪拌器。為加強反應器內的泥水混合，防止進水端反應物濃度過高，采用磁力循環泵循環進水。進水箱安裝加熱器以確保內部恒溫。

1.2 試驗廢水

試驗所用含氨氮稀土廢水取自包鋼某稀土廠，密封保存，pH為7.7～8.4，硬度60～80 mg/L。廢水水質見表1。水樣經過0.45 μm濾膜抽濾。

表1 含氨氮稀土廢水的組成 mg/L

1.3 試驗原理及方法

(1)

廢水溫度、pH、COD均用便攜式溶氧儀測定。污泥樣品MLSS、MLVSS均按標準法[10]測定。采用16SrRNA高通量測序技術研究厭氧氨氧化系統中微生物的多樣性和群落結構。S1、S2樣品分別為引入稀土廢水前、后反應器中的顆粒污泥。

2 試驗結果與討論

2.1 水力停留時間對去除率的影響

圖2 水力停留時間對去除率的影響

由此可見，水力停留時間對厭氧氨氧化細菌的脫氮效果有較大影響，水力停留時間在16 h以上時，處理效果較好。

2.2 溫度對去除率的影響

圖3 溫度對去除率的影響

2.3 La3+質量濃度對去除率的影響

圖4 La3+質量濃度對去除率的影響

2.4 微生物群落結構分析

高通量測序技術可同時獲取上百萬條DNA，是鑒定微生物種屬的有效手段[15]。OTU是經高通量測序后根據序列之間的相似性分成的不同操作分類單元，通過Venn圖可直觀說明樣品的OTU數目組成相似性及重疊情況。如圖5所示：廢水被引入反應器后，前期運行過程中，污泥中已經成熟的細菌群落結構比較復雜，其中含有1 983條OTU數；而運行至后期，污泥中細菌群落結構相對簡單，其所含OTU數只有970條，且僅有315條出現在兩者重疊區域，說明反應過程中污泥內的微生物群落變化很大，所取得兩樣本間的生物多樣性相似水平較低。

圖5 Venn示意

2.4.1 Alpha多樣性分析

Alpha多樣性分析是反映微生物群落豐度和多樣性的重要手段，其中主要運用了Shannon指數和Simpson指數。Shannon指數越大，說明群落多樣性越高，群落結構越復雜；而Simpson指數則與之相反，Simpson指數越大，群落多樣性越低。反映群落豐度指數的主要有Chao指數，數值越大，代表微生物群落物種總數越多。Coverage則是指樣品文庫的覆蓋率，其數值越高，越能反映本次測序結果，也就越能代表樣本的真實情況。污泥中Alpha多樣性相關指數見表2。

表2 污泥中Alpha多樣性相關指數

由表2看出：隨反應時間延長，反應程度加深；污泥中Shannon指數從3.12降低至1.86，而Simposon指數則從0.19上升至0.39。這表明：隨反應進行，廢水中所含的稀土元素、有毒有害物質對細菌有毒害作用；加之系統須滿足厭氧氨氧化細菌維持生命活動所需的獨特環境條件，使大量細菌逐漸被淘汰，微生物群落數量急劇下降的同時，系統內微生物群落結構的豐度及多樣性也在逐漸下降[16]。

2.4.2 門水平微生物多樣性分析

反應器運行前、后，污泥S1、S2在門分類上的群落結構如圖6所示。可以看出：污泥中主要含變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、浮霉菌門(Planctomycetes)、放線菌門(Actincbacteria)擬桿菌門(Bacteroidetes)。無論是在廢水處理、厭氧硝化或是在土壤中，變形菌門和浮霉菌門均為最常見的優勢菌群，也是主要的脫氮菌群。本研究中，隨反應進行，變形菌門和浮霉菌門比例明顯降低，因為廢水中的有毒物質對其有一定毒害作用；同時系統中的異養菌利用廢水中的有機物進行增殖，與其產生競爭，抑制了其生長。

圖6 門水平樣本的群落結構變化

2.4.3 屬水平微生物多樣性分析

屬水平樣本的群落結構分布如圖7所示。在處理稀土氨氮廢水之后，反應器中的微生物群落中主要存在Thauera、Nitrospira、Thermomarinilinea、Candidatuskuenenia、CandidatusAnammoximicrobium菌屬。

圖7 屬水平樣本的群落結構分布

Thauera和Thermomarinilnea為兼性厭氧反硝化細菌屬，具有降解多種芳香族污染物的能力。Nitrospira為硝化螺旋均屬，可維持自然水體中氮循環體系平衡，對水生植物非常重要。因不適應系統為厭氧氨氧化菌提供的獨特環境，多數細菌隨反應器運行及La3+的添加而被淘汰出系統。現存少數硝化反硝化菌主要通過分解稀土氨氮廢水中有機物進行增殖。在已知的具有厭氧氨氧化能力的6個菌屬[17]中，反應器中檢測到2個，分別是CandidatusKuenenia和CandidatusAnammoximicrobium。劉哲等[18]在EGSB反應器中培養厭氧氨氧化細菌研究中，只檢測到了CandidatusArocadia菌屬。這說明，高氨氮廢水及高濃度La3+對其他厭氧氨氧化菌屬有較大影響，同時不同類型反應器培養出的厭氧氨氧化菌屬也有相對明顯的差異。

3 結論

采用厭氧氨氧化工藝處理含氨氮稀土廢水是可行的。用循環上流式厭氧污泥床反應器，當進水溫度在33～36 ℃、pH=7.5、保持16 h以上水力停留時間條件下，NH4-N去除率可達85%。廢水中La3+質量濃度低于1 mg/L對anammox菌有可恢復的短期抑制作用；La3+質量濃度大于1 mg/L，其抑制效果十分明顯。

系統運行過程中，微生物群落結構豐度及多樣性逐漸下降。反應后期，反應器中主要存在浮霉菌門和變形菌門細菌，CandidatusKuenenia和CandidatusAnammoxoglobus兩種細菌為系統的優勢菌屬；同時存在少量兼性反硝化細菌Thauera和Thermomarinilnea，整個系統以厭氧氨氧化菌為主體，各類菌群之間協同合作，使系統對含氨氮稀土廢水有較好的脫氮性能。