厭氧氨氧化直接利用亞硝酸鹽氧化氨，整個過程無需額外投加碳源，并且僅有部分氨氧化為亞硝酸鹽. 與傳統(tǒng)的硝化-反硝化處理氨氮廢水相比，短程硝化-厭氧氨氧化技術(shù)可節(jié)省100%的碳源投加和約60%的曝氣量. 厭氧氨氧化技術(shù)不僅在國外得到廣泛的應(yīng)用，而且現(xiàn)階段國內(nèi)也有許多的高氨氮廢水處理工程應(yīng)用該項技術(shù)，主要包括了污泥消化液、 味精生產(chǎn)廢水、 玉米淀粉生產(chǎn)廢水、 發(fā)酵廢水等.
近年來許多研究表明，厭氧氨氧化菌具有多種底物利用的能力. 有報道顯示厭氧氨氧化微生物可以利用SO42-和NH+4、 Fe3+和NH+4、 Mn4+和NH+4、 NO3-和丙酸鹽、 NO3-和Fe2+等物質(zhì)獲得生命活動所必需的能量. 厭氧氨氧化微生物具有200多種催化酶(好氧氨氧化菌僅有50多種)，多樣的代謝酶系統(tǒng)支持其多種底物利用的能力.
零價鐵(ZVI)具有較強(qiáng)的還原能力，在作為硝酸鹽還原材料的同時，還能修復(fù)高毒性有機(jī)物污染、 重金屬污染，是較為理想的水處理材料. 采用零價鐵修復(fù)地下水中的硝酸鹽在20世紀(jì)90年代早已被實際應(yīng)用. 以零價鐵作為電子供體的氧化還原反應(yīng)中，NO3-首先被還原為NO2-，并繼續(xù)還原為NH4+. 其中小部分的NO3-也可能被還原成N2. 零價鐵還原硝酸鹽反應(yīng)過程中，轉(zhuǎn)化1 mol NO3-需要10 mol H+，因此這種硝酸鹽轉(zhuǎn)化難以在酸度貧乏的體系中持續(xù)進(jìn)行. 零價鐵化學(xué)還原硝酸鹽的主要產(chǎn)物為氨，易形成二次污染. 這嚴(yán)重制約了零價鐵還原硝酸鹽的技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用.
厭氧氨氧化微生物已被證明是一種具有多底物利用能力的微生物. 在零價鐵還原硝酸鹽的反應(yīng)過程中，硝酸鹽首先被還原為亞硝酸鹽，隨后被進(jìn)一步還原為氨. 該反應(yīng)先后生成了亞硝酸鹽和氨兩種物質(zhì)，厭氧氨氧化微生物能生物轉(zhuǎn)化這兩種底物. 由此推測，當(dāng)零價鐵-硝酸鹽體系中存在厭氧氨氧化污泥時，硝酸鹽就能夠轉(zhuǎn)化為氮氣. 當(dāng)這種微生物對亞硝酸鹽和氨的競爭力比零價鐵更強(qiáng)時，硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮氣的效率更高. 本課題組前期已證明ANAMMOX 菌能夠利用該體系中硝酸鹽轉(zhuǎn)化的亞硝酸鹽和氨，說明該體系中厭氧氨氧化對氨的競爭能力更強(qiáng). 本研究探究了零價鐵還原硝酸鹽和厭氧氨氧化耦合反應(yīng)的可行性，以期為開發(fā)這種新型脫氮脫氮技術(shù)提供一定經(jīng)驗.
1 材料與方法
1.1 連續(xù)流實驗裝置
連續(xù)流實驗采用全混式厭氧攪拌器，其有效體積約為0.7 L，截面尺寸為60 mm×60 mm，有效高度為200 mm，設(shè)置三相分離器. 由蠕動泵從反應(yīng)區(qū)底部進(jìn)水，在反應(yīng)區(qū)鐵屑、 污泥有效接觸反應(yīng)后，經(jīng)頂部三相分離器進(jìn)行固、 液、 氣分離，最后經(jīng)出水堰排水. 反應(yīng)器內(nèi)加裝50 g的14~18目鐵屑，并接種厭氧氨氧化顆粒污泥30 g. 設(shè)定固定停留時間10 h，采用雙葉攪拌，攪拌速度為150 r·min-1. 設(shè)定溫度為33.0℃±0.5℃. 為避免光照影響，反應(yīng)前外部用黑色遮光布覆蓋避光. 反應(yīng)接種30 g(濕重)厭氧氨氧化顆粒污泥，并添加50 g粒徑為14~18目的鐵屑. 實驗裝置如圖 1 所示.
1.進(jìn)水泵;2.反應(yīng)區(qū);3.三相分離區(qū);4.沉淀區(qū);5.出水泵;6.洗氣瓶;7.攪拌機(jī);8.溫控器
圖 1 連續(xù)流裝置示意
反應(yīng)器進(jìn)水硝酸鹽濃度穩(wěn)定在60 mg·L-1左右，HRT為10 h，pH值保持7~8. 對于整個反應(yīng)而言pH值是最為關(guān)鍵的和可控的因素之一，pH值的高低不僅影響鐵與硝酸鹽的反應(yīng)，而且調(diào)節(jié)厭氧氨氧化反應(yīng)的活性. 因此在連續(xù)流實驗中對pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)，初步探索了反應(yīng)的影響因素. 在連續(xù)流反應(yīng)器運(yùn)行40 d時間內(nèi)，對進(jìn)水pH值進(jìn)行調(diào)整. 考察反應(yīng)體系脫氮效率、 轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的穩(wěn)定性、 pH值對反應(yīng)的影響.
1.2 批試實驗
取1.0 g厭氧氨氧化污泥于50 mL已滅菌的血清瓶中，加入2.0 g的顆粒大小為14~18目的鐵屑和含60 mg·L-1NO3--N的營養(yǎng)液，用高純氮吹脫30 min以去除瓶內(nèi)上部空氣及液相溶解氧，并迅速加蓋密封，反應(yīng)10 h. 采用恒溫培養(yǎng)箱進(jìn)行培養(yǎng)，反應(yīng)攪拌轉(zhuǎn)速為150r·min-1，控制培養(yǎng)溫度為20、 28、 35、 45℃，通過HCl和NaOH調(diào)節(jié)pH值為2.2、 4.1、 5.14、 5.5、 6.36、 6.7、 7.49，分別考察反應(yīng)溫度和pH值對耦合反應(yīng)脫除硝酸鹽反應(yīng)的影響.
1.3 接種污泥及配水
實驗用鐵屑為14~18目，鐵含量≥98%，先用0.5 mmol·L-1的HCl清洗10 min，去除表面氧化物，再以脫氧一級水淘洗10次以去除懸浮細(xì)小鐵顆粒及表面二價鐵附著物. 厭氧氨氧化污泥使用前先用基本培養(yǎng)液培養(yǎng)12 h，以去除原基質(zhì). 實驗均以基本培養(yǎng)液+氮素(硝酸鹽、 亞硝酸鹽或氨)為液相環(huán)境，基本培養(yǎng)液成分為(mg·L-1): KH2PO4 5,CaCl2·2H2O 136,MgCl2·7H2O 200,NaHCO3 400，KHCO3 400，微量元素Ⅰ1 mL·L-1，微量元素Ⅱ1.25 mL·L-1. 微量元素Ⅰ組成: EDTA 5 000 mg·L-1，硫酸亞鐵5 000 mg·L-1. 微量元素Ⅱ的組成如表 1所示.
表 1 微量元素Ⅱ 的組成
1.4 測定方法
實驗中各污染物指標(biāo)的監(jiān)測方法均參照文獻(xiàn)進(jìn)行: NH4+-N采用納氏試劑分光光度法，NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法、 NO3--N采用紫外分光光度法、 水中鐵采用鄰菲啰啉分光光度法、 pH值采用pHS-3TC型酸度計測定、 TOC/IC采用Multi NIC 3100分析儀.
2 結(jié)果與分析
2.1 ANAMMOX菌零價鐵還原硝酸鹽為氮氣的性能
為了更直觀地觀察反應(yīng)過程中硝酸鹽轉(zhuǎn)化的狀態(tài)，將運(yùn)行時間劃分為Ⅰ~Ⅴ階段. 由圖 2可見，0~5 d(第Ⅰ階段)該反應(yīng)器完成快速啟動，進(jìn)水硝態(tài)氮為50 mg·L-1，出水迅速從20 mg·L-1降低至5 mg·L-1，此時進(jìn)水pH值維持在7.5左右. 6~10 d(第Ⅱ階段)，調(diào)整進(jìn)水pH值為8.0左右，相同的進(jìn)水硝態(tài)氮濃度下，硝酸鹽轉(zhuǎn)化率降低至75%; 11~17 d(第Ⅲ階段)，將pH值降低至7.5左右，反應(yīng)過程中硝酸鹽轉(zhuǎn)化率回升至90%~100%; 18~21 d(第Ⅲ階段)，將進(jìn)水pH值控制為7.8左右，反應(yīng)出水硝態(tài)氮濃度變?yōu)?0~20 mg·L-1; 22~27 d(第Ⅳ階段)，將進(jìn)水硝酸鹽濃度降至40 mg·L-1，并且將pH值調(diào)整為7.5左右，出水硝態(tài)氮為0~3 mg·L-1; 28~32 d(第Ⅴ階段)，將進(jìn)水硝態(tài)氮濃度提高至50 mg·L-1，pH值調(diào)整值7.5左右，出水硝態(tài)氮保持在5~10 mg·L-1; 33~40 d(第Ⅴ階段)，將進(jìn)水pH濃度調(diào)整至7.0左右，出水硝酸鹽濃度接近于0. 由圖 2可見，整個運(yùn)行過程中亞硝酸鹽和氨的濃度始終小于2 mg·L-1，并且反應(yīng)出水中溶解性鐵濃度也處于較低的水平(1.5~7.3 mg·L-1，圖 2)，以固體析出(圖 3).
接種30 g的厭氧顆粒污泥(VSS約為200 mg·L-1)，14~18目的鐵屑50 g(約為71g·L-1)，水力停留時間10 h，攪拌速度為150 r·min-1，溫度為35℃±0.5℃，進(jìn)水pH 7~8
圖 2 零價鐵供亞硝酸鹽和氨的厭氧氨氧化脫氮連續(xù)流反應(yīng)器基質(zhì)濃度變化
(a)反應(yīng)器壁面附著大量絮狀物;(b)出水含大量絮狀物
圖3 零價鐵耦合厭氧氨氧化反應(yīng)器及出水實物
由圖 4可見，0~5 d(第Ⅰ階段)啟動反應(yīng)器，當(dāng)進(jìn)水pH值為7.5，硝態(tài)氮負(fù)荷為0.126kg·(m3·d)-1. 此時去除負(fù)荷迅速從0.077 kg·(m3·d)-1提高至0.121 kg·(m3·d)-1，去除率也從60.8%提高至98.1%; 此后6~10 d(第Ⅱ階段)，將進(jìn)水pH值調(diào)整為8.0時，負(fù)荷仍維持0.114~0.137 kg·(m3·d)-1，硝態(tài)氮去除率為66.1%~72.8%，硝態(tài)氮去除負(fù)荷降低至0.078~0.098 5 kg·(m3·d)-1. 11~17 d(第Ⅲ階段)，進(jìn)水負(fù)荷上升至0.143~0.156 kg·(m3·d)-1，并降低pH值為7.5，去除率提高至85.6%~99.7%，硝態(tài)氮去除負(fù)荷上升至0.114~0.155 kg·(m3·d)-1. 18~21 d(第Ⅲ階段)保持進(jìn)水氮負(fù)荷水平不變，將進(jìn)水pH值提高至7.8，去除率降低至74.6%~75.7%，脫氮負(fù)荷降低至0.110~0.119 kg·(m3·d)-1(表 2); 第22 d~27 d，進(jìn)水pH值降低至7.5，并降低進(jìn)水負(fù)荷為0.098 0~0.102 kg·(m3·d)-1，此階段去除率穩(wěn)定在98.8%~99.9%，相應(yīng)的脫氮負(fù)荷也接近于進(jìn)水負(fù)荷. 28~32 d(第Ⅴ階段)保持pH為7.5，提高進(jìn)水硝態(tài)氮負(fù)荷為0.121~0.126 kg·(m3·d)-1，硝態(tài)氮去除率仍然為78.0%~85.4%，脫氮負(fù)荷為0.098~0.108 kg·(m3·d)-1; 隨后33~40 d(第Ⅴ階段)將進(jìn)水pH調(diào)節(jié)至7.0，保持進(jìn)水氮負(fù)荷水平不變時，去除率迅速提升至98.2%~99.9%，脫氮負(fù)荷也提高至0.119~0.135 kg·(m3·d)-1. 如圖 4(b)所示，整個連續(xù)反應(yīng)器運(yùn)行過程中進(jìn)水pH維持在8.0以下，出水pH始終保持在8.3~8.5范圍內(nèi)，出水pH較進(jìn)水明顯增加.
接種30 g的厭氧顆粒污泥(約為200 mg·L-1)，14~18目的鐵屑50 g(約為71g·L-1)，水力停留時間10 h，攪拌速度為150 r·min-1，溫度為35℃±0.5℃，進(jìn)水pH 7~8
圖 4 零價鐵供亞硝酸鹽和氨的厭氧氨氧化脫氮能力及pH值變化
表 2 連續(xù)流實驗硝酸鹽轉(zhuǎn)化情況
由圖 5可知，監(jiān)測整個反應(yīng)過程進(jìn)出水溶解性有機(jī)碳(TOC)和無機(jī)碳(IC)，進(jìn)水IC為85.1~95.9 mg·L-1，出水IC為32.2~46.7 mg·L-1. 與此同時，整個反應(yīng)過程中出水TOC始終小于3 mg·L-1.
接種30 g的厭氧顆粒污泥(約為200 mg·L-1)，14~18目的鐵屑50 g(約為71 g·L-1)，水力停留時間10 h，攪拌速度為150 r·min-1，溫度為35℃±0.5℃，進(jìn)水pH 7~8
圖 5 零價鐵供亞硝酸鹽和氨的厭氧氨氧化脫氮TOC及IC變化
2.2 溫度及pH值對反應(yīng)的影響
在pH值為2.2~7.5的范圍內(nèi)，厭氧氨氧化污泥對零價鐵還原硝酸的產(chǎn)物的影響情況如圖 6所示. 從中可知，當(dāng)pH值為7.49、 6.70、 6.36、 5.50、 5.14、 4.1、 2.2時，硝酸鹽的轉(zhuǎn)化量分別為46.61、 39.73、 38.89、 33.01、 36.24、 33.94、 33.91 mg·L-1. 隨著pH值由7.49降低至5.14，反應(yīng)體系中液相總氮損失呈現(xiàn)出先緩慢降低. 而從5.14降低至2.2過程中，液相總氮損失率從89.41%快速降低至1.01%，此時隨著pH值的降低，液相逐漸出現(xiàn)氨氮，其轉(zhuǎn)化率從0%上升至97.44%.
接種厭氧氨氧化污泥100 mg·L-1，溫度為33℃±0.5℃， 振蕩轉(zhuǎn)速150 r·min-1，反應(yīng)10 h
圖 6 不同初始pH值下添加厭氧氨氧化污泥的硝酸鹽反應(yīng)體系中產(chǎn)物生成情況
圖 7所示，在20~45℃條件下，厭氧氨氧化污泥對零價鐵還原硝酸鹽反應(yīng)中產(chǎn)物的影響. 當(dāng)溫度為20~35℃時，添加了厭氧氨氧化的零價鐵還原硝酸鹽體系中液相總氮損失的效率逐步升高，并且始終保持較高的水平(76.17%~94.84%). 當(dāng)溫度為45℃時，液相總氮損失的效率急劇降低至18.12%. 厭氧氨氧化污泥對零價鐵還原硝酸鹽反應(yīng)產(chǎn)物的影響在溫度為20~45℃時較大，而溫度超過其最適的生存范圍，并且化學(xué)反應(yīng)更為強(qiáng)烈時，其還原產(chǎn)物主要為氨.
接種厭氧氨氧化污泥100 mg·L-1，溫度為33℃±0.5℃，振蕩轉(zhuǎn)速150r·min-1，反應(yīng)10 h
圖 7 不同溫度下添加厭氧氨氧化污泥的硝酸鹽還原體系中產(chǎn)物生成情況
3 討論3.1 ANAMMOX菌利用零價鐵還原硝酸鹽為氮氣效果
由圖 2~4可見，ANAMMOX菌能夠利用零價鐵將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮氣. 連續(xù)運(yùn)行40 d內(nèi)，硝酸鹽得到大量的轉(zhuǎn)化，而出水氨和亞硝酸鹽幾乎檢測不到，因此推測硝酸鹽以氮氣形式損失. 進(jìn)水氮負(fù)荷為0.09~0.16kg·(m3·d)-1，脫氮負(fù)荷為0.08~0.15kg·(m3·d)-1. 由于該反應(yīng)為消耗堿度的過程，出水pH值保持較高水平，這導(dǎo)致了液相中可溶性總鐵小于6 mg·L-1.
有研究報道該體系中零價鐵在中性條件下能釋放出氫氣，氫自養(yǎng)反硝化微生物利用氫氣和硝酸鹽反應(yīng)生成氮氣. 析氫腐蝕耦合氫自養(yǎng)反硝化反應(yīng)中氫自養(yǎng)反硝化作用如[公式(2)]所示，氫自養(yǎng)反硝化菌轉(zhuǎn)化30 mg·L-1硝態(tài)氮僅同化0.85 mg·L-1氮，零價鐵還原硝酸鹽化學(xué)反應(yīng)不可避免地發(fā)生，該反應(yīng)會積累一定量的氨. 而在本反應(yīng)體系中并沒有氨的積累，并且所用厭氧氨氧化污泥取自只含亞硝酸鹽和氨的人工配水連續(xù)培養(yǎng)2 500 d的種泥反應(yīng)器內(nèi)，其污泥中主要微生物為厭氧氨氧化微生物，故排除該反應(yīng)機(jī)制的可能.
圖 8 厭氧氨氧化微生物利用零價鐵還原硝酸鹽為氮氣體系元素轉(zhuǎn)化推測
通常情況下，硝酸鹽被零價鐵還原的產(chǎn)物以氨為主，而本實驗通過添加厭氧氨氧化微生物能有效解決該問題. 由于零價鐵還原硝酸鹽過程中，硝酸鹽逐步轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和氨，而厭氧氨氧化微生物能夠利用這兩種底物產(chǎn)生氮氣(圖 8). 當(dāng)體系中的硝酸鹽被還原為亞硝酸鹽時，便形成了零價鐵還原亞硝酸鹽化學(xué)反應(yīng)和厭氧氨氧化菌利用生成的氨還原亞硝酸鹽生物反應(yīng)兩種反應(yīng)對亞硝酸鹽底物進(jìn)行的競爭. 長期實驗表明，在對這種底物的競爭中，厭氧氨氧化微生物的生物轉(zhuǎn)化作用始終占優(yōu)勢，并且反應(yīng)速率較快，這使得運(yùn)行期間整個反應(yīng)過程中始終監(jiān)測不到亞硝酸鹽和氨的積累. 從轉(zhuǎn)化硝酸鹽及產(chǎn)物角度考察(圖 2)，ANAMMOX菌利用零價鐵轉(zhuǎn)化硝酸鹽為氮氣是可行的，從厭氧氨氧化微生物本身的角度來看，長期運(yùn)行期間IC始終降低而TOC監(jiān)測不到，因此判斷厭氧氨氧化微生物能夠利用零價鐵還原硝酸鹽生成的亞硝酸鹽和氨進(jìn)行生命活動.
通常鐵屑長期浸泡在氧化還原電位較高的水體中容易氧化而失活，但本實驗中零價鐵在反應(yīng)器啟動時一次性投加，連續(xù)運(yùn)行中并未出現(xiàn)反應(yīng)效率大幅降低的情況. 因此，零價鐵耦合厭氧氨氧化有利于零價鐵還原硝酸鹽的反應(yīng). 由于鐵屑密度較大，采用全混式攪拌罐作為反應(yīng)器時，其常沉于底部，導(dǎo)致與液相及污泥混合效果較差，因此該反應(yīng)脫氮效果仍有較大提升空間. 接下來的研究中，課題組將開展厭氧氨氧化微生物促進(jìn)零價鐵還原硝酸鹽機(jī)制和反應(yīng)器形式對ANAMMOX菌利用零價鐵轉(zhuǎn)化硝酸鹽為氮氣的相關(guān)研究.
3.2 ANAMMOX菌利用零價鐵還原硝酸鹽為氮氣的最佳條件
實驗表明，厭氧氨氧化微生物對零價鐵還原硝酸鹽的產(chǎn)物的作用隨著pH值改變. 當(dāng)pH值在7.5~5.14之間時，厭氧氨氧化污泥能夠?qū)⒘銉r鐵還原體系中89%以上的硝酸鹽以總氮形式損失，而當(dāng)pH值小于5時，反應(yīng)體系以化學(xué)反應(yīng)為主. 當(dāng)pH值較低時，微生物活性隨之喪失，無法作用于零價鐵和硝酸鹽反應(yīng)體系，而化學(xué)反應(yīng)卻逐步強(qiáng)化，因此低pH值環(huán)境下硝酸鹽大部分轉(zhuǎn)化為氨. 而當(dāng)中性條件下，由于在添加厭氧氨氧化污泥后，反應(yīng)體系中存在較少的亞硝酸鹽和氨，此時不存在足夠的游離氨、 游離亞硝酸鹽對微生物反應(yīng)進(jìn)行抑制. 溫度對厭氧氨氧化微生物作用于零價鐵還原硝酸鹽的影響也呈現(xiàn)與微生物條件相一致的相應(yīng)變化，其最佳溫度為35℃. 厭氧氨氧化污泥對零價鐵還原硝酸鹽反應(yīng)的最終產(chǎn)物的類型有決定性作用，當(dāng)條件適合時，其液相總氮損失可達(dá)到98%，而活性污泥只能達(dá)到32.26%. 但這種對硝酸鹽還原產(chǎn)物的影響受環(huán)境條件所限制.具體參見污水寶商城資料或http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4 結(jié)論
(1) 厭氧氨氧化微生物對零價鐵還原硝酸鹽作用是持續(xù)有效的. 在中性條件下，添加厭氧氨氧化微生物的零價鐵還原硝酸鹽體系中持續(xù)供給零價鐵和硝酸鹽，0~5 d硝酸鹽脫氮負(fù)荷達(dá)到0.12 kg·(m3·d)-1. 反應(yīng)出水氨和亞硝酸鹽始終小于2.0 mg·L-1，以液相總氮形式損失，出水pH較進(jìn)水高值超過8.0并且可溶性鐵含量始終小于7 mg·L-1.
(2) 零價鐵還原硝酸鹽供亞硝酸鹽和氨的厭氧氨氧化脫氮反應(yīng)為耗酸過程，在偏酸性條件下(pH值為4~6)反應(yīng)速度加快，并且液相總氮損失率大于89%. pH值小于4時，硝酸鹽還原以化學(xué)反應(yīng)為主導(dǎo)，最終產(chǎn)物為氨; pH值大于7時，硝酸鹽還原速率大幅降低;
(3) 中性條件下，反應(yīng)溫度在30~40℃時，液相總氮損失率大于89%. 過低溫度(低于20℃)使得硝酸鹽轉(zhuǎn)化速率變慢，過高溫度(高于40℃)使得生物作用減弱，硝酸鹽最終轉(zhuǎn)化為氨.
