无机碳源对零价铁介导的自养脱氮序批式反应器处理高氨氮废水的影响

杨 含，郑 丹，邓良伟，肖友乾，王 虹

(农业农村部沼气科学研究所，四川 成都 610041)

进水碳酸氢盐浓度是影响自养脱氮细菌富集的重要因素，添加过少不能满足自养菌的需要，添加过多会造成处理成本的增加。目前关于无机碳源影响零价铁介导的脱氮体系的相关报道较少，本文拟对ZVI添加体系中无机碳源对脱氮效果的影响趋势以及适宜的无机碳源添加量进行研究，以期为铁型脱氮技术的发展提供理论依据。主要研究内容有：1)探究无机碳源KHCO3添加量对ZVI介导的SBR反应器脱氮效果的影响，获得较适宜的KHCO3添加量；2)通过对微生物活性分析，考察KHCO3添加量对脱氮功能微生物活性的影响。

1 材料与方法

1.1 实验材料

表1 微量元素的组分 (g·L-1)

1.2 实验方法

1.2.1 实验装置及运行参数

实验装置采用4个SBR反应器，每个反应器的有效工作体积为2 L，高度为50 cm，直径为8 cm，由玻璃制成。实验装置如图1所示。SBR反应器底部安装有曝气头，曝气阶段时溶解氧浓度保持在1.0±0.3 mg·L-1。恒温水浴循环系统将反应器温度保持在30 ℃。SBR反应器使用蠕动泵进出水，每周期进出水500 mL，水力停留时间为4 d。SBR反应器采用间歇曝气的方式，每曝气1 h沉淀2 h，一个循环周期为24 h，包括进水15 min，曝气8 h，沉淀15.5 h，出水15 min。每循环周期进水后向反应器分别加入0 g，0.5 g，1 g，2 g的KHCO3，反应器分别命名为R0，R0.5，R1，R2，在反应器运行的第64天向各反应器中均投加30 g·L-1的铁刨花。

图1 SBR反应器装置示意图

1.2.2 分析方法

1.2.2.1 微生物活性实验

在运行稳定期，从各反应器中取污泥进行微生物活性实验，包括氨氧化活性(AOM)、亚硝酸盐氧化活性(NOB)、反硝化活性(DN)和厌氧氨氧化活性(ANAMMOX)，每组活性实验做3个平行。

比反应速率计算如公式1所示:

(1)

式中：v为比污泥速率,mgN·g-1VSS·d-1；C0为反应体系初始基质浓度，mg·L-1；Ct为反应体系t时刻基质浓度，mg·L-1；V表示反应体系体积，L；VSS表示污泥中的VSS浓度，g；t表示反应时间，h。

1.2.2.2 微生物胞外多聚物(Extracellular polymeric substances，EPS)定量分析

在反应运行稳定阶段，取出20 mL活性污泥，以20 KHz，40 W的超声波进行1 min超声匀浆处理。再在4 ℃ 2000 g的离心力条件下离心15 min，弃上清，加入PBS缓冲溶液至20 mL，于恒温振荡箱中振荡1 h；在4℃ 5000 g离心力条件下离心15 min，收集上清液，使用0.45 μm滤膜过滤，得到松散型胞外多聚物的待测溶液(LB-EPS)。然后向上述离心后的沉淀中加入PBS缓冲溶液至20 mL，匀浆后于80 ℃水浴加热1 h；在4℃ 10000 g离心力条件下离心15 min，收集上清液，使用0.45 μm滤膜过滤，得到紧密型胞外多聚物的待测溶液(TB-EPS)。将上述处理后得到的胞外多聚物待测溶液进行蛋白质和多糖含量的测定，蛋白质的含量测定采用Folin-酚试剂法，多糖含量的测定采用硫酸-蒽酮法。

2 结果与分析

2.1 添加无机碳源对氮转化的影响

2.1.1 氨氮去除情况

图2 不同KHCO3添加量反应器的进出水浓度变化

图3 不同KHCO3添加量反应器的去除率变化

2.1.2 氨氮转化产物

图4 不同KHCO3添加量反应器的出水浓度变化

图5 不同KHCO3添加量反应器的出水浓度变化

(2)

2.1.3 总氮去除

图6 不同KHCO3添加量反应器的TIN去除率变化

2.2 pH值变化情况

图7 不同KHCO3添加量反应器的pH值变化

2.3 微生物活性分析

表3 不同KHCO3添加量反应器运行结束时的微生物活性情况 (mgN·g-1VSS·d-1)

2.4 微生物胞外多聚物分析

EPS是微生物在某些特定情况下产生的有机聚合物，由松散结合型的EPS(LB-EPS)和紧密结合型的EPS(TB-EPS)组成[28-29]，它是细胞间合作和交流的介质，参与微生物聚集体的形成，如生物膜和絮凝体，对微生物具有重要意义[14]。在本研究的SBR反应器中，微生物的胞外多聚物主要以紧密型为主，其中紧密型蛋白(TB-EPS PRO)的浓度较高(见表4)。

由表4和图8可知，在添加ZVI之前，反应器中的EPS蛋白含量相对于接种污泥(85.03 mg·g-1VSS)均减少，R0，R0.5，R1，R2的EPS含量分别为41.78，29.89，36.7，39.71 mg·g-1VSS，其中TB-EPS PRO含量分别为30.26，23.84，31.30，36.02 mg·g-1VSS。EPS的产生是微生物对外界环境条件的反应，在不利的环境条件下，如C/N增加或减少，会促使微生物产生较多的EPS，当C/N由20降至4时，LB-EPS中的碳水化合物含量降低了200%，而蛋白质含量增加了300%，导致总EPS含量的增加[29]。本研究中添加无机碳源组的EPS却减少，推测可能的原因是，本研究中微生物生存环境变化太大，由普通活性污泥接种在无机环境中，造成大量异养微生物死亡，微生物浓度显著降低，导致EPS减少。此外，除空白组，无机碳源KHCO3添加量与TB-EPS PRO浓度之间呈明显的正相关，与紧密型胞外多糖(TB-EPS PS)浓度之间呈负相关。有研究指出，胞外多糖大多呈酸性[31-33]，而KHCO3作为强碱弱酸盐，碱性物质的增加可能并不利于酸性胞外多糖的产生，从而使胞外多糖明显减少。

图8 不同KHCO3添加量反应器的微生物胞外紧密型EPS多聚物变化

表4 不同KHCO3添加量反应器的微生物胞外多聚物变化 (mg·g-1VSS)

在添加ZVI之后，反应器中的总EPS和TB-EPS PRO含量都明显增加。经过无机环境的淘汰后，存活的自养微生物适应无机环境，此时添加ZVI对自养微生物产生抑制，微生物产生EPS使细胞与有毒物质减少直接接触而抵御恶劣环境[30]。此阶段无机碳源KHCO3的添加与TB-EPS PRO含量的影响依旧呈正相关，但TB-EPS PS含量随着ZVI的添加而减少，并随无机碳源KHCO3的添加而增加。

图9 不同KHCO3添加量反应器的微生物胞外松散型EPS多聚物变化

3 结论

本研究通过添加不同量的KHCO3以探究无机碳源对ZVI介导的SBR脱氮体系的影响，结果如下：

(2)无机碳源KHCO3可明显提高TIN去除效果，TIN去除的高低顺序是R1>R0.5>R2，SBR反应器R2，R1，R0.5的平均TIN去除率分别为19.01%，32.04%，27.62%，相较于空白组R0(TIN去除率为8.41%)提高了10.60%，23.63%，19.21%。

(3)无机碳源KHCO3的添加量越高，体系pH值越高，KHCO3可中和硝化反应产生的H+，对反应体系具有缓冲作用，可使微生物处于较适宜的酸碱环境中，更有利于反应器的稳定运行。

(4)无机碳源KHCO3可以促进氨氧化细菌的活性，投加量低于2 g时，KHCO3添加量越大其AOM活性越高，但微生物几乎没有NOB活性；此外，0.5 g的KHCO3添加量可提高ANAMMOX活性，过量则会降低ANAMMOX活性，各反应器的微生物还具有ANAMMOX活性和DN活性。SBR反应器中TIN的去除是ANAMMOX和异养反硝化共同作用的结果。