生物膜启动厌氧氨氧化反应器的研究

1、第24卷第2期 2004年3月环境科ACTA SCIENTIAE学 学 报CIRCUMSTANTIAEV01.24.No.2 M8r。.2004文章编号:02532468(2004020220.05中图分类号:X703文献标识码:A反硝化生物膜启动厌氧氨氧化反应器的研究 张少辉,郑 平。,华玉妹(浙江大学环境工程系,杭州310029摘要:反硝化菌的生长快于厌氧氨氧化菌,通过培育反硝化生物膜,利用反硝化菌的基质多样性和代谢多样性,可使生物膜 由催化反硝化反应过渡到催化厌氧氨氧化反应,加速An一“反应器的启动.经过3个月的运行,Aox反应器的容积总 氮负荷达0.143kgm一3d-1,总氮去除率约

2、86.52%,出水NW.N和N昕一N均低于1IIlgL-。.NHfN去除量、N町.N去除量 和N0fN生成量之间比例的变化以及污泥颜色的变化,可以指示An“反应器的启动进程.关键词:反硝化生物膜;厌氧氨氧化反应器;启动Startup 0fAnammox bioreactor耐th deIlitrification biommZHANG Shaohui,ZHENG Ping+,HUA Yumei (Dept.0f Envir0啪ental En画neering,zhejiang uIIiversity,Han睁hou310029A1,stnd:ne蛐删c姗moIlia商d觚on(An舢xbior

3、eactor was successfuuy set up with山e deIlitri6c“on hi瓶IIn.觚er a thee一啪山 晖哪don,the volumetric total llitmgen loading mie wa80.143kgm一3d一锄d the total Iliogen Iemoval w娼86.52%witll emuent ammoIlia 卸d|li研tel髓stllan 1mgL-。.711le ra60ofNHfN removal,N0fN removal and NOf-N pI砌ucnon晒we越the bi06lm color coIll

4、d indi cate the development ofAn锄mox biorea曲perfbn锄ce.Kq7words:deIIi恤击ca60n biof_山n;Anmnmox bioreactor;start-“p厌氧氨氧化(Anaerobic ammonia oxidation,Anammox发现于20世纪90年代,它是一个以氨 为电子供体,以亚硝酸盐为电子受体的生物反应,反应产物为氮气u刮,在废水生物脱氮领域 具有良好的应用前景.然而,厌氧氨氧化菌生长缓慢,倍增时间长达11dHl.要开发这个生物反 应,必须找到合适的接种污泥,并设法促进接种污泥的生长,以加速Anamm似反应器的启动

5、. 从电子供体的角度看,厌氧氨氧化是一个氨的氧化反应,类似于硝化作用,因此有人以硝 化污泥作为接种物并成功地启动了Anammox反应器61.从电子受体的角度看,厌氧氨氧化则 是一个亚硝酸盐的还原反应,类似于反硝化作用.能否以反硝化污泥作为接种物启动Anammox 反应器呢?本论文针对这一问题进行了研究,以探求一种全新的Anammox反应器的启动 方法.1材料与方法1.1接种污泥取自杭州市四堡污水处理厂厌氧消化池,MIsS 86.04gL,MLVss 23.56gL,MLVss/ M璐S为27.38%.1.2模拟废水反硝化模拟废水的成分为:KH2P0430mgL,KHc0。500mgL,MgS0

6、。200mgL,Fecl。收稿日期:2003一05.19;修订日期:20030928基金项目:国家自然科学基金(30070017;浙江省自然科学基金(500014;教育部优秀青年教师基金作者简介:张少辉(1972一,男,博士研究生;*通讯作者:pzlleng2期 张少辉等:反硝化生物膜启动厌氧氨氧化反应器的研究 221100IIlgL一,cacl:30IIlgL,以N州03和cH3c00Na分别供给电子受体和碳源.厌氧氨氧化模拟废水的成分为:KHc03500mgL一,KH2P0427.2mgL,Mgs047H20 300mgL-。,cacl:136mgL-。,微量元素I、各1mLL-。,以Na

7、NO:和(NH4:sO。分别提供电 子受体和电子供体.微量元素I:EDTA 5000mgL。,Fes045000IIlgL;微量元素:EDTA 15000IIlgL, Zns04。7H20430mg。L-。,CoCl2。6H20240IIlgL_。,MnCl2。4H20990mg。L,CuS045H20 250mgL一,Na2M0042H20220mgL_。,NiCl26H20190mgL_。,Na2Se0410H20210mgL_。, H380414IIlgL.1.3试验装置生物膜反应器采用有机玻璃柱制成,有效容积1.5L,内 挂40cm长的软性填料一根.试验前,先将软性填料于污泥 中浸泡2

8、0h,以附着微生物.反应装置与流程如图1所示.反 应器的运试置于2830恒温室中进行.1.4测定方法一8ocOD:重铬酸钾法;NOi.N:酚二磺酸光度法,紫外分光 光度法;NOf.N:N.(1.萘基.乙二胺光度法;N.N:水杨酸. 次氯酸盐光度法;总氮:过硫酸钾氧化.紫外分光光度法;反 硝化菌及硝化菌计数:MPN法.2结果与讨论捧气 捧水 1.生物膜反应器2.进水泵3.回流泵 4.气固液分离器5.进水瓶图1试验装置图Fig.1schemtic di8弘珊0f experimental equipment2.1反硝化生物膜的培育在生物反应器启动中,人们既可以利用微生物生态学上的r对策,通过对反应

9、器施加高负 荷(即高负荷法来富集培养生长较快的微生物;也可以采用K对策,通过对反应器施加低负 荷(即低负荷法来富集培养对基质亲和力较高的微生物.本课题采用低负荷法,试图富集基质 亲和力高的菌群,并促使菌群形成生物膜,以有效持留菌体.以乙酸盐为电子供体的反硝化反应为:5CH3COO一+8N0f,4N2+10C02+H20+130H一 (1 最初的试验表明,在水力停留时间(Hyd吼llic Retention Time,HRT为15h,进水NOf.N为 141.91119L1的条件下,当c/N比为3.33.6时,NOf.N被完全转化,出水NOfN和cOD浓 度较低,有利于富集培养基质亲和力较高的反

10、硝化菌旧1.随后将进水基质的c/N比控制在3.3 3.6之间,并以出水NOfN低于2嘴L。1作为提升负荷的判据,按每次35mgL。1的梯度逐 步提高进水NOfN浓度至350mgL。(见图2,促进反硝化细菌的生长.经过一段时间的培 育,软性填料表面自下而上逐渐形成了黄白色的生物膜.此后,改用缩短HRT的方式进一步提高负荷,加速生物膜的发展.在提高负荷的过程中, 依然使出水NOfN维持在较低浓度.由图3可知,只要HRT大于6h,出水NOfN和NOf.N 即低于1mgL.随着运行时间延长,反应器中生物量不断增加,填料上生物膜的黄白色也更 为明显.60d后,以MPN法测得反硝化细菌浓度为10m10“个

11、mL.环 境 科 学 学 报 24卷三鲎吝8图2瑚RT=15h时的反硝化效果 Fig.2Pmme of denitri矗cation at HRT=15h 三童古8苌丑, ÷营 谴 姻 篷 *茁图3不同HRT时的反硝化效果Fig.3CompaIison 0fden商fication at dmrent HRT2.2Anammox反应器的启动据报道,在脱氮反应器中,氨可以用作替代电子供体,促进反硝化n 0¨.因此,利用微生物 的基质多样性和代谢多样性,以氨取代乙酸盐作为电子供体,理论上应能使反硝化作用转变为 厌氧氨氧化作用.将反应器静置1d耗尽反应器内的有机物质以后,开始以氨

12、和亚硝酸盐作为基质启动An. am10x反应器.在整个启动过程中,进水NHf.N和N0fN浓度控制在70mgL,HRT 24h,pH 以NaHC0,调至6.58.5.f一首越避图4启动初期的基质变化曲线Fjg.4 V商ati佣in substratesduri“ginitialst8学eof startup2.2.1迟滞阶段 如图4所示,改变进水基质后,最初 16d的出水NOf.N浓度较低,但是N啊.N浓度不仅没 有降低,反而高于进水N时.N浓度.这意味着生物膜的 反硝化作用仍在进行,但已有部分细胞解体u,以MPN 法测得反硝化细菌含量为108109个mL,比改变基质 前下降了两个数量级.N嘭

13、一N与NOfN以特定的比例被 同时去除是厌氧氨氧化的重要特征,在Anan瑚ox反应器 启动初期,虽然N瞰.N和N0fN同时消失,但两者去除 量之比没有明显的规律.这意味着厌氧氨氧化尚未成为 反应器的主导反应,称之为迟滞阶段.启动53d后,N町一N和N0fN平均去除率分别为 37.72%和4.27%,N日.N去除量仍高于N0fN去除量.这可能与反应器漏氧,引发好氧氨氧化有关¨。,以MPN法测得反应器内好氧氨氧化细菌浓度 为107个mL.厌氧氨氧化菌生长缓慢,对氧敏感n,为了减少菌体流失并避免回流带入氧 气,将HRT延长至48h并使反应器停止回流.但由于操作失误,进水pH值偏高(>

14、9且出现漏 氧,延长了迟滞阶段.2.2.2活性提高阶段 控制进水pH至7.68.2并解决漏氧问题后,重新采用HRT 24h进行 试验,其结果见图5.由于进水中含有溶解氧4.5mgL,反应器内发生硝化反应,前3d消耗 的N心.N高于NOf.N.从第4d开始,NOf.N去除率逐步增加,NWN去除量基本不变(平均 去除率37.74%.至第22d,N町一N和NOf.N去除量之比达到1,其去除率分别为41.66%和2期 张少辉等:反硝化生物膜启动厌氧氨氧化反应器的研究43.5%.随后N町一N和NOf.N去除量稳步增长,两者去除量之比维持在1:11:1.1之间,厌 氧氨氧化逐渐成为反应器的主导反应.经过3

15、6d的运行,Anammox反应器的容积总氮负荷达0.143kgmd,总氮去除率约 86.52%,出水NHf.N和NOfN均低于1IIlgL_。.其N西.N去除量、NOfN去除量和N0fN 生成量之间的比例为:1:1:0。22,与文献报道的理论值(1:1。32:0.26接近¨3|.反应器完成由反 硝化反应到厌氧氨氧化反应的过渡,表明以反硝化生物膜启动AnammoX反应器取得成功.反 硝化菌分布广泛,生长迅速,以反硝化污泥作为接种源,并通过培育反硝化生物膜来扩增污泥, 为加速启动厌氧氨氧化反应器提供了一种新的方法.f皂星趟蠼图5活性提高阶段的基质变化曲线 Fig.5Variation o

16、f substrates during increase of activity图6活性提高阶段3种氮的比值变化 Fig.6Variation in Ratios of three kinds of nitroge“ coll驴unds duIing incree 0f activity据报道,厌氧氨氧化菌对氧敏感,当溶解氧达到0.5%空气饱和度时,可明显抑制厌氧氨 氧化活性n引。在本研究中,未对进水采取特殊的除氧措施,进水溶解氧含量为4.5mgL,出 水溶解氧含量在检测限以下,溶解氧并未对厌氧氨氧化过程产生明显的影响.究其原因,可能 是反应器中存在的硝化细菌(好氧氨氧化菌耗尽了溶解氧.由于好

17、氧氨氧化菌在消耗溶解氧 的同时将部分N埘一N转化成N0f.N,致使NWN去除量与N0f.N去除量之比(1:1高于理 论值(1:1.32.由图6可知,随着启动过程的推进,N日一N去除量、NOf.N去除量、NOfN生成 量之间的比例也跟着变化.NW.N去除量和NOfN去除量之比逐渐由小于1过渡到大致等于 l,反映了厌氧氨氧化反应逐步成为主导反应的演变过程.2.3启动过程中污泥性状的变化成熟的反硝化生物膜呈淡黄色,用于启动厌氧氨氧化后,生物膜的颜色逐渐变化.在迟滞 阶段,生物膜由黄白色转变为棕褐色.随着厌氧氨氧化活性的提高,生物膜又由棕褐色转变为 浅红色.典型的Anammox污泥因含有丰富的细胞色素

18、c而呈红色b1,生物膜颜色的变化印证了 启动过程中厌氧氨氧化菌的发展进程.3结论(1反硝化菌生长快于厌氧氨氧化菌,利用微生物的基质多样性和代谢多样性,通过培养 反硝化生物膜,再使其由反硝化作用转为厌氧氨氧化作用,可加快Ana一似反应器启动.3个 月内可培育出具有厌氧氨氧化活性的生物膜,容积总氮负荷达0.143kgmd.224环 境 科 学 学 报 24卷(2生物膜能有效持留所富集的反硝化菌,培育生物膜有利于活性污泥积累,缩短Anam. m似反应器的启动时间.(3在厌氧氨氧化反应器的启动中,通过测定NHfN去除量与N昕.N去除量、N0f.N生 成量之间的比值,以及观察污泥颜色的变化,可以了解厌氧

19、氨氧化活性的发展进程.参考文献2 3 45 6 7 8 9 1011 12 13 14Mlllder A,V蛐deG瑚fA A,Robertson A,村口ZJ.FEMs Microbiol Ecol,1995,16:177183Van de Gr船f A A,Mulder A,De Bru玎n P,甜oZEnvion Micmbiol,1995,61(4:12461251Anaembic ammollium oxidation discovered in a deni啊伽“g nuidi舱d bed reactor Anaembic o】(idation of舢0nium is a biol

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