NaCl盐度对氨氧化细菌活性的影响及动力学特性张宇坤

中国环境科学2014,35(2)：465~470ChinaEnvironmentalScienceNaCl盐度对氨氧化细菌活性的影响及动力学特性张宇坤,王淑莹*,董怡君,顾升波,彭永臻(北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京100124)摘要：含盐废水的硝化过程常常出现亚硝酸盐积累,NaCl盐度对氨氧化菌(AOB)活性的影响与动力学特性并不清楚.采用高浓度氨氮污水富集培养AOB,并成功实现短程硝化.对富含AOB的污泥进行荧光原位杂交技术(FISH)分析表明AOB占细菌总数比例为(55±7)%.污泥的最大比氨氧化速率为(0.92±0.13)gN/(gVSS·d).用此污泥考察了NaCl盐度对AOB活性的影响,并测定了10g/L时AOB的动力学参数(KNH3、Ko).试验结果表明,与盐度为0g/L时的AOB活性相比,盐度为15g/L时的AOB活性降低了37%;盐度为30g/L时降低了85%.盐度为10g/L时,AOB的最大比氨氧化速率为(0.62±0.03)gN/(gVSS·d),底物半饱和常数KNH3值为(7.62±0.13)mg/L,氧的半饱和常数Ko值为(0.39±0.04)mg/L,其中KNH3测定值高于ASM2模型推荐值.NaCl盐度对AOB的抑制降低了最大比氨氧化速率,对底物(NH4+-N)传递存在影响.关键词：活性；废水；动力学；氨氧化细菌；盐度中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2015)02-0465-06EffectofNaClsalinityonactivityofammonia-oxidizingbacteriaandkineticcharacterization.ZHANGYu-kun,WANGShu-ying*,DONGYi-jun,GUSheng-bo,PENGYong-zhen(KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentalRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)ChinaEnvironmentalScience,2015,35(2)：465~470Abstract：Nitriteaccumulationwasalwaysobservedinthesalinewastewaternitrificationprocess,buttheeffectofNaClsalinityonammonia-oxidizingbacteria(AOB)activityandkineticcharacterizationhasnotbeenclear.Inthisstudy,AOBwasenrichedinalab-scaleSBRsystemwithhighconcentrationofammoniumwastewater,andthepartialnitrificationwassuccessfullyachieved.Thefluorescenceinsituhybridization(FISH)analysisshowedthatAOBaccountedfor(55±7)%oftotalbacteria.Themaximumspecificammoniaoxidationratewas(0.92±0.13)gN/(gVSS·d).TheeffectofNaClsalinityonAOBactivitywasinvestigatedusingthismixedculture.ThekineticparametersofAOB(KNH3、Ko)werealsomeasuredunderNaClsalinityof10g/L.ResultsshowedthatcomparedwithNaClsalinity0g/L,theactivityofAOBdecreased37%underNaClsalinityof15g/Landdecreased85%underNaClsalinityof30g/L.Whensalinitywas10g/L,themaximumammoniaoxidationratewas(0.62±0.03)gN(gVSS·d),thehalf-saturationconstantforammonia(KNH3)was(7.62±0.13)mg/L,thehalf-saturationconstantforoxygen(Ko)was(0.39±0.04)mg/L.TheKNH3valuewashigherthanrecommendedvalueofASM2model.NaClsalinitycouldreducemaximumspecificammoniaoxidationrate,andalsoaffectsthesubstrate(ammonia)affinityofAOB.Keywords：activity；wastewater；kinetics；ammonia-oxidisingbacteria；salinity随着淡水资源的紧缺,部分沿海地区采用海水替代城市生活用水(海水冲厕,消防等)[1-2],此外,一些人类生产活动(海产品加工废水,蔬菜腌制等)也会带来大量的无机盐[3-4].含无机盐的废水与市政污水混合后进入城市污水处理厂,会对活性污泥产生毒害作用[5],严重影响污水处理厂的正常运行.海水利用产生的污水经市政管网最终流入污水处理厂,水量约占污水处理总量的30%,含盐生活污水的盐度一般不超过10g/L[6-7].硝化过程作为污水生物处理的重要组成部分,含盐废水的硝化过程活性(最大比氨氧化速率与盐度为0g/L时最大比氨氧化速率的比值)低收稿日期：2014-02-07基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金(20111103130002);北京市科委科技创新平台项目*责任作者,教授,[e-mail]466中国环境科学35卷于普通活性污泥法[8-10].微生物实验表明[7],氨氧化细菌(AOB)的存活率(采用mostprobablynumber(MPN)计数法[11])随盐度增高而减小.随着盐度的升高,细胞的渗透压增大,不利于细胞内底物、氧的传递[12],这可能是含盐废水硝化过程效率低下的原因之一.底物(NH4+-N)半饱和常数(KNH3)和氧的半饱和常数(Ko)是表征AOB的氨氮、氧的传递能力的动力学参数.ASM2模型中给出了无盐度时AOB的KNH3(1mg/L),Ko(0.5mg/L)的参考值[13].目前,针对NaCl盐度是否会对氨氧化过程中氨氮、氧的传递能力(KNH3,Ko)产生影响还鲜见报道.现有的研究在测定硝化菌群的KNH3,Ko值时常采用异养菌为主的活性污泥[14-16],Manser[14]等测定了普通活性污泥中AOB的KNH3=(0.14±0.1)mg/L,Ko=(0.79±0.08)mg/L;顾升波[16]测定了短程硝化污泥中AOB的Ko=0.26mg/L,污泥中较低的硝化菌群比例(AOB占全菌比例约3.5~5%)[15-16],降低了硝化菌群动力学参数测定结果的可靠性;对AOB进行富集培养[17-18]有利于提高AOB占全菌比例,本研究以富含AOB的活性污泥(AOB占全菌比例大于50%)为研究对象,减少了异养菌等对动力学测定的影响,可获得更加准确的AOB动力学参数.目前研究多集中于盐度对混合菌群的COD氧化能力、硝化效果的影响,关于盐度对AOB的活性影响及动力学还未见报道.本试验拟采用序批式反应器(SBR)装置富集培养AOB,以富含AOB的活性污泥为研究对象,检测NaCl盐度对AOB活性的影响,并测定盐度为10g/L时AOB的最大比氨氧化速率KNH3值,Ko值,分析NaCl盐度对AOB活性及动力学参数的影响,为污水处理厂高效处理含盐废水提供技术支持.1材料与方法1.1氨氧化细菌富集装置及运行方式采用有效容积为10L的SBR装置富集AOB.其中有效容积均为8L,每周期进水2L,排水比为25%;通过温控装置控制温度在22~25℃;溶解氧(DO)控制在2mg/L以上.在每周期开始时和120min时开启蠕动泵,投加1mol/L的NaOH将SBR装置pH值调节到7.5~8.0;每周期运行360min:进水(12min),曝气(300min),沉淀30min,排水12min,闲置6min;污泥龄约为15d.经过422d富集培养,最大比氨氧化速率可达0.92gN(gVSS·d).1.2试验用水水质对于AOB的富集,人工配置污水采用Vadivelu等[18]的配方,采用NH4HCO3(2000mgN/L)作为无机碳源和氮源;配制污水均添加痕量元素[18](2mL/L).配水组成见表1,所有的配水试验用水都经过灭菌后再连入反应器;如前所述,耐盐污泥系统常采用盐度10g/L作为污泥驯化的上限[6-7],因此在测定含盐废水AOB的动力学参数时,盐度(NaCl)均设定为10g/L.表1人工配制污水水质情况Table1Characteristicofartificialwastewater基质及营养物质含量(g/L)微量元素含量(g/L)EDTA1.25ZnSO4·7H2O0.55NH4HCO311.28CoCl2·6H2O0.40K2HPO41.00MnCl2·4H2O1.28KH2PO41.00CuSO4·5H2O0.40CaCl2·2H2O1.38NaMoO4·2H2O0.05MgSO4·7H2O44.40FeCl3·6H2O1.251.3批次试验1.3.1NaCl盐度对AOB氨氧化活性的影响NaCl盐度对AOB氨氧化活性影响的批次试验共6个批次,盐度(NaCl)分别设定为:0,5,10,15,20,30g/L,每个批次包含3组平行试验.试验开始前向500mL批次试验瓶内投加碳酸氢铵溶液,氨氮初始浓度为50mg/L.试验过程中通过投加HCl和NaOH控制pH值为7.2±0.1;控制DO4mg/L.批次试验时间为30min,水样经Millipore0.45µm滤膜过滤后检测水样中NH4+-N浓度,混合液悬浮固体浓度(MLSS)约为922mg/L,混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)约为768mg/L.1.3.2底物(NH4+-N)半饱和常数的测定在不同的底物(NH4+-N)浓度(0.3~18mg/L)范围内进行11个批次试验,每个批次包含3组平行试验.2期张宇坤等：NaCl盐度对氨氧化细菌活性的影响及动力学特性467取样时间为2~10min(取决于底物浓度).每个批次试验均提供过量的(远大于Ko值)氧,运行过程中pH值恒定为8.0,温度为25±1℃,其他试验条件与同上.KNH3值采用式(1)拟合底物--氨氧化菌活性进行检测[19].q/qmax=100%×SNH3/(KNH3+SNH3)(1)式中:q为比氨氮氧化速率,mg/(gVSS·h);qmax为最大比氨氮氧化速率,mg/(gVSS·h);SNH3为氨氮浓度,mg/L;KNH3为底物(NH4+-N)半饱和常数,mg/L.1.3.3氧的半饱和常数的测定批次试验共进行12个批次,每个批次设定不同的DO浓度(0.3~9mg/L);批次试验中均提供过量的(远大于KNH3值)底物(NH4+-N):初始NH4+-N浓度为30mg/L,每隔5~10min其他条件与底物(NH4+-N)半饱和常数试验条件相同.Ko值采用式(2)拟合DO浓度--氨氧化菌活性进行检测[19],q/qmax=100%×So/(Ko+So)(2)式中:So为溶解氧(DO)浓度,mg/L;Ko为氧的半饱和常数,mg/L.1.4检测指标及分析方法氨氮、亚硝态氮、硝态氮、MLSS、MLVSS均采用标准方法测定[20].荧光原位杂交技术(FISH)采用Amann[21]的操作方法进行,采用4%PFA,4℃条件下对污泥样品固