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20℃下部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺处理低氨废水

Dawoon Jeong^a,Hyunman Lim^b,Weonjae Kim^b,*

^aInstituteofEnvironmentalResearch,KangwonNationalUniversity,1Gangwondaehak-gil,Chuncheon-si,Gangwon-do24341,RepublicofKorea

^bEnvironmentalandPlantEngineeringResearchInstitute,KoreaInstituteofCivilEngineeringandBuildingTechnology,283Goyangdae-ro,Ilsanseo-gu,Goyang-si,

Gyeonggi-do10223,RepublicofKorea

摘要

本研究采用部分硝化和厌氧氨氧化相结合的工艺处理低浓度氨合成废水（～50 mg-NH₄ -N/L），处理温度为20。硝化生物反应器由聚乙烯醇凝胶珠中的固定化硝化细菌组成，在0.3–0.5 mg-O₂/L的有限溶解氧（DO）浓度下运行，以抑制亚硝酸盐氧化细菌（NOB）活性。硝化生物反应器中的温度从35℃下降℃至20℃、 水力停留时间（HRT）从6h缩短到3h。有限的溶解氧浓度使氨部分氧化为亚硝酸盐（55.8%），但在20℃时，亚硝酸盐的氧化率为31.5%℃.通过高通量16S rRNA基因测序分析，观察不同操作条件下细菌群落结构的变化。温度降低导致细菌群落结构发生显著变化，而HRT的影响可忽略不计。尿素亚硝化单胞菌和莫斯科亚硝化螺旋菌在低溶解氧浓度下的硝化作用中起着关键作用。有趣的是，在20℃时，一体化硝化生物反应器和厌氧氨氧化系统的脱氮效率高达71.4%，尽管硝化生物反应器中的NOB抑制不完全。能够还原硝酸盐的反硝化藻和Petrimonas sp.在厌氧氨氧化反应器中占主导地位，这可能允许为厌氧氨氧化反应提供额外的亚硝酸盐。随着温度的降低，亚洲假丝酵母的数量减少，而锦鸡假丝酵母的数量增加。

关键词：生物脱氮，部分硝化，厌氧氨氧化，细菌群落动态，

IlluminaMiSeq测序

1介绍

生物硝化和反硝化工艺已被广泛用于废水处理厂（WWTPs）去除氮源。硝化过程涉及通过亚硝酸盐将氨氧化为硝酸盐，其中氨氧化细菌（AOB）和亚硝酸盐氧化细菌（NOB）负责硝化。在反硝化过程中，异养反硝化细菌在厌氧条件下将转化的硝酸盐还原为氮气。生物脱氮工艺需要大量的硝化曝气成本和反硝化碳源。之前的一项研究报告称，硝化过程中消耗的电能占工厂平均能耗的22%[1]。对于反硝化，需要1.9–3.3kg甲醇，才能在全规模污水处理厂中将1kg硝酸盐还原为氮[2]。

近年来，部分硝化（PN）和厌氧氨氧化（anammox）联合工艺在生物脱氮领域引起了广泛关注。PN工艺将氨部分氧化为亚硝酸盐，摩尔NO₂–-N/NH₄ -N比为1.0–1.3[3,4]，然后将剩余的氨和亚硝酸盐提供给厌氧条件下生长的厌氧氨氧化菌。根据化学计量，硝化的曝气成本可以降低60%，反硝化的有机碳源可以降低100%[5]。由于PN-anammox的成本效益优势，在过去几十年中，100多个PN-anammox工艺已成功地用于侧流脱氨的全规模操作[6]。Anthonisen等人[7]报道，通过将游离氨（FA）浓度控制在0.1–1.0 mg/L和10–150 mg/L之间，可以实现选择性NOB抑制。由于FA在很大程度上取决于氨的浓度，因此在高浓度氨水处理中抑制NOB活性很简单。然而，由于缺乏对FA的抑制，实施该主流条件下的PN-厌氧氨氧化工艺(lt;50mg-NH -N/L)仍然具有挑战性[8]。

为了保证低强度氨废水中AOB活性，同时抑制NOB活性，人们做出了多种努力。控制溶解氧(DO)浓度是稳定抑制NOB的关键参数，因为在DO浓度低于0.5mg/L[9]时，AOB的生长速率高于NOB。同样，有限的DO浓度为0.1-0.6mg/L，有效增强了低氨浓度废水处理(lt;80mg-NH -N-N/L)[10]中NOB活性的抑制。为了保持较低的DO浓度，PN过程通常在悬浮生物质[2,11,12]的半批反应器(SBR)中操作。然而，SBR操作模式不能应用于连续流操作模式，这使得PN-厌氧氨氧化过程难以放大。此外，利用悬浮生物质是去除NOB[13]的有效方法，但在启动时间和扩大方面可能存在缺点。在这方面，具有选择性保留AOB的细胞固定化技术可以作为克服这些限制的合适选择。最近，先前的一项研究报道，在聚（乙烯醇）(PVA)中使用氨氧化微生物可以实现PVA凝胶的高PN性能，使细胞在低DO浓度[14]下更好地利用DO。此外，通过应用低DO浓度(0.1-0.2mg-Oz/L)和高FA浓度(32.0plusmn;16.0mg-NHg/L)，成功开发了包括PVA固定细胞的PN过程的连续流动模式，导致在生物反应器[15]中有很大的AOB保留。然而，用固定化电池[14]处理低强度氨废水的研究仍较少。因此，有必要观察固定化苯联氧氨氧化在低强度氨废水中的连续流动。

温度被认为是选择性NOB抑制的另一个参数，因为在gt;20℃[16]温度下，AOB的生长速率优于NOB。考虑到生物量在较高温度下的降解，在之前的许多研究中发现AOB快速生长的最佳温度为30-37℃[13,17]。此外，厌氧氨氧化细菌更喜欢30-37℃[18]的中等嗜热条件。然而，从实际的角度来看，由于污水处理厂的高能量成本，中等嗜热条件存在缺点。因此，这意味着在中等低温下实现稳定的PN性能(20-25℃)。近年来，已经开展了几项研究来提高PN-厌氧氨氧化工艺在中等低温下处理低强度氨废水的可行性[8,19-21]。不幸的是，大多数关于在低温下的主流处理的研究都集中在优化操作参数上。尽管在操作条件和具有挑战性的操作条件下，负责自养氮去除的细菌群落结构显著影响细菌群落结构[20]的信息有限。因此，全面了解细菌群落结构有助于了解挑战条件下细菌群落组成和脱氮性能之间的关系。

本研究考察了PN-anammox在中低温下处理低强度氨废水的连续流动运行模式℃)。在硝化生物反应器中，有限DO浓度的0.3-0.5mg/L超过AOB和NOB。为了研究PN工艺在不利条件下的可行性，将硝化生物反应器中的温度和水力保留时间(HRT)从35开始降低℃至20℃和分别从6h到3h。然后，将硝化生物反应器与厌氧氨氧化反应器相结合，观察脱氮性能。通过高通量测序分析观察细菌群落对运行条件变化的响应，更好地了解氮转化性能与细菌群落结构之间的关系。

2材料和方法

2.1接种剂的制备

对PN的硝化细菌(NB)接种物从处理0.2kg/msup3;的富集硝化细菌反应器(ENBR)中获得3-d氨水加载速率(ALR)。ENBR在35℃下连续模式运行180天。在间歇曝气15min和不曝气15min条件下，ENBR稳定了100%氨氧化效率(AOE)和54%亚硝酸盐氧化效率(NOE)，DO浓度保持在0.5-1.3mg-O₂/L范围内。用含有4%海藻酸钠的0.5L的20%PVA(Junsei化学公司，日本，聚合度：1500)，(美国Sigma-Aldrich)溶液在121处高压灭菌℃的温度为30min，然后冷却到40min℃.将制备的1.2g挥发性悬浮物(VSS)/L的NB接种物与高压灭菌后的PVA溶液以等效比例混合。将混合物溶液放入含有1%氯化钙的饱和硼酸溶液中，制备NB固定化PVA凝胶珠。将NB固定化PVA凝胶珠分别在饱和B(OH)₃和0.5 M KH₂PO₄溶液中轻轻搅拌2小时[22]。然后，用去离子水洗涤这些珠子，并用于实验设置。制备的NB固定化凝胶珠的平均尺寸为6.7plusmn;0.1mm。

厌氧氨氧化接种物来自实验室规模的富集厌氧氨氧化反应器，处理0.8kg/ msup3;-d在35℃时的氮气负荷速率(NLR).将富集的厌氧氨氧化接种到2L丙烯酸柱反应器中，最终浓度为235.0mg-VSS/L。含50mg-NH -N/Ld的(NH₄)₂SO₄、50mgNO₂^--N/L的NaNO₂，95mg-HCO₃^--C的NaHCO₃，6mg-PO₄^3--P/L的KH₂PO₄, ，12mg-Mg² /L的MgSO₄bull;7H₂O，48mg-Ca² /L的CaCl₂bull;2H₂O。和1mL/L微量元素溶液[23]以连续上流模式注入厌氧氨氧化柱反应器。织物被放置在厌氧氨氧化柱反应器的顶部，以避免厌氧氨氧化生物质的洗涤损失。HRT设置为3h，pH不受控制。上流柱厌氧氨氧化反应器在35℃时运行在一个黑暗的恒温室中放置220天。厌氧氨氧化反应器的脱氮效率(NRE)大于86%。氮转化相关指数计算如下。

2.2.生物反应器的实验设置

2L实验室规模的生物反应器填充有30%的NB固定的PVA凝胶珠。凝胶-液体分离器安装在硝化生物反应器的顶部，以防止珠子的损失。将DO计(OxymaxCOS61，恩德雷斯 豪泽，瑞士)放置在硝化生物反应器的顶部，以实时测量DO浓度。为了抑制NOB活性，使用在线DO控制系统(恩德雷斯 豪泽，瑞plusmn;)控制硝化生物反应器中的DO浓度。当检测到DO浓度超过0.3mg-O₂/L(或低于0.3mg-O₂/L)时，DO控制系统会自动关闭(或启动)气泵。做在整个手术期间，浓度检测范围为0.3-0.5mg-O₂/L。本研究中使用的低强度合成废水中含有50mg-NH⁴ -N/L的(NH₄）2SO₄，86mg-HCO₃--NaHCO₃，6mg-PO₃⁴-P/L的KH₂PO₄，12mg-Mg² /L的MgSO₄bull;7H₂O,48mg-Ca² /L的CaCl₂bull;2H₂O和1mL/L微量元素溶液。在硝化生物反应器中提供足够的碱度，即摩尔HCO-C/NH -N比值为2，以检验低DO浓度是否导致部分氨转化。合成废水通过蠕动泵连续送入硝化生物反应器。丙烯酸桨设置为100转/分，以完全混合PVA凝胶珠和合成废水。运行条件分为四个阶段（表1）。在I-III阶段，唯一的硝化生物反应器在降低温度和缩短HRT条件下运行：第一阶段（35℃，6小时HRT）；II阶段（20℃，6小时HRT）；III阶段（20℃，HRT3小时）。在III期达到稳定的NB活性后，预培养的厌氧氨氧化反应器与硝化生物反应器集成脱氮，结合的PN-anammox在20C和3hHRT(IV期)。在硝化生物反应器和厌氧氨氧化反应器之间放置一个储层，以调节供给厌氧氨氧化反应器的水量。联合生物反应器的操作没有pH调整。

2.3.分子分析

在第1、第41和第83天选择NB固定化PVA珠来代表硝化生物反应器的不同操作条件。获得的PVA珠用消毒剪刀剪至小于1mm。根据制造商的协议，使用PowerSoiltrade;DNA分离试剂盒(Qiagen，美国)，使用0.25g的NB固定化PVA珠样本进行基因组DNA提取。厌氧氨氧化生物量从上流柱式厌氧氨氧化反应器中获得，温度分别在35℃（预培养的厌氧氨氧化）和20℃（集成后）。生物量取样后，用0.25mL的厌氧氨氧化生物量提取上述DNA提取程序中所述的DNA。提取的DNA样本在-80℃下保存，直到用于分析。

从第一、第二和第四阶段（NB-I、NB-II和NB-IV）提取的三个NBDNA样本，以及在第35阶段获得的两个anammox DNA样本℃和20℃（AMX-35，AMX-20）被送往MacrogenInc.（韩国首尔）进行16SrRNA基因高通量测序分析，该分析如前一篇论文[24]所述进行。在IlluminaMiSeq测序过程之后，高质量的序列被分配到一个具有代表性的操作分类单元（OTU），相似度为97%。获得的序列存放在NCBI序列读取档案中，登记号为SRX9032304–SRX9032308。进行了层次聚类分析，以验证细菌群落结构在不同操作条件下的变化。使用PC-ORDforWindows程序ver，使用Soslash;renson（BrayCurtis）距离矩阵可视化聚类树状图。5（MJM软件，美国）[23]。

2.4.分析方法

表1

部分硝化和厌氧氨氧化生物反应器的操作条件