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硝态氮还原-厌氧氨氧化联合工艺去除废水中的氮
Tatsuo Sumino,1 Kazuichi Isaka,1 Hajime Ikuta,1 Yuko Saiki,2 and Toyokazu Yokota2
松岛研究实验室，日立工厂技术公司，537 Kami - Hongo，松岛市，
日本千叶271 - 0064，朝日酿酒有限公司基础研究实验室，
1 - 1 - 21米多里、森雅市、茨城302 - 0106、日本2
2006年5月22日收到/ 2006年7月24日接受
研究了C / N和总有机碳( TOC )负荷对单反应器同时硝化还原和厌氧氨氧化脱氮的影响。将来自甲烷发酵反应器的颗粒污泥置于上流反应器中，并以C / N比为1的比例供给含硝酸盐的合成废水以生长异养型反硝化细菌。当脱氮率达到30 %时，厌氧氨氧化污泥附着在非织造载体上被加入相同的反应器，然后向合成物中加入含氨废水。脱氮率显著提高到80～94 %。在这个系统中，氮去除率受C / N和TOC负荷的影响，而不受颗粒状污泥数量的影响。用15N标记的硝酸盐进行的稳定同位素分析表明， 厌氧氨氧化反应产生了N2。
关键词：脱氮，厌氧氨氧化，反硝化，稳定同位素分析
含氮化合物代表着水体中的一些重要污染物，天然水中的硝酸盐和氨会促进富营养化，富营养化是指水生藻类生物在湖泊、河流和水库中过量生长。废水中的氨氮通常通过硝化和反硝化反应两个过程结合来去除，采用缺氧-好氧活性污泥系统。硝化反应主要通过完全氧化来实现氨转化为硝酸盐；反硝化是在后续的缺氧条件下将硝酸盐还原为N2。最近，一种新型厌氧反应使用亚硝酸盐将氨氮转化成N2的方法作为电子受体在实验室反应中已经被发现( 1–6 )。这一过程既不需要氮化物的完全氧化，也不需要为硝化反应提供电子受体，例如甲醇。通过这一反应，用于反硝化反应100%的外源有机碳和超过50%用于硝化反应的供氧被保存下来。催化这种反应的细菌叫做厌氧氨氧化细菌。该过程是自养的，利用溶解的二氧化碳、或用于细胞生物合成的碳酸二苯酯。尽管培养细菌生长相当缓慢，倍增时间大约为11天，并且对环境条件的变化极为敏感，一旦这些细菌富集成功，厌氧氨氧化将是一种从含氮量高达0.9 kg/m3/d的污水中脱氮的很有前景的新方法（2）。
要用厌氧氨氧化细菌去除废水中的氨，必须为细菌提供足够的亚硝酸盐和铵。获得亚硝酸盐的一种成功方法是，利用氨氧化细菌如亚硝化单胞菌和亚硝化螺旋菌来部分氧化氨。该方法需要使用独立反应器或者SHARON-ANAMMOX工艺中的单一反应器，通过亚硝酸盐（CANON）完全自养脱氮，OLAND工艺或者使用厌氧氨氧化和部分硝化（SNAP）工艺的单级脱氮（3-6）。亚硝酸盐的产生似乎成功地证明这一过程能控制氧量，然而该反映不稳定，亚硝酸盐被氧化成硝酸盐，如果亚硝酸盐可以通过厌氧反应从硝酸盐中产生，那么一种更加稳定而又经济的工艺将会形成。通过固定厌氧氨氧化细菌，我们考虑把它们放置在缺氧-好氧活性污泥系统的缺氧池里，用于去除生活污水或者工业废水中的氨氮。因此，本研究旨在评估在单一反应器中硝酸盐还原和厌氧氨氧化的结合，研究C / N和总有机碳( TOC )负荷对单反应器同时硝化还原和厌氧氨氧化脱氮的影响。
材料和方法
微生物 附着在多孔聚酯无纺布载体（厚度0.7cm；日本维林，东京）上的厌氧氨氧化污泥，是通过富集培养从污水处理厂收集的活性污泥得到的（2）。颗粒状污泥是从处理啤酒废水的上流厌氧污泥床反应器中取出的。
合成废水 所用的基础合成废水每升具有以下组成：0.15 g-N (NH4)2SO4; 0.15 g-N NaNO3; 0.5 g KHCO3; 0.027 g KH2PO4; 0.3 g MgSO4sdot;7H2O; 0.18 g CaCl2sdot;2H2O;1毫升痕量元素1；1毫升痕量元素2。痕量元素1每升中包含 5.0 g EDTA 和 5.0 g FeSO4sdot;7H2O。痕量元素2每升中包含15.0 g EDTA, 0.43 g ZnSO4sdot;7H2O, 0.24 g CoCl2sdot;6H2O, 0.99 g MnCl2 sdot; 4H2O, 0.25 g CuSO4sdot;5H2O, 0.22 g NaMoO4sdot;2H2O, 0.19 g NiCl2sdot;6H2O, 0.21 g NaSeO4sdot;10H2O和 0.014 g H3BO4。
为了培养厌氧氨氧化污泥，使用了改性基础废水，其中NaNO3由使用相同量的自来水稀释的NaNO2所替代。为了从产甲烷颗粒污泥中富集反硝化细菌，使用了改性基础废水，其中不含氮，并用自来水稀释四倍，以1：1的C / N向其中假如乙酸钠。运行42天后，就得到了含有氨和硝酸盐的稀释废水，它是由基础合成废水用自来水稀释5-10倍，并且加入C / N为0.2 - 3的乙酸钠作为电子供体得来的。进料溶液中的溶解氧浓度通过喷射含氮气体的溶液到反应器中而降低至0.5mg/L，甚至更低。
连续装置 实验装置包括体积为500 ml的连续上流反应器(图1 )。在加入附着到非织布载体上的厌氧氨氧化污泥之前，将10 % (体积 / 体积，试验1 ) 和20 % (试验2 )颗粒污泥样品放置在每个反应器中并加入改性的基础废水以富集反硝化细菌。
反硝化细菌富集42天之后，附着在非织布载体上的厌氧氨氧化污泥以56%的填料比放置在颗粒污泥床的顶部（附着在载体上的厌氧氨氧化污泥的活性是61毫克-氮/小时/升-载体）。然后，加入包含30 mg - N / L的氨和硝酸盐的稀释废水到反应器。停留时间为2小时。反应器上流率设定为5-10 m / h，反应器中的温度通过水套保持在30°C。
流入液
反应器
500ml 464*41
附着在非织布载体上的厌氧氨氧化细菌 填料比为56%
产甲烷颗粒
水套 30℃
流出液
同位素法气体分析
图1.小型反应堆
分析方法 通过碘酚比色法来测定氨浓度，亚硝酸盐和硝酸盐浓度通过离子色谱法测定( IC7000；横河分析系统，东京)。总氮（T-N）浓度由氨、亚硝酸盐态氮和硝态氮浓度之和计算得到。附着在非织布载体上的厌氧氨氧化污泥活性用分批培养法测定。它是由该公式给出的：
An = Ao times; V / N
其中An是附着在载体上的厌氧氨氧化污泥活性( 毫克 – 氮 / 小时 / 升 -载体)；Ao是间歇反应器中的氮去除率(毫克 – 氮 / 小时 / 升 -载体)；V是反应器容积 （l）；N是非织布载体的本身体积（l）。
荧光原位杂交（FISH）据说是由Saiki等人发现的。本研究中使用的探针为AR915 ( 8 )，EUB338 / EUB338II / EUBIII的等摩尔混合物( 9 )和AMX820 ( 10 )，它们分别对古细菌、细菌和厌氧氨氧化细菌有特性。它们以Cy3-、Cy5-和FITC-标记的衍生物的形式购买，使用配有氩氦激光器和IX70显微镜的奥林巴斯FV300激光显微镜进行观察(奥林巴斯，东京)。FISH是从非织布载体上小心分离出的5微米厚的切片制作，它是从颗粒状污泥或者厌氧氨氧化污泥至得到的。为了检测细菌，古细菌和厌氧氨氧化细菌，分别使用结合了FITC的EUB338、具有Cy3的AR915和具有Cy5的AMX820的探针。
为了测量厌氧氨氧化反应与异养脱氮的比率，我们使用了用15N标记的硝酸钠(东京Shoko )作为基质。反应器中产生的气体从柱的顶部使用注射器并转移到气体取样袋。这个取样袋是在Shoko Co.Ltd的实验室里分析的（Saitama）。使用以大气为标准的日立RM1-2质谱仪来分析28N2/29N2/30N2的同位素比。
结果与讨论
连续处理 实验数据如图2所示。
在C / N为1高达42天，富集异养型反硝化细菌的过程中，试验1和试验2中总氮去除率都逐渐提高，样品中分别加入10%和20%（体积/体积）的颗粒，20天后达到了30%-40%。在C / N比为1时，该实验获得的数值几乎是理论值。在富集第42天之后，向试验1和试验2的柱中加入附着在载体上的厌氧氨氧化污泥，载体生长在含有亚硝酸盐和氨的合成废水中。这些柱的填充率为56%，附着在非织布载体上的厌氧氨氧化污泥活性为61毫克 – 氮 / 小时 / 升 -载体载体。 在第42天之后的两个试验中，C / N比均设置为0.3–0.7，但是第71天之后，在试验1中更改为0.8–3，在试验2中更改为0.2–0.9。从实际有机碳负荷来看，C / N比是有波动的，波动的影响将在后面讨论。厌氧氨氧化污泥与颗粒污泥混合后，T - N去除率显著提高，达到80～94 %。T - N去除率的提高似乎是由于厌氧氨氧化反应。换句话说，硝酸盐可以通过以下方式还原成亚硝酸盐异养反硝化细菌，由厌氧氨氧化细菌利用氨进行反硝化。T - N去除率如图3所示。所得速率约为0.4至0.6千克-氮/立方米/天，其与异养脱氮( 11 )中获得的相似。图4显示了试验2的流入和流出液中NH4 - N和NO3 - N浓度的时间进程。流出液NO2 – N去除至低于2mg/l，在操作过程中，反应器中混合物的pH在7.5 - 8.0范围内，未检测到溶解氧。
时间 （天）
总氮去除率 %
图2. 单反应器连续处理对T - N去除率的影响。圆形，试验1，10%颗粒；三角形，试验2，20%颗粒
T – N去除速率 （千克氮/立方米/天）
时间 （天）
图3. 单反应器连续处理对T - N去除速率的影响。圆形-试验1，10%颗粒；三角形-试验2，20%颗粒
图4.试验2中合成废水脱氮效果研究.方块-C / N；黑色圆圈-流入液NH4-N；黑三角形-流入液NO3-N；白色圆圈-流出液NH4-N；白色三角形-流出液NO3-N
图5.有机碳负荷对总氮去除率的影响. 圆形-试验1，10%颗粒；三角形-试验2，20%颗粒
图6.C / N对总氮去除率的影响. 圆形-试验1，10%颗粒；三角形-试验2，20%颗粒
图7.C / N对传统异养脱氮除氮效果的影响
C / N和有机碳负荷对脱氮除磷的影响 TOC负荷对T - N去除率的影响如图5所示。总氮去除率随TOC负荷的增加而增加。在缺氧-好氧活化系统处理生活污水中，异养脱氮率随着TOC负荷而增加。在我们的研究中，观察到了相同的现象。在单个反应器中可能发生了两组细菌之间的竞争性NO2利用。厌氧氨氧化菌比异养反硝化菌更具活性；因此，它们利用更多亚硝酸盐和氨。图6显示了我们分析C / N比和T - N去除率的结果，通过在进水中调节TOC负荷。T- N去除率在小于1.0时与C / N成正比。图7显示了以乙酸钠为电子供体的颗粒污泥中异养反硝化细菌的C / N和T - N去除率之间的关系。脱氮率超过90%在C / N比约为2.8时，然而当C / N比小于2.0时会显著降低。将在厌氧氨氧化反应中获得的那些控制在C / N比小于1.0。从这些结果可知，使用硝酸盐和氨的厌氧氨氧化脱氮仅需要异养脱氮所需的有机碳源量的1 / 3作为电子供体。
图8.颗粒污泥和厌氧氨氧化污泥微生物系统的变化.（a，c）产甲烷颗粒；（b，d）厌氧氨氧化污泥；（a，b）初始态：（c，d）12周后
荧光原位杂交法微生物分析 图8a显示了从UASB的厌氧池中取出的颗粒状污泥的FISH图。在颗粒表面附近检测到细菌和古细菌。古细菌是产甲烷菌，分类为甲烷菌。( 7 )。图8b显示了富集的厌氧氨氧化污泥的微菌落，其直径约为10 - 30m，刚好在将厌氧氨氧化污泥与颗粒污泥结合之前获得。在此图中，大部分污泥显示为蓝色，表明污泥主要含有厌氧氨氧化细菌。
在硝酸盐、氨和乙酸钠（C / N = 0.5 - 0.8）富集了12周之后，与AR915杂交的区域减小。与EUB338杂交的
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