, 梁启煜, 谢元华, 马永光东北大学 机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2016-09-04
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51408105)。
作者简介：朱彤(1963-)，男，辽宁沈阳人，东北大学教授，博士生导师。
摘要：采用上流式厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation, ANAMMOX)反应器，通过氮去除效能的变化，研究无机碳(inorganic carbon, IC)在厌氧氨氧化过程中的作用及IC质量浓度对厌氧氨氧化过程的影响.结果表明：当进水不投加IC时，反应器脱氮效能明显下降，当进水IC和总无机氮(total inorganic nitrogen，TIN)的质量浓度之比ρIC/ρTIN为0.2~0.4时，脱氮效能得到恢复并逐步提高.ρIC/ρTIN从0.4继续提高至1.0时，脱氮效能不再发生明显变化.在ρIC/ρTIN为0.4的条件下启动新反应器，运行61天后氮去除负荷达到1.04kg·m-3·d-1，ANAMMOX菌活性明显高于原反应器.表明厌氧氨氧化过程中，IC主要提供碳源并充当反应催化剂，充足的IC供应是提高ANAMMOX活性和维持稳定脱氮的必要条件，厌氧氨氧化启动过程中进水IC和TIN最佳质量浓度之比为0.4.
关键词：厌氧氨氧化无机碳脱氮效能ρIC/ρTIN废水
Influence of Inorganic Carbon on Nitrogen Removal Efficiency During the ANAMMOX Process
ZHU Tong
, LIANG Qi-yu, XIE Yuan-hua, MA Yong-guangSchool of Mechanical Engineering & Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: ZHU Tong, E-mail: tongzhu@mail.neu.edu.cn
Abstract: The influence of inorganic carbon(IC) on anaerobic ammonium oxidation(ANAMMOX) process was investigated by evaluating the nitrogen removal efficiency in an up-flow ANAMMOX reactor. Results show that the nitrogen removal efficiency decreases significantly when stop adding IC into influent water. The nitrogen removal efficiency recovers and increases gradually when the mass concentration ratio of influent IC to total inorganic nitrogen(TIN) is 0.2~0.4. Increasing the ratio from 0.4 to 1.0 cannot bring a better nitrogen removal efficiency. When a new reactor was started up with the ratio of 0.4, the achieved nitrogen removal efficiency comes up to 1.04kg·m-3·d-1 after 61days stable operation. The ANAMMOX bacteria in the new reactor present higher activity than that in the previous reactor. Results suggest that IC provides a suitable carbon source and plays a catalytic role in the ANAMMOX process. Sufficient IC is important to maintain the activity of ANAMMOX bacteria and the stability of the nitrogen removal efficiency. 0.4 is the optimal ratio in the influent for ANAMMOX process.
Key Words: ANAMMOXinorganic carbon(IC)nitrogen removal efficiencythe ratio of IC to TINwaste water
厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation, ANAMMOX)是一种高效、经济、可持续的脱氮新技术，是近年来国内外废水处理领域的研究热点.ANAMMOX菌生长缓慢且对环境条件敏感，有机物、pH值、温度等因素均对ANAMMOX菌有重要影响.
Chamchoi等[1]发现有机物对ANAMMOX菌有抑制作用，化学需氧量COD超过300mg·L-1时ANAMMOX菌完全失去活性.杨洋等[2]研究发现，温度、pH值对ANAMMOX菌活性有明显影响，最佳温度为30~35℃，最佳pH值为7.5~8.3.ANAMMOX菌是一种化能自养菌，以CO2或者HCO3-为碳源，无机碳(inorganic carbon, IC)对ANAMMOX菌有重要影响[3].李祥等[4]研究发现，HCO3-对维持反应器pH值与脱氮效能十分重要，在厌氧氨氧化反应器启动过程中HCO3-与NH4+-N(表示NH4+中的N元素)的进水质量浓度最佳比值为1.13.Liao等[5]研究发现，HCO3-质量浓度从1g·L-1上升到1.5g·L-1时，ANAMMOX菌活性提高，增加到2g·L-1时，活性受到抑制.但现有研究在探讨IC对ANAMMOX菌活性影响时都没有进行pH值的控制，所得到的IC实验结果掺杂了pH值变化的影响.虽然IC能够在一定程度上减缓pH值的变化，但pH值对厌氧氨氧化有很大影响[6-7]，其作用不应该被忽略.
本研究采用上流式厌氧氨氧化反应器，在控制pH值不变的条件下，以反应器脱氮效能和细菌活性变化为评价指标，通过改变进水IC的质量浓度，研究IC在厌氧氨氧化过程中的作用及其浓度变化对反应的影响，并确定最优IC质量浓度，为厌氧氨氧化的实际工程应用提供参考.
1 实验材料和方法1.1 实验装置研究采用两个完全相同的上流式厌氧氨氧化反应器，见图 1.反应器由有机玻璃制成，直径234mm，高750mm，有效容积30L.反应器内环装填料架上缠绕帘式纤维填料，有效填充率为7.49g·L-1.水温通过加热器(SX-265，广东金利佳机电有限公司)实现自动控制，pH值通过在线监测装置(SIN-PH160，杭州联测自动化技术有限公司)监测并联动控制补液泵进行酸碱调节液的投加.进水方式由蠕动泵控制，连续进水.反应器1进行IC浓度影响实验，反应器2进行优化参数验证实验.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 上流式厌氧氨氧化反应器Fig.1 Schematic diagram of up-flow ANAMMOX reactor |
1.2 实验材料接种污泥为实验室培养的混合污泥，含有部分ANAMMOX细菌，接种后反应器内混合液悬浮固体质量浓度(mixed liquid suspended solids, MLSS)为6g·L-1.实验原水为人工配水，其中，NH4+-N，NO2--N(表示NO2-中的N元素)分别由(NH4)2SO4，NaNO2按需配置，为避免采用有机碳源引起反应器内杂菌生长对ANAMMOX菌产生抑制，IC由NaHCO3按需配置.KH2PO4 54mg·L-1，FeSO4·7H2O 9mg·L-1，EDTA 5mg·L-1，矿物质元素浓缩液2mL·L-1，微量元素浓缩液1mL·L-1.矿物质元素浓缩液组成为CaCl2 0.7g·L-1，KCl 0.7g·L-1，MgSO4 0.5g·L-1，NaCl 0.5g·L-1；微量元素浓缩液组成为CoCl2·6H2O 0.24mg·L-1，CuSO4·5H2O 0.25mg·L-1，H3BO3 0.014mg·L-1，MnCl2·4H2O 0.99mg·L-1，Na2MoO4·2H2O 0.22mg·L-1，NiCl·6H2O 0.19mg·L-1，ZnSO4·7H2O 0.43mg·L-1.
1.3 实验方法水质指标按照《水和废水监测分析方法》测定[8].具体实验方案如下.
1) 连续流反应器实验.
整个实验过程中反应器温度保持在35℃，pH值控制在7.6±0.1，溶解氧控制在0.1mg/L以下.反应器外覆盖黑色遮光材料，避免光照影响.
反应器启动：反应器1以进水NH4+-N质量浓度50mg·L-1，NO2--N质量浓度50mg·L-1启动，根据出水情况逐渐提高负荷.IC浓度由厌氧氨氧化反应方程式中所需IC量决定[9]，即保持进水中IC质量浓度与总无机氮(total inorganic nitrogen，TIN)质量浓度比值ρIC/ρTIN约为0.05.当反应器内形成稳定厌氧氨氧化反应时，视为启动成功.
IC质量浓度影响实验：反应器1启动成功后进行实验.实验过程中控制pH值为7.6±0.1，温度35℃，并保持进水氮质量浓度基本不变.IC质量浓度按照ρIC/ρTIN=0，0.1，0.2，0.4，0.8，1.0进行投加，每个比值条件下进行5~7天的实验，通过进出水氮含量变化来探究IC质量浓度对厌氧氨氧化的影响，并探寻最合适的IC质量浓度.
最优IC质量浓度验证实验：在最优IC质量浓度条件下启动反应器2，在运行的前30天除IC质量浓度外其余启动条件与反应器1均相同，通过比较两反应在启动过程中进出水差异来验证实验结论.从第31天开始，逐步提高反应器2负荷，通过负荷提升速度，进一步验证实验结论.
2) ANAMMOX菌活性实验.
分别取反应器1运行第30天(IC实验前)和反应器2运行第30天时的污泥进行定量污泥锥形瓶实验，通过测定反应基质的浓度变化，绘制降解速率曲线，间接比较两个反应器内ANAMMOX菌活性，验证IC对厌氧氨氧化的影响和最优IC值质量浓度.
细菌活性实验具体方法如下：从反应器内的填料上刮下部分污泥，用去离子水冲洗后装入500mL锥形瓶中.初始污泥质量浓度为0.5g·L-1，加入NH4+-N和NO2--N质量浓度均为70mg·L-1的磷酸盐缓冲液(pH=7.6)作为模拟废水，其余营养物质和IC质量浓度均与连续流反应器相同.持续通入N2去除溶解氧，20min后用橡胶塞塞紧.将锥形瓶置于恒温水浴摇床上，保持温度35℃.定时(0，6，12，24h)取样，测定水中NH4+-N和NO2--N的质量浓度，绘制基质降解速率曲线，分析细菌活性.
2 结果与分析2.1 反应器启动反应器1启动阶段运行30天，整体处理效果如图 2所示.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 反应器1启动阶段运行情况Fig.2 Performance of reactor 1 in the starting period |
反应器1在进水TIN为100mg·L-1(NH4+-N和NO2--N质量浓度比为1:1)条件下启动，停留时间为24h.由图 2知出水NO2--N基本维持在10mg·L-1以下，NH4+-N和NO2--N消耗量之比在1:1.1左右，接近理论值，说明反应器内的厌氧氨氧化菌开始逐渐适应环境.从启动开始到第18天时，通过增加进水NH4+-N和NO2--N含量，氮负荷(nitrogen loading rate，NLR)从0.1kg·m-3·d-1逐渐增加到0.34kg·m-3·d-1，出水NO2--N质量浓度小于20mg·L-1，总氮去除率在75%左右.第20天，为了尽快提高反应器负荷，将进水TIN由350mg·L-1提高到500mg·L-1，结果出水NO2--N达到80mg·L-1，可能是由于进水NO2--N质量浓度过高，达到250mg·L-1，抑制了厌氧氨氧化的活性[10].所以第23天将进水NO2--N降到220mg·L-1，缩短停留时间为20h，维持NLR在0.55kg·m-3·d-1左右.随后出水NO2--N很快下降至20mg·L-1左右，反应器达到稳定状态.此时NH4+-N和NO2--N去除率分别为80%和90%，NLR为0.55kg·m-3·d-1，氮去除负荷(nitrogen removal rate，NRR)为0.4kg·m-3·d-1.
2.2 IC质量浓度对厌氧氨氧化的影响在研究IC对厌氧氨氧化影响的实验阶段，将实验开始设为第1天.实验过程中反应器NLR保持在(0.65±0.5)kg·m-3·d-1，结果见图 3.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 不同ρIC/ρTIN条件下厌氧氨氧化反应器处理情况Fig.3 Performance of the ANAMMOX reactor with different ρIC/ρTIN |
由图 3可知，实验开始阶段，虽然进水中不再投加IC，但反应器中仍有少量残留，所以最初3天NO2--N去除率只是缓慢下降.随着残留IC消耗殆尽，NO2--N去除率明显下降，在第7天仅有78%.其原因可能是ANAMMOX菌对低浓度的IC利用能力不强[11].不额外投加IC时，仅依靠空气和自来水中的CO2或HCO3-作为IC源，很难满足生长和维持活性的需求，影响厌氧氨氧化过程的发生，导致脱氮性能下降.从第8天开始，IC按照ρIC/ρTIN=0.1投加，NO2--N去除率回升到实验前的水平，达到90%左右.当ρIC/ρTIN提高到0.2时，NO2--N去除率进一步提升并稳定在94%左右.
为了进一步探究IC对厌氧氨氧化脱氮性能的影响，在第25天，提高ρIC/ρTIN为0.4的同时将NLR从0.65kg·m-3·d-1增加到0.7kg·m-3·d-1，NO2--N去除率没有明显变化，说明此时IC质量浓度已满足ANAMMOX菌需求，反应器脱氮效能得到提升.这是因为高质量浓度IC减缓了基质对ANAMMOX菌的抑制[8]；同时因为厌氧氨氧化反应会在ANAMMOX菌表面释放大量N2，影响ANAMMOX菌利用CO2或者HCO3-，而额外投加的IC提高了水中IC质量浓度，一定程度上满足了ANAMMOX菌的需求[12].当ρIC/ρTIN从0.4继续提高到1.0时，NO2--N去除率没有明显变化，仅在ρIC/ρTIN为1.0的开始阶段出现下降，但很快恢复并趋于稳定.说明过量IC对厌氧氨氧化的脱氮性能没有明显影响.
IC质量浓度对厌氧氨氧化过程有明显影响，因此厌氧氨氧化反应器运行过程中应及时适量投加IC.目前国内外很多文献报道的IC投加量一般固定在190~290mg·L-1[13-14]，而Kimura等[11]研究表明厌氧氨氧化过程IC消耗量和NH4+-N消耗量具由一定的比例关系.目前厌氧氨氧化反应中多以某一固定浓度过量投加IC，增加了成本，造成浪费.本研究中ρIC/ρTIN大于0.2时NO2-N去除率已基本稳定，所以ρIC/ρTIN大于0.2即可满足反应需要.若考虑实际操作中可能存在的IC流失(以CO2形式逸出，出水携带，填料及污泥吸附等)以及经济因素，应在此基础上适当增加IC的投加量，ρIC/ρTIN为0.4是经济合适的IC投加比例.
2.3 IC在厌氧氨氧化过程中的作用目前研究普遍认为厌氧氨氧化过程中IC主要有两个作用：一是为ANAMMOX菌的生长提供碳源；二是厌氧氨氧化过程是一个不断消耗H+使pH值升高的过程，IC以HCO3-形式进入水中，能够充当pH缓冲剂，维持适合ANAMMOX菌生长的pH范围[15].本研究在控制反应器内pH值不变的条件下进行，IC充当pH缓冲剂的作用可以被忽略.但IC质量浓度的变化同样引起了反应器脱氮效能的改变，这可能是因为IC不仅为细菌生长提供碳源，同时还可能充当了厌氧氨氧化反应的催化剂.
van der Star等[16]研究认为N2H4在被氧化成N2的过程中伴随着NH2OH向NH4+的转变，其过程可用如下反应方程式表示：
 |
2.4 最优IC质量浓度验证实验实验得到的最优IC投加量应保证ρIC/ρTIN为0.4.通过启动厌氧氨氧化反应器2来验证这一结论.反应器1与反应器2从第1天到第30天出水NO2--N对比情况见图 4.在进水质量浓度相同的情况下，反应器2出水NO2--N含量明显低于反应器1.特别是在第20天后，进水TIN质量浓度达到500mg·L-1(NH4+-N和NO2--N均为250mg·L-1)，反应器1出水NO2--N明显上升，虽然之后有所下降但仍在20mg·L-1左右，表明反应器处理能力接近饱和.而反应器2出水NO2--N仍保持在20mg·L-1以下，说明其处理能力仍有提升空间.这验证了充足的IC能促进ANAMMOX菌活性提高，维持反应器脱氮效能稳定.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 反应器1与反应器2出水NO2--N含量对比Fig.4 Comparison of the effluent nitrite for reactor 1 and reactor 2 |
为进一步验证IC对反应器脱氮效能的影响，反应器2负荷继续提高，在第61天NLR达到1.33kg·m-3·d-1，NRR达到1.04kg·m-3·d-1，进出水氮的质量浓度如图 5所示.反应器2在61天的运行过程中ρIC/ρTIN始终保持为0.4，进水TIN从100mg·L-1上升到600mg·L-1，水力停留时间从24h缩短到12h.反应器2从第31天到第61天，氮去除负荷从0.4kg·m-3·d-1快速增加到1.04kg·m-3·d-1，说明投加适量的IC能够实现厌氧氨氧化反应器负荷的快速提高，也验证了ρIC/ρTIN为0.4适合厌氧氨氧化菌生长并保持良好活性.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 反应器2整体运行情况Fig.5 Performance of reactor 2 |
2.5 不同IC质量浓度时ANAMMOX菌活性比较IC对厌氧氨氧化反应的影响可以通过反应器进出水水质的变化来反映，同时也可以通过检测厌氧氨氧化菌的活性来表征.运行第30天时从反应器1和反应器2中分别取泥进行活性测试，得到的NH4+-N和NO2--N降解曲线如图 6所示：NH4+-N和NO2--N质量浓度随时间增加逐渐降低，降解速度基本保持在1:1左右，符合厌氧氨氧化反应的理论值.而反应器1基质降解速度明显低于反应器2，说明反应器1的ANAMMOX菌活性低于反应器2.由于反应器1和2在启动运行的30天内除IC投加量不同外，其余条件均完全相同，且在活性测试时也保持了与对应的连续流反应器相同的条件，因此造成活性差异的主要原因应为IC质量浓度的不同.反应器2从启动开始就维持ρIC/ρTIN为0.4，而反应器1的ρIC/ρTIN仅为0.05.这也验证了ANAMMOX菌对低质量浓度IC利用困难，充足的IC是保证ANAMMOX菌活性的必要条件.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 反应器1与反应器2基质降解曲线Fig.6 Substrate degradation curves of reactor 1 and reactor 2 |
3 结论1) IC质量浓度对ANAMMOX菌脱氮性能有明显影响，低质量浓度IC不易被ANAMMOX菌利用.在不额外投加IC时反应器效能迅速下降，仅7天时间就下降了12%，恢复IC投加后，反应器效能逐渐恢复.
2) 进水IC与TIN质量浓度比值ρIC/ρTIN达到0.2时，反应器脱氮效能基本稳定，ρIC/ρTIN升高到1.0时脱氮效能没有明显变化，过量IC对厌氧氨氧化无明显影响.从反应器需求、IC流失及经济因素等角度考虑，ρIC/ρTIN最优值为0.4.
3) 在人工控制pH值为7.6的条件下，IC质量浓度的变化也引起了反应器脱氮效能的改变，说明IC在厌氧氨氧化过程中起着提供碳源和反应催化剂的作用.
4) IC对反应器氮去除负荷快速提升和ANAMMOX菌活性提高均有积极作用，在ρIC/ρTIN为0.4的条件下启动厌氧氨氧化反应器，61天内获得了1.04kg·m-3·d-1氮去除负荷.
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