室温条件下电场缓解高氮负荷抑制厌氧氨氧化性能的研究*

张 驰 王 超 沙宏举 胡筱敏

(1.沈阳建筑大学市政与环境工程学院,辽宁 沈阳 110168;2.东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819)

厌氧氨氧化(Anammox)工艺作为一种新型的脱氮工艺,与传统脱氮工艺相比,具有能耗低、无需额外投加有机物和氧气供给等优点[1-4]。当Anammox工艺处理畜禽养殖废水、垃圾渗滤液和味精废水等高氮低碳废水时,进水氮负荷过高无法及时降解,使亚硝酸盐等有毒含氮物质不断在微生物细胞内部累积,导致Anammox细菌活性降低。有学者通过使用新型反应器添加金属离子或利用特殊填料强化Anammox反应[5-6],有些则通过提高Anammox细菌活性提高氮处理负荷,然而上述方法均需依赖外源物质,不仅易造成水体二次污染,氮处理负荷也仅在5～8 kg/(m3·d)[7-8]。如何提高Anammox细菌活性且不污染水体,使氮处理负荷提高到10 kg/(m3·d)以上,目前仍少有报道。

外加电场可以有效提高微生物活性,目前被广泛应用于废水治理领域。WANG等[9]发现,电场能够为微生物燃料电池(MFC)提供能量,有效降解溶解性有机碳(DOC);而且电场能够通过降低可溶性微生物产物(SMP),对沉积污垢的降解起到积极作用。电场通常作用在微生物细胞膜表面,容易“击穿”细胞膜进而造成细胞凋亡、微生物灭活,但当电场强度降低到一定程度时,损伤的细胞膜可以恢复。电场不仅对细胞膜有影响,对核膜和细胞器膜也有影响。因此,适当的电场强度能够通过改变细胞膜的渗透性和厚度提高离子转移速度[10-11]。然而,施加电场能否在室温条件下提高Anammox细菌的活性以用于处理高氮负荷废水,以及废水在生物处理过程中,究竟是电场还是微生物起主要作用仍需深入探究。

为此,本研究采用全混合厌氧反应器(CSTR)构建Anammox系统,在60 d的运行过程中逐步提高进水总氮(TN)浓度,使氮负荷逐步从3.43 kg/(d·m3)提高到15.93 kg/(d·m3),分析施加电场对Anammox脱氮效果以及关键酶活性的影响,以期探寻一种能够有效缓解高氮负荷对Anammox系统抑制作用的方法。

1 材料和方法

1.1 试验装置

试验所采用的CSTR装置见图1。CSTR材质为有机玻璃,容积约1.2 L,外部用黑塑料布包裹,不设置水浴恒温器,室内温度约(25±3) ℃。试验设置2组平行反应器,均接种较为成熟的Anammox污泥约200 mL,并向进水桶中通入N2以去除水中溶解氧(DO),其中R1施加脉冲电源(脉冲电压1.5 V、脉冲频率1 000 Hz、占空比50%),R2为未接通电源的对照组,R1、R2内均设有钛电极板以消除对照试验中极板的干扰。反应器采用底部进水、顶部出水的方式,采用隔膜计量泵连续供水,维持水力停留时间约为2.4 h。

1—电源;2—进水桶;3—隔膜计量泵;4—钛阴极板;5—钛阳极板;6—搅拌器图1 CSTR试验装置Fig.1 Diagram of CSTR experiment apparatus

1.2 试验配水

试验进水采用人工模拟废水,由于Anammox工艺主要针对氮元素的去除,因此本研究模拟废水参照畜禽养殖废水和猪场废水中的氮元素含量进行调配,其中以(NH4)2SO4和NaNO2作为Anammox反应的氮源,所需浓度按需供给,控制亚硝态氮与氨氮的质量比稳定在1.2左右,以KHCO3作为无机碳源,进水中添加微量元素营养液1.0 mL/L,营养液配方为乙二胺四乙酸二钠10 g/L,FeSO4·7H2O 18 g/L,ZnSO4·7H2O 0.43 g/L,MnCl2·2H2O 0.99 g/L,CuSO4·5H2O 0.25 g/L,CoCl2·6H2O 0.24 g/L,NiCl2·6H2O 0.19 g/L,NaMoO4·10H2O 0.22 g/L。进水pH稳定在7.0～7.5。

整个反应过程分为3个阶段:阶段1(1～7 d)进水氮负荷为3.43 kg/(d·m3),阶段2(8～33 d)进水氮负荷为11.38 kg/(d·m3),阶段3(34～60 d)进水氮负荷为15.93 kg/(d·m3)。

1.3 分析项目与方法

氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定;亚硝态氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法测定;硝态氮采用紫外分光光度法测定;定期收集污泥样品,采用试剂盒法,通过酶标仪分析测定活性污泥中亚硝酸还原酶(NIR)、联氨合成酶(HZS)及联氨脱氢酶(HDH)的活性。

2 结果与讨论

2.1 电场对Anammox系统脱氮效果的影响

2.1.1 电场对氨氮去除效果的影响

电场对氨氮去除效果的影响见图2。在阶段1进水氮负荷较低时,电场对氨氮去除效果的影响较弱。随着阶段2进水氨氮升高至约500 mg/L时,两组反应器的氨氮去除效果发生明显变化。R1在电场作用下,出水氨氮平均值为16.40 mg/L,而R2出水氨氮平均值则高达159.09 mg/L;R1氨氮去除率高达96.72%,远高于R2的68.18%。随着阶段3进水氨氮进一步提高,R2出水氨氮浓度瞬时升高,波动变化,而R1的出水氨氮则呈现先稳定后上升的趋势。

图2 高氮负荷下电场对Anammox系统氨氮去除效果的影响Fig.2 Effect of electric field on ammonia nitrogen removal of Anammox process under high nitrogen loading

2.1.2 电场对亚硝态氮去除效果的影响

电场对亚硝态氮去除效果的影响见图3。施加电场能够整体提升亚硝态氮的去除效果,但进水亚硝态氮浓度长时间维持在较高水平时,在亚硝态氮的毒性抑制作用下,外加电场也无法保证亚硝态氮的稳定去除。阶段1进水亚硝态氮在150 mg/L左右,R1、R2的出水亚硝态氮皆可维持在较低水平。阶段2进水亚硝态氮升高至约600 mg/L时,R1的亚硝态氮去除率可以达到99.91%,并始终维持在98%以上,而R2则需要一定的适应时间(约19 d)才可以将出水亚硝态氮降低至10 mg/L以下。阶段3进水亚硝态氮升高至约800 mg/L,R2的亚硝态氮去除率立即降至79.68%,并且总体呈持续降低趋势,出水亚硝态氮最高可以达到354.89 mg/L;而R1在前19 d仍可以维持较高的亚硝态氮去除效率,第47天出水亚硝态氮浓度开始升高,亚硝态氮去除效果迅速恶化,最终出水亚硝态氮超出300 mg/L。

图3 高氮负荷下电场对Anammox系统亚硝态氮去除效果的影响Fig.3 Effect of electric field on nitrate nitrogen removal of Anammox process under high nitrogen loading

2.1.3 电场对脱氮性能的影响

电场对Anammox系统脱氮性能的影响见图4。

图4 高氮负荷下电场对Anammox系统脱氮效果的影响Fig.4 Effect of electric field on nitrogen removal of Anammox process under high nitrogen loading

阶段1两组反应器均能实现Anammox反应的启动,且Anammox系统脱氮效果没有明显区别。这是由于接种污泥为成熟的Anammox污泥,能够较好地适应环境的变化。阶段2进水氨氮和亚硝态氮分别在500、600 mg/L左右,进水氮负荷达到11.38 kg/(d·m3),R1、R2的Anammox脱氮效果发生明显变化。R1在阶段2仍能保持较高的脱氮效率,TN去除率始终维持在85%以上,最高可以达到94.59%;而R2的TN去除率下降至53.90%,随着反应器继续运行,R2的脱氮性能逐渐恢复并升高,但始终低于R1。阶段3进水氮负荷提高到15.93 kg/(d·m3),R1、R2的脱氮性能呈现出明显的降低趋势,直至反应器崩溃。R1在阶段2的Anammox脱氮性能优于R2,这是因为完整的细胞膜会因其选择透过性阻止大部分物质进入细胞内部,虽然细胞膜阻止了有毒有害物质的进入,但同时也阻碍了基质等营养物质的渗入[12-13],使得Anammox细菌处于一种“饥饿”状态,这也是Anammox细菌生长速率缓慢的原因之一。当施加电场时,电场不仅能够改变细胞膜的通透性,而且能够影响细胞内部结构的通透性,进而削弱传质阻碍,促进基质等营养物质进入细胞内部。董铭等[14]也发现,电场能够改变蛋白质的结构和性能,影响蛋白质表面疏水性,提高蛋白质分子的柔性、溶解度等特性。此外,脉冲电场的间歇特性使得细胞膜的通透性处于“开放”和“关闭”交替循环的状态,不仅能够强化基质等营养物质进入细胞内部,而且能保证细胞膜的完整性和恢复性,降低毒性物质的侵入。然而,随着阶段3进水氮负荷进一步提升至15.93 kg/(d·m3),远超Anammox细菌所能承受的范围,累积的亚硝酸盐逐步渗透进入到细胞内部,此时电场对Anammox细菌的刺激作用低于亚硝酸盐的毒性作用;Anammox细菌无法及时降解过量的氮负荷,造成过量的氮素不断在细胞内部累积毒害细胞,使反应器崩溃。与R1相比,R2的Anammox脱氮性能偏低,这是因为过量的亚硝酸盐会抑制Anammox细菌活性,降低Anammox脱氮效率。由于没有电场的刺激作用,R2需要较长的时间才能适应阶段2的氮负荷水平。阶段3进水氮负荷远超Anammox细菌的阈值,导致Anammox脱氮效率始终处于较低水平。

2.2 电场对Anammox关键酶活性的影响

Anammox细菌活性能够直接影响Anammox脱氮性能,而Anammox细菌的活性又主要取决于关键酶的活性。高氮负荷下电场对Anammox细菌关键酶活性的影响见图5。

图5 高氮负荷下电场对关键酶活性的影响Fig.5 Effect of electric field on key enzyme activities under high nitrogen loading

NIR、HZS、HDH是实现Anammox反应脱氮的3种关键酶。亚硝态氮在NIR的作用下被还原成NO,随后NO和氨氮被HZS氧化成N2H4,最后N2H4在HDH的作用下被还原成N2。从图5可以发现,R1的3种关键酶活性均明显高于R2,这说明电场能够增强Anammox细菌的关键酶活性,提高氨氮和亚硝态氮在Anammox细菌内部的转化速率,进而提高整个Anammox的反应速率;施加电场不仅强化了Anammox的脱氮效果,而且削弱了氮负荷过高造成的亚硝态氮抑制效应。

虽然施加电场能够有效地激活微生物细胞活性,提高新陈代谢速率,加快基质利用速率,削弱高氮负荷对Anammox反应的抑制作用,但当进水氮负荷过高时,电场的刺激作用会被氮素抑制作用所掩盖。这也导致阶段3两组反应器NIR、HZS活性整体呈下降趋势,Anammox细菌无法及时将过量的氮素进行转化还原,导致细胞内部的氮素不断累积,抑制Anammox细菌活性,甚至造成反应器崩溃。

2.3 电场对微生物群落的影响

高氮负荷下电场对微生物群落结构(以分类操作单元(OTU)数目表征)的影响见表1。

表1 高氮负荷下电场对微生物群落OTU数目的影响Table 1 Effect of electric field on OUT number of microbial community under high nitrogen loading

由表1可以看出,高氮负荷下电场对微生物群落结构的影响极其显著。试验前期,R1、R2的OTU数目均明显降低,R1的OTU数目是R2的1.15倍左右,这表明在逐渐提高氮负荷时,Anammox反应会受到一定的冲击,微生物的生存环境受到了影响甚至改变,导致各组反应器OTU数量降低;而在外加电场作用下,电场能够促进微生物活性,进而维持一定的OTU数目,保证Anammox的脱氮性能。

试验进行到第36天,R2的OTU数目开始逐渐增加,在第54天达到最大值,约是同期R1的1.46倍。这是因为随着进水氮负荷冲击作用的持续,过高的进水氮负荷已经影响反应器内微生物群落结构,不必要的杂菌开始大量滋生,并与Anammox细菌竞争有限的营养基质,进而使得R2需要较长的时间才能适应高氮负荷的环境;而R1中OTU数目在前36天持续降低,说明适宜的脉冲电场能够保证功能菌群(如Anammox细菌、反硝化细菌)的稳定,促进Anammox细菌活性的同时将不必要的杂菌进行淘洗,降低了杂菌与功能菌群竞争营养基质的概率,这也是R1能够在阶段2始终维持较高的脱氮效率的原因。然而,当进水氮负荷超过Anammox细菌等功能菌群的承受阈值时,脉冲电场也无法保证功能菌群的稳定性,不必要的杂菌逐渐占据主导地位,严重影响了反应器的运行,导致阶段3两组反应器脱氮效率降低甚至崩溃。

2.4 高氮负荷下电场对Anammox影响的机理

将以往有关高氮负荷对Anammox影响的研究结果汇总于表2。由表2可见,相关研究几乎均是在30～35 ℃进行,这是因为30～35 ℃是Anammox细菌生存的适宜温度,有利于Anammox细菌的生长和活性[22-23]。这些工艺或通过新型反应器的结构设计强化Anammox脱氮,或通过投加填料等方式提高Anammox细菌活性进而提高氮素去除率,但启动时间较长且进水氮负荷始终没有超过10 kg/(d·m3),脱氮效果会随着进水氮负荷的增加大幅降低。然而,本研究通过施加电场,在(25±3) ℃的室温条件下,进水氮负荷增加到11.38 kg/(d·m3)时R1的脱氮效率仍能维持较高水平,且所需要的适应时间较短。可见,与其他工艺相比,电场对于提高Anammox细菌活性,加快Anammox细菌的新陈代谢速率,降低室温对Anammox反应的影响,削弱高氮负荷对Anammox反应的抑制作用进而提高Anammox的脱氮性能等具有明显优势。

表2 高氮负荷对Anammox影响的研究比较Table 2 The comparison of the effect of high nitrogen loading on Anammox process

值得说明的是,本研究中R1由于外加电场势必会造成能源消耗,但与表2中其他Anammox强化方式(如投加金属离子、填料等)相比,外加电场不会对水体造成二次污染,且由于脉冲电场的“间隔”特性,与直流电场相比,能够进一步降低电能的损耗。即使考虑到外加电场消耗的电能,R1相比于单纯的Anammox系统(R2),在室温条件下能够显著激发Anammox细菌活性,有效缓解进水高氮负荷对Anammox的抑制作用,优势也十分突出,可为Anammox工艺应用于高氮负荷废水处理拓宽思路。

3 结 论

(1) 当进水氮负荷较低(3.43 kg/(d·m3))时R1、R2脱氮性能差异不明显;随着进水氮负荷升高至11.38 kg/(d·m3),外加电场可明显缓解高氮负荷对Anammox系统的抑制作用,R1的TN去除率维持在85%以上,而R2需要较长的适应期,且TN去除率下降至53.90%;随着进水氮负荷进一步提高到15.93 kg/(d·m3),R1、R2的脱氮性能均呈现出明显的降低趋势,R2的脱氮性能始终低于R1,直至反应器崩溃。

(2) 外加电场能够改变细胞膜的通透性,促进基质等营养物质进入细胞内部,还会通过强化Anammox细菌关键酶活性来提高微生物活性,提高Anammox反应速率,进而削弱高氮负荷对Anammox反应的抑制作用。当进水氮负荷过高时,电场的刺激作用会被氮素抑制作用所掩盖,Anammox细菌无法及时将过量的氮素进行转化还原,导致细胞内部的氮素不断累积,抑制Anammox细菌活性,甚至造成反应器崩溃。

(3) 外加电场可以在室温条件下激发Anammox细菌活性,使Anammox系统在11.38 kg/(d·m3)的进水氮负荷下仍保持较高的脱氮性能,为Anammox工艺应用于高氮负荷废水处理拓宽思路。