厭氧氨氧化污泥儲(chǔ)存條件

　　常規(guī)污水生物脫氮工藝可通過(guò)硝化作用和反硝化作用去除廢水中的氨氮，但處理高氨氮或低碳氮比廢水時(shí)存在運(yùn)行成本高、效率低等問(wèn)題。厭氧氨氧化(Anammox)是在厭氧條件下，厭氧氨氧化菌(AnAOB)以水中氨氮為電子供體，亞硝酸氮為電子受體，生成氮?dú)夂蜕倭肯跛岬纳锓磻?yīng)。相比傳統(tǒng)脫氮工藝，Anammox工藝無(wú)需氧氣和外加有機(jī)碳源，剩余污泥產(chǎn)生量少，運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)省90%。以Anammox為基礎(chǔ)的新型污水脫氮工藝受到研究者的廣泛關(guān)注。然而AnAOB生長(zhǎng)代謝極其緩慢，世代時(shí)間長(zhǎng)達(dá)11d，且環(huán)境敏感度高，使得Anammox工藝啟動(dòng)周期冗長(zhǎng)。此外，AnAOB稀缺且難以培養(yǎng)，制約了Anammox工藝大規(guī)模應(yīng)用。

　　有研究表明，儲(chǔ)存后的污泥經(jīng)活化后可快速啟動(dòng)Anammox工藝。Anammox污泥的儲(chǔ)存可有效保留AnAOB。接種已儲(chǔ)存污泥既有助于Anammox工藝的快速啟動(dòng)，又可避免AnAOB培養(yǎng)困難等問(wèn)題。因此，儲(chǔ)存的Anammox污泥可成為Anammox工藝的可靠菌種來(lái)源之一。

　　常溫儲(chǔ)存Anammox污泥可大大減少儲(chǔ)存過(guò)程的能耗，儲(chǔ)存污泥的激活還可縮短Anammox工藝啟動(dòng)時(shí)間，提高工藝啟動(dòng)有效性。考慮到低溫或超低溫儲(chǔ)存能耗較大，本研究在常溫(20℃)條件下儲(chǔ)存Anammox污泥并激活，以期為Anammox工藝工程化應(yīng)用和技術(shù)推廣提供一定理論依據(jù)。

　　一、材料與方法

　　1.1 污泥儲(chǔ)存方法

　　Anammox污泥取自運(yùn)行9個(gè)月的Anammox固定床反應(yīng)器(FBR)。用蒸餾水洗滌Anammox污泥，沉淀后撇去上層清液，重復(fù)操作3次。然后將700mL污泥轉(zhuǎn)移到2L填充蜂窩狀填料的廣口瓶中，通過(guò)填料分散Anammox污泥，減少污泥堆積密度。填料填充比(體積比)為50%。廣口瓶經(jīng)氮?dú)馄貧?5min以排除溶解氧，用橡皮塞密封保證厭氧環(huán)境，置于恒溫控制室中。Anammox污泥在常溫(20℃)下避光儲(chǔ)存1個(gè)月，儲(chǔ)存過(guò)程不補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)液。

　　1.2 實(shí)驗(yàn)方法

　　Anammox激活采用連續(xù)流FBR，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

　　Anammox反應(yīng)器呈圓柱形，由有機(jī)鋼化玻璃制成，有效體積為2.6L，配有水浴夾層。恒溫水箱中的熱水經(jīng)過(guò)水浴夾層循環(huán)使反應(yīng)器溫度保持在35℃。進(jìn)料容器與反應(yīng)器密封以保持厭氧條件。反應(yīng)器以黑布包裹，保護(hù)厭氧氨氧化菌生長(zhǎng)免受光的干擾。

　　將廣口瓶中的Anammox儲(chǔ)存污泥連同蜂窩狀聚乙烯填料一起投加到反應(yīng)器中。該填料平均密度為1100g/L，外形近似圓柱，內(nèi)徑25mm，高12mm，中心至外圓有3層圓，周邊均為鋸齒狀，內(nèi)部由19個(gè)大小近似的孔結(jié)構(gòu)組成，具有較高的比表面積，單位體積填料表面的微生物附著量較高。同時(shí)，其多孔結(jié)構(gòu)也有利于厭氧氨氧化反應(yīng)產(chǎn)生氮?dú)獾呐懦?。附著在填料表面生長(zhǎng)的厭氧氨氧化菌以生物膜形式存在，產(chǎn)氣的沖刷過(guò)程可避免生物膜生長(zhǎng)過(guò)厚，既有利于底物傳質(zhì)，又使微生物處于高活性的生長(zhǎng)階段。

　　根據(jù)Anammox培養(yǎng)基制備模擬廢水，主要成分為(NH4)2SO4和NaNO2，其余組成按表1、表2進(jìn)行配比。定期更換模擬廢水，避免因生物活性或其他因素改變配水組成。儲(chǔ)存污泥激活方式院反應(yīng)器溫度控制在32℃，pH保持7.8~8.0，DO控制在0.05mg/L以下，模擬廢水中的NH4+-N、NO2--N初始質(zhì)量濃度均為50mg/L，水力停留時(shí)間為1d。根據(jù)反應(yīng)器的脫氮性能，逐步提高進(jìn)水NH4+-N和NO2--N至200mg/L，從而逐步提高儲(chǔ)存污泥的Anammox活性。

　　1.3 分析方法

　　采用實(shí)時(shí)定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(RT-PCR)技術(shù)測(cè)定Anammox污泥中的細(xì)菌和AnAOB的細(xì)胞密度，表征Anammox儲(chǔ)存污泥中AnAOB的存活情況。RT-PCR采用AnAOB特征引物AMX809FAMX1066R和細(xì)菌通用特征引物Eub341F-Eub534R。根據(jù)A.Dapena鄄Mora等的研究，采用批示試驗(yàn)測(cè)定Anammox活性。氨氮采用納氏分光光度法(Spectrum722E型可見(jiàn)分光光度計(jì))測(cè)定曰亞硝酸鹽氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法(Spectrum722E型可見(jiàn)分光光度計(jì))測(cè)定曰硝酸鹽氮用紫外分光光度計(jì)法(UV-1700型紫外分光光度計(jì))測(cè)定。pH和DO分別用便攜式pH測(cè)試儀(德國(guó)SartoriusAG)和Model55溶解氧測(cè)試儀(美國(guó)YSI)測(cè)定。混合液的懸浮固體質(zhì)量濃度(MLSS)、混合液揮發(fā)性懸浮固體質(zhì)量濃度(MLVSS)用稱重法測(cè)定。

　　二、結(jié)果與分析

　　2.1 污泥儲(chǔ)存前后的細(xì)胞數(shù)目變化

　　在常溫(20℃)條件下儲(chǔ)存污泥，儲(chǔ)存時(shí)間1個(gè)月。通過(guò)蜂窩狀填料分散儲(chǔ)存污泥，減少污泥堆積密度，減緩儲(chǔ)存期間細(xì)胞自溶及自溶過(guò)程對(duì)污泥的不利影響。儲(chǔ)存期間不添加任何營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，只維持溫度平衡。分別從儲(chǔ)存前(儲(chǔ)存第1天)和儲(chǔ)存后(儲(chǔ)存第30天)的Anammox污泥中取0.5g樣品，進(jìn)行RTPCR測(cè)定污泥樣品的細(xì)菌細(xì)胞密度和AnAOB細(xì)胞密度，結(jié)果見(jiàn)表3。

　　從表3可以看出，細(xì)菌細(xì)胞密度從3.635×10 11mL-1減少到3.012×1011mL-1，細(xì)菌總數(shù)未大量減少。為減少自身能量消耗，大多數(shù)細(xì)菌處于休眠狀態(tài)以維持生存。而AnAOB細(xì)胞密度從2.338×10 11mL-1減少到1.223×10 11mL-1，數(shù)量減少近1/2，其占細(xì)菌總數(shù)的比例也由64.32%減至40.60%，這可能是由于部分AnAOB發(fā)生了自溶。但仍有相當(dāng)一部分AnAOB保存下來(lái)，且儲(chǔ)存污泥發(fā)黑發(fā)臭現(xiàn)象并不明顯。表明在儲(chǔ)存過(guò)程中，蜂窩狀填料分散了Anammox污泥，減少了污泥堆積密度，在一定程度上可減緩自溶過(guò)程，且自溶現(xiàn)象只影響局部，對(duì)整體影響較小。儲(chǔ)存后的污泥中AnAOB占細(xì)菌總數(shù)比例為40.60%，雖然有所減少，但與普通活性污泥相比仍處于較高水平。儲(chǔ)存污泥中較高含量的土著AnAOB有利于Anammox儲(chǔ)存污泥的激活及Anammox工藝的啟動(dòng)。

　　2.2 Anammox儲(chǔ)存污泥激活

　　Anammox污泥在常溫(20℃)下儲(chǔ)存1個(gè)月后作為接種污泥啟動(dòng)裝置，進(jìn)行激活。實(shí)驗(yàn)分2個(gè)階段院?jiǎn)?dòng)階段和負(fù)荷提高階段，通過(guò)NH4+-N和NO2--N的進(jìn)水濃度加以區(qū)分。第1耀15天為啟動(dòng)階段，用恒定的低濃度底物(NH4+-N和NO2--N均為50mg/L)對(duì)儲(chǔ)存污泥進(jìn)行激活，出水NH4+-N和NO2--N逐漸降低，并有NO3--N生成，標(biāo)志Anammox成功啟動(dòng)曰第16耀55天為負(fù)荷提高階段，開(kāi)始提高進(jìn)水濃度，增設(shè)濃度梯度，此階段主要檢驗(yàn)激活的污泥能承受的負(fù)荷。儲(chǔ)存污泥激活過(guò)程的氮素變化見(jiàn)圖2。

　　2.2.1 啟動(dòng)階段

　　在激活過(guò)程中，初始進(jìn)水的NH4+-N和NO2--N為恒定的50mg/L，HRT為1d，溫度控制在35℃，反應(yīng)器pH保持7.8~8。運(yùn)行15d后成功啟動(dòng)Anammox工藝，之后Anammox菌活性不斷提高。

　　吳凱用普通污泥啟動(dòng)Anammox過(guò)程，122d后運(yùn)行穩(wěn)定，NH4+-N和NO2--N平均去除率為86.67%、91.65%。金仁村等以反硝化污泥為接種污泥啟動(dòng)Anammox固定床反應(yīng)器，經(jīng)86d成功啟動(dòng)?？梢?jiàn)儲(chǔ)存污泥作為接種污泥大大縮短反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間，這是由于儲(chǔ)存污泥含有一定量Anammox菌，避免了污泥轉(zhuǎn)換和活性遲滯期，啟動(dòng)進(jìn)程加快。

　　啟動(dòng)階段NH4+-N、NO2--N和總氮隨時(shí)間變化情況如圖3所示。

　　從圖3(a)可知，NH4+-N去除速率由18.73mg/(L.d)提升至40.68mg/(L.d)，去除率由37.46%提高到81.36%曰NO2--N去除速率從39.62mg/(L.d)升至49.67mg/(L.d)，去除率由79.24%提高到99.34%。由此可見(jiàn)，常溫儲(chǔ)存的污泥經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒せ詈?，AnAOB在激活初期能表現(xiàn)出較高的活性，對(duì)NH4+-N和NO2--N的去除均有一定效果曰隨著時(shí)間的推移，NH4+-N和NO2--N的去除率逐步提高，AnAOB的活性得到進(jìn)一步恢復(fù)與提升。由圖3(b)可見(jiàn)，進(jìn)水總氮負(fù)荷保持在100mg/(L.d)，總氮去除速率和去除率變化趨勢(shì)相似，在第5天出現(xiàn)輕微波動(dòng)，可能是由于Anammox活性初期不穩(wěn)定，但總體來(lái)看呈上升趨勢(shì)。總氮去除速率由初始58.32mg/(L.d)提高到83.37mg/(L.d)，總氮去除率從58.32%提高到83.37%。

　　g/(L.d)，總氮去除率從58.32%提高到83.37%。亞硝酸鹽消耗量(NO2--N)與氨氮消耗量(NH4+-N)之比(R1)、硝酸鹽生成量(NO3--N)與氨氮的消耗量(NH4+-N)之比(R2)隨時(shí)間的變化情況見(jiàn)圖4。

　　A.A.vandeGraff等得出R1、R2的理論值分別為1.32、0.26。從圖4可見(jiàn)，實(shí)際R1從起初的2.12逐漸變成1.22，第9天時(shí)其達(dá)到1.33，非常接近理論值1.32，但隨著生物活性逐漸恢復(fù)，當(dāng)活性完全恢復(fù)時(shí)其比值為1.22，略低于理論值，大致接近。I.Tsushima等發(fā)現(xiàn)R1為0.8~0.7時(shí)反應(yīng)裝置的去除效率較高，而R.C.Jin等認(rèn)為1.2時(shí)處理效果最佳，其他學(xué)者也在不同條件下發(fā)現(xiàn)最佳比值在1.32上下浮動(dòng)，大都不等于1.32。從圖4還可看出，R2從0緩慢升高至0.17左右，同樣低于理論值。R1和R2都低于理論值，可能與反應(yīng)裝置的類型、所處環(huán)境條件不同有關(guān)，也與反應(yīng)裝置中的菌種結(jié)構(gòu)和狀態(tài)有聯(lián)系。

　　2.2.2 負(fù)荷提高階段

　　在負(fù)荷提高階段，進(jìn)水NH4+-N和NO2--N由50mg/L逐步提高，經(jīng)過(guò)70、100、150mg/L，最終提高至200mg/L。此階段NH4+-N、NO2--N和總氮隨時(shí)間變化情況如圖5所示。

　　從圖5(a)可以看出，NH4+-N去除率在負(fù)荷提升階段有小范圍波動(dòng)，每次進(jìn)水濃度改變，其去除效果較同期而言較差，然后逐漸恢復(fù)，最終趨于穩(wěn)定，其去除率穩(wěn)定在83%左右。NO2--N去除率也有類似情況，在小范圍內(nèi)波動(dòng)。但與前者相比，NO2--N的波動(dòng)較小，其去除率在穩(wěn)定時(shí)可達(dá)99.99%。NH4+-N和NO2--N的平均去除速率分別為121.97、145.47mg/(L.d)，平均去除率分別達(dá)到82.17%、98.36%。圖5(b)中，總氮去除速率隨總氮負(fù)荷的階梯式提高呈階梯式變化，最大去除速率達(dá)341.43mg/(L.d)，總氮去除率上下波動(dòng)，但總體變化幅度不大，平均為83.90%。

　　負(fù)荷提高階段R1、R2隨時(shí)間變化情況見(jiàn)圖6。

　　由圖6可見(jiàn)，負(fù)荷提高階段R1有小幅波動(dòng)，最大值和最小值分別為1.35、1.13，平均值為1.21，與激活階段的比值大致相等。此實(shí)驗(yàn)條件下Anammox反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量比R1大致為1.21，與理論值非常接近，但仍存在一定差值。進(jìn)水由50mg/L提高到70mg/L初期，R2呈下降趨勢(shì)，在第21天出現(xiàn)最小值0.07，隨著污泥活性的恢復(fù)R2趨于平穩(wěn)，平均約為0.16，低于理論值0.26。R1和R2的實(shí)際值與理論值存在偏差，除與反應(yīng)裝置類型、環(huán)境條件等有關(guān)外，還可能是由于反應(yīng)器內(nèi)AnAOB為優(yōu)勢(shì)菌種，存在少量以NO3--N為電子受體的反硝化菌協(xié)同脫氮。

　　有學(xué)者認(rèn)為，在污泥儲(chǔ)存過(guò)程中添加培養(yǎng)基會(huì)使儲(chǔ)存后的激活效果更好。吳凱在室溫(25℃)下添加培養(yǎng)液(50mg/LNH4+-N和50mg/LNO2--N)，儲(chǔ)存30d、激活15d后，NH4+-N和NO2--N去除率分別為76.7%、95.8%。而本研究在常溫(20℃)儲(chǔ)存Anammox污泥過(guò)程中不加營(yíng)養(yǎng)液，儲(chǔ)存1個(gè)月的Anammox污泥經(jīng)15d激活，NH4+-N和NO2--N去除率可達(dá)81.36%、99.34%。無(wú)培養(yǎng)基條件對(duì)常溫短時(shí)間儲(chǔ)存影響不大，且儲(chǔ)存后的激活效果可能更好。間歇添加營(yíng)養(yǎng)液或緩沖液對(duì)儲(chǔ)存過(guò)程可能產(chǎn)生不利影響。

　　Anammox污泥無(wú)基質(zhì)儲(chǔ)存時(shí)要考慮溫度的影響。較高溫度下儲(chǔ)存，Anammox菌活性較高，代謝較快，致使生物量很快衰減，增加了其恢復(fù)難度，且恢復(fù)后的活性不易達(dá)到儲(chǔ)存前水平，即使是短時(shí)間內(nèi)的儲(chǔ)存也很難恢復(fù)曰過(guò)低的溫度則可能導(dǎo)致細(xì)胞不可逆的凍傷或破裂，也會(huì)使污泥儲(chǔ)存后的細(xì)胞活性難以恢復(fù)。而在適宜溫度下短時(shí)間儲(chǔ)存，可以減緩Anammox菌的衰減，有利于儲(chǔ)存后Anammox污泥活性恢復(fù)。通過(guò)批式實(shí)驗(yàn)研究?jī)?chǔ)存污泥的激活，發(fā)現(xiàn)-20℃下冷凍儲(chǔ)存45d的Anammox污泥雖然仍呈鮮亮的紅色，但對(duì)NH4+-N基本沒(méi)有去除作用，且其出水呈淺紅色。這表明過(guò)低溫度的冷凍儲(chǔ)存會(huì)使一部分厭氧氨氧化菌的細(xì)胞破裂，細(xì)胞色素進(jìn)入出水，喪失活性。有研究分別考察了常溫、中溫、低溫下儲(chǔ)存1個(gè)月后Anammox污泥的活性，發(fā)現(xiàn)常溫儲(chǔ)存污泥的總氮去除率最高。這表明常溫條件對(duì)1個(gè)月的短時(shí)間Anammox污泥儲(chǔ)存可能更有利。本研究表明，常溫(20℃)無(wú)基質(zhì)短時(shí)間(1個(gè)月)儲(chǔ)存可以有效保留相當(dāng)一部分AnAOB，又能避免低溫儲(chǔ)存污泥難以激活的問(wèn)題，且常溫儲(chǔ)存與低溫儲(chǔ)存相比能耗大大降低。因此，常溫?zé)o基質(zhì)短時(shí)間儲(chǔ)存的Anammox污泥可作為一種Anammox菌種來(lái)源，快速啟動(dòng)Anammox工藝。

　　三、結(jié)論

　　(1)常溫(20℃)下Anammox污泥在填充蜂窩狀填料的廣口瓶中儲(chǔ)存1個(gè)月，儲(chǔ)存期間不添加任何外界營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，細(xì)菌密度從3.635×10 11mL-1減少到3.012×10 11mL-1，AnAOB細(xì)胞密度從2.338×10 11mL-1減少到1.223×10 11mL-1，儲(chǔ)存前后細(xì)菌總數(shù)并未減少很多，而Anammox菌的數(shù)量減少了近一半，但Anammox菌在細(xì)菌中仍有40.60%的較高占比。

　　(2)在FBR中以儲(chǔ)存1個(gè)月的Anammox污泥作為接種污泥激活A(yù)nammox反應(yīng)，可使Anammox啟動(dòng)時(shí)間變短。與采用普通活性污泥啟動(dòng)的Anammox相比，沒(méi)有停滯期，啟動(dòng)時(shí)間顯著縮短。接種儲(chǔ)存的Anammox污泥可實(shí)現(xiàn)Anammox工藝的快速啟動(dòng)。

　　(3)激活15d后，進(jìn)水NH4+-N和NO2--N保持在50mg/L，其去除率分別達(dá)到81.36%、99.34%，表明Anammox成功啟動(dòng)。再通過(guò)提高進(jìn)水NH4+-N和NO2--N來(lái)提高進(jìn)水氮負(fù)荷，第55天進(jìn)水NH4+-N和NO2--N均達(dá)到200mg/L，其去除率分別達(dá)到83.52%、99.99%?；瘜W(xué)計(jì)量比R1和R2的平均值為1.21、0.16。反應(yīng)器中Anammox菌為主導(dǎo)菌種，并存在少量反硝化菌強(qiáng)化總氮去除。（來(lái)源：河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院：中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院）