海绵铁缓解污水厌氧氨氧化反应器中硝酸盐积累的效果杨世东

第34卷第22期农业工程学报Vol.34No.222018年11月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringNov.2018185海绵铁缓解污水厌氧氨氧化反应器中硝酸盐积累的效果杨世东，陶文鑫，崔鑫鑫，孔龙（东北电力大学建筑工程学院，吉林132012）摘要：该文旨在通过向厌氧氨氧化反应器中投加海绵铁来减轻厌氧SBR（sequencingbatchreactoractivatedsludgeprocess）反应器中的硝酸盐积累，试验研究了海绵铁与硝酸盐和亚硝酸盐在静态条件下的反应。在静态条件下，部分硝酸盐和亚硝酸盐被海绵铁还原成了氨。对比动态试验表明投加海绵铁可以将SBR出水硝酸盐质量浓度控制在25～30mg/L左右。相同条件下不投加海绵铁出水硝酸盐质量浓度不断累积，直至超过55mg/L。这可能是由于铁将硝酸盐还原为亚硝酸盐并与厌氧氨氧化进行了耦合。采用高通量测序发现投加海绵铁的反应器中厌氧氨氧化菌在微生物群落中所占的比例（22.55%）约为不投加反应器（8.85%）的3倍，表明投加海绵铁有利于反应器中厌氧氨氧化（ANAMMOX）菌的生长和厌氧氨氧化反应器的启动。关键词：污水；氨氮；硝酸盐；海绵铁；厌氧氨氧化；亚硝酸盐；ASBR；高通量测序doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.023中图分类号：X703文献标志码：A文章编号：1002-6819(2018)-22-0185-06杨世东，陶文鑫，崔鑫鑫，孔龙.海绵铁缓解污水厌氧氨氧化反应器中硝酸盐积累的效果[J].农业工程学报，2018，34(22)：185－190.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.023[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2018,34(22):185－190.(inChinesewithEnglishabstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.023引言氮是生活污水和部分工业废水中常见的污染物，其过量排入天然水体会引起水体富营养化等生态环境问题[1]。除了传统的脱氮技术外，新型脱氮技术如厌氧氨氧化引起了研究者越来越多的关注[2]。厌氧氨氧化是指在厌氧条件下，微生物直接以NO2--N为电子受体，NH4+-N为电子供体，将2种氮同时转化为N2的生物反应过程[3]。厌氧氨氧化不需要完成由氨化硝化反硝化构成的全程脱氮过程，具有无需投加碳源和曝气的优点，但反应会产生NO3--N，致使出水中总氮（totalnitrogen，TN）由于含有硝酸盐而维持在比较高的水平，还需后序工艺继续进行处理才能达到脱氮的目的。如何解决厌氧氨氧化过程中的硝酸盐积累问题成为目前研究的一个热点[4]，有研究表明零价铁在污水处理中可以将NO3--N还原为NO2--N或者氨氮[5]，而厌氧氨氧化过程中硝酸盐积累是影响氮去除的一个关键问题[6]。若考虑将零价铁应用于厌氧氨氧化过程中，其还原产物不仅可以作为厌氧氨氧化菌的底物供其生长，Fe还是细胞组成的重要成分，可能会促进厌氧氨氧化细菌的生长。零价铁材料主要包括铁粉、纳米铁粉和海绵铁。海绵铁其内部结构疏松多孔，比表面积是普通铁屑的5～10万倍，有较强的还原性[7]。可使水中的氧迅速与铁发生反应，处理后的水体溶解氧（dissolvedoxygen，收稿日期：2018-01-19修订日期：2018-09-28基金项目：吉林省科技厅自然科学基金项目（20150101090JC）作者简介：杨世东，博士，主要从事污水处理。Email：[e-mail]）质量浓度在0.3mg/L以下[8]，因此将海绵铁作为厌氧氨氧化反应的填料不仅可以去除产生的NO3--N，与氧气反应生成的Fe(OH)3有可能促进形成颗粒污泥[9]。本研究首先考察了静态条件下影响海绵铁还原硝酸盐、亚硝酸盐的因素；然后采用厌氧SBR反应器处理含氮废水，研究了海绵铁存在时厌氧氨氧化反应器启动过程中3种氮素的去除情况，与不投加海绵铁条件下的情况进行了对比，并采用分子生物学方法分析了2种情况下微生物群落的构成特征。1材料与方法1.1海绵铁海绵铁金属铁质量分数≥90%，碳及其他杂质质量分数3%～7%，密度2.3～2.78g/cm3，堆积密度1.7～1.8g/cm3，粒径1～2、3～5、5～8mm。1.2接种污泥及废水水质本试验的接种污泥取自长春南郊污水厂厌氧段，试验所用废水为人工配水，配水组成为:葡萄糖230～250mg/L，挥发酚150～250mg/L，氨氮100～200mg/L，硫氰酸盐20～50mg/L，硫化物20～50mg/L，吡啶类化合物20～40mg/L，呋喃类化合物20～40mg/L，吲哚类化合物20～30mg/L，苯类化合物100～150mg/L；KH2PO427mg/L，CaCl2·2H2O180mg/L，MgSO4·7H2O300mg/L，NaHCO30.5g/L，微量元素浓缩液Ⅰ和微量元素浓缩液Ⅱ各1mL/L[10]。1.3分析方法pH值测定采用上海雷磁pH计，DO测定采用便携式农业工程学报（）2018年186溶解氧测定仪，NH4+-N采用纳氏试剂法，NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法，NO3--N采用紫外分光光度法，总铁测定采用邻菲罗啉分光光度法[11]。1.4静态试验方法取200mL模拟废水于烧杯中，加入适量的海绵铁。温度为30℃、转速为60r/min条件下多联搅拌器密封搅拌48h，静置30min取上清液用滤纸过滤后测定水样指标。静态试验主要研究海绵铁的粒径（1～2、3～5、5～8mm）、投加量（10、15、20、25、30g）、pH值（6.0～8.0）和DO（1、1～2、3～4、5～6、7～8、9～10mg/L）对NH4+-N、NO2--N和NO3--N的影响。试验设置平行试验3组。1.5动态试验方法选取2个相同的有效容积为2L的反应器，分别加入等量接种污泥稳定20d后，取300g粒径为5~8mm的海绵铁投加到反应器B中，未投加海绵铁的反应器为A。进水pH值为6.0，DO1mg/L，间歇式每12h鼓入CO215min作为无机碳源，反应器温度采用水浴层控制为30℃，搅拌器转速为60r/min，水力停留时间为48h，反应时间为45h，沉淀时间为3h。1.6宏基因组微生物分类测序方法本试验选取培养了140d后的污泥冷冻保存后送至上海生工生物工程股份有限公司进行宏基因组微生物分类测序分析，将基因信息进行归类操作，即根据序列之间的相似度97%作为阈值划分为操作分类单元（operationtaxonomyunits，OUT），按照序列的相似度进行分类，分析出微生物种群的丰度，即可以得到各种条件下的微生物组成。将样品基因DNA片段PCR扩增产物进行DNA纯化、定量混合后进行上机测序，将原始序列数据进行质控过滤并去除嵌合体及非特异性扩增序列后得到优质的序列数目。反应器A、B中污泥样品扩增区域均为16SV3-V4，反应器A中微生物引物序列为341F（序列F：CCTACGGGNGGCWGCAG），反应器B中引物序列为805R（序列R：GACTACHVGGGTATCTAATCC）。2结果与分析2.1静态试验结果与分析2.1.1海绵铁投加量对氮去除的影响海绵铁投加量对氮去除的影响结果见图1。图1中可以看出，海绵铁的粒径越小，投加量越多时，NO2--N与NO3--N的去除效果越好，这是由于海绵铁的粒径越小，其比表面积越大，提供的活性点位多，发生还原反应能力越强，更有利于发生电极反应与絮凝过程[12]。但海绵铁的粒径越小，其磨损越快，反应生成的Fe(OH)3越多。这有可能造成反应器堵塞，因此后续动态试验拟采用稍大粒径的海绵铁（5～8mm）作为填料。注：进水pH值为7.0，DO为7～8mg·L-1。Note:InflowpHvalueis7.0,DOis7-8mg·L-1.图1海绵铁投加量与3种氮素关系Fig.1Relationshipbetweenamountofspongeironandthreekindsofnitrogen2.1.2pH值对海绵铁还原硝酸盐和亚硝酸盐的影响不同pH值对海绵铁还原硝酸盐和亚硝酸盐效果见图2。从图2可知，随着pH值的逐渐升高，NH4+-N的生成率逐渐降低，NO2--N与NO3--N的去除率也逐渐降低。注：投加30g粒径5~8mm海绵铁。Note:30g5-8mmspongeironisused.图2pH值对海绵铁还原硝酸盐和亚硝酸盐的影响Fig.2InfluenceofpHvalueonreductionofnitrateandnitriteusingspongeiron2.1.3DO对海绵铁还原硝酸盐和亚硝酸盐的影响不同DO浓度对海绵铁还原硝酸盐和亚硝酸盐的影响结果见图3。注：投加30g粒径5~8mm海绵铁。pH值7.0.Note:30g5-8mmspongeironisused.pHvalueis7.0.图3溶解氧对海绵铁还原硝酸盐亚硝酸盐的影响Fig.3Effectofdissolvedoxygenonreductionofnitrateandnitriteusingspongeiron第22期杨世东等：海绵铁缓解污水厌氧氨氧化反应器中硝酸盐积累的效果187从图3可知，DO越高，海绵铁对3种氮素的转化效果越明显，但DO质量浓度大于7～8mg/L后，NH4+-N的生成率、NO2--N与NO3--N去除率几乎不会改变。2.2动态试验结果分析在反应器A、B中加入接种污泥稳定20d后，取300g粒径为5～8mm的海绵铁投加到反应器B中。试验每12h间歇式鼓入CO215min作为无机碳源供微生物生长及代谢。2个反应器运行140d的结果如图4所示。a.未加海绵铁a.Withoutspongeironb.加海绵铁b.Withspongeiron注：进水pH值6.0，DO1.0mg·L-1。Note:InflowpHvalueis6.0,DO1.0mg·L-1.图4反应器A（未加海绵铁）与B（加海绵铁）的运行结果Fig.4OperationresultofreactorAwithoutspongeironandreactorBwithspongeiron反应大致分为3个阶段[13-14]：第1～30、31～70和71～140天。在第1阶段，反应器A中NH4+-N、NO2--N去除效果并不明显，而反应器B中的NH4+-N的去除效果与反应器A相比略高，NO2--N的去除效果比反应器A的低；在第2阶段，反应器A和反应器B的氮元素指标去除率都得到了提高，但A中明显出现硝酸盐积累；在第3阶段，2个反应器中氮元素去除进一步提高，A中硝酸盐积累趋势继续增加，直至超过55mg/L，B反应器硝酸盐维持在25～30mg/L。2.3加与未加海绵铁反应器中微生物多样性分析将处理后的优质序列进行OTU分类并进行多样性指数分析，结果如表1所示。由表1可以看出，添加海绵铁后的反应器B中，生物多样性指数明显高于未添加海绵铁的反应器A，其待分析的微生物种类系统发育类别较反应器A多达27个。同时，反应器B中的ACE基因多态性也明显高于反应器A，这可能是因为由于海绵铁的加入使得ANAMMOX细菌中不能编码蛋白的区域或某些碱基发生了缺失、重复等变化，促进了某些ANAMMOX细菌的生