多基质时厌氧氨氧化菌异养反硝化污泥活性及抑制特征

中国环境科学2013,33(4)：648~654ChinaEnvironmentalScience多基质时厌氧氨氧化菌、异养反硝化污泥活性及抑制特征李泽兵1,刘常敬1,赵白航1,马家轩2,王晓毅2,李军1*(1.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；2.河南省化工研究所有限责任公司,河南郑州510280)摘要：以厌氧氨氧化污泥(AAOB)和各种有机物混合,AAOB分别与异养甲醇反硝化菌和城市污水处理厂活性污泥相混合为研究对象,考察了多种基质(醇类、糖类)时自养、异养反硝化菌群的活性及其相应的抑制特征.结果表明,醇类有机物对AAOB的活性有明显抑制作用,甲醇的抑制性最强,当甲醇为5.48mmol/L时,AAOB活性了损失2/3.而乙酸钠对AAOB有一定的促进作用,另外,葡萄糖、乳糖和蔗糖等糖类有机物对AAOB的影响较小.此外,试验发现经驯化的甲醇反硝化菌能利用各种醇类完成异养短程反硝化.对于活性污泥,利用乙酸钠实现短程反硝化的能力优于甲醇、乙醇、葡萄糖和乳糖.混合试验中,正丙醇导致AAOB和甲醇反硝化菌混合菌群中AAOB活性下降,并且在与甲醇反硝化菌的竞争中处于劣势.乙酸钠对于AAOB和活性污泥混合菌群中AAOB的影响较小.关键词：短程反硝化；AAOB；甲醇反硝化菌；比降解速率中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2013)04-0648-07Activityandinhibitioncharacteristicsofanammoxandheterotrophicdenitrifierbacteriainamulti-substratesystem.LIZe-bing1,LIUChang-jing1,ZHAOBai-hang1,MAJia-xuan2,WANGXiao-yi2,LIJun1*(1.KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China；2.HenanChemicalIndustryResearchInstituteCorporationLimited,Zhengzhou510280,China).ChinaEnvironmentalScience,2013,33(4)：648~654Abstract：Consortiumsfromanammox,methanoldenitrificationprocess,anddomesticwastewatertreatmentplantwereusedfornitrogenremovalinamulti-substratesystembybatchtests.Theactivityandinhibitioncharacteristicsofbacteriaindenitrificationwerestudiedseriously.Experimentalresultsshowedthatalcoholsinhibitedanaerobicammoniumoxidationbacterium,andthemostseriousinhibitioncamefrommethanol,leadingtoactivityloseabout2/3atconcentrationsof5.48mmol/L.SodiumacetatestrengthenedAAOBactivity,meanwhile,glucose,lactoseandsucrosehadnoeffectonitsactivity.Theseexperimentalresultsclearlyindicatedthatthebesthetero-denitrificationcarbonsourcesformethanoldenitrifiersandactivitysludgeweremethanolandsodiumacetaterespectively.Inmixtureconsortium,inhibitorpropanolmadetheAAOBatadisadvantageinthecompetitionwiththemethanoldenitrifiers,ontheotherside,theeffectfromsodiumacetatetoAAOBcanbeignoredinthecompetitionwithactivitysludge.Keywords：shortcutdenitrification；anaerobicammoniumoxidationbacteria；methanoldenitrificationbacteria；specificdenitrificationrate近年来,短程反硝化技术有了较大的发展,以亚硝氮为底物的自养厌氧氨氧化[1-4]和异养反硝化[5-6]研究越来越多.相对于自养硝化菌,以硝氮和亚硝氮为底物的异养反硝化菌在污水处理构筑物中具有更好的种群多样性并且易于培养驯化,当然,对于不同的反硝化碳源,其反硝化优势菌群和活性也有一定的差异.而厌氧氨氧化过程不需要有机碳源,因此在处理低碳氮比污水中具有显著的优势.虽然自养厌氧氨氧化菌(AAOB)生长缓慢,但是在长期培养后就可获得极快的反应速率和在总菌量中占据较大的优势,大量研究表明,厌氧氨氧化颗粒污泥反应器或者生物膜反应器中都能实现较高的脱氮效率[1,7-9].收稿日期：2012-08-13基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2009ZX07210-002-003.2);国家自然科学基金资助项目(51078008);北京市自然科学基金(8122005)*责任作者,教授,[e-mail]4期李泽兵等：多基质时厌氧氨氧化菌、异养反硝化污泥活性及抑制特征649无论是前置厌氧氨氧化还是后置厌氧氨氧化,待处理水中有机物总是或多或少的存在,因此,厌氧氨氧化发展始终在探索厌氧氨氧化菌和各种有机物以及异养反硝化菌之间的关系[10-13],以建立一个不受有机物影响甚至能够较好的利用有机物的高效厌氧氨氧化反应器.将异养反硝化菌和自养AAOB混合培养,可使AAOB在相对较高有机物浓度条件下保持活性稳定,在实际应用过程中更具有优势.本研究选取甲醇反硝化菌,城市污水处理厂活性污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥进行研究.在亚硝氮和氨氮同时存在的基质中,分别在污泥和各种有机物混合,自养和异养反硝化菌群混合条件下开展反硝化研究,比较了异养和自养反硝化的效果.在此多基质,多种群条件下探明有机物和异养反硝化菌对自养AAOB的作用机理,为建立高效厌氧氨氧化反应器提供理论指导和技术支持.1材料与方法1.1污泥来源1.1.1AAOBAAOB来源于实验室厌氧氨氧化固定床反应器下部的悬浮污泥(图1),刻度尺所示最小刻度为1mm.厌氧氨氧化固定床反应器有效容积50L,原水中亚硝氮控制为50~60mg/L,氨氮为40~50mg/L,其余组分和微量元素控制参照文献10.反应器温度为24~26℃,进水由浓水和未经消氧的自来水组成,DO为4~5mg/L.取样期反应器HRT为3h,总氮平均容积去除负荷为0.5kg/(m3�d),悬浮污泥MLVSS/MLSS为56%~58%,总氮平均比降解速率0.312kg/(kg⋅d).污泥取出后,清水清洗3遍后备用.图1AAOB颗粒Fig.1GranularsludgeofAAOB1.1.2甲醇反硝化菌甲醇反硝化菌是在5L的有机玻璃圆柱中培养驯化的,其中投加了堆积体积为3L的环状辫带式载体.驯化开始时,接种污泥取自高碑店污水处理厂二沉池回流污泥廊道取样点.整个培养过程均为反应器底部连续进水,上部自流出水,HRT为4.8h,进水亚硝氮50~60mg/L,甲醇(200±20)mg/L,温度为室温20~25℃.培养40d后,亚硝氮容积去除负荷达到0.2kg/(m3⋅d).活性分析试验前,将载体取出,用清水将污泥从载体上洗脱,洗脱污泥再用清水清洗3遍后备用.1.1.3活性污泥试验用活性污泥取自高碑店污水处理厂二沉池回流污泥廊道取样点.取回后清水清洗3遍后备用.1.2试验装置和程序试验所用试验装置如图2所示.反应瓶容积为500mL,有效容积450mL(150mL备用污泥+300mL由自来水和试剂配置的试验用水).试验步骤:(1)配置泥水混合液,测定pH值和MLSS;(2)启动恒温磁力搅拌器,转速为300r/min,温度(25±1)℃,通氮气30min(氮气纯度99.999%);(3)停止通氮气,依据反应速率,每隔1h或0.5h取样一次,每次取样体积2mL;(4)试验结束,停止搅拌器,测定pH值和MLSS.ACDB图2反应装置示意Fig.2SchematicdiagramofthedenitrificationreactorA.恒温磁力搅拌器;B.水封管;C.温度探头;D.氮气进气口(取样口)1.3试验水质试验用水采用配水,亚硝氮为40~60mg/L,氨氮为40~60mg/L,其余组分和微量元素控制参照文献[10].不同有机物影响试验时,醇类和其他有650中国环境科学33卷机物每次的投量分别为0.1mL和0.1g.1.4分析方法水质指标NO2--N,NH3-N,MLSS和MLVSS等,均采用国家标准方法分析.pH值测量采用ThermoscientificpH计.2结果与讨论2.1不同有机物存在时AAOB的活性试验选取醇类(甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇)、乙酸钠、丙酸钠、糖类(葡萄糖、乳糖和蔗糖)等常见有机物,考察各有机物存在时AAOB的活性,其中,各试验投加有机物后,有机物浓度为200mg/L.从图3可以看出,各条件下氨氮和亚硝氮的降解过程均为零级反应,线性拟合较好.如表1和图3所示,当醇类有机物投量约为175.56mg/L(甲醇、乙醇、正丙醇和正丁醇分别为5.48,3.81,2.92,2.37mmol/L)时,AAOB降解亚硝氮和氨氮的总体活性损失接近50%,其中甲醇导致的总体活性损失最大,乙醇次之,正丁醇活性损失略大于正丙醇.如表1所示,在各反应条件下,反应器中自养和异养反硝化过程均同时存在,只是由于添加不同有机物,各反应速率差异较大.由于试验过程没有好氧硝化,因此以氨氮降解评价自养厌氧氨氧化活性,然后基于化学计量学方法,总的亚硝氮降解速率减去相应的自养亚硝氮降解速率,剩余亚硝氮降解速率即可表征异养反硝化速率.因此可得出甲醇为5.48mmol/L时,AAOB自养活性为原有活性的1/3.Isaka等[14]的研究表明甲醇为5.0mmol/L条件下,游离和聚乙烯醇包埋AAOB活性分别为原有活性的37%和33%,与本试验结果较接近.随着醇类碳链的增加,与自养活性逐渐上升恰恰相反,异养反硝化活性逐渐降低,4种醇类有机物中,AAOB富集培养物利用甲醇和乙醇进行异养反硝化的能力显著高于正丙醇和正丁醇.如表1和图3所示,丙酸钠、葡萄糖、乳糖和蔗糖对AAOB活性的影响较小,结果类似于Güven等[12]的研究.Kartal等[15]将能同时厌氧氨氧化和利用丙酸钠反硝化的AAOB命名为Anammoxoglobuspropionicus,揭示了在小分子有机酸存在条件下AAOB的代谢途径具有多样性.如表1所示,本实验所用的AAOB在乙酸钠存在时活性上升了27.05%,而丙酸钠存在时未发现活性上升,其差别应和AAOB的种类密切相关.Kartal等[15]的研究表明,在丙酸钠、氨氮、亚硝氮和硝氮同时存在时,Anammoxoglobuspropionicus以亚硝氮和硝氮为电子受体,可将丙酸钠氧化,并且不直接利用丙酸合成菌体.但是,Kartal等[16]关于Brocadiafulgida适于含乙酸钠废水的研究中,再未描述相关的反硝化过程.0123450204060时间(h)甲醇乙醇