研究：模拟厌氧氨氧化处理城镇氨氮废水

厌氧氨氧化作为新型生物脱氮工艺具有节约能耗、污泥产量低、脱氮效率高等优点，已经成功应用于污泥水、渗滤液等高氨氮废水处理。而如何将厌氧氨氧化应用于城镇污水的脱氮处理是目前国内外的研究热点。实现厌氧氨氧化反应的前提是获得稳定的亚硝酸氮作为电子受体，

而城镇污水中氨氮浓度低(20~45  mg˙L⁻¹)，出水水质要求高，通过低溶氧、游离氨或游离亚硝酸抑制等传统方法很难实现稳定的部分亚硝化(partial  nitrification)，且部分亚硝化与厌氧氨氧化联用技术仍不能解决出水中含有大量硝态氮的问题。因此，有研究提出将部分污水中的氨氮首先完全硝化为硝酸盐氮，然后将硝酸盐氮还原为亚硝酸盐氮，从而为厌氧氨氧化的实现提供稳定的电子受体，有望成为未来城镇污水高效低耗脱氮处理工艺，于是对城镇污水的厌氧氨氧化脱氮研究转化为如何将硝酸盐还原与厌氧氨氧化进行高效地耦合。目前认为可能的途径有3条：1)利用厌氧氨氧化菌自身可进行部分硝酸盐异化还原(DNRA)的partial  DNRA-anammox耦合工艺;2)利用反硝化甲烷古菌进行部分反硝化(DAMO)的DAMO-anammox耦合工艺;3)利用异养反硝化菌进行部分反硝化(partial  denitrification)的partial denitrification-anammox耦合工艺。

DNRA-anammox耦合工艺与DAMO-anammox耦合工艺存在控制困难、氧化速率慢、效率低、功能微生物难富集等问题，在实际污水脱氮中的应用还有一定的难度。在反硝化过程中，亚硝酸盐积累是一个普遍存在的现象，可通过选择合适的碳源、控制适宜的碳氮比和反应时间等条件，较易筛选出将硝酸盐仅还原到亚硝酸盐的部分反硝化异养菌，实现亚硝酸盐的稳定积累。部分反硝化与厌氧氨氧化技术联用可以实现同步脱氮除碳，避免了出水中硝酸盐的积累，同时通过部分反硝化途径为厌氧氨氧化反应提供了亚硝酸盐，具有操作简单、运行稳定等优点，有望实现厌氧氨氧化技术在城镇污水处理主流工艺中的应用。

本研究以接种具有高效部分反硝化能力的部分反硝化菌(Thauera)和厌氧氨氧菌(Candidatus  Brocadia)在同一反应器中形成耦合系统，以乙酸钠为碳源，在COD/NO³⁻-N比为2.5，进水NO³⁻-N/NH⁴⁺-N比为1.2的条件下，通过2种污泥的活性计算，使得接种到耦合系统的2种污泥能同时发生部分反硝化与厌氧氨氧化反应，以达到在低COD情况下可同时去除氨氮与硝酸盐的目的。

1 材料与方法

1.1 接种污泥

厌氧氨氧化接种污泥取自稳定运行5年的SBR，总氮(TN)去除负荷为1.7  kg˙(m³˙d)⁻¹，TN去除率为(89.87±0.43)%，污泥呈红棕色，颗粒化程度良好。宏基因组测序[12]结果表明污泥中的优势菌为Candidatus  Brocadia (34.1%)。

部分反硝化接种污泥取自稳定运行1年的SBR，进水COD/NO³⁻-N比为2.5，NO³⁻-N浓度为50  mg˙L⁻¹，NO²⁻-N的积累率稳定在95%。宏基因组测序结果表明，污泥中的优势菌为Thauera (71.85%)。

1.2 实验装置与运行方式

实验装置为工作容积1 L的SBR，通过恒温水浴控制反应器温度为30  ℃左右。实验方式分为批式实验和连续实验。批式实验分4批进行，各批次的厌氧氨氧化菌和部分反硝化菌的污泥浓度及进水条件相同，但NO³⁻-N/NH⁴⁺-N比不同，考察不同NO³⁻-N/NH⁴⁺-N比下TN去除效果。在批式实验的基础上，以最佳NO³⁻-N/NH⁴⁺-N比进行连续实验，考察厌氧氨氧化菌和部分反硝化菌的活性变化。SBR的运行周期为130  min，其中，进水2 min，曝气搅拌100 min，沉淀20 min，出水3 min，闲置5 min。

1.3 实验废水

实验反应器采用人工配制的进水，组分组成：NH₄Cl(以N计) 20~40 mg˙L⁻¹，NaNO₃(以N计) 20~50  mg˙L⁻¹，乙酸钠(以COD计) 60~120 mg˙L⁻¹，KHCO3 500 mg˙L⁻¹，KH₂PO₄ 50 mg˙L⁻¹，CaCl₂˙2H₂O 180  mg˙L⁻¹ ，MgSO₄˙7H₂O 100 mg˙L⁻¹，微量元素Ⅰ、Ⅱ[14]各1 mL˙L⁻¹。

1.4 反应活性的测定方法

厌氧氨氧化反应、反硝化反应及厌氧氨氧化耦合部分反硝化反应的活性测定方法相同，具体操作步骤如下：反应周期结束时，从反应器中取200  mL颗粒污泥混合液，经无氧水淘洗后置于500 mL用锡箔纸包裹的广口瓶中，依据测定的活性不同，加入相应的基质，然后用含微量元素的无氧水定容至400  mL，用橡胶塞塞紧后向瓶内通入高纯氮气(99.999%)以维持厌氧条件。反应pH由PBS缓冲溶液控制在7.5，定时取样，分析测定样品中的NH⁴⁺-N、NO³⁻-N、NO²⁻-N等指标。厌氧氨氧化反应活性测定时起始基质浓度为NH⁴⁺-N  30 mg˙L⁻¹，NO²⁻-N 40 mg˙L⁻¹，KHCO₃ 0.5 g˙L⁻¹;反硝化活性测定时起始基质浓度为NO³⁻-N 30 mg˙L⁻¹，COD  75 mg˙L⁻¹;厌氧氨氧化耦合部分反硝化反应活性测定时所加起始基质浓度为NH⁴⁺-N 30 mg˙L⁻¹，NO³⁻-N 36 mg˙L⁻¹，COD 90  mg˙L⁻¹。耦合反应中用氨氮的氧化速率和硝酸盐的还原速率分别代表厌氧氨氧化菌与部分反硝化菌的活性。

1.5 分析方法

1.5.1 常规指标分析

各项指标均按文献中的方法[15]进行测定：NH⁴⁺-N：纳氏试剂分光光度法;NO²⁻-N：(1-萘基)-乙二胺分光光度法;NO³⁻-N：紫外分光光度法;pH采用雷磁PHS-3C型pH计;MLSS和MLVSS采用重量法。

1.5.2 荧光原位杂交

接种的厌氧氨氧化颗粒污泥中的微生物菌群采用荧光原位杂交法进行分析，具体操作参照文献中的方法[16]进行。颗粒污泥采用冷冻切片机(Leica CM  1950，Germany)进行切片，杂交后的样品通过激光共聚焦显微镜(TCS  SP8，莱卡)进行观察，并在100倍的物镜下采集图像。实验所用探针如表1所示，总细菌采用Eub338mix(为Eub338，Eub338Ⅱ及Eub338Ⅲ三者等体积混合)，厌氧氨氧化菌采用Amx368。厌氧氨氧化菌的定量是在每个污泥样品共随机采集  50 张图像，经 Image-Pro Plus 软件处理后，统计目标微生物占总生物量的比例。

表1 荧光原位杂交实验中监测厌氧氨氧化菌所用探针

1.6 速率及转化效率计算

部分反硝化过程的速率及亚硝氮积累率按式 (1)~(3)计算：

R H, NO³⁻-N =−dC NO³⁻-N dt X RH, NO³⁻-N=−dC NO³⁻-NdtX(1)

R S, NO ^{2 −} −N =dC  NO ^{2 −} −N dt X RS, NO2−−N=dCNO ^{2 −} −NdtX(2)

R J, NO ^{2 −} −N =C t NO ^{2 −} −N −C 0 NO ^{2 −} −N C 0NO³⁻-N −C tNO³⁻-N ×100%  RJ, NO ^{2 −} −N=CtNO2−−N−C0 NO ^{2 −} −NC0NO³⁻-N−CtNO³⁻-N×100%(3)

厌氧氨氧化过程的速率按式 (4)~(6)计算：

R O, NH ^{4 +} −N =−dC NH ^{4 +} −N dt X RO, NH ^{4 +} −N=−dCNH ^{4 +} −NdtX(4)

R H, NO ^{2 −} −N =−dCNO ^{2 −} −N dt X RH, NO ^{2 −} −N=−dCNO ^{2 −} −NdtX(5)

R S, NO ^{3 −} −N =dC  NO ^{3 −} −N dt X RS, NO ^{3 −} −N=dC NO ^{3 −} −NdtX(6)

式中：R H, NO ^{3 −} −N RH, NO ^{3 −} −N 与R H, NO ^{2 −} −N RH,NO ^{2 −} −N   分别为 NO ^{3 −} −N与NO ^{2 −} −N 还原速率，mg˙(g˙h)⁻¹;R O, NH ^{4 +} −N RO, NH4+-N  为NH⁴⁺-N氧化速率，mg˙(g˙h)⁻¹;R S, NO ^{2 −} −N  RS,NO ^{2 −} −N 为NO ^{2 −} −N 生成速率，mg˙(g˙h)−1;R J, NO ^{2 −} −N RJNO ^{2 −} −N   为NO ^{2 −} −N 积累率，%;C NO ^{3 −} −N与CNO²⁻-N分别为NO³⁻-N与NO ^{2 −} −N 浓度，mg˙L⁻¹;C0NOx−-N与CtNOx−-N分别为取样起始与取样t时刻NO ^{2 −} −N 或NO³⁻-N浓度，mg˙L⁻¹;X为污泥浓度，g˙L⁻¹，以VSS计。