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温度对厌氧氨氧化工艺的短期影响和长期影响摘要：为了在最佳条件下操作，厌氧氨氧化工艺的应用通常集中在30℃左右下废水的处理。在这项工作中，可测试厌氧氨氧化工艺在较低温度下应用的可行性。首先，采用批量试验研究温度对厌氧氨氧化生物量的短期影响。计算其活化能为63kJmol−1，并在35－40℃下有最大活性。由于生物质裂解，45℃下已完成的测试表明了活性的不可逆损失。SBR在不同的温度（从15到30℃）下操作是为了确定长期影响。在18℃时该系统成功运行在但当温度降低到15℃，亚硝酸盐开始积累，系统失去稳定性。在第一批测试期间获得的比活性与在SBR操作过程中获得的比活性进行比较可观察到生物对低温的适应性。关键词：厌氧氨氮化；序批式反应器(SBR)；特定的厌氧氨氧化活性（SAA）；温度Short-andlong-termeffectsoftemperatureontheAnammoxprocessAbstract：TheapplicationoftheAnammoxprocesshasbeenusuallyfocusedonthetreatmentofwastewaterwithtemperaturesaround30◦Cinordertooperateunderoptimumconditions.Inthiswork,thefeasibilityoftheapplicationoftheAnammoxprocessatlowertemperatureshasbeentested.First,theshort-termeffectsoftemperatureontheAnammoxbiomasswerestudiedusingbatchtests.Anactivationenergyof63kJmol−1wascalculatedandthemaximumactivitywasfoundat35–40◦C.Activitytestsdoneat45◦Cshowedanirreversiblelossoftheactivityduetothebiomasslysis.ASBRwasoperatedatdifferenttemperatures(from30to15◦C)todeterminethelong-termeffects.Thesystemwassuccessfullyoperatedat18◦Cbutwhentemperaturewasdecreasedto15◦C,nitritestartedtoaccumulateandthesystemlostitsstability.AdaptationofbiomasstolowtemperatureswasobservedwhenthespecificactivitiesobtainedduringfirstbatchtestsarecomparedtothoseobtainedduringtheoperationoftheSBR.Keywords:Anammox;Sequencingbatchreactor(SBR);SpecificAnammoxactivity(SAA);Temperature前言目前，我国城市污水处理厂进水水质有机物普遍偏低，碳源不足，脱氮效率难以保证[1]。针对这一情况，人们开发了许多新型、高效的脱氮工艺，例如，同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化和CANON工艺等[2-5]。厌氧氨氧化是目前为止最有效、最经济的一种脱氮途径，与传统的脱氮工艺相比，它具有运行费用低、无需外加碳源、耗氧量少等优点[6]。厌氧氨氧化(Anaerobicammoniumoxidation，ANAMMOX)工艺由荷兰Delft技术大学开发。1995年，荷兰Delft技术大学的Mulder等人在处理工业废水的中试反硝化流化床中观察到了氨氮和亚硝酸盐氮成比例去除、并伴随着N2生成的现象，将其命名为厌氧氨氧化[7]。VandeGraaf等提出在厌氧氨氧化过程中NO2-是关键的电子受体[8]。厌氧氨氧化的基本原理是在厌氧或缺氧条件下，微生物直接以NH4+-N为电子供体，以NO2--N为电子受体，将NH4+-N、NO2--N转变成N2的生物氧化过程[9]肥料工业，炸药行业和一些制药过程产生的废水[1]，其特点是低碳氨比和高氨浓度。对于这类废水，一个可行性的处理方法是局部亚硝化的结合，其中50％氨在好氧反应器和随后的厌氧氨氮化过程中被氧化成亚硝酸盐，在第二个储槽内氨氧化成亚硝酸盐[2–5]。部分亚硝化-厌氧氨氧化系统与传统的硝化/反硝化过程相比避免了有机碳源反硝化的要求，可以节省超过65％的氧气供应，并产生一个较低的污泥量[6]。新型的脱氮工艺(SHARON工艺)被成功地用来完成来自厌氧污泥沼气池废水的部分亚硝化[7,8]。然而，对于温度高于30℃的废水，这个过程的应用是有限的。为了在较低温度下实现短程硝化，各种各样的方法被应用：通过游离氨抑制亚硝酸氧化剂[9]或在低溶解氧(DO)浓度下操作[10–12]。最近，Vazquez-Pad´ınetal.[13]也证明了在硝化颗粒污泥系统中可完成一个稳定的短程硝化。一些作者[14–17]发现厌氧氨氧化工艺的最适温度大约为30－40℃。也许由于这个原因，大部分同类实验都在温度高于30℃时进行[18–21]。然而，最近Cemaetal.[22]证明了旋转生物接触器（RBC）建立的厌氧氨氧化过程可以在温度大约为20℃下成功运行。Isakaetal.[23]，经营的厌氧生物过滤反应器处理8.1gN(Ld)−1也报道过类似的结果。而且，用海洋厌氧氨氧化样品完成的几个实验在低温下记录了重要的活性。Rysgaardetal.[24]，在东格陵兰岛西海岸研究沉积物，观察到厌氧氨氧化菌在−2到30℃下活动的最佳温度为12℃。Dalsgaard和Thamdrup[25]在斯卡格拉克海峡(波罗的海—北海)研究海洋沉积物发现了类似的结果。这些结果表明，厌氧氨氧化的应用可以不限于污水温度在30℃左右。因此，这次实验的目的是评价适当的低温对这个过程稳定性的影响。一．材料和方法(一)实验装置在实验室规模为1升的序批式反应器（SBR）中开展温度对厌氧氨氧化工艺长期影响的研究。借助于温度控制器（恒温水浴锅，美国）维持工作温度。pH不受控制并且介于7和8之间。根据不同时期的运行周期，用PLC系统(CPU224,变频器)演示该泵和搅拌器控制方式。据Dapena-Moraetal.[26]所说，该反应器在6小时的周期内工作，周期可分为四个时期：混合填充(300min)，混合(30min)，沉淀(15min)和draw(15min)。交易量是固定在25％，给1天的水力停留时间（HRT）。(二)输送媒介和经营策略SBR是Dapena-Moraetal.[26]改编的一个合成自养培养基。铵亚硝酸盐在馈电介质的摩尔比固定在1（每个150mgNL−1）并在过量的氨内操作（表格1）。氮负荷率（NLR）的应用维持在0.3gN(Ld)−1不变，并且在操作时反应器温度从30℃降低到15℃（表格2）。然而，当反应器不稳定时(期间VI)，为了恢复工作效率，NLR下降到0.05gN(Ld)−1。(三)特定的厌氧氨氧化活性（SAA）测试为了确定温度对厌氧氨氧化生物量的短期影响和对SBR操作的监控，根据Dapena-Moraetal.[27]的研究方法，间歇式活性测试在10℃和45◦℃之间进行。这些测试包括在封闭瓶由生成的氮气产生的超压的测量。首先，该污泥样品用磷酸盐缓冲液洗涤，以便提供一个最佳的pH值（7.8）。然后，24mL的混合液装在38mL的瓶子内。顶部空间和液相均用氩气冲洗以去除氧。恒温震荡培养箱具有150rpm的搅拌转速，并在测试期间控制温度（NewBrunswick科学）。在振动器上经过表格1进料和微量溶液结构进料成分微量溶液结构化合物浓度(mgL−1)化合物浓度(mgL−1)NH4+-N150EDTA15NO2−-N150ZnSO4·7H2O0.43KHCO31.25CoCl2·6H2O0.24CaCl21.41aMnCl2·4H2O0.99KH2PO450CuSO4·5H2O0.25MgSO458.6(NH4)6Mo7O24·4H2O0.22FeSO4·7H2O9.08NiCl2·6H2O0.20EDTA6.25NaSeO4·10H2O0.20微量溶液1.25mLL−1H3BO30.014NaWO4·2H2O0.05a从Ⅲ期，减少到0.07。表格2厌氧氨氧化SBR得运行阶段周期温度(℃)持续时间(d)I301-15II2615-29III2329-49IV2049-63V1863-103VI15103-15030min的驯化后，基底分别注入小瓶，达到70mgNH4+-NL-1和70mgNO2-NL-1的初始浓度。据Eq.(1)所说，可测量压力的变化并且这种变化与氮的产生有关。这个方程中的n表示每单位时间产生的氮的摩尔数(molNday−1)，VG表示气体的体积(L)，R表示理想气体常数(atmL(molK)−1)，T表示温度(K)，α表示瓶内随时间压力增大的斜率(atmday−1)。RTVnG(1)此外，最大SAA用gN(gVSSday)−1的表示是根据Eq.(2)进行评估的，在这个公式上，MN2表示N2的分子量(gNmol−1)，X表示瓶子里的生物量浓度(gVSSL−1)，VL表示液相的体积(L)。XVMnSLNAA2(2)(四)生物量采用生物膜的生物量研究温度的短期影响[28]，温度大约在30℃时，颗粒状生物量[29]在生物反应器运行时降低(不适应的生物量)。所有使用的生物质被一种属于Kueneniastuttgartiensis类细菌富集。长期效应的测试是在SBR反应器中接种7.6gVSSL−1的生物膜生物量。(五)分析方法铵采用苯酚-次氯酸盐法分析[30]。亚硝酸盐和硝酸盐采用分光光度法和毛细管电泳法分析[31]。固体浓度确定了悬浮固体总量(TSS)，相对应的部分生物量可作为挥发性悬浮固体(VSS)，根据标准化方法[31]可确定污泥的污泥容积指数(SVI)。用选择性电极Ingold模型U-455与一个pH/mV测量员Crison506相连接测量pH。采用图像分析法研究粒度分布规律[32,33]。用数码相机(Coolsnap,Roper科学的光度测定)结合立体显微镜(Stemi2000-C(Zeiss))拍摄颗粒的图像。为了数字图像的分析，采用图像proplus计划。荧光原位杂交(FISH)技术被应用在反应器内特定生物体的选择性检测[34,35]。使用的寡核苷酸探针是PLA46，具体为浮霉菌[36]，AMX820为厌氧氨氮化菌[37]，BAN162为Brocadiaanammoxidans[37]，KST1275为K.stuttgartiensis[38]。二．结果和讨论(一)温度对特定的厌氧氨氧化活动的短期影响当温度在10-45℃之间时，颗粒的最大SAA和厌氧氨氧化生物膜生物量通过一式三份的批量试验进行测试。两种生物质获得的温度依赖性曲线(图1)非常相似，并且与其他作者获得的结果一致[15,39]。温度高达40◦℃时观察到SAA的指数增加，同时在45℃开展的实验显示了温度对活性的负面影响。根据修正后的Arrhenius模型，计算了两个厌氧氨氧化种群63kJmol−1的活化能[40]。厌氧氨氧化生物种植在30◦℃，Strousetal.[14]获得了一个类似的值(70kJmol−1)，同时Dalsgaard，Thamdrup[25]and和Rysgaardetal.[24]分别报道了海洋沉积物中的厌氧氨氧化生物量51和61kJmol−1的值。在45℃试验完成时，液相获得了橙色着色，这表明生物质裂解。为了证实这一事实，当第一个进料基底消耗完后，在小瓶里增加第二个进料，能够观察到几乎可以忽略不计的活性(图1)。在35,40和45℃，可分析在已经完成的SAA批量测试中液相