盐度胁迫及K+干预对厌氧氨氧化脱氮性能的影响研究*

姜雯滔 王 闯 王家辉 李 军

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168)

生物法处理含盐废水，过高的盐度会造成质壁分离，细胞失活[4]，对有机物、氮去除产生不利影响[5]。存在于海洋中的耐盐性生物菌种，对含盐废水处理提供了新的方向[6],[7]323,[8]。BORIN等[9]的研究表明，在盐度高达24%的L’Atalante和Bannock盐线上检测到与厌氧氨氧化相关的16S rRNA基因，肼合酶基因(hzsA)的扩增也证实了Bannock中存在厌氧氨氧化菌，为其提供了理论依据。作为一种经济高效且环保的脱氮法，厌氧氨氧化显示出处理高氮含盐废水的潜力[10]。在工程应用中，厌氧氨氧化工艺易受废水中无机盐的影响[11]，反应器长期受盐度胁迫，不仅会降低脱氮性能，还会削弱污泥的沉降能力[12]。通过添加相容性溶质、外源添加拮抗性离子等措施可以提升厌氧氨氧化在高盐度胁迫下的脱氮性能。KARTAL等[13]研究认为，厌氧氨氧化细菌可适应30 g/L的盐度，盐度再高则可逆地抑制厌氧氨氧化菌。于德爽等[14]证实相容性溶质甘氨酸甜菜碱(GB)为0.3 mmol/L时脱氮效率最佳，氮去除负荷(NRR)增加了26.8%，减轻了厌氧氨氧化菌的生长抑制。盐度30 g/L时添加GB，生物适应潜力显著增加[15]。

目前盐度胁迫对厌氧氨氧化菌的影响仍有待进一步研究。研究表明，在含盐废水中添加8 mmol/L K+可对厌氧氨氧化生物系统起到促进作用，但K+作为外源拮抗性离子对高盐度胁迫影响的机理亟待研究[16-17]。本研究通过梯度添加NaCl实现高盐度胁迫，然后梯度添加KCl研究盐度胁迫下K+干预厌氧氨氧化菌脱氮性能的影响机理，为厌氧氨氧化处理高盐废水及强化厌氧氨氧化脱氮性能提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置

主要反应器是有效容积为7 000 mL的升流式污泥床反应器(UASB)，材料为有机玻璃，单侧贴黏性的保温板，来实现对水浴加热区的避光和保温作用，电子温度计实时监测温度。反应器见图1。

图1 UASB反应器Fig.1 UASB reactor

1.2 接种污泥与配水

本试验采用成熟污泥菌种流加的方式快速启动反应器，启动成功后氨氮、亚硝态氮的去除率可达到89.83%、97.77%。

试验均采用人工配水，氨氮、亚硝态氮由NH4Cl和NaNO2配置成均为150 mg/L左右，NaHCO3为1.0 g/L，MgSO4为0.2 g/L，KH2PO4为0.027 2 g/L，CaCl2为0.3 g/L。微量元素Ⅰ和Ⅱ各为1 mL/L。考察盐度胁迫时添加NaCl，NaCl为0～30 g/L，考察K+外源干预时添加KCl，KCl为0～30 mmol/L。

1.3 分析方法

氨氮，纳氏试剂分光光度法；亚硝态氮，N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；硝态氮，紫外分光光度法；总氮，碱性过硫酸钾消解法；混合液悬浮固体浓度(MLSS)、混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)，称重法；胞外聚合物(EPS)，NaOH热提取法；蛋白质(PN)，考马斯亮蓝标准方法；多糖(PS)，蒽酮比色法。

1.4 试验方法

中温控制在(30±2) ℃，水力停留时间(HRT)为7.63 h。盐度胁迫厌氧氨氧化污泥影响试验的盐度梯度提升分为6个阶段。Ⅰ阶段，0 g/L；Ⅱ阶段，5 g/L；Ⅲ阶段，10 g/L；Ⅳ阶段，15 g/L；Ⅴ阶段，20 g/L；Ⅵ阶段，30 g/L。

在30 g/L盐度胁迫下梯度添加K+的外源干预试验分为5个阶段。Ⅰ阶段，0 mmol/L；Ⅱ阶段，5 mmol/L；Ⅲ阶段，10 mmol/L；Ⅳ阶段，15 mmol/L；Ⅴ阶段，20 mmol/L。

观察和分析盐度胁迫各个阶段厌氧氨氧化菌的颗粒特性及脱氮性能，分析K+外源干预对高盐度胁迫的影响，并确定最优促进点。

2 结果与讨论

2.1 盐度胁迫过程脱氮性能变化

盐度胁迫过程历时两个月，氨氮、亚硝态氮质量浓度及去除率见图2、图3。Ⅰ阶段为稳定阶段，氨氮、亚硝态氮含量及去除率为最优态，Ⅱ阶段基本保持不变。Ⅲ、Ⅳ阶段为小幅度变化阶段，污泥少量上浮，在Ⅳ阶段恢复后氨氮和亚硝态氮去除率稳定在84.12%、89.06%。结果表明前4个阶段盐度对厌氧氨氧化菌影响较小，菌体通过自身调节可逐步适应，盐度0～15 g/L为厌氧氨氧化菌的耐受范围。

Ⅴ阶段盐度提升至20 g/L，氨氮、亚硝态氮含量及去除率处于明显波动阶段，脱离盐度耐受范围，污泥大批上浮，氨氮和亚硝态氮去除率均降至30%左右，对菌体抑制明显，可能是此盐度导致外界环境的渗透压大于细胞内部渗透压，部分菌体细胞结构被破坏，发生菌体自溶[18]。筛选出不能适应此盐度环境的菌群后去除率恢复，部分污泥颗粒呈褐色，上浮污泥中有黑色的颗粒污泥。Ⅵ阶段是复筛选阶段，波动幅度大，恢复周期长，对厌氧氨氧化脱氮性能产生明显抑制，污泥二次上浮，污泥含量持续降低，颜色变暗红色。

图2 进出水氨氮质量浓度及去除率Fig.2 Ammonia nitrogen mass concentration in influent and effluent and its removal rate

将Ⅵ阶段上浮污泥重新接种于反应器，短时间内颗粒污泥再次上浮，可能是因为高盐度胁迫对厌氧氨氧化菌具有不可逆抑制作用，上浮污泥不具有活性。这表明高盐度影响下污泥含量及脱氮性能已经很难维持稳定态，即30 g/L盐度已达到厌氧氨氧化菌承受能力极限。

2.2 盐度胁迫过程总氮去除率及负荷变化

氮负荷率(NLR)、NRR及总氮去除率变化见图4。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ阶段，盐度为0～15 g/L，前4个阶段的NRR平均值在0.99 kg/(m3·d)左右，Ⅳ阶段总氮去除率波动降至89%左右，阶段变化不明显，厌氧氨氧化菌自我调节，逐渐适应盐度环境，保持较高的总氮去除率和NRR。

图4 NLR、NRR及总氮去除率Fig.4 NLR,NRR and total nitrogen removal rate

Ⅴ、Ⅵ阶段为反应器敏感阶段，厌氧氨氧化菌受此盐度影响较大，NRR及总氮去除率呈两次断崖式波动下降，且恢复期较长，污泥沉降性差，仅少部分厌氧氨氧化菌能适应此盐度环境，恢复后仍有75.34%的总氮去除率。NRR从整个阶段的峰值1.10 kg/(m3·d)降至Ⅵ阶段最终的0.83 kg/(m3·d)。

2.3 盐度胁迫过程污泥颗粒形态及浓度变化

MLSS和MLVSS是检测污泥性能是否良好的重要指标，MLVSS、MLSS及MLVSS/MLSS变化见图5。梯度盐度胁迫阶段MLSS和MLVSS呈先增大后减小的趋势，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ阶段MLSS和MLVSS均保持较高水平，0～15 g/L盐度在厌氧氨氧化污泥的耐受范围内，MLVSS/MLSS稍有下降。Ⅱ阶段达到MLVSS峰值，5 g/L盐度一定程度促进了厌氧氨氧化，可能NaCl的加入加快了细胞的离子反应速率。金仁村等[7]326的研究也表明低浓度的盐可促进厌氧氨氧化，5 g/L NaCl作用下，厌氧氨氧化活性(SAA)提高了49%。

图5 MLSS、MLVSS及MLVSS/MLSS变化Fig.5 Changes of MLSS,MLVSS and MLVSS/MLSS

Ⅴ阶段，MLSS和MLVSS含量骤减，不耐此盐度的菌体被筛选淘汰，MLVSS/MLSS降至0.8以下，MLVSS含量较低，对厌氧氨氧化菌脱氮抑制明显，颗粒颜色变深，可能部分厌氧氨氧化菌因盐度过高而破裂，污泥解体；同时盐度过大，颗粒状污泥密度增大也是致使污泥大量上浮的因素。Ⅵ阶段盐度提升至30 g/L，MLVSS持续降至4 711.52 mg/L，且大颗粒污泥解体成小颗粒，污泥二次上浮，上浮污泥不具脱氮性能。

2.4 盐度胁迫过程PN、PS变化

厌氧氨氧化菌在极端的环境下产生更多的EPS来抵御极端的环境[19-20]。在整个盐度胁迫阶段PS、PN及PS/PN变化见图6。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ阶段，耐受范围内PS、PN及PS/PN略微提升，可能是厌氧氨氧化菌为抵御盐度环境而释放EPS使PS和PN增加。PS有亲水性且带有负电性的官能团，PN有疏水带正电性的官能团，EPS的释放有利于负电性的厌氧氨氧化菌颗粒化。

注：PS、PN均以单位质量MLVSS计。图6 PS、PN及PS/PN变化Fig.6 Changes of PS,PN and PS/PN

Ⅴ阶段PS和PN分别升至171、44 mg/g，可能部分菌体难以抵御盐度的胁迫而破裂，PS、PN外溢，同时高盐度废水具有较高的导电性，细菌本身也具有负电性，有利于颗粒污泥的形成，污泥凝聚成大颗粒的同时，生成的氮气无法排出，污泥密度减小而上浮。Ⅵ阶段PS和PN含量降低，PS/PN持续走高，可能是因抵御盐度胁迫而破裂的菌体减少，污泥沉降性能差，脱氮性能不理想，30 g/L盐度对厌氧氨氧化菌产生了严重的抑制。

2.5 K+干预过程脱氮性能变化

30 g/L盐度下K+干预，氨氮和亚硝态氮质量浓度及去除率变化见图7、图8。Ⅰ阶段为稳定运行阶段，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ阶段氨氮去除率上升，不同程度促进厌氧氨氧化菌脱氮性能，在5 mmol/L K+干预时，氨氮和亚硝态氮去除率分别升至83.53%、89.52%，为干预过程中的最佳促进点。可能在K+干预下，细胞积累K+抵抗盐度的胁迫，开启主动运输通道(Na+-K+泵)进行自我调节。Na+-K+泵的存在使得细胞主动进行Na+的排放以及K+的吸收从而维持良好的细胞活性。同时K+也是酶合成的重要组分，会促进厌氧氨氧化关键性脱氢酶的合成。

图7 K+干预下进出水氨氮质量浓度及去除率Fig.7 Ammonia nitrogen mass concentration in influent and effluent and its removal rate after K+ intervention

图8 K+干预下进出水亚硝态氮质量浓度及去除率Fig.8 Nitrous nitrogen mass concentration in influent and effluent and its removal rate after K+ intervention

Ⅴ阶段20 mmol/L K+干预下，氨氮和亚硝态氮去除率分别降至70.13%、73.87%，已经抑制厌氧氨氧化菌，可能K+浓度过高会造成细胞渗透压紊乱，细胞活性变差，导致菌体脱氮性能下降。结果表明0～15 mmol/L K+对厌氧氨氧化有不同程度的促进作用，5 mmol/L K+为最佳促进点，20 mmol/L K+出现了抑制。

2.6 K+干预过程总氮去除率及负荷变化

K+干预过程NLR、NRR及总氮去除率变化见图9。NRR及总氮去除率随着K+浓度提升呈先上升后下降的趋势。5 mmol/L K+最佳促进点下总氮去除率提升至86.22%，总氮去除率较K+未干预时提升10.88百分点。NRR可达0.95 kg/(m3·d)，较不添加K+提升了0.12 kg/(m3·d)。在20 mmol/L K+干预下，NRR降至0.79 kg/(m3·d)，总氮去除率降至72.08%。一定浓度的K+可以缓解高盐度的抑制，促进酶活性，保持细胞渗透压稳定，增强反应器脱氮性能，但过高的K+使酶活性紊乱，菌体很难保持理想状态。

图9 K+干预下NLR、NRR及总氮去除率Fig.9 NLR，NRR and total nitrogen removal rate after K+ intervention

3 结 论

(1) 盐度胁迫过程中厌氧氨氧化污泥MLSS、MLVSS先增大后减少；0～15 g/L盐度为菌体耐受范围，在Ⅳ阶段恢复后氨氮和亚硝态氮去除率稳定在84.12%、89.06%，NRR峰值为1.10 kg/(m3·d)；PS和PN含量先升高后降低；盐度20 g/L时PS/PN激增，污泥沉降性能差，上浮污泥不具活性；30 g/L盐度下，脱氮性能波动幅度大且恢复期长，污泥颜色变暗红，NRR降至0.83 kg/(m3·d)。

(2) 高盐度条件下0～15 mmol/L K+干预对厌氧氨氧化菌有不同程度的促进作用；菌体细胞开启主动运输通道(Na+-K+泵)自我调节，进行K+的吸收及Na+的排放；5 mmol/L K+为最佳促进点，总氮去除率为86.22%，较0 mmol/L K+干预时总氮去除率提升了10.88百分点，NRR从0.83 kg/(m3·d)提升至0.95 kg/(m3·d)；20 mmol/L K+干预出现抑制。