铁、锰离子对sbbr厌氧氨氧化脱氮效率的影响

铁、锰离子对sbbr厌氧氨氧化脱氮效率的影响

与传统的生物去除氮技术相比，厌氧氨氧化（anam-mox）具有高效、低能耗的特点。然而厌氧氨氧化菌生长缓慢(倍增时间为11d),且对亚硝酸盐、溶解氧、温度等外界条件非常敏感,导致其应用受到限制。针对厌氧氨氧化菌的特性,工艺的改善方法有以下两种:改善反应器构型,增强反应器截留污泥的能力;优化培养条件以适应厌氧氨氧化菌的需求。序批式生物膜反应器(SBBR)兼具生物膜反应器和SBR反应器的优点,其内置填料提高了对微生物的截留能力,结构上更加适合培养世代周期较长、细胞产率低的厌氧氨氧化菌,运行方式上有利于产物的及时转化和酸度的及时调节而避免细菌中毒现象。所以,利用SBBR实现厌氧氨氧化脱氮具有很强的可操作性。课题组通过对厌氧氨氧化菌的代谢途径进行热力学分析,发现其代谢途径具有多样性,铁、锰离子有可能成为潜在的电子供体/受体。Strous等人对厌氧氨氧化菌Kueneniastuttgartiensis基因组的分析也证明了以上观点。理论上新的代谢途径会在一定程度上缓解ANAMMOX菌所面临的竞争压力,使得厌氧氨氧化过程更具稳定性,并将进一步提高厌氧氨氧化反应器的效能。笔者以SBBR反应器实现厌氧氨氧化过程,通过投加不同浓度的铁、锰离子,考察不同离子浓度下反应器的氮去除负荷和微生物量,分析铁、锰离子对厌氧氨氧化反应器效能的影响。1材料和方法1.1温度控制试验采用两套完全相同的SBBR反应器来分别考察铁离子和锰离子的影响,其编号分别为S1和S2。装置采用有机玻璃制作,有效容积为1.5L,内部装有改性生物膜载体,用纤维网装好后置于反应器内部,以便拆卸。用磁力搅拌器进行搅拌,通过时间继电器控制进、出水的时间和搅拌时间。装置表面用遮光布包裹,以防止光线对厌氧氨氧化菌混培物产生不利影响。利用温控仪控制反应器内水温为(35±1)℃,进水pH值控制在7.8~8.2,HRT为6h。S1反应器的Fe2+浓度由0.04mmol/L逐渐增加至0.06和0.08mmol/L,在成功启动反应器之后比较不同Fe2+浓度对基质转化速率的影响。S2反应器的锰离子浓度分别为0.0125、0.025、0.05mmol/L。1.2微量元素的测定接种污泥来自一个有效容积为1.5L的厌氧氨氧化反应器,该反应器已稳定运行1年,具有较好的厌氧氨氧化活性。试验采用人工模拟废水:KHCO3为500mg/L,KH2PO4为10mg/L,MgSO4·7H2O为60mg/L,CaCl2·2H2O为5mg/L,微量元素为1.25mL/L。微量元素的成分如下:ZnSO4·7H2O为430mg/L,CuSO4·5H2O为250mg/L,MnCl2·4H2O为990mg/L,NiCl2·6H2O为190mg/L,CoCl2·6H2O为240mg/L,H3BO4为414mg/L,Na2SeO4·10H2O为220mg/L。铁离子由新配制的FeCl2提供,用MnO2结晶体溶于水临时配制相应锰离子浓度的溶液。1.3硝酸盐分光光度法氨氮:纳氏试剂分光光度法;亚硝酸盐氮:N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;硝酸盐氮:麝香草酚分光光度法;pH值和DO:WTW手提式多参数测定仪;铁、锰离子浓度:ICP-AES法。1.4探针的选择荧光原位杂交(FISH)技术是检测ANAMMOX菌的有效方法。本试验选用编号为Amx-0368的探针,用Cy3进行标记。处理后的玻片用OlympusBX-51荧光显微镜及配套的成像系统、图像分析系统进行检测。2结果与讨论2.1铁离子对反应的效率的影响2.1.1s1反应器对nh4+-n和no2--n的去除效果先启动反应器,投加一定量的接种污泥,逐步提高氮负荷,考察反应器的启动状况。成功启动反应器后再考察铁离子对反应器脱氮性能的影响。根据所投加的铁离子浓度的不同,可以将S1反应器的运行分为3个阶段。在各个阶段反应器对NH4+-N和NO2--N的去除效果分别见图1和图2。可以看出,随着进水铁离子浓度的升高,反应器对两者的去除率均呈上升趋势。其中,当进水铁离子浓度由0.04mmol/L升高到0.06mmol/L时,反应器对氨氮的去除率有明显升高,并且达到相对稳定;当进水铁离子浓度为0.08mmol/L时,去除率进一步提高。反应器对NO2--N的去除率在进水铁离子浓度为0.08mmol/L时增加显著。2.1.2no2--n/nh4+-n值变化情况根据厌氧氨氧化的化学反应式,亚硝酸盐氮与氨氮按照1.32∶1的比例被去除,NO3--N生成量与氨氮去除量的比值为0.26∶1。经分析,当反应器进水铁离子浓度为0.04、0.06和0.08mmol/L时,NO2--N/NH4+-N平均值分别为(1.27±0.11)、(1.24±0.05)、(1.17±0.04)。对不同阶段的NO2--N/NH4+-N值进行单边T检验,结果表明NO2--N/NH4+-N值显著低于1.32(p<0.05)。随着反应器进水铁离子浓度的升高,反应消耗的氨氮多于理论值。三个阶段的NO2--N/NH4+-N值呈下降趋势,这可能是由于铁离子代替亚硝酸盐氮作为电子受体的结果。由标准偏差可知,当铁离子浓度升高时厌氧氨氧化现象越来越稳定,亚硝酸盐对于厌氧氨氧化过程的抑制得到有效缓解,多途径的电子传递体系使得厌氧氨氧化反应更稳定。2.1.3铁离子浓度对厌氧氨氧化菌生长的影响在每个阶段运行完毕时,取一定量的泥样用于FISH分析。结果表明,随着铁离子浓度的升高,厌氧氨氧化菌的数量逐渐增加,特别是当铁离子浓度为0.08mmol/L时,细菌混培物的生长速率明显加快,挥发性固体浓度为第一阶段的2.33倍。2.2影响锰处理的效率2.2.1反应器内氨氮和亚硝酸盐氮的去除测定显示,随着进水锰离子浓度的升高,反应器对氨氮和亚硝酸盐氮的去除率逐渐升高,在锰离子浓度为0.05mmol/L时,反应器对这两种基质的去除率均达到了95%以上(见图3、4)。2.2.2锰离子浓度对反应器的影响反应器进水锰离子浓度为0.0125、0.025、0.05mmol/L时NO2--N/NH4+-N的平均值分别为(1.00±0.13)、(1.20±0.09)、(1.21±0.03)。单边T检验显示NO2--N/NH4+-N值均显著低于1.32(p<0.05)。在锰离子浓度为0.0125mmol/L时反应器的运行很不稳定,但是随着锰离子浓度提高到0.025mmol/L,反应器的厌氧氨氧化现象逐渐明显,NO2--N和NH4+-N也基本按照理论值被去除(见图5)。当进水锰离子浓度为0.05mmol/L时,NO2--N/NH4+-N值略有下降。2.2.3锰离子浓度对厌氧氨氧化菌生长的影响取三个运行阶段的污泥样品进行FISH分析,随着锰离子浓度的升高,厌氧氨氧化菌在污泥微生物群落中逐渐占据优势,当锰离子浓度为0.05mmol/L时,厌氧氨氧化菌混培物的生长速率明显比低浓度时快,第三阶段的VS值是第一阶段的2.57倍。3铁、锰离子对氨氮和亚硝酸盐氮的去除效果(1)铁、锰离子均能够促进反应器对氮的去除。当进水铁离子浓度为0.08mmol/L时,反应器对氨氮和亚硝酸盐氮的去除率均稳定在95%左右;当进水锰离子浓度为0.05mmol/L时,反应器对氨氮和亚硝酸盐氮的去除率均可达95%以上。(2)铁、锰离子能够促进厌氧氨氧化菌混培物的生长。当铁离子浓度为0.08mmol/L时,挥发性固体浓度为0.04mmol/L时的2.33倍。