室溫條件下電場緩解高氮負荷抑制厭氧氨氧化性能的研究*

張 馳 王 超 沙宏舉 胡筱敏

(1.沈陽建筑大學市政與環境工程學院,遼寧 沈陽 110168;2.東北大學資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110819)

厭氧氨氧化(Anammox)工藝作為一種新型的脫氮工藝,與傳統脫氮工藝相比,具有能耗低、無需額外投加有機物和氧氣供給等優點[1-4]。當Anammox工藝處理畜禽養殖廢水、垃圾滲濾液和味精廢水等高氮低碳廢水時,進水氮負荷過高無法及時降解,使亞硝酸鹽等有毒含氮物質不斷在微生物細胞內部累積,導致Anammox細菌活性降低。有學者通過使用新型反應器添加金屬離子或利用特殊填料強化Anammox反應[5-6],有些則通過提高Anammox細菌活性提高氮處理負荷,然而上述方法均需依賴外源物質,不僅易造成水體二次污染,氮處理負荷也僅在5～8 kg/(m3·d)[7-8]。如何提高Anammox細菌活性且不污染水體,使氮處理負荷提高到10 kg/(m3·d)以上,目前仍少有報道。

外加電場可以有效提高微生物活性,目前被廣泛應用于廢水治理領域。WANG等[9]發現,電場能夠為微生物燃料電池(MFC)提供能量,有效降解溶解性有機碳(DOC);而且電場能夠通過降低可溶性微生物產物(SMP),對沉積污垢的降解起到積極作用。電場通常作用在微生物細胞膜表面,容易“擊穿”細胞膜進而造成細胞凋亡、微生物滅活,但當電場強度降低到一定程度時,損傷的細胞膜可以恢復。電場不僅對細胞膜有影響,對核膜和細胞器膜也有影響。因此,適當的電場強度能夠通過改變細胞膜的滲透性和厚度提高離子轉移速度[10-11]。然而,施加電場能否在室溫條件下提高Anammox細菌的活性以用于處理高氮負荷廢水,以及廢水在生物處理過程中,究竟是電場還是微生物起主要作用仍需深入探究。

為此,本研究采用全混合厭氧反應器(CSTR)構建Anammox系統,在60 d的運行過程中逐步提高進水總氮(TN)濃度,使氮負荷逐步從3.43 kg/(d·m3)提高到15.93 kg/(d·m3),分析施加電場對Anammox脫氮效果以及關鍵酶活性的影響,以期探尋一種能夠有效緩解高氮負荷對Anammox系統抑制作用的方法。

1 材料和方法

1.1 試驗裝置

試驗所采用的CSTR裝置見圖1。CSTR材質為有機玻璃,容積約1.2 L,外部用黑塑料布包裹,不設置水浴恒溫器,室內溫度約(25±3) ℃。試驗設置2組平行反應器,均接種較為成熟的Anammox污泥約200 mL,并向進水桶中通入N2以去除水中溶解氧(DO),其中R1施加脈沖電源(脈沖電壓1.5 V、脈沖頻率1 000 Hz、占空比50%),R2為未接通電源的對照組,R1、R2內均設有鈦電極板以消除對照試驗中極板的干擾。反應器采用底部進水、頂部出水的方式,采用隔膜計量泵連續供水,維持水力停留時間約為2.4 h。

1—電源;2—進水桶;3—隔膜計量泵;4—鈦陰極板;5—鈦陽極板;6—攪拌器圖1 CSTR試驗裝置Fig.1 Diagram of CSTR experiment apparatus

1.2 試驗配水

試驗進水采用人工模擬廢水,由于Anammox工藝主要針對氮元素的去除,因此本研究模擬廢水參照畜禽養殖廢水和豬場廢水中的氮元素含量進行調配,其中以(NH4)2SO4和NaNO2作為Anammox反應的氮源,所需濃度按需供給,控制亞硝態氮與氨氮的質量比穩定在1.2左右,以KHCO3作為無機碳源,進水中添加微量元素營養液1.0 mL/L,營養液配方為乙二胺四乙酸二鈉10 g/L,FeSO4·7H2O 18 g/L,ZnSO4·7H2O 0.43 g/L,MnCl2·2H2O 0.99 g/L,CuSO4·5H2O 0.25 g/L,CoCl2·6H2O 0.24 g/L,NiCl2·6H2O 0.19 g/L,NaMoO4·10H2O 0.22 g/L。進水pH穩定在7.0～7.5。

整個反應過程分為3個階段:階段1(1～7 d)進水氮負荷為3.43 kg/(d·m3),階段2(8～33 d)進水氮負荷為11.38 kg/(d·m3),階段3(34～60 d)進水氮負荷為15.93 kg/(d·m3)。

1.3 分析項目與方法

氨氮采用納氏試劑分光光度法測定;亞硝態氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法測定;硝態氮采用紫外分光光度法測定;定期收集污泥樣品,采用試劑盒法,通過酶標儀分析測定活性污泥中亞硝酸還原酶(NIR)、聯氨合成酶(HZS)及聯氨脫氫酶(HDH)的活性。

2 結果與討論

2.1 電場對Anammox系統脫氮效果的影響

2.1.1 電場對氨氮去除效果的影響

電場對氨氮去除效果的影響見圖2。在階段1進水氮負荷較低時,電場對氨氮去除效果的影響較弱。隨著階段2進水氨氮升高至約500 mg/L時,兩組反應器的氨氮去除效果發生明顯變化。R1在電場作用下,出水氨氮平均值為16.40 mg/L,而R2出水氨氮平均值則高達159.09 mg/L;R1氨氮去除率高達96.72%,遠高于R2的68.18%。隨著階段3進水氨氮進一步提高,R2出水氨氮濃度瞬時升高,波動變化,而R1的出水氨氮則呈現先穩定后上升的趨勢。

圖2 高氮負荷下電場對Anammox系統氨氮去除效果的影響Fig.2 Effect of electric field on ammonia nitrogen removal of Anammox process under high nitrogen loading

2.1.2 電場對亞硝態氮去除效果的影響

電場對亞硝態氮去除效果的影響見圖3。施加電場能夠整體提升亞硝態氮的去除效果,但進水亞硝態氮濃度長時間維持在較高水平時,在亞硝態氮的毒性抑制作用下,外加電場也無法保證亞硝態氮的穩定去除。階段1進水亞硝態氮在150 mg/L左右,R1、R2的出水亞硝態氮皆可維持在較低水平。階段2進水亞硝態氮升高至約600 mg/L時,R1的亞硝態氮去除率可以達到99.91%,并始終維持在98%以上,而R2則需要一定的適應時間(約19 d)才可以將出水亞硝態氮降低至10 mg/L以下。階段3進水亞硝態氮升高至約800 mg/L,R2的亞硝態氮去除率立即降至79.68%,并且總體呈持續降低趨勢,出水亞硝態氮最高可以達到354.89 mg/L;而R1在前19 d仍可以維持較高的亞硝態氮去除效率,第47天出水亞硝態氮濃度開始升高,亞硝態氮去除效果迅速惡化,最終出水亞硝態氮超出300 mg/L。

圖3 高氮負荷下電場對Anammox系統亞硝態氮去除效果的影響Fig.3 Effect of electric field on nitrate nitrogen removal of Anammox process under high nitrogen loading

2.1.3 電場對脫氮性能的影響

電場對Anammox系統脫氮性能的影響見圖4。

圖4 高氮負荷下電場對Anammox系統脫氮效果的影響Fig.4 Effect of electric field on nitrogen removal of Anammox process under high nitrogen loading

階段1兩組反應器均能實現Anammox反應的啟動,且Anammox系統脫氮效果沒有明顯區別。這是由于接種污泥為成熟的Anammox污泥,能夠較好地適應環境的變化。階段2進水氨氮和亞硝態氮分別在500、600 mg/L左右,進水氮負荷達到11.38 kg/(d·m3),R1、R2的Anammox脫氮效果發生明顯變化。R1在階段2仍能保持較高的脫氮效率,TN去除率始終維持在85%以上,最高可以達到94.59%;而R2的TN去除率下降至53.90%,隨著反應器繼續運行,R2的脫氮性能逐漸恢復并升高,但始終低于R1。階段3進水氮負荷提高到15.93 kg/(d·m3),R1、R2的脫氮性能呈現出明顯的降低趨勢,直至反應器崩潰。R1在階段2的Anammox脫氮性能優于R2,這是因為完整的細胞膜會因其選擇透過性阻止大部分物質進入細胞內部,雖然細胞膜阻止了有毒有害物質的進入,但同時也阻礙了基質等營養物質的滲入[12-13],使得Anammox細菌處于一種“饑餓”狀態,這也是Anammox細菌生長速率緩慢的原因之一。當施加電場時,電場不僅能夠改變細胞膜的通透性,而且能夠影響細胞內部結構的通透性,進而削弱傳質阻礙,促進基質等營養物質進入細胞內部。董銘等[14]也發現,電場能夠改變蛋白質的結構和性能,影響蛋白質表面疏水性,提高蛋白質分子的柔性、溶解度等特性。此外,脈沖電場的間歇特性使得細胞膜的通透性處于“開放”和“關閉”交替循環的狀態,不僅能夠強化基質等營養物質進入細胞內部,而且能保證細胞膜的完整性和恢復性,降低毒性物質的侵入。然而,隨著階段3進水氮負荷進一步提升至15.93 kg/(d·m3),遠超Anammox細菌所能承受的范圍,累積的亞硝酸鹽逐步滲透進入到細胞內部,此時電場對Anammox細菌的刺激作用低于亞硝酸鹽的毒性作用;Anammox細菌無法及時降解過量的氮負荷,造成過量的氮素不斷在細胞內部累積毒害細胞,使反應器崩潰。與R1相比,R2的Anammox脫氮性能偏低,這是因為過量的亞硝酸鹽會抑制Anammox細菌活性,降低Anammox脫氮效率。由于沒有電場的刺激作用,R2需要較長的時間才能適應階段2的氮負荷水平。階段3進水氮負荷遠超Anammox細菌的閾值,導致Anammox脫氮效率始終處于較低水平。

2.2 電場對Anammox關鍵酶活性的影響

Anammox細菌活性能夠直接影響Anammox脫氮性能,而Anammox細菌的活性又主要取決于關鍵酶的活性。高氮負荷下電場對Anammox細菌關鍵酶活性的影響見圖5。

圖5 高氮負荷下電場對關鍵酶活性的影響Fig.5 Effect of electric field on key enzyme activities under high nitrogen loading

NIR、HZS、HDH是實現Anammox反應脫氮的3種關鍵酶。亞硝態氮在NIR的作用下被還原成NO,隨后NO和氨氮被HZS氧化成N2H4,最后N2H4在HDH的作用下被還原成N2。從圖5可以發現,R1的3種關鍵酶活性均明顯高于R2,這說明電場能夠增強Anammox細菌的關鍵酶活性,提高氨氮和亞硝態氮在Anammox細菌內部的轉化速率,進而提高整個Anammox的反應速率;施加電場不僅強化了Anammox的脫氮效果,而且削弱了氮負荷過高造成的亞硝態氮抑制效應。

雖然施加電場能夠有效地激活微生物細胞活性,提高新陳代謝速率,加快基質利用速率,削弱高氮負荷對Anammox反應的抑制作用,但當進水氮負荷過高時,電場的刺激作用會被氮素抑制作用所掩蓋。這也導致階段3兩組反應器NIR、HZS活性整體呈下降趨勢,Anammox細菌無法及時將過量的氮素進行轉化還原,導致細胞內部的氮素不斷累積,抑制Anammox細菌活性,甚至造成反應器崩潰。

2.3 電場對微生物群落的影響

高氮負荷下電場對微生物群落結構(以分類操作單元(OTU)數目表征)的影響見表1。

表1 高氮負荷下電場對微生物群落OTU數目的影響Table 1 Effect of electric field on OUT number of microbial community under high nitrogen loading

由表1可以看出,高氮負荷下電場對微生物群落結構的影響極其顯著。試驗前期,R1、R2的OTU數目均明顯降低,R1的OTU數目是R2的1.15倍左右,這表明在逐漸提高氮負荷時,Anammox反應會受到一定的沖擊,微生物的生存環境受到了影響甚至改變,導致各組反應器OTU數量降低;而在外加電場作用下,電場能夠促進微生物活性,進而維持一定的OTU數目,保證Anammox的脫氮性能。

試驗進行到第36天,R2的OTU數目開始逐漸增加,在第54天達到最大值,約是同期R1的1.46倍。這是因為隨著進水氮負荷沖擊作用的持續,過高的進水氮負荷已經影響反應器內微生物群落結構,不必要的雜菌開始大量滋生,并與Anammox細菌競爭有限的營養基質,進而使得R2需要較長的時間才能適應高氮負荷的環境;而R1中OTU數目在前36天持續降低,說明適宜的脈沖電場能夠保證功能菌群(如Anammox細菌、反硝化細菌)的穩定,促進Anammox細菌活性的同時將不必要的雜菌進行淘洗,降低了雜菌與功能菌群競爭營養基質的概率,這也是R1能夠在階段2始終維持較高的脫氮效率的原因。然而,當進水氮負荷超過Anammox細菌等功能菌群的承受閾值時,脈沖電場也無法保證功能菌群的穩定性,不必要的雜菌逐漸占據主導地位,嚴重影響了反應器的運行,導致階段3兩組反應器脫氮效率降低甚至崩潰。

2.4 高氮負荷下電場對Anammox影響的機理

將以往有關高氮負荷對Anammox影響的研究結果匯總于表2。由表2可見,相關研究幾乎均是在30～35 ℃進行,這是因為30～35 ℃是Anammox細菌生存的適宜溫度,有利于Anammox細菌的生長和活性[22-23]。這些工藝或通過新型反應器的結構設計強化Anammox脫氮,或通過投加填料等方式提高Anammox細菌活性進而提高氮素去除率,但啟動時間較長且進水氮負荷始終沒有超過10 kg/(d·m3),脫氮效果會隨著進水氮負荷的增加大幅降低。然而,本研究通過施加電場,在(25±3) ℃的室溫條件下,進水氮負荷增加到11.38 kg/(d·m3)時R1的脫氮效率仍能維持較高水平,且所需要的適應時間較短。可見,與其他工藝相比,電場對于提高Anammox細菌活性,加快Anammox細菌的新陳代謝速率,降低室溫對Anammox反應的影響,削弱高氮負荷對Anammox反應的抑制作用進而提高Anammox的脫氮性能等具有明顯優勢。

表2 高氮負荷對Anammox影響的研究比較Table 2 The comparison of the effect of high nitrogen loading on Anammox process

值得說明的是,本研究中R1由于外加電場勢必會造成能源消耗,但與表2中其他Anammox強化方式(如投加金屬離子、填料等)相比,外加電場不會對水體造成二次污染,且由于脈沖電場的“間隔”特性,與直流電場相比,能夠進一步降低電能的損耗。即使考慮到外加電場消耗的電能,R1相比于單純的Anammox系統(R2),在室溫條件下能夠顯著激發Anammox細菌活性,有效緩解進水高氮負荷對Anammox的抑制作用,優勢也十分突出,可為Anammox工藝應用于高氮負荷廢水處理拓寬思路。

3 結 論

(1) 當進水氮負荷較低(3.43 kg/(d·m3))時R1、R2脫氮性能差異不明顯;隨著進水氮負荷升高至11.38 kg/(d·m3),外加電場可明顯緩解高氮負荷對Anammox系統的抑制作用,R1的TN去除率維持在85%以上,而R2需要較長的適應期,且TN去除率下降至53.90%;隨著進水氮負荷進一步提高到15.93 kg/(d·m3),R1、R2的脫氮性能均呈現出明顯的降低趨勢,R2的脫氮性能始終低于R1,直至反應器崩潰。

(2) 外加電場能夠改變細胞膜的通透性,促進基質等營養物質進入細胞內部,還會通過強化Anammox細菌關鍵酶活性來提高微生物活性,提高Anammox反應速率,進而削弱高氮負荷對Anammox反應的抑制作用。當進水氮負荷過高時,電場的刺激作用會被氮素抑制作用所掩蓋,Anammox細菌無法及時將過量的氮素進行轉化還原,導致細胞內部的氮素不斷累積,抑制Anammox細菌活性,甚至造成反應器崩潰。

(3) 外加電場可以在室溫條件下激發Anammox細菌活性,使Anammox系統在11.38 kg/(d·m3)的進水氮負荷下仍保持較高的脫氮性能,為Anammox工藝應用于高氮負荷廢水處理拓寬思路。