ANAMMOX菌铁自养反硝化工艺的稳定性张文静

1ANAMMOX菌铁自养反硝化工艺的稳定性张文静1,2,3，黄勇1,2,3，毕贞1,2,3*，胡羽婷2,3，董石语2,3（1.城市生活污水资源化利用技术国家地方联合工程实验室，苏州215009；2.苏州科技大学环境科学与工程学院，苏州215009；3.苏州科技大学环境生物技术研究所，苏州215009）摘要：在非严格厌氧的连续流反应器中，通过调节进水pH、外加一定浓度的Fe2+以及定期更换新鲜铁粉这3种运行方式探讨维持厌氧氨氧化（ANAMMOX）菌利用零价铁去除硝酸盐反应体系长期稳定运行的适宜条件。研究结果表明，随着反应进行、受零价铁表面钝化的影响，该体系硝酸盐去除率逐渐下降，反应器难以持续运行。在一定范围内降低进水pH（5~7），或者额外投加一定量的Fe2+对改善该反应体系的稳定性效果不显著。通过定期更换新鲜铁粉的方式，可以有效提高硝酸盐去除率、增强反应器稳定性。相比对照组可稳定运行7d，实验组可至少稳定运行60d,硝酸盐平均去除率提高22.23%。因此，采取适宜措施保证体系内有足够具有活性的零价铁、消除零价铁钝化的不利影响，是ANAMMOX菌利用零价铁去除硝酸盐反应体系高效、稳定运行的关键。关键词：厌氧氨氧化（ANAMMOX）；硝酸盐；零价铁；自养反硝化；钝化中图分类号：文献标识码：A文章编号：0250-3301（2019）DOI:10.13227/j.hjkx.201811031StabilityofZVI-dependentAutotrophicDenitrificationbyANAMMOXBacteriaZHANGWen-jing1,2,3，HUANGYong1,2,3，BIZhen1,2,3，HUYu-ting1,2,3，DONGShi-yu1,2,3(1.NationalandLocalJointEngineeringLaboratoryofMunicipalSewageResourceUtilizationTechnology,Suzhou215009,China;2.SchoolofEnvironmentScienceandEngineering,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215009,China;3.InstituteofEnvironmentalBiotechnology,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215009,China)Abstract:TheFe0-dependentautotrophicdenitrificationmediatedbyANAMMOXbacteriawascarriedoutincontinuousflowreactorsundernon-strictanaerobiccondition.ThreestrategiesincludingadjustingtheinfluentpH,addingFe2+andrenewalfreshironpowderregularlywereusedtoinvestigatetheappropriateconditionstomaintainthelong-termstabilityofthisprocess.TheresultsshowedthenitrateremovalefficiencydeclinedevidentlyduetotheFe0passivationovertime,andthiscouldultimatelyleadtotheunsustainableofthisreaction.NeitherreducingtheinfluentpHwithin5-7noraddingaquantityofFe2+hadnoobviouseffectsonimprovingthesustainabilityofthisprocess.Instead,thenitrateremovalefficiencyandthesustainabilityofreactorcanbeenhancedsignificantlybyregularrenewaloffreshFe0powder.Comparedwiththecontrolgroup(with7daysstableoperation),theexperimentalgroupcanrunsteadilyatleast60days.Theaveragenitrateremovalefficiencyincreasedby22.23%.Consequently,tomaintaintheadequateactivatedFe0andtoeliminatetheadverseeffectsofFe0passivationarevitalforthesustainableoperationofFe0-dependentautotrophicdenitrificationmediatedbyANAMMOXbacteria.Keywords:anaerobicammoniaoxidation(ANAMMOX);nitrate;zero-valentiron(Fe0);autotrophicdenitrification;passivation近几十年来，随着工农业生产的发展，农村、城市的地下水都存在着不同程度的氮污染问题，农业化肥的过量使用，尤其是氮肥的过量使用和动物排泄物的处置不当，使世界收稿日期：2018-11-05；修订日期：2019-01-19基金项目：国家青年科学基金项目（21607110）;城市生活污水资源化利用技术国家地方联合工程实验室（苏州科技大学）开放课题项目（2018KF02）作者简介：张文静（1994~），硕士研究生，女，主要研究方向为水污染控制，E-mail:[e-mail]通信作者，E-mail:[e-mail]2019-02-2517:04:29许多地方地表水和地下水中硝酸盐的含量不断升高，硝酸盐污染正日益受到人们广泛的关注，如何去除水体中的硝酸盐污染已成为迫切值得关注的问题[1]。传统的硝酸盐生物处理以异养反硝化过程为主，该过程需持续消耗有机物，剩余污泥产量较大，同时产生N2O、NO和CO2等温室气体[2,3]。因此开发高效清洁、环境友好的新工艺对于水体中硝酸盐的去除具有重要意义。Fe0廉价易得、具有较强的化学还原性，因此长期以来就作为化学还原剂用于去除城市污水、工业污水等水体中的硝酸盐污染物[4~6]。同时，研究发现某些微生物在厌氧条件下、可将低价铁（Fe0或Fe2+）氧化为高价铁（Fe3+）同时将硝酸盐还原为氮气，这一过程即为铁自养反硝化[7~10]。相比异养反硝化工艺，这一过程完全不需要外源性有机碳源、无温室气体排放、有望成为颇具优势的绿色生物脱氮技术。近年来，研究报道厌氧氨氧化（anaerobicammoniaoxidation,ANAMMOX）微生物也具备利用Fe0或Fe2+为电子供体还原硝酸盐的潜能。Oshiki等[11]在严格厌氧条件下通过批次实验，提出ANAMMOX菌可以利用Fe2+为电子供体，将硝酸盐还原成氮气。周健等[12]发现ANAMMOX微生物可以加快Fe0还原硝酸盐的反应速率、同时液相中出现明显氮损失。因此，基于ANAMMOX菌的铁自养反硝化技术有望成为去除水体硝酸盐的新工艺。同时，ANAMMOX工艺自身会产生一定量的硝酸盐副产物，往往需增加反硝化工艺使出水达标[13]。若ANAMMOX菌能通过利用Fe0实现对硝酸盐副产物的原位处理，避免出水中硝酸盐残留的问题，将提高整体工艺的脱氮效率、缩减工艺流程。然而，Fe0在pH近中性或偏碱性水溶液中，表面极易形成Fe3O4、γ-FeOOH等铁氧化物，导致Fe0钝化，阻碍固、液相之间的电子传递，最终致使反应体系难以长期稳定运行。因此，基于ANAMMOX微生物的铁自养反硝化相关基础研究仍停留在实验室阶段，且大多通过批次实验的方式、或在厌氧箱内进行，研究更多地关注于硝酸盐的去除效果，而该反应是否可以连续流的方式稳定运行、条件如何控制等方面仍有待研究[14~18]。此外，在这一过程中ANAMMOX微生物群落的变化、代谢机理、功能基因表达等分子生物学相关基础研究必须通过长期培养的实验方法开展，而现阶段由于缺少能使反应器长期运行的实验手段，相关研究仍有待进一步探索。因此，保证该体系的长期、稳定运行不仅是ANAMMOX微生物铁自养反硝化工艺开发的重要内容之一、同时也是开展ANAMMOX微生物群落的变化和硝酸盐的代谢转化途径等相关基础研究的必要前提。本研究在不同反应条件下考察ANAMMOX菌利用Fe0去除硝酸盐反应的可持续性和稳定性，探讨合适的运行条件使该反应能长期稳定进行，通过提供一种利用ANAMMOX菌进行硝酸盐废水处理的新思路，以期为后续开展ANAMMOX菌以Fe0为电子供体还原硝酸盐这一代谢途径的相关基础研究提供实验手段。1材料与方法1.1实验装置本实验中平行运行4个连续流上流式反应器，R1为对照组，R2、R3和R4为实验组，实验装置如图1所示。反应器采用有机玻璃制成，顶部加盖，在中部设置回流点。反应器内径60mm、高度230mm，有效容积0.65L。反应器外壁用水浴套管包裹，与外置恒温水浴槽相连，使反应器内部温度恒定为（35±1）℃。为避免光照对ANAMMOX菌的抑制作用，反应器外部用黑色塑料布包裹。反应器进水、出水由兰格蠕动泵（BT100-2J）控制，水力停留时间为10h。进水采用纯度为99.50%的氮气曝气除氧，使DO浓度低于0.50mg·L-1。3图1连续流反应器示意Fig.1Schematicdiagramoftheup-flowbioreator1.2接种污泥与实验模拟废水本实验接种的ANAMMOX污泥来自于实验室长期运行的有效体积为60.00L的反应器，污泥颗粒平均粒径1.60mm、呈砖红色，污泥性状较好，总氮去除速率（NRR）在9kg·(m3·d)-1左右。取上述ANAMMOX污泥，分别向每个反应器内各投加80mL，污泥浓度MLVSS为3150.00mg·L-1。本实验采用人工配制的含硝酸盐废水，其主要成分为：70.00mg·L-1NaNO3、125.00mg·L-1KHCO3、54.00mg·L-1KH2PO4和大量元素（包括CaCl2·2H2O、NaCl、MgSO4·7H2O和KCl）。依照实验目的，各反应器进水水质略有不同：R1、R2进水pH为7，R3进水pH在不同阶段分别为7、6、5和4，R4进水pH为5；R2进水中另含有0.75mmol·L-1Fe2+。各反应器运行条件如表1所示。表1反应器运行条件Table1Operatingconditionsofthereactor本实验选用粒径100目的铁粉（铁含量≥98%），使用前需活化，即先用0.50mol·L-1HCl淘洗以去除表面氧化物，再用脱氧一级水反复冲洗数次、直至浸出液的pH为中性。为避免被空气氧化，活化后的铁粉立即使用。每个反应器内铁粉的初始投加量为20g，R1、R2和R3在运行过程中不再更换铁粉，R4每7d更换新的铁粉。具体操作为：将反应器中的污泥和铁粉混合物全部取出至烧杯中，静置5min，由于铁粉比重较大会沉在底部，将上层生物质倒出。随后用脱氧一级水数次淘洗烧杯里残留物直至将污泥完全从铁粉中分离出来；最后将全部污泥倒回反应器中，并投加20g经活化后的新鲜铁粉。1.3测定指标和方法运行过程中反应器进出水pH值、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、Fe2+、总Fe和ORP按照反应器进水pHFe0投加量/g硝氮浓度/mg·L-1备注R1（对照组）72070.00―R272070.00在进水中添加0.75mmol·L-1Fe2