高磷酸盐含氨的废水处理工艺研究

为了考察磷酸影响前后ANAMMOX细菌丰度的变化, 对抑制前后的污泥进行了定量PCR实验.采用20 μL反应体系, 其中包括0.8 μL上游引物, 0.8 μL下游引物, 2 μL基因组DNA, 0.4 μL ROXⅡ, 2 μL Dntp, 10 μL EXTaqⅡ, 6 μL超纯灭菌水.每个样品重复3次, 取其平均值.反应程序为：95℃预变性5 min, 接40个循环, 每个循环包括95℃变性30 s, 57℃退火30 s, 72℃延伸30 s, 最后延伸5 min.

将提取好的基因组DNA采用PCR扩增后进行纯化回收, 提取的DNA样品用0.8%琼脂糖凝胶电泳进行检测, 然后送入上海生物工程有限公司进行测序, 制作标准品.将制作好的标准品梯度稀释后进行荧光定量PCR(ABI7500, 美国)检测, 得到标准曲线.

2 结果与讨论

        2.1 磷酸盐对厌氧氨氧化污泥活性的短期影响

由图 1可知, 随着进水磷酸盐浓度的升高, 整体氮去除速率呈降低趋势.初始未添加磷酸盐时, 出水NH4+-N、NO2--N、NO3--N浓度分别为5.33、39.5、22.9mg˙L-1, 氮去除速率为368.33 g˙(m3˙d)-1.当进水磷酸盐浓度为0~20mg˙L-1时, 出水NH4+-N, NO2--N浓度有所升高, NO3--N浓度略有降低, 氮去除速率由368.33 g˙(m3˙d)-1下降至323.51 g˙(m3˙d)-1.当进水磷酸盐浓度达到30mg˙L-1时, 出水NH4+-N, NO2--N浓度反而降低, NO3--N浓度升高, 氮去除速率为353.37 g˙(m3˙d)-1.这表明进水磷酸盐浓度在0~30mg˙L-1之间可能存在一个活性刺激阶段, 浓度跨度较小, 未能明显看出.当进水磷酸盐浓度大于30mg˙L-1时, 出水NH4+-N, NO2--N浓度逐步升高, NO3--N浓度逐步降低, 氮去除速率开始逐步下降, 并呈加速下降趋势.当进水磷酸盐浓度大于300mg˙L-1时, 厌氧氨氧化污泥的氮去除速率下降至104.69 g˙(m3˙d)-1, 为接种时的28.4%, 进入稳定抑制阶段.

采用批次实验研究磷酸盐对厌氧氨氧化活性影响的研究中, Jetten等研究表明, 当磷酸盐浓度小于31 mg˙L-1(1 mmol˙L-1)时对厌氧氨氧化污泥活性没有明显的抑制作用, 而当磷酸盐浓度大于62 mg˙L-1(2 mmol˙L-1)厌氧氨氧化污泥活性开始受到影响. Dapena-Mora等研究表明磷酸盐对厌氧氨氧化污泥的半抑制浓度在620 mg˙L-1(20 mmol˙L-1)左右. Oshiki等研究表明620 mg˙L-1(20 mmol˙L-1)的磷酸盐浓度对厌氧氨氧化污泥活性只产生20%的抑制.三者不同的研究成果与本研究存在差异, 分析原因可能与接种污泥的活性、细胞浓度有关(表 3).

表 3 接种厌氧氨氧化污泥差异性对比

可以看出, 接种氮去除速率越高污泥, 所得出的抑制结论就越高. Jetten等接种的活性污泥为反硝化流化床中发现有厌氧氨氧化反应的新生污泥, 脱氮效率很低其中含有大量的反硝化菌; Dapena-Mora等接种的厌氧氨氧化污泥为实验室稳定运行200d的SBR反应器中的污泥, 污泥脱氮效率及ANAMMOX菌细胞浓度更高; Oshiki等接种的厌氧氨氧化污泥则是高脱氮效率反应器内的厌氧氨氧化生物膜, 通过磁力搅拌破碎后的厌氧氨氧化污泥, 其中ANAMMOX菌约占总菌的90%, 且亚硝化细菌(AOB)少于0.1%.而本研究接种污泥所在反应器的脱氮效率在2.0 kg˙(m3˙d)-1左右, 低于Oshiki等接种污泥的氮去除速率, 且ANAMMOX菌占全菌的比例只有50%左右.故相同浓度的磷酸盐得出不同抑制程度的抑制结论也可以解释.

2.2 磷酸盐影响动力学参数拟合

采用Haldane抑制模型拟合磷酸盐抑制的动力学参数, 结果如图 2所示, 拟合所得的最大氮去除速率为502.5 g˙(m3˙d)-1, 半速率常数为2.4 mg˙L-1, 半抑制常数为70.1 mg˙L-1, 相关系数R2=0.93.

图 2 Haldane抑制模型拟合曲线

于德爽等在研究厌氧氨氧化工艺处理含海水污水的亚硝态氮抑制及反应动力学时表明, Haldane模型是最不适合描述全海水条件下NO2--N对厌氧氨氧化菌的基质抑制行为, 原因为存在着海水盐度和NO2--N的双重抑制作用.而本研究拟合得出的相关系数R2为0.93, 拟合度不是很高.原因一方面由于操作及测定误差所致; 另一方面, 磷酸盐的加入导致的不仅仅是磷酸盐的抑制作用, 还有可能是生成其他物质导致的抑制作用, 是一种多重抑制的结果, 故拟合得出的R2相对较低.

2.3 磷酸盐对厌氧氨氧化污泥活性的长期影响

长期影响实验进水基质浓度与短期的相同, 水力停留时间(HRT)为1 d.由图 3可知, 运行初期, 控制进水磷酸盐浓度为30 mg˙L-1时, 出水NH4+-N, NO2--N浓度逐步降低, NO3--N浓度逐步升高, 氮去除速率逐步升高至158.33 g˙(m3˙d)-1, 这表明在磷酸盐低浓度水平下( < 30 mg˙L-1)未对厌氧氨氧化污泥活性产生影响, 在第9~17 d, 将进水磷酸盐浓度升高至50 mg˙L-1时, 整体的氮去除速率略有降低, 并且在经过稳定后有所恢复至141.47 g˙(m3˙d)-1(17 d), 这表明50 mg˙L-1的磷酸盐浓度对厌氧氨氧化污泥影响不大.随后在第18 d将进水磷酸盐浓度升高至70 mg˙L-1, 出水NH4+-N和NO2--N浓度逐步升高至53.25 mg˙L-1和84.89 mg˙L-1, NO3--N浓度降低至13.73 mg˙L-1, 氮去除速率下降至81.63 g˙(m3˙d)-1.这表明此浓度下厌氧氨氧化污泥的脱氮效能开始受到明显的影响.随后在18~32 d内, 进水磷酸盐浓度稳定在70 mg˙L-1, 氮去除速率先下降至81.63 g˙(m3˙d)-1后再上升至133.29 g˙(m3˙d)-1, 但未能恢复到低浓度水平下的氮去除速率.这表明, 此磷酸盐浓度水平下, 厌氧氨氧化污泥需要一个较长的适应期, 并不能快速地恢复.在第33 d, 将进水磷酸盐浓度提高到90mg˙L-1, 出水NH4+-N和NO2--N浓度突然升高至35.90 mg˙L-1和69.87 mg˙L-1, NO3--N浓度降低至14.8 mg˙L-1, 氮去除速率下降至111.46g˙(m3˙d)-1, 在随后的7 d内氮去除速率快速下降至60.49 g˙(m3˙d)-1.这说明随着磷酸盐浓度的升高, 对厌氧氨氧化污泥影响更为明显.在40~53 d内, 磷酸盐浓度稳定在90 mg˙L-1, 氮去除速率逐步上升, 相比与70 mg˙L-1的磷酸盐浓度水平下, 需要更长的时间恢复.在第54 d, 将进水磷酸盐浓度升高至100 mg˙L-1, 出水NH4+-N和NO2--N浓度出现急剧上升, 相应的NO3--N浓度下降至很低的浓度水平, 在55~70 d内, 维持进水磷酸盐浓度不变, 氮去除速率没有明显的恢复, 表明此浓度下厌氧氨氧化污泥进入稳定抑制状态.

在研究磷酸盐长期内对厌氧氨氧化污泥脱氮效能的影响时, 大多数采用连续流的方式.王俊安等、鲍林林等在研究常温低基质条件下磷酸盐对厌氧氨氧化的影响时均得出了较低的抑制结论.前者表明进水TP>10mg˙L-1时会对氮去除速率产生影响, 后者表明TP<5 mg˙L-1时, 磷酸盐浓度对厌氧氨氧化反应没有影响, 当TP在5~7.5mg˙L-1之间时随着磷酸盐浓度的提高氨氮的去除受到抑制, 总氮的去除率降低.两者研究结果均低于本研究所得结论, 分析原因一方面与污泥活性、进水水质有关, 常温条件下厌氧氨氧化污泥活性较低且进水均含有一定量的COD与溶解氧, 存在着硝化反硝化反应.另一方面, 王俊安等研究中磷酸盐浓度提升较快, 各磷酸盐浓度下没有一个稳定期; 而鲍林林等人在TP>5mg˙L-1时出现了氨氮去除率的波动, 看不出此浓度水平下厌氧氨氧化污泥的可驯化性.