HCO3-濃度對厭氧氨氧化反應影響

　　厭氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation，ANAMMOX)是指在厭氧或缺氧條件下，微生物直接以亞硝酸鹽為電子受體，將氨和亞硝酸鹽轉變?yōu)镹2的生物氧化過(guò)程，即在此過(guò)程中，NH4+-N的氧化無(wú)需分子態(tài)氧，而NO2--N的還原無(wú)需有機物參與。相比傳統的硝化反硝化脫氮工藝，厭氧氨氧化具有需氧量小、運行費用省以及無(wú)需外加有機碳源等優(yōu)點(diǎn)〔1, 2, 3〕。厭氧氨氧化菌作為化能自養型細菌，其以CO2或HCO3-為碳源，并從NH4+-N和NO2--N的生物反應中獲得能量，因此，厭氧氨氧化菌生長(cháng)和維持活性需要充足的無(wú)機碳源〔4〕。另外，由于厭氧氨氧化反應過(guò)程消耗H+，導致系統pH升高，而HCO3-可調節系統pH，維持其穩定運行〔5〕�？傊�，HCO3-(無(wú)機碳源)是ANAMMOX反應中較為重要的影響因素。故本實(shí)驗利用厭氧發(fā)酵罐反應器，以序批式運行方式，研究了不同HCO3-濃度對厭氧氨氧化反應的影響。

　　1 材料和方法

　　1.1 實(shí)驗裝置和運行條件

　　實(shí)驗裝置選用實(shí)驗室臺式旗艦型小型厭氧發(fā)酵罐反應器，如圖 1所示。該反應器由瑞士制造，INFORS品牌，型號Labfors 5 Bacteria，總容積為3.6 L，有效容積為2.6 L。攪拌速率設置為150 r/min，在線(xiàn)監測pH和ORP�？刂蒲b置運行溫度為33 ℃，遮光放置，避免光線(xiàn)對微生物的負面影響。

 圖 1 反應裝置 

　　1.2 反應器接種污泥

　　厭氧發(fā)酵罐反應器接種污泥取自實(shí)驗室運行狀態(tài)良好的亞硝酸鹽型厭氧氨氧化紅色顆粒狀污泥，MLSS為0.423 g/L，MLVSS為0.201 g/L，MLVSS/MLSS為0.475。

　　1.3 實(shí)驗模擬廢水組成

　　人工配制實(shí)驗模擬廢水 ，反應基質(zhì)主要為NH4Cl和NaNO2，其質(zhì)量濃度分別為90、120 mg/L。溶液中的HCO3-由NaHCO3和KHCO3提供，投加濃度如表 1所示。利用強酸和強堿調節反應器內原水pH至7.5±0.1。

 　　模擬廢水中其他營(yíng)養成分為KH2PO4 27 mg/L、MgCl2·6H2O 200 mg/L、CaCl2·2H2O 68 mg/L、微量元素Ⅰ1 mL/L、微量元素Ⅱ1.25 mL/L。微量元素Ⅰ組成：EDTA 5 g/L，硫酸亞鐵5 g/L。微量元素Ⅱ組成：EDTA 5 000 mg/L，CoCl2·6H2O 240 mg/L，ZnSO4·7H2O 430 mg/L，MnCl2·4H2O 990 mg/L，CuSO4·5H2O 250 mg/L，NaMoO4·2H2O 220 mg/L，NiCl2·6H2O 190 mg/L，NaSeO2·10H2O 210 mg/L，H3BO4 14 mg/L。原水配制后采用高純N2吹脫30 min，以去除水中的溶解氧。

　　1.4 實(shí)驗測定項目和方法

　　NH4+-N的測定采用納氏試劑分光光度法;NO2--N、NO3--N、SO42-的測定采用離子色譜法; HCO3-的測定采用德國耶拿TOC Multi N/C 3100總碳-總氮分析儀;MLSS和MLVSS的測定采用重量法。

　　2 結果與討論

　　2.1 HCO3-濃度對厭氧氨氧化反應時(shí)間的影響

　　不同進(jìn)水HCO3-濃度條件下 ，NH4+-N和NO2--N反應完所需時(shí)間如圖 2所示。

 圖 2 HCO₃^-濃度對厭氧氨氧化反應時(shí)間的影響 

　　由圖 2可知，隨著(zhù)進(jìn)水HCO3-濃度的增大，NH4+-N和NO2--N反應完所需的時(shí)間減少，當HCO3-質(zhì)量濃度達到1.2 g/L時(shí)，NH4+-N和NO2--N反應完所需要的時(shí)間最短，為6 h;進(jìn)一步提高HCO3-濃度，反應時(shí)間反而延長(cháng)。說(shuō)明并不是HCO3-濃度越高，對氨氮的降解能力就越強。

　　2.2 HCO3-濃度對厭氧氨氧化反應速率的影響

　　在反應時(shí)間為6 h的條件下，考察了NH4+-N、NO2--N和總無(wú)機氮降解速率隨進(jìn)水HCO3-濃度的變化，結果如圖 3所示。

 圖 3 HCO₃^-濃度對厭氧氨氧化反應速率的影響

　　由圖 3可知，當進(jìn)水HCO3-質(zhì)量濃度為0.2 g/L時(shí)，NH4+-N和NO2--N的降解速率分別為6.43 、8.32 mg/(L·h)，總無(wú)機氮去除速率為14.44 mg/(L·h);當HCO3-質(zhì)量濃度提高到1.2 g/L時(shí)，NH4+-N和NO2--N的降解速率分別達到13.86、17.36 mg/(L·h)，總無(wú)機氮去除速率為28.8 mg/(L·h)，此時(shí)厭氧氨氧化細菌活性最高;進(jìn)一步提高HCO3-濃度，總無(wú)機氮去除速率反而下降，厭氧氨氧化細菌活性受到抑制。

　　實(shí)驗結果表明，當進(jìn)水HCO3-質(zhì)量濃度<1.2 g/L時(shí)，其濃度的提高有利于提高ANAMMOX菌的活性和ANAMMOX反應器的脫氮性能〔6, 7, 8, 9〕。由于氮最終以N2的釋放而去除，氮負荷高且去除率高勢必會(huì )產(chǎn)生大量的N2，N2從厭氧氨氧化菌表面的釋放會(huì )對厭氧氨氧化菌利用CO2或HCO3-造成阻力〔10〕，而原水中高濃度的無(wú)機碳則恰好彌補了厭氧氨氧化菌對CO2或HCO3-的需求。由此可知，HCO3-在該體系中起著(zhù)重要的補充碳源的作用。當碳源不足，原水HCO3-濃度較低時(shí)，厭氧氨氧化細菌的活性會(huì )受到抑制，反應時(shí)間會(huì )延長(cháng)。但過(guò)高的HCO3-濃度同樣會(huì )抑制厭氧氨氧化細菌的活性，不但沒(méi)有提高反應速率而且還增大了運行費用。

　　2.3 HCO3-濃度對厭氧氨氧化過(guò)程pH的影響

　　進(jìn)水HCO3-濃度對厭氧氨氧化過(guò)程pH的影響如圖 4所示。

 圖 4 HCO₃^-濃度對厭氧氨氧化過(guò)程pH的影響 

　　厭氧氨氧化過(guò)程中H+不斷被消耗，致使系統pH不斷升高。研究結果表明，厭氧氨氧化菌的最適pH為6.7~8.3，而氮負荷高且去除率高時(shí)會(huì )造成系統內部pH高于厭氧氨氧化菌的最適pH范圍，導致厭氧氨氧化菌的活性大幅降低。由圖 3可知，當進(jìn)水HCO3-質(zhì)量濃度<0.8 g/L時(shí)，即使原水pH調控至7.5±0.1左右，反應到中期以后反應器內的pH仍升至8.5以上，且之后上升幅度更大，不適于厭氧氨氧化菌的生長(cháng);當進(jìn)水HCO3-質(zhì)量濃度>0.8 g/L時(shí)，整個(gè)反應過(guò)程中反應器內的pH基本可以穩定在A(yíng)NAMMOX反應所需要的最佳pH范圍，且整個(gè)反應過(guò)程中pH變化幅度相對較小，可為厭氧氨氧化菌的生長(cháng)提供良好的pH環(huán)境，有利于A(yíng)NAMMOX反應的順利進(jìn)行。實(shí)驗結果表明，原水中高濃度的無(wú)機碳可作為pH的緩沖劑。綜合考慮，最佳進(jìn)水HCO3-質(zhì)量濃度為1.2 g/L。

　　2.4 厭氧氨氧化過(guò)程中HCO3-濃度的變化

　　在不同進(jìn)水HCO3-濃度條件下，考察了厭氧氨氧化過(guò)程中HCO3-濃度的變化，結果如圖 5所示。

 圖 5 厭氧氨氧化過(guò)程中HCO₃^-濃度的變化 

　　由圖 5可知，厭氧氨氧化過(guò)程中HCO3-濃度基本未發(fā)生變化，反應中無(wú)機碳濃度變化很小，僅有極少量的HCO3-作為無(wú)機碳源用于細胞合成。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 結論

　　實(shí)驗結果表明，無(wú)機碳源(HCO3-)濃度對厭氧氨氧化反應活性有一定影響，實(shí)驗條件下適宜的原水HCO3-質(zhì)量濃度為1.2 g/L。當HCO3-質(zhì)量濃度>1.2 g/L時(shí)，厭氧氨氧化細菌活性會(huì )受到抑制。

　　HCO3-對厭氧氨氧化反應體系的影響主要體現在2個(gè)方面：(1)HCO3-可為厭氧氨氧化細菌的生長(cháng)提供充足的無(wú)機碳源;(2)HCO3-是兩性物質(zhì)，在產(chǎn)酸或者產(chǎn)堿的反應體系中可維持反應的酸堿平衡，起著(zhù)緩沖pH的作用，維持反應器運行的穩定性。