稀土氨氮废水的厌氧氨氧化处理试验研究

董 炎，敬双怡，殷震育，李卫平，杨文焕，于玲红

(内蒙古科技大学，内蒙古 包头 014000)

稀土生产过程中产生大量废水[1]，其中氨氮质量浓度在8～20 g/L之间，若直接排放，不仅造成资源浪费，也对生态环境产生严重威胁[2-3]，需采取有效手段进行处理。

1 试验部分

1.1 试验装置

UASB厌氧氨氧化反应器结构如图1所示。

图1 UASB厌氧氨氧化反应器示意

反应区容积12 L，顶部加盖密封，预留有排气孔。进水口和出水口分别设在底部和距顶部15 cm处。反应器中部为悬浮的厌氧氨氧化活性污泥，底部设有采样口，外部包裹遮光带以防止光线抑制细菌生长，内部安装搅拌器。为加强反应器内的泥水混合，防止进水端反应物浓度过高，采用磁力循环泵循环进水。进水箱安装加热器以确保内部恒温。

1.2 试验废水

试验所用含氨氮稀土废水取自包钢某稀土厂，密封保存，pH为7.7～8.4，硬度60～80 mg/L。废水水质见表1。水样经过0.45 μm滤膜抽滤。

表1 含氨氮稀土废水的组成 mg/L

1.3 试验原理及方法

(1)

废水温度、pH、COD均用便携式溶氧仪测定。污泥样品MLSS、MLVSS均按标准法[10]测定。采用16SrRNA高通量测序技术研究厌氧氨氧化系统中微生物的多样性和群落结构。S1、S2样品分别为引入稀土废水前、后反应器中的颗粒污泥。

2 试验结果与讨论

2.1 水力停留时间对去除率的影响

图2 水力停留时间对去除率的影响

由此可见，水力停留时间对厌氧氨氧化细菌的脱氮效果有较大影响，水力停留时间在16 h以上时，处理效果较好。

2.2 温度对去除率的影响

图3 温度对去除率的影响

2.3 La3+质量浓度对去除率的影响

图4 La3+质量浓度对去除率的影响

2.4 微生物群落结构分析

高通量测序技术可同时获取上百万条DNA，是鉴定微生物种属的有效手段[15]。OTU是经高通量测序后根据序列之间的相似性分成的不同操作分类单元，通过Venn图可直观说明样品的OTU数目组成相似性及重叠情况。如图5所示：废水被引入反应器后，前期运行过程中，污泥中已经成熟的细菌群落结构比较复杂，其中含有1 983条OTU数；而运行至后期，污泥中细菌群落结构相对简单，其所含OTU数只有970条，且仅有315条出现在两者重叠区域，说明反应过程中污泥内的微生物群落变化很大，所取得两样本间的生物多样性相似水平较低。

图5 Venn示意

2.4.1 Alpha多样性分析

Alpha多样性分析是反映微生物群落丰度和多样性的重要手段，其中主要运用了Shannon指数和Simpson指数。Shannon指数越大，说明群落多样性越高，群落结构越复杂；而Simpson指数则与之相反，Simpson指数越大，群落多样性越低。反映群落丰度指数的主要有Chao指数，数值越大，代表微生物群落物种总数越多。Coverage则是指样品文库的覆盖率，其数值越高，越能反映本次测序结果，也就越能代表样本的真实情况。污泥中Alpha多样性相关指数见表2。

表2 污泥中Alpha多样性相关指数

由表2看出：随反应时间延长，反应程度加深；污泥中Shannon指数从3.12降低至1.86，而Simposon指数则从0.19上升至0.39。这表明：随反应进行，废水中所含的稀土元素、有毒有害物质对细菌有毒害作用；加之系统须满足厌氧氨氧化细菌维持生命活动所需的独特环境条件，使大量细菌逐渐被淘汰，微生物群落数量急剧下降的同时，系统内微生物群落结构的丰度及多样性也在逐渐下降[16]。

2.4.2 门水平微生物多样性分析

反应器运行前、后，污泥S1、S2在门分类上的群落结构如图6所示。可以看出：污泥中主要含变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、浮霉菌门(Planctomycetes)、放线菌门(Actincbacteria)拟杆菌门(Bacteroidetes)。无论是在废水处理、厌氧硝化或是在土壤中，变形菌门和浮霉菌门均为最常见的优势菌群，也是主要的脱氮菌群。本研究中，随反应进行，变形菌门和浮霉菌门比例明显降低，因为废水中的有毒物质对其有一定毒害作用；同时系统中的异养菌利用废水中的有机物进行增殖，与其产生竞争，抑制了其生长。

图6 门水平样本的群落结构变化

2.4.3 属水平微生物多样性分析

属水平样本的群落结构分布如图7所示。在处理稀土氨氮废水之后，反应器中的微生物群落中主要存在Thauera、Nitrospira、Thermomarinilinea、Candidatuskuenenia、CandidatusAnammoximicrobium菌属。

图7 属水平样本的群落结构分布

Thauera和Thermomarinilnea为兼性厌氧反硝化细菌属，具有降解多种芳香族污染物的能力。Nitrospira为硝化螺旋均属，可维持自然水体中氮循环体系平衡，对水生植物非常重要。因不适应系统为厌氧氨氧化菌提供的独特环境，多数细菌随反应器运行及La3+的添加而被淘汰出系统。现存少数硝化反硝化菌主要通过分解稀土氨氮废水中有机物进行增殖。在已知的具有厌氧氨氧化能力的6个菌属[17]中，反应器中检测到2个，分别是CandidatusKuenenia和CandidatusAnammoximicrobium。刘哲等[18]在EGSB反应器中培养厌氧氨氧化细菌研究中，只检测到了CandidatusArocadia菌属。这说明，高氨氮废水及高浓度La3+对其他厌氧氨氧化菌属有较大影响，同时不同类型反应器培养出的厌氧氨氧化菌属也有相对明显的差异。

3 结论

采用厌氧氨氧化工艺处理含氨氮稀土废水是可行的。用循环上流式厌氧污泥床反应器，当进水温度在33～36 ℃、pH=7.5、保持16 h以上水力停留时间条件下，NH4-N去除率可达85%。废水中La3+质量浓度低于1 mg/L对anammox菌有可恢复的短期抑制作用；La3+质量浓度大于1 mg/L，其抑制效果十分明显。

系统运行过程中，微生物群落结构丰度及多样性逐渐下降。反应后期，反应器中主要存在浮霉菌门和变形菌门细菌，CandidatusKuenenia和CandidatusAnammoxoglobus两种细菌为系统的优势菌属；同时存在少量兼性反硝化细菌Thauera和Thermomarinilnea，整个系统以厌氧氨氧化菌为主体，各类菌群之间协同合作，使系统对含氨氮稀土废水有较好的脱氮性能。