pH和硝化细菌浓度对氨氮氧化速率的影响

第11卷　第5期环境工程学报Vol.11,No.52017年5月ChineseJournalofEnvironmentalEngineeringMay2017基金项目:北京市教育委员会市属高校创新能力提升计划项目(PXM2016_014204_500040)收稿日期:2015-12-22;录用日期:2016-01-29第一作者:杨宏(1963—),男,博士,教授,研究方向:水处理生物技术。E-mail:[e-mail]∗通信作者pH和硝化细菌浓度对氨氮氧化速率的影响杨宏∗,姚仁达北京工业大学,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　为实现氨氮氧化速率的提高,以污水处理厂A2/O工艺回流污泥为菌源,利用细菌发酵罐,通过间歇运行方式实现了硝化细菌菌群的筛选和富集。实验中通过调节系统pH值考察不同游离氨(FA)水平对氨氮氧化速率、亚硝酸盐积累和硝酸盐生成的影响,以及通过沉淀排水保留污泥,反应有效容积缩小,等同于污泥浓度提高的方式考察了硝化细菌浓度变化对氨氮氧化速率的影响。结果表明在一定氨氮底物浓度条件下适合的pH值是实现氨氮高速率氧化的重要条件,同时硝化细菌浓度是高氨氮氧化速率实现的物质基础。通过FISH检测,证明了所得培养物中,氨氧化和亚硝酸盐氧化细菌菌群(AOB和NOB)占有绝对数量优势。关键词　硝化细菌菌群;氨氮氧化速率;pH;游离氨(FA);硝化细菌浓度中图分类号　X703.1　　文献标识码　A　　文章编号　1673-9108(2017)05-2660-06　　DOI　10.12030/j.cjee.201512155EffectsofpHlevelandnitrifyingbacteriaconcentrationonammoniaoxidationrateYANGHong∗,YAORendaKeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,ChinaAbstract　Topromotetheammoniaoxidationrate,thenitrifyingbacteriacommunitywasenrichedinaminiaturefermenterbysequencebatchprocessingusingtheactivatedsludgetakenfromtheA2/Oprocessofawastewatertreatmentplantastheseedsludge.Theeffectsofdifferentlevelsoffreeammonia(FA)atvaryingpHsontheam-moniaoxidationrate,nitriteaccumulation,andnitrateproductionwereevaluated.Theeffectsofnitrifyingbacteri-alconcentrationontheefficiencyofammoniaoxidationwerealsoassessed.TheresultsshowedthatasuitablepHlevelwascrucialtoincreasetheammoniaoxidationratewithacertaininitialammoniaconcentration,andarela-tivelyhighnitrifyingbacteriaconcentrationwasnecessarytoimprovetheammoniaoxidationperformancesubstan-tially.FISHanalysisshowedthatammonia-oxidizingandnitrite-oxidizingbacteriawerethepredominantbacterialgroupsintheselectivelyenrichedsludge.Keywords　nitrifyingbacteriacommunity;ammoniaoxidationrate;pH;freeammonia(FA);nitrifyingbacteriaconcentration　　氨氧化细菌(ammonia-oxidizingbacteria,AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(nitrite-oxidizingbacteria,NOB)统称为硝化细菌,是实现生物硝化过程的功能微生物。首先由AOB将NH+4氧化为NO-2完成亚硝化,之后由NOB将NO-2氧化至NO-3,完成全部硝化过程,第一步被称为短程硝化,较之于全程硝化可节约25%的氧气消耗[1-2]。实际中因运行条件所限,短程硝化难以维持,亚硝化反应生成的NO-2很快被氧化为NO-3[2-3]。目前我国污水处理厂普遍采用活性污泥工艺进行生物脱氮,但普遍面临硝化速率较低、低温季节尤为严重的问题。因污水中硝化细菌浓度和硝化速率成正比,且硝化速率直接影响污水处理工艺的处理效果[4-5],为此,一些研究人员[6-10]采用添加载体填料、细胞固定化生物活性填料或生物添加等方式增加反应器内硝化细菌浓度,以提高硝化反应速率。第5期杨宏等:pH和硝化细菌浓度对氨氮氧化速率的影响已有研究报道,研究人员[4-5]采用选择性培养基从污水处理反应器中成功分离出具有较高硝化能力的硝化细菌菌株,试图通过扩大培养以提高污水处理硝化速率;但是纯种细菌生态系统脆弱,对实际污水的适应能力较差,而复合菌群因具有生物多样性而更具优势[8,11]。本研究以筛选和富集硝化细菌菌群并且实现高氨氮氧化能力为目标,以此为基础,重点考察了pH值和硝化细菌浓度对氨氮氧化速率的影响,以期为实际中提升氨氮污废水处理的氨氮氧化速率提供理论指导。1　材料与方法1.1　实验装置和原水本研究采用一内径为16cm,高度为50cm的细菌发酵罐(Labfors,INFORS公司,瑞士)为实验装置,有效容积为6L,上部为圆柱形,底部为半球状。采用穿孔管曝气,气体流量计调节曝气量控制溶解氧(DO)浓度;温度传感器在线监测反应器内水温的变化,控制温度(28±1)℃;搅拌转速100r·min-1;由蠕动泵自动加碱(Na2CO3和NaHCO3)调节pH、补充碱度并作为碳源;反应器上方设置一取样口,用于取样、进水、虹吸排水和测定溶解氧。接种污泥取自北京高碑店污水处理厂A2/O工艺回流污泥。原水采用人工配水,由高浓度基础液和去离子水配制成预期浓度,其中NH+4-N(NH4Cl)浓度随反应速率升高而逐渐提高,其他水质指标平均值约为:PO3-4-P(KH2PO4和K2HPO4·3H2O)20mg·L-1,MgSO4·7H2O30mg·L-1,CaCl215mg·L-1,FeSO4·7H2O30mg·L-1,NaCl20mg·L-1,微量元素1mL·L-1。成分:ZnSO4·7H2O0.5g·L-1,MnCl2·4H2O0.5g·L-1,CoCl2·6H2O0.4g·L-1,CuSO4·5H2O0.4g·L-1,NiCl2·6H2O0.2g·L-1,Na2MoO4·2H2O0.05g·L-1,EDTA1g·L-1。1.2　实验方法采用间歇方式运行,每天运行2周期,每周期分为进水、反应、污泥沉淀、排水4阶段。好氧反应DO初始范围1.2~2.5mg·L-1,pH值范围6.8~7.7。运行近1个月以筛选和富集硝化细菌菌群。此外,考察pH值对氨氮氧化速率的影响。有效容积6L,尽管在硝化细菌筛选和富集培养期间,NOB活性受到一定程度抑制,表现为较低初始游离氨(FA)浓度下,间歇式反应NH+4-N氧化过程中产生亚硝酸盐积累;但以此为相同背景,反应全程pH值分别为6.5±0.1、7.0±0.1、7.5±0.1和8.0±0.1,由自动加碱装置调节pH以保持初始水平,采用间歇运行方式,各组实验初始NH+4-N浓度和DO水平均分别控制在65mg·L-1和2.5mg·L-1左右。间歇运行时间以保证NH+4-N尽可能氧化完全为宜。因NH+4-N氧化接近结束时DO升高导致菌体自身氧化分解,因此系统污泥浓度(MLSS)有所减少。在此基础上,考察细菌浓度对氨氮氧化速率的影响。通过沉淀排水保留污泥,之后进水至3L,相当于反应有效容积缩小50%,污泥浓度(硝化细菌浓度)提高1倍,反应全程pH值为7.3±0.1,初始NH+4-N浓度和DO水平同pH影响实验。1.3　测定方法进行化学分析前,样品先采用中速定性滤纸过滤。分析项目NH+4-N、NO-2-N、NO-3-N浓度和MLSS按照国家环境保护总局规定的标准方法[12]测定。DO浓度采用WTWOxi315i溶解氧仪进行测定。游离氨(freeammonia,FA)浓度按式(1)计算[13]:FA=1714[NH+4-N]×10pHe[6344/(273+T)]+10pH(1)式中:FA为游离氨浓度,mg·L-1;[NH+4-N]表示NH+4-N浓度,mg·L-1;T为温度,℃。以一定反应时间内开始和结束时NH+4-N浓度减少量计算氨氮氧化速率[14],按式(2)计算:AOR=[NH+4-N]开始-[NH+4-N]结束t(2)式中:AOR为氨氮氧化速率,mg·(L·h)-1;[NH+4-N]表示NH+4-N浓度,mg·L-1;t表示反应时间,h。1662环境工程学报第11卷由于实验过程中每周期换水后系统剩余少量NO-2-N、NO-3-N,因此以每周期反应开始和结束时NO-2-N和NO-3-N浓度计算生成量,以评价亚硝酸盐积累率[15],按式(3)计算:NAR=[NO-2-N]结束-[NO-2-N]开始([NO-2-N]结束-[NO-2-N]开始)+([NO-3-N]结束-[NO-3-N]开始)×100%(3)式中:[NO-2-N]开始为反应初始NO-2-N浓度,mg·L-1;[NO-2-N]结束为反应结束NO-2-N浓度,mg·L-1;[NO-3-N]开始为反应初始NO-3-N浓度,mg·L-1;[NO-3-N]结束为反应结束NO-3-N浓度,mg·L-1。注:若生成量为负值,则按零计算。1.4　荧光原位杂交(FISH)分析采用荧光原位杂交(fluorescenceinsituhybridization,FISH)技术[16]对培养后的活性污泥中AOB、NOB和总细菌进行检测,以考察硝化细菌菌群筛选和富集效果,所用探针序列见表1。并采用OLYMPUSBX51荧光显微镜对杂交后的每个污泥样品随机拍摄10~20张照片,之后用Image-ProPlus6.0软件对种群数量进行分析。表1　FISH分析中采用的探针序列、目标细菌和荧光标记Table1　FISHprobes,targetbacteriacommunitiesandfluorescencelabelsinthisstudy探针FA/%序列(5′~3′)5′端荧光标记目标细菌参考文献EUBmixEUB338EUB338ⅡEUB338Ⅲ按比例混合1)按比例混合1)按比例混合1)GCTGCCTCCCGTAGGAGTGCAGCCACCCGTAGGTGTGCTGCCACCCGTAGGTGT6-FAM(FITC)6-FAM(FITC)6-FAM(FITC)大多数细菌大多数细菌大多数细菌[17][17][17]Nso19055CGATCCCCTGCTTTTCTCCCy3β-ProteobacteriaAOB[18]NIT340CCTGTGCTCCATGCTCCGCy3Nitrobacter[18]Ntspa66235GGAATTCCGCGCTCCTCTCy3Nitrospira[19]　　注:1)EUBmix由EUB338、EUB338II和EUB338Ⅲ按摩尔浓度比1∶1∶1混合组成,其甲酰胺浓度(FA)不受限制,可遵循另一种目标探针的甲酰胺浓度,本研究遵循NIT3为