HCO3-浓度对厌氧氨氧化反应影响

Posted 2023-01-12 浓度

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　　厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation，ANAMMOX)是指在厌氧或缺氧条件下，微生物直接以亚硝酸盐为电子受体，将氨和亚硝酸盐转变为N2的生物氧化过程，即在此过程中，NH4+-N的氧化无需分子态氧，而NO2--N的还原无需有机物参与。相比传统的硝化反硝化脱氮工艺，厌氧氨氧化具有需氧量小、运行费用省以及无需外加有机碳源等优点〔1, 2, 3〕。厌氧氨氧化菌作为化能自养型细菌，其以CO2或HCO3-为碳源，并从NH4+-N和NO2--N的生物反应中获得能量，因此，厌氧氨氧化菌生长和维持活性需要充足的无机碳源〔4〕。另外，由于厌氧氨氧化反应过程消耗H+，导致系统pH升高，而HCO3-可调节系统pH，维持其稳定运行〔5〕。总之，HCO3-(无机碳源)是ANAMMOX反应中较为重要的影响因素。故本实验利用厌氧发酵罐反应器，以序批式运行方式，研究了不同HCO3-浓度对厌氧氨氧化反应的影响。

　　1 材料和方法

　　1.1 实验装置和运行条件

　　实验装置选用实验室台式旗舰型小型厌氧发酵罐反应器，如图 1所示。该反应器由瑞士制造，INFORS品牌，型号Labfors 5 Bacteria，总容积为3.6 L，有效容积为2.6 L。搅拌速率设置为150 r/min，在线监测pH和ORP。控制装置运行温度为33 ℃，遮光放置，避免光线对微生物的负面影响。

图 1 反应装置

　　1.2 反应器接种污泥

　　厌氧发酵罐反应器接种污泥取自实验室运行状态良好的亚硝酸盐型厌氧氨氧化红色颗粒状污泥，MLSS为0.423 g/L，MLVSS为0.201 g/L，MLVSS/MLSS为0.475。

　　1.3 实验模拟废水组成

　　人工配制实验模拟废水，反应基质主要为NH4Cl和NaNO2，其质量浓度分别为90、120 mg/L。溶液中的HCO3-由NaHCO3和KHCO3提供，投加浓度如表 1所示。利用强酸和强碱调节反应器内原水pH至7.5±0.1。

　　模拟废水中其他营养成分为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组成：EDTA 5 g/L，硫酸亚铁5 g/L。微量元素Ⅱ组成：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。原水配制后采用高纯N2吹脱30 min，以去除水中的溶解氧。

　　1.4 实验测定项目和方法

　　NH4+-N的测定采用纳氏试剂分光光度法;NO2--N、NO3--N、SO42-的测定采用离子色谱法; HCO3-的测定采用德国耶拿TOC Multi N/C 3100总碳-总氮分析仪;MLSS和MLVSS的测定采用重量法。

　　2 结果与讨论

　　2.1 HCO3-浓度对厌氧氨氧化反应时间的影响

　　不同进水HCO3-浓度条件下，NH4+-N和NO2--N反应完所需时间如图 2所示。

图 2 HCO₃^-浓度对厌氧氨氧化反应时间的影响

　　由图 2可知，随着进水HCO3-浓度的增大，NH4+-N和NO2--N反应完所需的时间减少，当HCO3-质量浓度达到1.2 g/L时，NH4+-N和NO2--N反应完所需要的时间最短，为6 h;进一步提高HCO3-浓度，反应时间反而延长。说明并不是HCO3-浓度越高，对氨氮的降解能力就越强。

　　2.2 HCO3-浓度对厌氧氨氧化反应速率的影响

　　在反应时间为6 h的条件下，考察了NH4+-N、NO2--N和总无机氮降解速率随进水HCO3-浓度的变化，结果如图 3所示。

图 3 HCO₃^-浓度对厌氧氨氧化反应速率的影响

　　由图 3可知，当进水HCO3-质量浓度为0.2 g/L时，NH4+-N和NO2--N的降解速率分别为6.43 、8.32 mg/(L·h)，总无机氮去除速率为14.44 mg/(L·h);当HCO3-质量浓度提高到1.2 g/L时，NH4+-N和NO2--N的降解速率分别达到13.86、17.36 mg/(L·h)，总无机氮去除速率为28.8 mg/(L·h)，此时厌氧氨氧化细菌活性最高;进一步提高HCO3-浓度，总无机氮去除速率反而下降，厌氧氨氧化细菌活性受到抑制。

　　实验结果表明，当进水HCO3-质量浓度<1.2 g/L时，其浓度的提高有利于提高ANAMMOX菌的活性和ANAMMOX反应器的脱氮性能〔6, 7, 8, 9〕。由于氮最终以N2的释放而去除，氮负荷高且去除率高势必会产生大量的N2，N2从厌氧氨氧化菌表面的释放会对厌氧氨氧化菌利用CO2或HCO3-造成阻力〔10〕，而原水中高浓度的无机碳则恰好弥补了厌氧氨氧化菌对CO2或HCO3-的需求。由此可知，HCO3-在该体系中起着重要的补充碳源的作用。当碳源不足，原水HCO3-浓度较低时，厌氧氨氧化细菌的活性会受到抑制，反应时间会延长。但过高的HCO3-浓度同样会抑制厌氧氨氧化细菌的活性，不但没有提高反应速率而且还增大了运行费用。

　　2.3 HCO3-浓度对厌氧氨氧化过程pH的影响

　　进水HCO3-浓度对厌氧氨氧化过程pH的影响如图 4所示。

图 4 HCO₃^-浓度对厌氧氨氧化过程pH的影响

　　厌氧氨氧化过程中H+不断被消耗，致使系统pH不断升高。研究结果表明，厌氧氨氧化菌的最适pH为6.7～8.3，而氮负荷高且去除率高时会造成系统内部pH高于厌氧氨氧化菌的最适pH范围，导致厌氧氨氧化菌的活性大幅降低。由图 3可知，当进水HCO3-质量浓度<0.8 g/L时，即使原水pH调控至7.5±0.1左右，反应到中期以后反应器内的pH仍升至8.5以上，且之后上升幅度更大，不适于厌氧氨氧化菌的生长;当进水HCO3-质量浓度>0.8 g/L时，整个反应过程中反应器内的pH基本可以稳定在ANAMMOX反应所需要的最佳pH范围，且整个反应过程中pH变化幅度相对较小，可为厌氧氨氧化菌的生长提供良好的pH环境，有利于ANAMMOX反应的顺利进行。实验结果表明，原水中高浓度的无机碳可作为pH的缓冲剂。综合考虑，最佳进水HCO3-质量浓度为1.2 g/L。

　　2.4 厌氧氨氧化过程中HCO3-浓度的变化

　　在不同进水HCO3-浓度条件下，考察了厌氧氨氧化过程中HCO3-浓度的变化，结果如图 5所示。

图 5 厌氧氨氧化过程中HCO₃^-浓度的变化

　　由图 5可知，厌氧氨氧化过程中HCO3-浓度基本未发生变化，反应中无机碳浓度变化很小，仅有极少量的HCO3-作为无机碳源用于细胞合成。。

　　3 结论

　　实验结果表明，无机碳源(HCO3-)浓度对厌氧氨氧化反应活性有一定影响，实验条件下适宜的原水HCO3-质量浓度为1.2 g/L。当HCO3-质量浓度>1.2 g/L时，厌氧氨氧化细菌活性会受到抑制。

　　HCO3-对厌氧氨氧化反应体系的影响主要体现在2个方面：(1)HCO3-可为厌氧氨氧化细菌的生长提供充足的无机碳源;(2)HCO3-是两性物质，在产酸或者产碱的反应体系中可维持反应的酸碱平衡，起着缓冲pH的作用，维持反应器运行的稳定性。