氨氮对厌氧氨氧化过程的抑制规律及调控策略袁砚

中国环境科学2017,37(9)：3309~3314ChinaEnvironmentalScience氨氮对厌氧氨氧化过程的抑制规律及调控策略袁砚1,2,周正1,2,林兴1,2,王凡1,2,李祥1,2*,顾澄伟1,2,朱亮1,2(1.苏州科技大学环境科学与工程学院,江苏苏州215002；2.苏州科技大学环境生物技术研究所,江苏苏州215002)摘要：氨氮是厌氧氨氧菌主要基质之一,但常常因浓度过高而产生脱氮速率不稳定,甚至微生物活性抑制的现象.为了有效避免氨氮对厌氧氨氧化菌活性的抑制,从抑制物形态、主要影响因素和抑制规律探讨了氨氮对厌氧氨氧化菌活性的影响及调控.结果表明,温度、pH值变化对氨氮、游离氨的形态及浓度变化产生重要影响.在恒定进水氨氮浓度500mg/L的情况下,将抑制状态下的pH值从7.9下降到7.3,经过44h运行厌氧氨氧化菌活性获得恢复.在不同进水氨氮浓度下,FA对厌氧氨氧菌活性的半抑制浓度不一样.半抑制浓度与抑制时间存在一定的曲线关系(y=732.38x-0.89).因此,恒定氨氮浓度的条件下,可以通过改变pH值避免FA对厌氧氨氧化菌活性的影响.在不同进水氨氮浓度下,除了考虑降低pH值,还可以通过缩短HRT来避免FA对厌氧氨氧化菌活性的影响.关键词：厌氧氨氧化；游离氨；半抑制浓度；控制策略中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2017)09-3309-06InhibitingregularityandcontrolstrategyofNH4+-NonANAMMOXProcess.YUANYan1,2,ZHOUZheng1,2,LINXin1,2,WANGFan1,2,LIXiang1,2*,GUChen-wei1,2,ZHULiang1,2(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou2150l1,China).ChinaEnvironmentalScience,2017,37(9)：3309~3314Abstract：NH4+-NwasoneoftheimportantsubstrateforANAMMOXbacteria.ButinstablenitrogenremovalprocessoftenoccurredandmicrobialactivityevenhadinhibitedbyusingANAMMOXbacteria,becauseofhighsubstrateconcentration.InordertoeffectivelyavoidNH4+-Ninhibitiontoanammoxbacteriaactivity,theeffectofNH4+-Nontheactivityofanammoxbacteriawasanalysisbyinhibitormorphology,maininfluencefactorsandinhibitingregularity.TheresultsshowedthattemperatureandpHwereimportantimpactonmorphologyandconcentrationchangesbetweenNH4+-NandFA.TheANAMMOXactivitywasrecoveredafter44hoperationwhenthepHwasdecreasedfrom7.9to7.3undertheinfluentconcentrationofNH4+-Nwasfixedat500mg/L.Halfmaximalinhibitoryconcentration(IC50)ofFAonANAMMOXwasdifferentwhentheinfluentconcentrationofNH4+-Nwasvariety.IC50ofFAandinhibitorytimeunderdifferentNH4+-Nconcentrationshaverelationship(y=732.38x-0.89).Thus,weavoidedtheeffectofFAonactivityofanammoxbacteriabychangingthepHwhentheinfluentconcentrationofNH4+-Nwasconstant.BesidespHdecreased,HRTcanalsobeshortenedtoavoidtheeffectofFAonactivityofANAMMOXbacteria,whentheinfluentconcentrationofNH4+-Nwasfluctuate.Keywords：Anammox；freeammonium；halfmaximalinhibitoryconcentration；controlStrategy由于厌氧氨氧化反应在废水生物脱氮过程中显现出高效的脱氮效能和廉价的处理成本,而受到研究者广泛关注.近二十年来,研究者们对厌氧氨氧化反应及其功能微生物进行了大量而又深入的研究.结果表明,厌氧氨氧化反应广泛存在于自然界中,包括:海洋[1]、河流[2-3]、湖泊[4]、湿地[5]等等.只要环境适宜,接种不同性质的活性污泥(普通活性污泥[6]、甲烷化污泥[7]、海洋底泥[8-9]等)均能成功驯化出以厌氧氨氧化反应为主导的厌氧氨氧化污泥.但是研究者在富集培养过程中发现,厌氧氨氧化菌倍增时间较长,生长环境严格[10],导致厌氧氨氧化菌的驯化时间较长,严重收稿日期：2017-01-09基金项目：国家重点研发计划(2016YFC0401103);国家自然科学基金项目(51478284,51408387);江苏省特色优势学科二期项目;江苏省水处理技术与材料协同创新中心项目;苏州市分离净化材料与技术重点实验室(SZS201512)*责任作者,实验师,[e-mail]3310中国环境科学37卷制约着其工程化的运用[11].为了尽可能地缩短驯化时间,研究者对厌氧氨氧化菌反应机理及生长因子(温度[12-13]、pH[14]、DO[15-16]等等)进行了大量研究,寻求较短时间内尽快地富集更多厌氧氨氧化菌的控制参数,以便快速提高NH4+-N与NO2--N反应速率.NH4+-N是废水中主要的氮素形态,也是厌氧氨氧化菌的主要基质,但是过高的浓度又会对反应的稳定性产生影响,甚至会对生物活性产生完全抑制[14,17].一旦厌氧氨氧化菌活性受到抑制,一般需要较长的时间才能够得到恢复.虽有众多研究者发现并报道了过高NH4+-N对厌氧氨氧化菌产生的抑制现象,但是产生抑制时对应的NH4+-N值相差甚大[17].同时很少考虑温度、pH值等运行参数与之联系,导致能够参考和利用的信息很少.因此本文在众多研究者所报道现象的基础之上,剖析NH4+-N对厌氧氨氧化菌生化反应过程影响及调控策略.旨在为今后厌氧氨氧化菌富集及高NH4+-N浓度下厌氧氨氧化反应稳定运行的控制参数选择及稳定运行提供一点参考.1材料与方法1.1实验装置与控制条件出水进水酸碱调节搅拌器循环水进水循环水出水进气口pH探头ORP探头图1微生物培养装置Fig.1Amicroorganismculturedevice实验装置采用内径16cm、有效体积4L的细胞培养罐(INFORSLabfors3),由圆柱型玻璃制成,如图1所示.反应器外设有水浴夹套,通过控制循环水的温度将反应控制在(32±1)℃.反应器内设置DO和ORP电极(METTLER4800)用于监测反应器内的溶解氧环境;设置pH电极(METTLER405)在线实时监测反应过程中pH的变化,在必要的情况下,通过控制系统自动添加稀HCl(1mol/L)或NaOH溶液(1mol/L)调节反应器内的pH环境.反应器顶端设有搅拌装置,通过控制搅拌速度使得泥水充分混合,有利于反应完全.1.2接种污泥接种污泥为经过10a培养的厌氧氨氧化颗粒污泥,外观为鲜艳的红色,厌氧氨氧化特征明显.每次实验的厌氧氨氧化污泥接种量为120mL(量筒内10min沉淀后的体积).厌氧氨氧化污泥接种入反应器前经过超纯水清洗3次.1.3模拟营养液营养液的主要成分为NH4+-N(由NH4HCO3按需配制)、NO2--N(由NaNO2按需配制)、KH2PO427mg/L、CaCl2·2H2O92mg/L、MgCl2·7H2O16.5mg/L,微量元素浓缩液1.25mL/L.微量元素浓缩液组分为:EDTA5000mg/L,ZnSO4·7H2O430mg/L,CoCl2·6H2O240mg/L,CuSO4·5H2O250mg/L,NaMoO4·2H2O220mg/L,NiCl2·6H2O190mg/L,NaSeO4·10H2O210mg/L,H3BO414mg/L.1.4测定方法分析方法参见《水和废水检测分析方法》[18].NH4+-N:纳氏试剂分光光度法;NO2--N和NO3--N:戴安ICS-900/AS23离子色谱;pH值和ORP由在线监测探头测定.1.5批式实验方法将等量的厌氧氨氧化污泥(120mL)分别接种入多组细胞培养罐,控制反应器的进水亚硝酸盐浓度为100mg/L,不同进水氨氮浓度(500,1000,1500,2000,3000,4000,5000mg/L).同时控制反应器内pH值8.0,温度(32±1)℃,探讨不同进水氨氮浓度下,厌氧氨氧化菌活性的抑制情况.2结果与讨论2.1温度、pH值变化对水中NH4+、游离氨8期袁砚等：氨氮对厌氧氨氧化过程的抑制规律及调控策略3311(FreeAmmonium,FA)浓度变化的影响水中FA浓度的计算过程如式(1)所示[19],浓度变化除了与所处环境的NH4+-N浓度有关,同时还与环境中温度、pH值变化密切关联.在含有200mg/LNH4+-N的水环境中,pH的变化对FA浓度变化产生巨大的影响(如图2A所示).当pH为6.5时,FA的浓度为0.73mg/L;而当pH上升到10.5时,FA的浓度为235.09mg/L.由此可见,在固定NH4+-N浓度的水环境中,pH对FA浓度的影响幅度相差近百倍,变化范围主要集中在pH值为6.5~10.5.厌氧氨氧化反应是一个消耗H+,产生OH-的过程,pH值在厌氧氨氧化反应过程中随着底物的消耗一直处于不断上升的状态[20].一旦控制不好,将会造成厌氧氨氧化过程中NH4+、FA浓度的巨大波动.温度对FA的影响趋势与pH相同,但变化幅度较小.在其他条件不变的条件下,当温度从20℃上升到40℃时,FA浓度的变化幅度仅相差3倍左右.因此温度和pH值对水环境中NH4+、FA的浓度变化起着重要作用,其中pH对FA的影响明显高于温度和NH4+-N浓度.因此研究NH4+-N浓度对厌氧氨氧化菌活性影响时,必须考虑到当时环境中pH值的变化.3pHFA6344/(273)pHt,NH10e10TCC+=+(1)式中:CFA为FA的浓度,mg/L;CtNH3为总NH4+-N浓度,mg/L;T为温度,℃.2.2NH4+-N存在形态及浓度对厌氧氨氧化反应的影响及解决方法FA对传统的生物脱氮反应(亚硝化反应、硝化反应)的影响已经得到研究者的广泛认同,并且通过控制环境中FA浓度可以很好地实现亚硝化和硝化过程分离[21].厌氧氨氧化作为一个新型的生物脱氮反应,NH4+-N存在形态及浓度对厌氧氨氧化反应的影响也受到广泛关注.Cema等[22]和Dapena等[23]通过研究发现,对厌氧氨氧化菌产生抑制的物质不是离子态的NH4+,而是NH4+所形成的FA.随后,Jung等[24]发现当进水中FA浓度达到1.7mg/L就会对厌氧氨氧化过程产生抑制,当FA浓度达到32mg/L时厌氧氨氧化反应将会完全终止.20222426283032343638401015202530356.06.57.07.58.08.59.09.510.010.