不同有机物对厌氧氨氧化耦合反硝化的影响

中国环境科学2015,35(1)：87~94ChinaEnvironmentalScience不同有机物对厌氧氨氧化耦合反硝化的影响刘常敬1,2,李泽兵3,郑照明1,王春香1,王昌稳1,张美雪1,赵白航1,李军1*(1.北京工业大学水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室,北京100124；2.中国市政工程西北设计研究院有限公司天津分院,天津300201；3.东华理工大学水资源与环境工程学院,江西南昌330013)摘要：通过连续试验和血清瓶批式试验研究了不同种类有机物对厌氧氨氧化耦合异养反硝化脱氮性能的影响.结果表明,从TN去除率来看,对耦合反应器的影响:苯甲酸钠邻苯二酚间苯二酚丙酸钠乙酸钠;苯甲酸钠、邻苯二酚、间苯二酚、丙酸钠和乙酸钠对厌氧氨氧化菌的影响很小.苯酚反硝化菌能利用苯甲酸钠、邻苯二酚、间苯二酚、丙酸钠和乙酸钠作为电子供体进行反硝化.不同有机物对苯酚反硝化菌的影响不同,进而影响苯酚反硝化菌与厌氧氨氧化菌之间的协同和竞争关系.苯甲酸是苯酚降解过程中可能的中间产物.关键词：厌氧氨氧化；异养反硝化；有机物；脱氮中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2015)01-0087-08Effectofdifferentorganicmattersonanammoxcouplingdenitrifying.LIUChang-jing1,2,LIZe-bing3,ZHENGZhao-ming1,WANGChun-xiang1,WANGChang-wen1,ZHANGMei-xue1,ZHAOBai-hang1,LIJun1*(1.KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China；2.TianjinBranch,ChinaNorthwestMunicipalEngineeringDesignandResearchInstituteLimitedCompany,Tianjin300201,China；3.SchoolofWaterResourcesandEnvironmentalEngineering,EastChinaInstituteofTechnology,Nanchang330013,China).ChinaEnvironmentalScience,2015,35(1)：87~94Abstract：Theeffectofdifferentorganicmattersonnitrogenremovalperformanceofanammoxcouplingheterotrophicdenitrificationprocesswasinvestigatedbycontinuouscultivationandserumbottlebatchtests.InviewofTNremovalrate,theresultsshowedthatthesequenceoftheseorgnicmatters’influenceonthecouplingreactorwas(fromminimumtomaximum):sodiumbenzoate,o-dihydroxybenzene,m-dihydroxybenzene,sodiumpropionate,sodiumacetate;.sodiumbenzoate,o-dihydroxybenzene,m-dihydroxybenzene,sodiumpropionateandsodiumacetatehavealittleimpactontheanaerobicammoniaoxidationbacteria.Phenoldenitrifyingbacteriacouldusesodiumbenzoate,o-dihydroxybenzene,m-dihydroxybenzene,sodiumpropionateandsodiumacetateaselectrondonorfordenitrification.Differentorganicmattershaddifferentinfluencesonphenoldenitrifyingbacteriaandthenaffectedthecooperativeandcompetitiverelationshipbetweenphenoldenitrifyingbacteriaandanaerobicammoniaoxidationbacteria.Benzoicacidwasthepossibleproductofphenoldegradation.Keywords：ANAMMOX；heterotrophicdenitrification；organicmatter；nitrogenremoval近年来,国内外的研究者对厌氧氨氧化(ANAMMOX)耦合异养反硝化做了很多研究[1-5].周少奇[6]从电子计量学方程提出两者可实现协同作用:ANAMMOX反应以CO2为碳源产生一定量的NO3--N,为反硝化提供电子受体;而反硝化反应消耗有机物且产生CO2,为ANAMMOX菌解除有机物抑制并提供无机碳源.研究发现,低浓度有机物存在时,ANAMMOX菌和异养反硝化菌协同脱氮,提高了TN的去除率[1,7-8].但大多是采用单一有机物进行的研究,然而,实际污水大多含有多种有机物,因此,在不同有机环境下ANAMMOX菌、异养反硝化菌的活性,耦合系统的稳定性以及两种菌之间协同、竞争关系等问题都值得研究.收稿日期：2014-04-18基金项目：国家自然科学基金资助项目(51078008);北京市自然科学基金资助项目(8122005);北京市教委重点项目(KZ201110005008)*责任作者,教授,[e-mail]88中国环境科学35卷本文以实验室投加苯酚条件下已经长期稳定运行的ANAMMOX耦合异养反硝化反应器为基础,通过连续流和批次试验研究了苯甲酸钠、邻苯二酚、间苯二酚、丙酸钠和乙酸钠对ANAMMOX耦合异养反硝化脱氮性能的影响.1材料与方法1.1试验装置及其运行条件1.1.1连续流试验装置及其运行条件连续流试验装置如图1所示.采用UASB-生物膜反应器,反应器高110m,内径11cm,有效容积为10L,反应器采用黑色软性材料(EVA泡沫)包裹以避光,废水由蠕动泵泵入反应器底部,通过水浴使反应器内温度维持在(25±1)℃,HRT为1.5h,进水pH值控制在7.8左右,反应器内部上三分之一部分添加直径为10cm的聚氯乙烯球形填料以减少污泥的流失,球形填料内有环状辫带式纤维填料.78443345611109241图1UASB-生物膜反应器示意Fig.1SchematicdiagramofUASB-biofilmreactor1.原水箱;2.蠕动泵;3.反应器;4.取样口;5.填料;6.三相分离器;7.出气口;8.出水口;9.热水循环套管;10.恒温水浴箱;11.温度计1.1.2批次试验装置及其运行条件批次试验装置采用血清瓶,有效容积为500mL.首先,从连续流反应器中取适量污泥,先用蒸馏水冲洗污泥3遍以去除残留基质.然后向每个血清瓶中加入150mL污泥和350mL配有相应基质的水,放在磁力搅拌器上500r/min边搅拌边以纯度99.9%的N2向瓶中吹脱20min除氧.最后将血清瓶连同磁力搅拌器放入25℃的恒温箱培养,待温度稳定后,开始取样.试验开始、结束均测定pH值,每隔1h取样测定NH4+-N、NO2--N、NO3--N的浓度,最后取50mL混合液测定MLVSS.设置了A、B、C3组试验,见表1.反应器运行到第7,22,33,48,64d时,分别用苯甲酸钠、邻苯二酚、间苯二酚、丙酸钠和乙酸钠代替苯酚.每种有机物连续运行6~9d,反应器进水中苯甲酸钠、邻苯二酚、甲苯二酚、丙酸钠和乙酸钠的浓度分别控制为28.8,22.0,22.0,38.4,49.2mg/L,相当于COD浓度分别为46.3,41.6,41.6,41.5,33.6mg/L.表1间歇试验条件Table1Batchexperimentalconditions初始基质浓度(mg/L)序号氨氮亚硝酸盐氮硝酸盐氮有机物A609028.8/22.0/22.0/38.4/49.2B9028.8/22.0/22.0/38.4/49.2C2028.8/22.0/22.0/38.4/49.21.2试验废水试验废水采用模拟废水,主要成分有NH4Cl,NaNO2,NaHCO3,KH2PO4,MgSO4·7H2O,CaCl2,苯酚(苯甲酸钠、邻苯二酚、间苯二酚、丙酸钠、乙酸钠).微量元素Ⅰ(mg/L):EDTA5000,FeSO45000;微量元素Ⅱ(mg/L):EDTA15000,ZnSO4·7H2O430,CoCl2·6H2O240,MnCl2·4H2O990,CuSO4·5H2O250,Na2MoO4·2H2O220,NiCl2·6H2O190,Na2SeO4·10H2O210,H3BO314.其中微量元素Ⅰ、Ⅱ投加量各1mL/L.1.3分析方法NH4+-N:纳氏试剂光度法;NO2--N:N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;NO3--N:麝香草酚分光光度法;悬浮固体(MLSS)、挥发性悬浮固体(MLVSS):重量法;pH值、温度:WTW/Multi3420测定仪.2结果与讨论2.1苯酚条件下耦合反应器的脱氮性能当苯酚作为有机物时,ANAMMOX耦合异养反硝化反应器能长期稳定运行[9].出水NH4+-N、1期刘常敬等：不同有机物对厌氧氨氧化耦合反硝化的影响89NO2--N去除率高达100%,TN去除率高达90.88%,平均总氮去除负荷达2.26kg/(m3·d),耦合系统消耗的NH4+-N、消耗的NO2--N和生成的NO3--N的比例关系为1:1.49:0.12.异养反硝化与ANAMMOX存在协同和竞争关系,TN的去除是ANAMMOX过程和异养反硝化过程共同作用的结果.耦合反应器中ANAMMOX对TN去除贡献率达到86.72%,反硝化过程对TN去除贡献率达到13.28%,其中反硝化菌利用NO2--N对TN去除的贡献率为7.16%,反硝化菌利用NO3--N对TN去除的贡献率为5.89%.苯酚反硝化菌经克隆、测序、比对后分析认为属于β-变形菌纲(β-proteobacteria)[10].2.2连续流时不同种类有机物对耦合反应器脱氮性能的影响表2不同有机物对耦合系统的影响Table2Theeffectofdifferentorganicmattersoncouplingsystem有机物NH4+-N去除率(%)NO2--N去除率(%)TN去除率(%)消耗的NH4+-N:消耗的NO2--N:生成的NO3--N苯甲酸钠98.7991.7786.861:1.41:0.07邻苯二酚97.7497.1086.371:1.36:0.12邻苯二酚98.5291.7384.911:1.36:0.15丙酸钠98.5587.9883.581:1.29:0.10乙酸钠97.9488.0383.311:1.29:0.120204060800306090120乙酸钠丙酸钠间苯二酚邻苯二酚苯甲酸钠浓度(mg/L)时间(d)图2不同有机物时进、出水NH4+-N、NO2--N和NO3--N含量及变化曲线Fig.2VariationsofNH4+-N,NO2--NandNO3--Nduringtheoperationwithdifferentorganicmatters进水NH4+-N进水NO2--N进水NO3--N出水NH4+-N出水NO2--N出水NO3--N由表2,图2、3和4可知,苯甲酸钠、邻苯二酚、间苯二酚、丙酸钠和乙酸钠对耦合反应器脱氮性能影响较小,处理效果接