厭氧氨氧化工藝是在厭氧或缺氧前提下, 厭氧氨氧化菌利用NO2-為電子受體氧化NH4+為N2的一種化能自養(yǎng)型脫氮工藝.Anammox工藝因存在脫氮效力高、污泥產(chǎn)量低、無需外加碳源等上風(fēng)而倍受歡送, 已被用于實際工程中.但Anammox菌存在成長速率慢、倍增時光長、環(huán)境敏感度高等缺點, 增加了Anammox工藝受損后的恢復(fù)難度.實際廢水, 尤其是產(chǎn)業(yè)廢水中, 化學(xué)成分龐雜, 氮濃度較高, 其中的NO2--N跟NH4+-N雖為Anammox菌的成長基質(zhì), 但同時也是毒性物質(zhì), 極易影響Anammox菌的成長代謝, 進(jìn)而威脅Anammox工藝的運行.研究表明, NO2--N對Anammox工藝的影響高于NH4+-N, NH4+-N濃度低于1000 mg · L -1時不會克制Anammox菌活性, 而NO2--N濃度高于280 mg · L -1時便會產(chǎn)生克制, 因此, 基質(zhì)克制尤其是NO2--N克制是Anammox工藝普遍利用的瓶頸之一.因此, 高濃度基質(zhì)克制后Anammox菌的活性恢復(fù)及其恢復(fù)策略研究將有助于Anammox工藝的推廣利用.
胞外聚合物作為微生物新陳代謝跟細(xì)胞自溶分泌的產(chǎn)物, 是一類附著于細(xì)胞壁名義的有機大分子多聚物, 重要由結(jié)合型EPS形成, 其又分為周到型跟疏松型兩種, 分辨由內(nèi)到外包埋微生物, 以堅持細(xì)胞結(jié)構(gòu)跟功能的完全性.EPS重要由蛋白質(zhì)跟多糖形成, 其中, PS是由中性的跟帶電的糖苷鍵形成的異質(zhì)多糖體, 以各種結(jié)協(xié)力與基質(zhì)中的生物分子形成EPS的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu), 而PN則包含有胞外酶、EPS潤飾酶及結(jié)構(gòu)蛋白等, 被固定于PS中, 降解基質(zhì)中聚合物并潤飾EPS結(jié)構(gòu), 二者彼此作用以增進(jìn)微生物間的物質(zhì)轉(zhuǎn)換跟能量傳遞, 加強微生物的耐沖擊才干并堅持其酶活性及功能特點.PN跟PS濃度易受水質(zhì)前提、反應(yīng)器運行方法及上風(fēng)菌種代謝水等同因素的影響, 可很好地反應(yīng)Anammox菌的活性恢復(fù)情況.本研究通過考察受基質(zhì)克制后的Anammox菌在活性恢復(fù)進(jìn)程中, 其脫氮機能、EPS組分及Anammox菌豐度的變更, 摸索升流式厭氧反應(yīng)器中Anammox菌的活性恢復(fù)特點, 以期為Anammox工藝恢復(fù)的機制研究及實際利用供給實際與技巧支撐.
2 資料跟方法2.1 實驗裝置
實驗采取升流式厭氧氨氧化反應(yīng)器, 具體如所示.反應(yīng)器制造資料為有機玻璃, 有效容積1.5 L, 頂部設(shè)有三相分別裝置跟溢流堰, 處理水經(jīng)溢流堰排出, 反應(yīng)器內(nèi)部掛有辮簾式填料, 便于形成生物膜, 上部設(shè)有回流裝置, 增進(jìn)反應(yīng)器內(nèi)部輪回, 并避免進(jìn)水口堵塞.反應(yīng)器整體置于恒溫 ℃水浴箱中, 避光運行, 進(jìn)水pH經(jīng)0.1 mol · L-1鹽酸調(diào)節(jié)至7.5左右, 堅持Anammox菌適合的成長環(huán)境.
實驗裝置示用意
2.2 實驗前提跟運行策略
實驗用水為人工配制的模仿廢水, 具體組偏見表 1.其中, 微量元素成分為：EDTA
20、ZnSO4 · 7H2O 0.43、CoCl2 · 6H2O 0.24、MnCl2 · 4H2O 0.99、CuSO4 · 5H2O 0.25、NaMoO4 · 2H2O 0.043、NiCl2 · 6H2O 0.20、KH2PO4
20、H3BO3 0.014.于進(jìn)水桶跟出水口處, 分辨用離心管收集水樣, 經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后分辨采取納氏試劑法、N-乙二胺分光光度法跟紫外分光光度法測定樣品中的NH4+-
N、NO2--N跟NO3--N .pH采取便攜式pH計測定;污泥樣品MLS
S、MLVSS均按的標(biāo)準(zhǔn)方法測定.
本研究實驗前反應(yīng)器已牢固運行1年, 填料中成長磚紅色生物膜, 游離的污泥呈紅色疏松顆粒狀.在進(jìn)水TN濃度為700 mg · L-1, HRT為9 h的前提下, 反應(yīng)器NH4+-N跟NO2--N去除率牢固在94%跟83%左右.之后因中斷反應(yīng)器回流, 且仍以TN濃度700 mg · L-1的進(jìn)水運行, 以致進(jìn)水區(qū)域NO2--N濃度由回流時的20.92 mg · L-1劇增為320.24 mg · L-1, 引起基質(zhì)克制, 反應(yīng)器于之后的1周內(nèi)脫氮機能驟降, NH4+-N跟NO2--N去除率分辨降至9.67%跟8.75%, 泥色呈灰黑色, 略有臭味, 此時, 反應(yīng)器中MLSS為7.46 g · L-1, MLVSS為3.96 g · L-1.之后實驗采取階段式進(jìn)步氮負(fù)荷的方法恢復(fù)反應(yīng)器中Anammox菌的活性, 分5個階段進(jìn)行, TN濃度分辨為160、320、500、700跟1000 mg · L-1, 具體運行策略見表 2.
2.3 EPS提取及測定
污泥樣品中的EPS采取高速離心與超聲組合的方法提取, 即取適量4 ℃下靜置1.5 h的污泥, 經(jīng)緩沖液重懸至初始體積后, 4 ℃下2000 g離心15 min, 棄去上清液, 底部積淀物再次重懸, 并離心, 此上清液即為LB-EPS;重復(fù)底部積淀物的重懸步驟, 經(jīng)20 kH
Z、480 W超聲破碎儀超聲10 min 后, 4 ℃下2000 g離心20 min, 上清液即為TB-EPS.LB-EPS跟TB-EPS經(jīng)0.45 μm聚四氟乙烯濾膜過濾落伍行蛋白質(zhì)與多糖的測定.EPS中蛋白質(zhì)采取BCA蛋白濃度測定試劑盒測定, 以牛血清蛋白為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì);多糖采取蒽酮-硫酸法測定, 以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì).
2.4 DNA提取與實時定量PCR
稱取500 mg污泥樣品, 利用FastDNATM SPIN Kit for Soil提取試劑盒按其操作步驟提取污泥樣品中總DNA.實時定量PCR實驗采取Roche LightCycler®480 Ⅱ?qū)崟r熒光定量體系進(jìn)行, 反應(yīng)采取20 μL體系, 具體配置為：SYBR Green Ⅰ Master10 μL, 前后引物各0.8 μL, 質(zhì)粒或DNA樣品1 μL, 去離子水7.4 μL.其中, 全細(xì)菌定量引物為通用引物341F:534R, 而Anammox菌采取特異性引物Amx808F跟Amx1040R .實時定量PCR運行程序為三步法：95 ℃預(yù)變性5 min;95 ℃變性30 s, 45 ℃退火30 s, 72 ℃延長30 s, 35個輪回;72 ℃終延長10 min, 最落伍行溶解曲線剖析.
3 結(jié)果與探討3.1 厭氧氨氧化反應(yīng)器活性恢復(fù)中脫氮機能變更
由反應(yīng)器進(jìn)出水氮濃度跟脫氮效力變更(a)可知, 活性恢復(fù)中隨著進(jìn)水總氮濃度的階段性增加, 出水總氮濃度也逐步增加, 以出水NO3--N濃度增加最為明顯, NO2--N次之; 而NH4+-N濃度始終堅持在5 mg · L-1以下, 僅在進(jìn)水氮濃度進(jìn)步的48 h內(nèi), 出水NH4+-N濃度偏高, 但均會敏捷趨于牢固.反應(yīng)器的TN去除率在階段Ⅰ~Ⅱ逐步增加, 最高可達(dá)91.74%, 在階段Ⅲ~Ⅴ則逐步牢固在78.8%左右.而NO2--N去除率相反, 在階段Ⅰ~Ⅱ牢固于98%左右, 而階段Ⅲ~Ⅴ則逐步降落, 階段Ⅴ去除率均勻為83.8%.NH4+-N去除率絕對牢固, 始終堅持在98%左右.
活性恢復(fù)中反應(yīng)器進(jìn)出水氮濃度變更
由b可知, 活性恢復(fù)階段Ⅰ~Ⅴ中, 氮去除負(fù)荷(Nitrogen Removal Rate, NRR)隨氮負(fù)荷率(Nitrogen Loading Rate, NLR)的增加而逐步增加, 各階段NRR分辨牢固在0.21、0.64、1.05、1.55跟2.21 kg · m-3 · d-1左右, 與Zhang等(2015)報道的重金屬銅克制后Anammox工藝恢復(fù)狀況相近.因此, 階段式進(jìn)步NLR可有效利用菌群的適應(yīng)性跟競爭機制(Sheng et al., 2010), 利于Anammox活性的疾速恢復(fù).
厭氧氨氧化反應(yīng)器中脫氮效力(a)、氮負(fù)荷及去除的不同情勢氮素比值(b)的變更
由跟可知, 在活性恢復(fù)階段(Ⅰ~Ⅳ), 反應(yīng)器均可在進(jìn)步NLR后的24 h內(nèi)疾速適應(yīng)并牢固運行, 截至階段Ⅳ, 反應(yīng)器已恢復(fù)至受損前的牢固狀況.其中, 階段Ⅱ第18 d時反應(yīng)器呈現(xiàn)較大穩(wěn)定, 使整體脫氮效力顯現(xiàn)較低狀況, 且ΔNO3--N/ΔNH4+-N值低于階段Ⅲ, 可能是因為HRT由12 h縮短至9 h導(dǎo)致的.而在階段Ⅴ中, NLR進(jìn)步后反應(yīng)器需72 h方可促適應(yīng), 且NH4+-N跟NO2--N去除率分辨較階段Ⅳ降落了2.44%跟10.23%, 可能是高濃度的NO2--N對Anammox菌跟異養(yǎng)菌有毒害作用, 細(xì)胞逝世亡自溶使反應(yīng)器內(nèi)源性COD增加(Tian et al., 2013), 增加了反硝化菌的競爭力.同時, 在進(jìn)水NO2--N/NH4+-N為1.32的前提下, 只管階段Ⅰ~Ⅴ的NH4+-N去除率均高于96%, 但NO2--N去除率跟ΔNO3--N/ΔNH4+-N值卻逐步降落, 且出水NO2--N濃度由起初的0.79 mg · L -1漸增至91.00 mg · L-1, 說明誠然有出水回流的稀釋作用, 會一定水平上緩解NO2--N對Anammox菌的毒害, 但高濃度NO2--N仍然會克制Anammox菌活性(Fernández et al., 2012;Kimura et al., 2010;Tang et al., 2010).有研究指出, 當(dāng)NO2--N濃度超過750 mg L-1時, 90%的Anammox菌產(chǎn)生可逆性失活(Kimura et al., 2010).研究也表明, 剎時1000 mg · L -1 TN(NH4+-N+NO2--N)的沖擊會引起50%Anammox菌失活(Lotti et al., 2012).
3.2 活性恢復(fù)階段厭氧氨氧化菌的EPS組分變更
由可知, 反應(yīng)器活性恢復(fù)中EPS含量隨NLR進(jìn)步呈先降落后回升的趨勢, 階段Ⅰ~Ⅴ的EPS含量分辨為150.56、33.51、8.42、10.05跟10.21 mg · g-1(以VSS計), 各階段TB-EPS含量均高于LB-EPS含量, 且TB-EPS較LB-EPS對環(huán)境敏感度高, 其PN含量均高于PS含量, 這與Jia等(2017)跟Pellicernàcher等(2013)的研究結(jié)果一致.階段Ⅰ~Ⅲ中, EPS含量逐步降落, 階段Ⅰ中EPS含量遠(yuǎn)高于階段Ⅱ跟Ⅲ, 其TB-EPS約為LB-EPS的90.25倍, 且TB-PN/PS跟LB-PN/PS值分辨為21.02跟2.21左右, 說明高濃度基質(zhì)沖擊時, 反應(yīng)器內(nèi)局部微生物產(chǎn)生了菌體自溶(Tian et al., 2013), 開釋出了細(xì)胞內(nèi)部的PN, 使TB-EPS中PN含量劇增, 而PN中荷負(fù)電氨基酸較多, 疏水性強(Raszka et al., 2010;Zhang et al., 2007), 利于絮體聚集, 加速了Anammox菌恢復(fù)牢固, 同時, TB-EPS緊附于細(xì)胞壁上不易脫落(Li et al., 2007;Yang et al., 2009), 導(dǎo)致TB-EPS中PN滯留, 使階段Ⅰ的TB-EPS含量較高.具體接洽污水寶或參見http://www.dowater.com更多相干技巧文檔。污水處理設(shè)備為使污水達(dá)到排入某一水體或再次使用的水質(zhì)要求對其進(jìn)行凈化的過程。污水處理被廣泛應(yīng)用于建筑、農(nóng)業(yè)、交通、能源、石化、環(huán)保、城市景觀、醫(yī)療、餐飲等各個領(lǐng)域，也越來越多地走進(jìn)尋常百姓的日常生活。
活性恢復(fù)中反應(yīng)器內(nèi)EPS組分變更
階段Ⅰ~Ⅲ, TB-EPS跟LB-EPS中PS含量逐步增加, 易于形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu), 利于PN跟PS的彼此配合及細(xì)胞間物質(zhì)轉(zhuǎn)換跟能量傳遞, 同時, 增加Anammox菌跟TB-EPS中EPS潤飾酶活性, 使EPS分層更加趨于牢固.階段Ⅳ跟Ⅴ, TB-PN/PS跟LB-PN/PS值牢固于0.84左右, 此結(jié)果與Jia等(2017)報道的Anammox菌牢固時的結(jié)果相近, 說明Anammox體系已處于穩(wěn)態(tài).另外, 階段Ⅳ跟Ⅴ中EPS含量較階段Ⅲ分辨增加了19.36%跟21.26%, 是因為TN濃度超過了Anammox菌的適合閾值使其產(chǎn)生一定水平的應(yīng)激性, 加速了EPS的分泌, 以加強對外界環(huán)境變更的耐受性(Hou et al., 2015;Neyens et al., 2004).
3.3 活性恢復(fù)階段Anammox菌的豐度變更
從中Anammox菌豐度變更可知, 反應(yīng)器活性恢復(fù)階段Ⅰ~Ⅴ中細(xì)菌總數(shù)逐步回升, 而Anammox菌豐度為7.7×109~2.4×1010 copies · g-1(以VSS計), 介于高夢佳等(2016)跟王衫允等(2016)報道的數(shù)據(jù)之間.Anammox菌的絕對豐度與其絕對豐度變更趨勢雷同, 階段Ⅰ~Ⅴ分辨為7.78%、5.73%、4.14%、12.59%跟7.46%.階段Ⅰ~Ⅲ中, Anammox菌豐度相稱, 這說明中斷回流1周后Anammox菌數(shù)量并不明顯變更, 而其活性受損才是脫氮機能降落的重要起因.在階段Ⅳ中Anammox菌豐度最高, 為2.4×1010 copies · g-1(以VSS計), 這顯示Anammox菌從新適應(yīng)了反應(yīng)器的運行前提, 活性得到恢復(fù)(Ma et al., 2012;Molin et al., 2003).隨后的階段Ⅴ中, Anammox菌豐度略有降落, 可能與過高的進(jìn)水NH4+-N跟NO2--N濃度的克制造用有關(guān)(Dapena-Mora et al., 2007;Isaka et al., 2007;Raudkivi et al., 2017;Strous et al., 1999;Yang et al., 2011).
活性恢復(fù)中反應(yīng)器內(nèi)Anammox菌豐度變更
綜合反應(yīng)器活性恢復(fù)進(jìn)程各階段的脫氮機能、EPS組分及Anammox菌豐度變更可知, 逐步進(jìn)步氮負(fù)荷, 受損反應(yīng)器中Anammox菌的活性逐步恢復(fù).TN濃度為700 mg · L-1時, 脫氮效力跟Anammox菌豐度較高, 且EPS組分含量適合.而過高的TN濃度(1000 mg · L-1)前提下, 反應(yīng)器誠然仍有良好的脫氮效力, 但EPS組分含量及Anammox菌豐度均顯現(xiàn)一定水平惡化(Hou et al., 2015;Lotti et al., 2012), 隨著時光延長, 有可能導(dǎo)致其脫氮效力降落.
4 論斷(Conclusions)
Anammox菌對廢水中氮濃度變更敏感.高于700 mg · L-1的TN濃度會導(dǎo)致Anammox菌產(chǎn)生基質(zhì)克制, 使Anammox污泥中EP
S、TB-PN/PS跟LB-PN/PS明顯增高.采取階段式進(jìn)步負(fù)荷有利于Anammox菌的活性恢復(fù), 終極均勻氮去除負(fù)荷達(dá)2.21 kg · m-3 · d-1.TN濃度為700 mg · L-1時反應(yīng)器運行后果最佳, TN去除率最高為79.74%, 且Anammox菌豐度最高.
