無機條件下硫酸鹽型厭氧氨氧化反應(yīng)的特性

崔 麗，王 慧，黃開拓，許 濤，梁吉艷

（沈陽工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，沈陽 遼寧 110870）

無機條件下硫酸鹽型厭氧氨氧化反應(yīng)的特性

崔 麗，王 慧，黃開拓，許 濤，梁吉艷

（沈陽工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，沈陽 遼寧 110870）

在循環(huán)流厭氧反應(yīng)器中研究了無機條件下采用厭氧顆粒污泥啟動硫酸鹽型厭氧氨氧化（S-ANAMMOX）的反應(yīng)特性。結(jié)果表明：在1～124 d的運行時間內(nèi)，從第37天開始出現(xiàn)了NH+-N和SO2-的同步去除，生成NO-，442NO3-，反應(yīng)最終產(chǎn)物為N2和單質(zhì)硫，NH4+-N和SO42-的最高去除率分別達(dá)到92.47%和59.3%；當(dāng)進(jìn)水nN∶nS較高時，能顯著提高NH4+-N去除率和總氮去除率；SO42-與NH4+發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生NO2-和NO3-是pH降低的過程；進(jìn)水nN∶nS、進(jìn)水平均NH4+-N、SO42-質(zhì)量濃度和HRT均對S-ANAMMOX反應(yīng)的氮硫轉(zhuǎn)化比有一定影響，表明S-ANAMMOX反應(yīng)是一個多步反應(yīng)。

無機碳源；硫酸鹽型厭氧氨氧化；氨氮；硫酸根；氮硫轉(zhuǎn)化比；

化工、制藥、制糖等多種工業(yè)廢水中含有高濃度的氨氮和硫酸鹽，這些廢水排入水體后會引起極大的危害，NH4+-N不僅是引起水體富營養(yǎng)化的首要原因，還會影響魚類腮血液吸收和輸送氧的能力，導(dǎo)致魚類死亡。在有氧條件下NH4+-N轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽，可與蛋白質(zhì)形成強致癌物質(zhì)亞硝胺，嚴(yán)重影響人類和動物的健康。硫酸鹽本身對環(huán)境沒有大的危害，但大量積累會釋放有毒氣體H2S，致使水體黑臭，同時在厭氧生物處理時，滋生的硫酸鹽還原菌（SRB）與產(chǎn)甲烷菌（MPB）競爭底物，嚴(yán)重影響處理效果。

Fdz-Polanco等［1］研究發(fā)現(xiàn)，在以顆粒活性炭為載體的厭氧流化床反應(yīng)器中，氮硫可被同步脫除，經(jīng)物料衡算，有80%的硫酸鹽被轉(zhuǎn)化，50%的總凱氏氮轉(zhuǎn)化成氮氣。他推斷存在硫酸鹽型厭氧氨氧化（S-ANAMMOX）過程，即硫酸鹽作為電子受體將NH4

+-N轉(zhuǎn)化為氮氣的生物過程。Liu等［2］在無機條件下成功啟動S-ANAMMOX反應(yīng)時得出與Fdz-Polanco［3-4］不同的結(jié)論：反應(yīng)過程中并沒有產(chǎn)生S2-。袁怡等［5-6］在啟動S-ANAMMOX反應(yīng)過程中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生大量的NO3-?？梢?，S-ANAMMOX的轉(zhuǎn)化機制尚不明確，反應(yīng)產(chǎn)物存在一定的爭議。

本工作在循環(huán)流厭氧反應(yīng)器中接種普通厭氧顆粒污泥，以NH4+-N及硫酸鹽為進(jìn)水基質(zhì)啟動無機條件下的S-ANAMMOX反應(yīng)，對其產(chǎn)物和反應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行分析，以期為S-ANAMMOX反應(yīng)機理研究提供理論基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置與運行條件

本實驗采用自行設(shè)計的循環(huán)流厭氧反應(yīng)器進(jìn)行序批式實驗。反應(yīng)器示意見圖1，反應(yīng)器有效容積3 L，外側(cè)為水浴保溫，反應(yīng)器上覆蓋黑布進(jìn)行避光。反應(yīng)器右側(cè)為生物反應(yīng)區(qū)，內(nèi)置長100 cm、寬12 cm的筒狀無紡布作為微生物附著生長載體，左側(cè)裝有軸流式攪拌槳，轉(zhuǎn)速200 r/min，保證水流逆時針循環(huán)流動。整個反應(yīng)器的接口處均用O型圈密封，進(jìn)出水管均用止水夾密封。裝置運行條件：溫度（30±1）℃，投加NaHCO3調(diào)節(jié)pH為8.10～8.60，進(jìn)水后用高純氮氣充氣15 min以除去反應(yīng)器內(nèi)的氧氣。

圖1 反應(yīng)器示意

1.2 接種污泥的性能及廢水水質(zhì)

接種污泥取自沈陽市某啤酒廢水處理廠的厭氧顆粒污泥，經(jīng)淘洗過濾，其MLSS為36.8 g/L， MLVSS為30.2 g/L。

模擬廢水組成：（NH4）2SO4按需配制，KHCO3900 mg/L，KHPO427 mg/L，CaCl2·H2O 180 mg/L，MgCl2·H2O 200 mg/L，乙二胺四乙酸（EDTA） 5 000 mg/L，ZnSO4·7H2O 430 mg/L，CoCl2·6H2O 240 mg/L，NaMoO4·H2O 220 mg/L，NiCl2·6H2O 190 mg/L，NaSeO4·10H2O 210 mg/ L，H3BO414 mg/L。

1.3 實驗方法

將無紡布固定在反應(yīng)器內(nèi)，加入混合污泥和配制的模擬廢水。用膠塞封好進(jìn)水口與出水口，將溫度計放入反應(yīng)器內(nèi)。開啟外部水浴加熱，使反應(yīng)器溫度升至30 ℃左右；開啟軸流攪拌槳，調(diào)整轉(zhuǎn)速達(dá)200 r/min，使混合污泥及廢水在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流動，部分污泥附著于無紡布上。通入氮氣使反應(yīng)器內(nèi)的氧氣排出；反應(yīng)器上蓋黑布避免光照。

1.4 分析方法

采用ICS-1100型離子色譜儀（戴安公司）測定NH4+-N、NO2-、NO3-和SO4

2-的含量；采用對氨基二甲基苯胺光度法測定S2-含量［7］；采用 FE20型pH計（梅特勒公司）測定廢水pH；采用SUPRA 55 SAPPHIR型掃描電子顯微鏡（卡爾蔡司公司）觀察冷凍干燥后污泥的性狀及微生物形態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)器運行過程中氮的形態(tài)及濃度的變化

反應(yīng)器運行過程中ρ（NH4+-N）和NH4+-N去除率的變化見圖2。由圖2可見：反應(yīng)器運行1～37 d內(nèi)，進(jìn)水ρ（NH4+-N）約為50.0 mg/L，進(jìn)水nN∶nS為2.0，水力停留時間（HRT）為2 d；反應(yīng)器運行1～16 d內(nèi)，出水ρ（NH4+-N）一直高于進(jìn)水，這是由于接種的厭氧顆粒污泥中的異養(yǎng)微生物及部分無法獲取營養(yǎng)物質(zhì)的微生物不適應(yīng)現(xiàn)有的生存條件，出現(xiàn)死亡自溶現(xiàn)象并釋放出NH3，導(dǎo)致出水ρ（NH4+-N）升高；當(dāng)反應(yīng)器運行到第17天后，出水ρ（NH4+-N）開始下降，篩選后的自養(yǎng)微生物在反應(yīng)器內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)作用；從第26天開始，出水ρ（NH4+-N）小于進(jìn)水ρ（NH4+-N），并同時有NO3-和NO2-產(chǎn)生。由于已經(jīng)過吹氮氣除氧，反應(yīng)器內(nèi)部可以排除反硝化產(chǎn)生NO3-，而唯一能夠產(chǎn)生NO3-的反應(yīng)為S-ANAMMOX，所以判斷此時反應(yīng)啟動。

從反應(yīng)器運行第37天開始逐漸提高進(jìn)水ρ（NH4+-N）至120.0 mg/L，保持nN∶nS為2.0，HRT縮短為1 d。NH4+-N去除率從40.0%左右逐漸提高至70.0%左右，并持續(xù)增長。出水中ρ（NO2-）及ρ（NO3-）的變化見圖3。由圖3可見，出水中ρ（NO3-）較之前有所下降，而ρ（NO2-）開始增大，平均ρ（NO2-）為10.1 mg/L。有研究［5］認(rèn)為氮的產(chǎn)物與進(jìn)水nN∶nS有關(guān)，因此從第75天開始保持進(jìn)水ρ（NH4+-N）不變，提高進(jìn)水nN∶nS至4.0，發(fā)現(xiàn)出水ρ（NH4+-N）持續(xù)降低，NH+-N去除率穩(wěn)定在81.3%左右。出水ρ（NO-）43開始升高，最高達(dá)50.9 mg/L，平均為19.1 mg/L，但ρ（NO2-）逐漸降為0。從第96天開始，又將進(jìn)水nN∶nS重新調(diào)整為2.0，出水ρ（NO2-）開始回升，ρ（NO3-）明顯下降。可見，不同進(jìn)水nN∶nS影響出水中ρ（NO2-）和ρ（NO3-）。在運行第99天時，NH4+-N去除率達(dá)到最高，為92.5%，此時出水ρ（NH4+-N）為8.4 mg/L。

圖2 反應(yīng)器運行過程中ρ（NH4+-N）及NH4+-N去除率的變化

圖3 出水中ρ（NO2-）及ρ（NO3-）的變化

從反應(yīng)器運行第92天開始，繼續(xù)提高進(jìn)水ρ（NH4+-N）為180.0 mg/L，發(fā)現(xiàn)NH3+-N去除率直線下降，從59.0%降至23.0%。過高的ρ（NH4+-N）可能對反應(yīng)器內(nèi)的微生物有毒害作用，此時應(yīng)達(dá)到進(jìn)水NH4+-N的極限濃度。第116天開始降低進(jìn)水ρ（NH4+-N）為120.0 mg/L，NH3-N去除率維持在20.0%左右，出水中ρ（NO2-）和ρ（NO3-）均有一定的降低。據(jù)報道，S-ANAMMOX的產(chǎn)物主要有NO2-、NO3-、N2、少量肼和羥胺［8］。由于反應(yīng)器內(nèi)的還原劑僅有SO42-，因此產(chǎn)生的NO2-應(yīng)為該反應(yīng)所產(chǎn)生。

2.2 反應(yīng)器運行過程中硫的形態(tài)及濃度變化

反應(yīng)器運行過程中ρ（SO42-）和SO42-去除率的變化見圖4。由圖4可見，反應(yīng)器運行1～37 d，進(jìn)水ρ（SO42-）平均為246.0 mg/L，HRT為2 d，出水ρ（SO42-）呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。此期間反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)氣較為劇烈，集氣后檢測存在H2S。由于菌體自溶釋放硫化物，而硫化物易于氧化，一部分被氧化成硫酸鹽，導(dǎo)致出水ρ（SO42-）增加［9］；另一部分形成H2S，隨其他氣體排出反應(yīng)器外。從第26天開始出水ρ（SO42-）出現(xiàn)小幅下降。與ρ（NH4+-N）于第16天開始下降相比，存在滯后性。

圖4 反應(yīng)器運行過程中ρ（SO42-）和SO42-去除率的變化

從反應(yīng)器運行第37天開始，HRT為1 d，逐漸提高進(jìn)水ρ（SO42-）至510.9 mg/L，出水ρ（SO42-）開始持續(xù)下降，第68天時出水ρ（SO42-）為201.9 mg/L，SO42-去除率達(dá)到最高，為59.3%，隨后SO42-去除率開始下降。李亞新等［10］認(rèn)為，生物氧化產(chǎn)生的單質(zhì)硫顆粒是由微生物體內(nèi)排出的微小顆粒，在水中呈膠體狀態(tài)。由本實驗看來，這些硫顆粒部分附著在反應(yīng)器生物膜表面，可能影響反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致SO42-去除率降低。第75天開始提高進(jìn)水nN∶nS為4，隨之進(jìn)水ρ（SO42-）降至282.5 mg/L，SO42-去除率降至20.2%。從第96天開始，將進(jìn)水nN∶nS重新調(diào)整為2.0，SO42-去除率也開始有所回升。

第103天開始繼續(xù)提高進(jìn)水ρ（SO42-）為950.5 mg/L，出水ρ（SO42-）開始升高，SO42-去除率約為20.0%。將進(jìn)水ρ（SO2-）降至510.4 mg/L時，SO2-44去除率未見提高，并持續(xù)降低，最終SO42-去除率降為0。

在S-ANAMMOX啟動運行過程中，未檢測到S2-或HS-。根據(jù)Fdz-Polanco等［1，11-12］的相關(guān)報道，在啟動S-ANAMMOX的過程中均發(fā)現(xiàn)了S2-及HS-的產(chǎn)生。但Liu等［2，6，13］的實驗中卻沒有檢測到S2-及HS-。根據(jù)以上研究結(jié)果分析，S2-或HS-出現(xiàn)在有機碳源啟動的S-ANAMMOX反應(yīng)中。厭氧污泥中含有多種微生物，其中SRB生存能力較強，在采用有機碳源啟動S-ANAMMOX的反應(yīng)過程中，SRB以有機物為底物進(jìn)行還原，從而產(chǎn)生S2-，并在一定條件下生成H2S。

在污泥及反應(yīng)器內(nèi)壁可見黃色物質(zhì)，通過與文獻(xiàn)對比，應(yīng)為最終產(chǎn)物單質(zhì)硫。但目前對其物理化學(xué)性質(zhì)及產(chǎn)生量等均無法檢測，還有待進(jìn)一步研究。

2.3 反應(yīng)器運行過程中pH的變化

pH是S-ANAMMOX反應(yīng)的一個重要參數(shù)。反應(yīng)器運行過程中進(jìn)出水pH的變化見圖5。由圖5可見，本出水pH雖有一定的波動，但始終低于進(jìn)水pH?？梢奡O2-與NH+發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生NO-442和NO3-是pH降低的過程。

圖5 反應(yīng)器運行過程中進(jìn)出水pH的變化

2.4 污泥及微生物的形態(tài)特征

在S-ANAMMOX反應(yīng)啟動初期（1～26 d），不適應(yīng)環(huán)境條件的微生物開始死亡溶解，厭氧顆粒污泥解體，出水渾濁，分層不明顯。隨著S-ANAMMOX反應(yīng)的啟動，解體后的污泥附著于無紡布上，出水變澄清，污泥顏色逐漸變?yōu)樯钭厣?，出水呈淡黃色。當(dāng)S-ANAMMOX反應(yīng)運行到第60天左右時，反應(yīng)器內(nèi)壁及無紡布開始變?yōu)辄S色。取反應(yīng)器內(nèi)壁及無紡布上的污泥溶于二硫化碳后過濾，將有機溶劑揮發(fā)后得到微小黃色顆粒，由此判斷該黃色物質(zhì)為單質(zhì)硫。

反應(yīng)后污泥的SEM照片見圖6。由圖6可見，經(jīng)過124 d的富集培養(yǎng)，S-ANAMMOX污泥中的微生物主要以球菌為主，直徑0.5～1.5 μm，菌體外附著許多不規(guī)則的顆粒，推斷為單質(zhì)硫。蔡靖等［14］分離出一株具有同步脫氮除硫作用的菌株，可歸為芽孢桿菌。

圖6 反應(yīng)后污泥的SEM照片

2.5 氮硫轉(zhuǎn)化比特性分析

在反應(yīng)器運行期間，取不同運行條件下的進(jìn)水平均NH4+-N和SO42-質(zhì)量濃度，經(jīng)計算得到平均氮硫轉(zhuǎn)化比（摩爾比），結(jié)果見表1。

由表1可見，與HRT相比，進(jìn)水nN∶nS對氮硫轉(zhuǎn)化比的影響更為明顯。在進(jìn)水ρ（NH4+-N ）同為118.0 mg/L左右時，進(jìn)水nN∶nS為2.0時的氮硫轉(zhuǎn)化比為4.6，而提高進(jìn)水nN∶nS為4.0時，氮硫轉(zhuǎn)化比提高到13.8。進(jìn)水濃度對氮硫轉(zhuǎn)化比也有一定影響，進(jìn)水ρ（NH4+-N ）從118.1 mg/L提高到175.8 mg/L時，氮硫轉(zhuǎn)化比由13.7降至2.8。本研究中的氮硫轉(zhuǎn)化比在不同的運行條件下均處于較高的水平。Fdz-Polanco等［1-2］得出的氮硫轉(zhuǎn)化比約為2.0。Yang等［15］研究得出氮硫轉(zhuǎn)化比低于2.0，平均為1.6左右。Cai等［16］利用長期運行的脫氮除硫反應(yīng)器內(nèi)篩選出的一株硫酸鹽型厭氧氨氧化菌種得出氮硫轉(zhuǎn)化比為2.01。劉正川等［13］采用從亞硝酸還原氨氧化轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩猁}型厭氧氨氧化的長期運行數(shù)據(jù)中得出氮硫轉(zhuǎn)化比約為2.0。Rikmann等［8］、秦永麗等［17］分別采用厭氧污泥在有機條件下和厭氧氨氧化污泥在無機條件下得出氮硫轉(zhuǎn)化比遠(yuǎn)大于2.0。可見，S-ANAMMOX反應(yīng)的氮硫轉(zhuǎn)化比不穩(wěn)定，表明S-ANAMMOX反應(yīng)是一個多步反應(yīng)，環(huán)境及運行條件都可能影響反應(yīng)的進(jìn)行。

表1 不同運行條件下的氮硫轉(zhuǎn)化比

2.6 S-ANAMMOX反應(yīng)機理

Fdz-Polanco等［1］推測S-ANAMMOX為分步反應(yīng)，反應(yīng)過程如下：

本研究在反應(yīng)啟動初期檢測到少量S2-的生成，待反應(yīng)平穩(wěn)后，未檢測到S2-的生成。由于本研究接種的是普通厭氧顆粒污泥，而非傳統(tǒng)型厭氧氨氧化污泥，在啟動初期仍存在一部分有機物殘留，且菌體自溶也會產(chǎn)生有機碳，使得SRB在反應(yīng)器內(nèi)占有一定的優(yōu)勢，因此會觀察到少量的S2-及H2S生成，可見S2-并不是S-ANAMMOX反應(yīng)的直接產(chǎn)物。

Liu等［2］提出無機條件下的S-ANAMMOX反應(yīng)過程為：

本實驗中明顯有NO2-生成，該反應(yīng)機理存在一定的合理性。但該機理未對產(chǎn)生的大量NO3-做出合理的解釋。

進(jìn)水nN∶nS對NH4+-N轉(zhuǎn)化效果的影響見圖7。

圖7 進(jìn)水nN∶nS對NH4+-N轉(zhuǎn)化效果的影響

由圖7可見：當(dāng)進(jìn)水nN∶nS為2.0時，NH4+-N去除率約為59.3%，其中NO2-生成率為16.1%，NO3-生成率為6.0%，總氮去除率為37.5%；當(dāng)進(jìn)水nN∶nS提高到4.0時，NH4+-N去除率約為89.1%，NO3-生成率約為20.0%，NO2-幾乎沒有產(chǎn)生，總氮去除率為58.4%。由此可見，NO2-和NO3-都是S-ANAMMOX反應(yīng)的產(chǎn)物。當(dāng)進(jìn)水nN∶nS較低時，式（2）和式（5）的反應(yīng)同時發(fā)生，生成NO-和2NO3-；當(dāng)進(jìn)水nN∶nS較高時，主要發(fā)生式（5）的反應(yīng)，不僅能顯著提高NH4+-N去除率，且能提高總氮去除率。

3 結(jié)論

a）在無機條件下S-ANAMMOX反應(yīng)歷時124 d，從第37天開始出現(xiàn)了NH4+-N和SO42-的同步去除。反應(yīng)產(chǎn)物中檢測到NO2-、NO3-，最終產(chǎn)物為N2和單質(zhì)硫。

b）在運行階段，NH4+-N和SO42-的最高去除率分別達(dá)到92.47%和59.3%。當(dāng)進(jìn)水nN∶nS較高時，能顯著提高NH4+-N去除率和總氮去除率。

c）S-ANAMMOX反應(yīng)出水pH始終低于進(jìn)水pH，表明SO2-與NH+發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生NO-442和NO3-是pH降低的過程。

d）進(jìn)水nN∶nS、進(jìn)水平均NH4+-N和SO42-質(zhì)量濃度和HRT均對S-ANAMMOX反應(yīng)氮硫轉(zhuǎn)化比有一定影響。表明S-ANAMMOX反應(yīng)是一個多步反應(yīng)，環(huán)境及運行條件都可能影響反應(yīng)的進(jìn)行。

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（編輯 祖國紅）

Characteristics of sulfate-dependent anaerobic ammonium oxidation under inorganic carbon condition

Cui Li，Wang Hui，Huang Kaituo，Xu Tao，Liang Jiyan
（Shenyang Univeisity of Technology，Shenyang Liaoning 110870，China）

The characteristics of sulfate-dependent anaerobic ammonium oxidation （S-ANAMMOX） under inorganic carbon condition were studied using anaerobic granule sludge in a circular fl ow anaerobic reactor. The results showed that：In 1-124 d of operation，the phenomenon of simultaneous ammonium and sulfate removal emerged from the 37thd，producing NO2-，NO3-in reaction process，N2and elemental sulfate in the end，and the removal rate of NH4+-N and SO42-achieved up to 92.47% and 92.47%，respectively；The NH4+-N removal rate and nitrogen loss rate could be increased with high inlet nN∶nS；This oxidation-reduction process of ammonia and sulfate is a pH-dropping reaction；The inlet nN∶nS， average inlet mass concentration of NH4+-N and SO42-and HRT all had effects on the nitrogen-sulfur conversion ratio of S-ANAMMOX reaction，which meant the S-ANAMMOX reaction was a multi-step reaction.

inorganic carbon；sulfate-dependent anaerobic ammonium oxidation （S-ANAMMOX）；ammonia；sulfate；nitrogen-sulfur conversion ratio

X703.1

A

1006-1878（2017）04-0415-06

10.3969/j.issn.1006-1878.2017.04.008

2016 - 10 - 17；

2016 - 11 - 09。

崔麗（1978—），女，遼寧省沈陽市人，博士后，副教授，電話 13889845776，電郵 sutcuili@163.com。聯(lián)系人：王慧，電話 13514259875，電郵 Wang-Hui-@outlook.com。

格平綠色行動——遼寧環(huán)境科研教育“123工程”資助項目（CEPF2014-123-2-6）。