碳氮比对短程反硝化及胞外聚合物的影响

2021-01-08钱九州李海波宋圆圆郭建博

天津城建大学学报 2020年6期

钱九州，韩懿，夏良，谢珍，李海波，宋圆圆，郭建博

（天津城建大学a.环境与市政工程学院；b.天津市水质科学与技术重点实验室，天津300384）

厌氧氨氧化（Anammox）工艺是一种经济环保的新型生物脱氮技术，其以氨氮作为电子供体，亚硝酸盐作为电子受体，直接将氮化合物还原为氮气[1].因而采用Anammox 工艺处理含氮废水受到很多研究者的青睐，但是Anammox 工艺对进水浓度要求较高，严重限制了该工艺应用的广度[2-3].因此，急需开发辅助工艺，解决稳定供给的问题.

本研究采用上流式厌氧污泥床（UASB）反应器，拟通过不同的C/N 对短程反硝化系统进行实验研究，对比分析UASB 反应器在不同C/N（3.0/1，2.7/1，2.5/1，2.2/1）条件下对短程反硝化性能的影响，和该过程中短程反硝化泥EPS 含量变化的响应；同时进行反加批次瓶装实验来进一步探究EPS 对短程反硝化的作用.旨在探索C/N 对短程反硝化及EPS 的影响及EPS 对短程反硝化的作用，为今后主流Anammox 工艺的应用提供一定的理论基础和思路.

1 材料与方法

1.1 实验装置和实验污泥

反应器采用上流式厌氧污泥床反应器（UASB，见图1），由有机玻璃制成，直径为10 cm，总高度为29 cm，总容积为4.5 L.实验污泥采用实验室驯化16 天得到的短程反硝化污泥，其中短程反硝化菌中Thauera 丰度为15.42%. 反应器由底部进水，进水桶分为硝酸盐进水桶和COD 进水桶，以连续流的方式运行.反应器运行期间通过加热带维持温度（25±1℃）.

1.2 实验废水

图1 UASB 反应装置

实验采用合成废水，其组成:KH2PO40.01 g/L、CaCl2·2H2O 0.01 g/L、MgSO4·7H2O 0.30 g/L；微量元素浓缩液Ⅰ、浓缩液Ⅱ各1.25 mL/L.微量元素浓缩液Ⅰ的成分:EDTA 5.00 g/L、FeSO45.00 g/L. 微量元素液Ⅱ成分:EDTA 15.00 g/L、H3BO40.01 g/L、MnCl2·4H2O 0.99 g/L、CuSO4·5H2O 0.25 g/L、ZnSO4·7H2O 0.43 g/L、NiCl2·6H2O 0.19 g/L、NaSeO4·10H2O 0.21g/L、NaMoO4·2H2O 0.22 g/L.硝酸盐和化学需氧量（COD）以NaNO3和无水乙酸钠提供，浓度按照实验需要配置. 所用药品均为分析纯.

1.3 实验内容

UASB 反应器采用上述合成废水模拟高浓度硝酸盐工业废水，初始水力停留时间（HRT）定为4.1 h，控制初始进水硝态氮为200 mg/L.实验通过改变不同的进水COD 来改变进水碳氮比（C/N），考察不同C/N（3.0/1，2.7/1，2.5/1，2.2/1）下短程反硝化的性能，胞外聚合物（EPS）产量. 分析C/N 与短程反硝化性能及EPS 的关系，具体实验过程如表1 所示.

表1 实验过程

反加批次实验1，反应器采用500 mL 血清瓶，使用去除EPS 后的短程反硝化污泥作为实验污泥.将污泥均分到装有合成废水的血清瓶中，分别加入10 mg/L的多糖（PS）和蛋白质（PN）.批次实验分别以海藻酸钠和牛血清白蛋白作为PS 和PN[13].设置一组空白对照组.测定硝态氮的还原速率和亚硝态氮的积累速率.实验设有3 组平行对照，结果取平均值.

反加批次实验2，反应器采用250 mL 的锥形瓶，加入等量的短程反硝化菌液和合成废水，分别加入10 mg/L 的PS 和PN.批次实验分别以海藻酸钠和牛血清白蛋白作为PS 和PN[13].设置一组空白对照组.OD600是利用细菌的吸光来测量细菌培养液的浓度，所以通常用来判断细菌的生物量.每两小时测定一次锥形瓶中的OD600，判断细菌的生长速率.实验设有3 组平行对照，结果取平均值.

1.4 亚硝态氮积累率（NAR）计算方法

本实验中，对于亚硝态氮积累率（NAR）的计算，可根据下式

式中:NAR 为亚硝态氮积累率，%；C亚硝态氮，出水为出水时的亚硝态氮浓度，mg/L；C硝态氮，出水为出水时的硝态氮浓度，mg/L.

1.5 分析方法

2 结果与讨论

2.1 C/N 对短程反硝化性能的影响

C/N 分别为3.0，2.7，2.5，2.2 时短程反硝化过程中的还原，的积累和COD 去除性能的变化如图2 所示.从图中可以看出，在4 种C/N 下，均有不同程度的积累. 当C/N 为3.0（1—7 d）时，由于更改进水C/N，短程反硝化污泥需要适应新的水质.因此，初始的NAR 只有25.55%，出水低于5 mg/L. 经过2 d 的适应期之后，平均出水和NAR 分别增长至68.96 mg/L 和87.79%，说明短程反硝化菌的适应能力强，可以快速适应环境，恢复活性.之后的5 d 运行趋于稳定，平均出水和NAR 分别稳定在65.92 mg/L 和87.79%.但是出水含量较低（4.19 mg/L），而且出水中还残留着大量的COD（53.31 mg/L）.这个现象说明C/N 为3.0 时，短程反硝化过程含有过量的COD，导致部分被完全反硝化还原成氮气.因此，可以通过进一步减少进水COD的含量来提升的产生量和积累量.当C/N 减少为2.7 时，初始的NAR 从86.72%降低至78.13%，而出水从65.92 mg/L 上升至72.04 mg/L. 经过短程反硝化菌5 d 的适应期之后，平均NAR 和出水进一步增长至83.19%和98.67 mg/L. 这个现象说明降低进水COD 的含量可以提升的累积量.当C/N 为2.5 时，出水仅从98.67 mg/L 增长至99.38 mg/L，而NAR 则从83.19%快速下降至76.52%.NAR 明显降低但是出水浓度小幅上升，这个现象需要进一步的研究来解释.进一步降低C/N 至2.2，平均出水和NAR 进一步降至90.90 mg/L 和65.50%.运行8 d 后，短程反硝化总体性能出现恶化，平均出水和NAR 进一步降至80.23 mg/L 和62.10%.这可能是由于碳源不足和高的毒害作用[8]，导致大量短程反硝化菌裂解死亡（见表2，eDNA 14.53±1.43 mg/g MLVSS）.

2.2 C/N 对短程反硝化EPS 的影响

2.3 EPS 对短程反硝化的性能影响分析

表2 C/N 对短程反硝化的EPS 的影响

图2 不同C/N 下短程反硝化的性能

图3 PN 和PS 对短程反硝化性能和细菌生长曲线的影响

EPS 的主要成分是PS 和PN[11].因此，采用500 mL的血清瓶，通过分别反加PS 和PN 的批次实验来探究EPS 对短程反硝化的性能影响.如图3a 所示，空白组和反加PN 实验组的在24 h 内没有完全被还原，而反加PS 实验组的在24 h 内被完全还原.同时可以看出的还原速率在10 h 前后有明显的变化，这可能与反应器中的积累的含量有关. 对比三组数据，反加PS 实验组的还原速率最快. 根据计算，反加PS 的实验组的还原速率约为空白组的1.03 倍. 这说明PS 可以加速短程反硝化过程中的还原. 如图3b 所示，反加PS的实验组的在前10 h 内快速积累，达到了峰值（79.7 mg/L），在随后的14 h 内基本保持平稳.相较于空白组的在第22 h 达到的峰值（71.32 mg/L），反加PS 实验组的积累速率明显提升2.4 倍，同时积累量也有了小幅的上涨. 结合图3c 中的反加PS 实验组的NAR 变化，可以得到PS 可以加速短程反硝化菌对的还原和的积累，提升的最大积累量. 这些结果也解释了2.1 中C/N减少为2.5 时NAR 下降，却上升的原因.这主要是随着C/N 从2.7 减少为2.5，碳源含量进一步降低导致出水含量增高（见图2a），因此NAR 下降，但PS 的含量明显增加（见表2），PS 的增加促使出水含量的提升.如图3d 所示，采用250 mL 的锥形瓶，通过分别反加PS 和PN 的批次实验来探究EPS对短程反硝化菌生长的影响.其中，反加PN 和PS 实验组的OD600均高于空白组. 反加PN 实验组的OD600在6 h 时达到峰值（0.30），而反加PS 实验组和空白组的OD600在8 h 时才达到峰值（0.25，0.23）. 反加PN 实验组细菌的生长速率大约是空白组的1.79 倍，同时细菌的总量相较空白组也出现明显的上升.反加PS 组也有类似的促进作用，但作用效果不明显.因此，PN 可以促进短程反硝化菌的生长.综上所述，EPS 可以作为生物添加剂强化短程反硝化的性能.