厌氧氨氧化反应器的启动实验研究

2022-02-23卢宏博魏海峰

环境科学导刊 2022年1期

卢宏博，夏宁，魏海峰

(1.大连海洋大学水产与生命学院，辽宁大连116023；2.大连海洋大学海洋科技与环境学院，辽宁大连116023；3.辽宁省近岸海洋环境科学与技术重点实验室，辽宁大连 116023)

0 引言

随着社会经济的飞速发展，越来越多的含氮化合物排入水体，造成氮素的积累，使生物圈氮素循环失衡。常规的废水脱氮工艺(硝化和异养反硝化脱氮工艺)存在耗能高、工艺流程长和抗冲击负荷能力弱等缺点[1]。近年来，随着生物脱氮理论的出现[2]和相关技术的发展[3-4]，以厌氧氨氧化工艺和短程硝化工艺为代表的新型生物脱氮技术已成为废水脱氮领域的热点话题[5-7]。该工艺无需外加碳源和曝气供氧，与传统常规脱氮工艺相比，运行费用节省近40%，产泥量减少了90%[8]，是低耗高效的新型生物脱氮技术，也是水污染治理的新发展方向。

综上，我国研究者主要从厌氧氨氧化反应器的启动、对厌氧氨氧化反应器的影响因素、微生物特征及菌种的功能三个方向进行了理论层次的大量实验室研究[16]，但对反应器启动阶段各环境指标的变化特征和在实际工程中的应用研究报道较少。同时在废水生物处理系统中，厌氧氨氧化菌丰度较低，获取足够量且活性高的接种物是目前厌氧氧化工艺工程应用所面临的重大挑战。本文以城市污水处理厂活性污泥为接种污泥，旨在从机理上探究并解释厌氧氨氧化反应在启动过程中水质的pH变化、脱氮速率的变化和氮素相互的转化等现象，并借助荧光原位杂交技术(FISH)鉴定分析活性污泥菌群的组成，为厌氧氨氧化工艺的工程应用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 实验装置及运行

采用如图1所示的固定床反应器模拟厌氧氨氧化反应器进行实验。固定床反应器由有机玻璃柱制成，上端加盖，反应器分为上、中、下三个区域。上层区域设有进水口和出水口，中层区域内填有无纺布，下层区域内填有悬浮颗粒生物填料。加入填料是为便于活性污泥中微生物的附着及增加微生物与水的接触表面积。通过外置超级恒温水浴箱，使水温控制在(30±1)℃。反应器外包裹一层黑布，为微生物营造适宜的生殖环境。

图1 ANAMMOX反应器及工艺流程示意图

1.2 人工废水

1.3 化学分析

活性污泥菌群的组成鉴定分析采用荧光原位杂交技术(Fluorescence in situ hybridization,FISH)进行，FISH基本原理是：如被检测的染色体或DNA纤维切片上的靶DNA与所用的核酸探针是同源互补的，二者经变性-退火-复性，即可形成靶DNA与核酸探针的杂交体。FISH实验中使用的探针具体组成及杂交条件[10]如表1所示，探针由大连宝生物工程有限公司合成。

表1 FISH实验中所用探针及杂交条件

其中探针Eub338plus为真细菌的通用探针，采用Cy3荧光染料5’末端标记，激发和发射波长分别为543nm、570nm，呈红色，作为FISH实验中杂交的阳性对照；Pla46是浮霉状菌(Planctomycetes)的通用探针，采用Cy5荧光染料5’末端标记，激发和发射波长分别为630nm、670nm，呈紫色；异硫氰酸荧光素(FITC)是目前应用最广泛的荧光素，主要用于荧光抗体技术中，能和各种抗体蛋白结合，且结合后的抗体不丧失与一定抗原结合的特异性[17]，本文以FITC为荧光染料在5’末端标记，设计命名探针1102，激发和发射波长分别为488nm、528nm，呈绿色，实验中采用共聚焦荧光显微镜观察杂交结果。

2 结果与讨论

2.1 出水pH的变化

图2 ANAMMOX反应器运行过程中出水pH值随时间变化情况

2.2 启动阶段氮的变化情况

图3 ANAMMOX启动过程中进出水浓度及去除率变化

2.2.2 启动ANAMMOX反应器阶段亚硝酸氮的变化情况

图4 ANAMMOX启动过程中进出水浓度及去除率变化

2.2.3 启动ANAMMOX阶段氮素的转化

图5 ANAMMOX启动过程中出水中及浓度的变化

2.3 反应器填料及污泥颗粒度

2.3.1 反应器填料

大量研究[32-33]表明，以无纺滤布作为填料，在反应器运行的1a中，厌氧氨氧化反应出现在运行的第50d后，第247d时总氮去除率达到 26.0kg/(m3·d)，这是目前报道中最高的氮去除负荷。本试验中在反应器启动时，反应器中间区域先填入无纺布，在第34d时，再向反应器最下层填入悬浮颗粒生物填料。

图6为附着AAOB菌群的无纺布聚酯纤维丝的扫描电镜照片，由于无纺布聚酯纤维丝的孔隙率很大，纤维丝间互相缠绕交叠特点，使此材料的表面附着能力增强，可使得AAOB有效地附着在其表面，加快AAOB的培养速度。同时此填料还有抗冲击力强、提高了系统的传质效率等优点，此外无纺布有巨大的比表面积和恰当的比重，不仅为异养细菌生长提供了空间，而且最大限度地降低能耗，为自养型细菌的生长创造了条件，为生物脱氨氮奠定了坚实的基础。

2.3.2 ANAMMOX反应器污泥颗粒度

通过测量可以观察到实验时间内污泥颗粒的变化情况，所测污泥粒径的比表面积为0.081m2/g，表面积平均粒径为70.544μm，体积平均粒径为155.805μm。污泥颗粒的形成有利于增加污泥的比表面积、代谢基质的传递，调高反应器的氨去除负荷和抗冲击能力，同时污泥颗粒的出现使反应器具备构件混合菌种协作能力的潜力，混合菌种协作能力是有助于消除AnAOB敏感的不利因素，可降低AnAOB的繁殖环境条件要求。

2.4 FISH技术对反应器菌群的鉴定

利用FISH技术将反应器的活性污泥菌群组成进行鉴定，并在共聚焦荧光显微镜下观察反应器中的菌群并进行鉴定。图7中红色表示全菌，蓝色代表浮霉菌，绿色代表AAOB，因水体中含有其他的能量源，供微生物繁殖和能量的转化[34-35]，从右下角的三色叠加图，可看出绿色斑点的数量较少，但是浮酶菌的数量相对较多[36]。图中呈现的AAOB数量较少，有大量其他细菌存在，可以得出反应器中已存在AAOB，反应器启动取得一定的成效，但AAOB数量极少，仍需继续进行培养。