金属离子浓度对ANAMMOX污泥颗粒化的影响研究

苏　杨，于鹏飞，傅金祥，周明俊，赵鹤谦，王国强

（沈阳建筑大学，辽宁沈阳110168）

金属离子浓度对ANAMMOX污泥颗粒化的影响研究

苏杨，于鹏飞，傅金祥，周明俊，赵鹤谦，王国强

（沈阳建筑大学，辽宁沈阳110168）

研究不同浓度的Ca2+、Mg2+、Fe3+对厌氧氨氧化颗粒污泥形成的影响。以血清瓶进行批次试验，分别投加0.300、0.045、0.060、0.075、0.090mmol/L的金属离子并进行空白试验，考察颗粒污泥的形态、可颗粒化程度（SGR）、生物量、比厌氧氨氧化活性。结果表明：添加适量金属离子可以促进厌氧氨氧化污泥颗粒化。Ca2+、Mg2+、Fe3+的最佳投加浓度分别为0.030、0.060、0.060mmol/L，最佳投加浓度情况下，以Mg2+的效果最优。

厌氧氨氧化；颗粒污泥；金属离子

厌氧氨氧化（ANAMMOX）直接以亚硝态氮为电子受体，缩短了传统的氮循环途径。高效、节能、环保的特点使其成为最具光明前景的脱氮技术之一〔1-4〕。但反应世代时间长、增殖率低、培养条件苛刻等缺点造成其难以在工程中大规模应用〔4〕。难点之一就是厌氧氨氧化菌能否持留和扩增〔5〕。颗粒污泥沉降性能好、生物活性高、抗冲击负荷强、产泥量少，可以有效持留厌氧氨氧化菌，因此针对厌氧氨氧化污泥颗粒化的研究具有重要意义。

在废水处理实际工程中，由于投加石灰调节pH，因此水中常含有较多的Ca2+〔5〕。厌氧颗粒污泥中，Mg2+是灰分的组成部分，在UASB中温系统中，向合成废水里添加适量的Mg2+可以加快厌氧污泥颗粒化进程，减少污泥洗出量〔6〕。Fe3+能够促进反应器的脱氮率，反应器最大去除速率与Fe3+浓度呈正相关关系〔7〕。目前，比较不同金属离子浓度下厌氧氨氧化颗粒污泥形成、颗粒污泥品质的研究鲜有报道。

本试验选择钙、镁、铁3种金属离子，设置0.300、0.045、0.060、0.075、0.090mmol/L 5个不同浓度梯度及空白试验，考察金属离子对厌氧氨氧化颗粒污泥培养的作用，并确定最佳投加离子及最佳投加范围。为厌氧氨氧化颗粒污泥工程应用提供参考，具有一定理论与实践意义。

1　材料与方法

1.1污泥来源装置

污泥取自UASB反应器底泥，污泥整体呈灰色，夹杂少许红色颗粒，无异味。反应器的接种污泥为沈阳北部污水处理厂消化污泥，试验前已稳定运行3 a。反应器材料为有机玻璃，由两部分组成。内部为反应区，内径10 cm，总高200 cm，分为污泥反应区、污泥沉淀区、泥水分离区3个区，其中反应区容积11 L，沉淀区容积4 L；外部为恒温水浴区，用温控器控制循环水浴温度，保持水温在（32±1）℃。由于厌氧氨氧化菌不喜光的生理特性，对反应器采取黑布避光处理。图1为UASB反应器装置示意。

图1　UASB反应器装置

1.2配水组成

试验用水采用人工配水，模拟废水水质：主要氮素成分为NH4Cl、NaNO2，碳源为NaHCO3，按需投加。其余组分和微量元素配制依照参考文献〔8〕。

1.3试验方法

本试验以250mL血清瓶进行批次试验，取10 g污泥，加入模拟废水220mL，用橡胶塞塞紧瓶口并用橡皮筋加固，再用高纯氮气置换其中的空气15min。避光放入恒温振荡培养箱，设定转速为140 r/min，温度控制在30℃。分别投加0.030、0.045、0.060、0.075、0.090mmol/L的Ca2+（或Mg2+、Fe3+），一组不添加金属离子作为空白试验，每组设置重复对照试验。每2 d换水1次，每次50mL。在试验进行0、20、50、80 d时阶段性检测污泥形态、可颗粒化程度、MLSS、MLVSS/MLSS、比厌氧氨氧化活性，分析金属离子浓度对厌氧氨氧化颗粒污泥形成的影响，并对3种离子的最佳状态进行比较，确定最佳投加物和最佳投加范围。

比厌氧氨氧化活性测定〔9〕：以氨态氮和亚硝态氮作为氮负荷。第80天，每隔1.5h取样测定NO2--N、NH4+-N浓度。根据基质降解曲线计算得出钙、镁、铁不同浓度下的比厌氧氨氧化活性（以N/VSS计）。

1.4分析项目与方法

NH4+-N：纳氏试剂光度法；NO2--N：N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法；MLSS、MLVSS：重量法；颗粒污泥粒径筛分：标准检验筛；生物显微镜照片：彩色制冷CCD、NIS-Elements F 3.0。试验各项目检测方法遵循国家环保总局《水和废水监测分析方法》（4版）中指定的标准方法。

2　结果与讨论

2.1厌氧氨氧化颗粒污泥的形态

试验运行共90 d，分为四个阶段：第1天—第20天，污泥驯化期；第21天—第50天，污泥颗粒化Ⅰ期；第51天—第80天，污泥颗粒化Ⅱ期；第81天—第90天，颗粒污泥成熟期。在厌氧氨氧化污泥颗粒化的过程中，观察比较了不同浓度金属离子下污泥的形态。结果表明：在第1天—第20天内，投加不同离子浓度的厌氧氨氧化反应器内的污泥没有发生显著变化；从第21天起，絮状污泥逐渐互相聚拢，形成小型菌胶团，但此时颗粒主要呈现黑灰色，直观观察并没有较为明显的厌氧氨氧化颗粒污泥的出现，污泥厌氧氨氧化性状不明显。在第51天—第80天内，除0.075、0.090mmol/L的Ca2+颗粒污泥偏棕黑色外，添加其他金属离子的颗粒污泥均呈现出较为明显的深红棕色，第81天，形成边缘整齐、结构密实的红棕色颗粒。在显微镜下观察污泥形态，可以看到接种污泥为厌氧氨氧化污泥和厌氧消化污泥的混培物，结构松散，污泥整体呈黑色。随着培养天数的增加，絮状污泥相互聚集，逐渐形成具有不规则形状的菌胶团，内部嵌着较多黑色和红色小型颗粒。然后污泥以菌胶团为单位进行相互聚集并压缩，颜色逐渐转为红棕色，最终形成结构密实、黑中带红的污泥聚集体。从第1天—第80天，投加金属离子的污泥颗粒形成的速度均优于空白试验。分别将投加Ca2+、Mg2+、Fe3+形成的污泥颗粒命名为CA、MG、FE，不同浓度（0.300、0.045、0.060、0.075、0.090）编号为1～5，不同条件下形成的颗粒污泥及其形成时间、粒径见表1。

表1　投加金属离子后颗粒形成时间及粒径大小

由表1可知，0.075mmol/LCa2+形成颗粒污泥的时间最短，为56 d，但形成的颗粒并不稳定，后期出现了一定程度的颗粒解体。0.045mmol/LCa2+次之，为64 d，具有较好的稳定性。0.060mmol/L的Fe3+、0.045mmol/L的Mg2+也分别是同种类离子中完成颗粒化最早的，分别为69、72 d。但两者形成的颗粒粒径较小，质地较软，Fe3+的粒径相对大些。

2.2厌氧氨氧化可颗粒化程度

颗粒的大小与强度、沉淀性能、流失率等因素有关，参考颗粒污泥的粒径分布可以推测颗粒化过程是否完成〔10〕。厌氧氨氧化颗粒污泥的粒径大体在（2.96±0.99）mm，粒径在此范围内的颗粒污泥有助于维持反应器的污泥动态平衡和运行的稳定性〔3〕。在王娇的试验系统中，粒径在1.0～1.5mm的ANAMMOX颗粒污泥表现出最佳的综合性能〔11〕。试验采用湿式筛法，考察不同浓度Ca2+、Mg2+、Fe3+下厌氧氨氧化污泥的可颗粒化程度。以颗粒粒径在0.9mm的颗粒占所有粒径颗粒的质量百分比作为可颗粒化程度（SGR）〔12〕，以此表示厌氧氨氧化污泥颗粒化的进度。

图2给出了第81天时颗粒污泥的可颗粒化程度。

图2　不同浓度的金属离子的颗粒污泥的可颗粒化程度

由图2可以看出，投加适量的金属离子可以促进厌氧氨氧化颗粒污泥的形成。Ca2+在不同投加浓度的情况下，SGR具有较为明显的差异，随着Ca2+投加浓度的升高，其颗粒污泥平均粒径呈逐级上升趋势，到0.075mmol/L时，其SGR达到峰值。这可能是由于Ca2+使污泥松散的双层结构逐渐紧实，同时细菌表面的负电荷部分被金属离子中和，进而加快颗粒化进程〔13〕。还有可能是Ca2+作为EPS之间的连接体，起到了架桥作用，从而形成微生物聚集生长的骨架〔14〕。当Ca2+达到0.090mmol/L，SGR降至最低，仅为12.58%。这可能是由于投加Ca2+形成的颗粒粒径较大，阻断了厌氧氨氧化菌与废水接触的传质通道，厌氧氨氧化污泥长期得不到养分，大颗粒分解，导致SGR较低。投加Mg2+的颗粒污泥，其SGR随Mg2+投加浓度的变化较为平稳，以0.090mmol/L时对应的SGR为最佳。Fe3+的添加对厌氧氨氧化污泥颗粒化产生了积极影响，添加Fe3+后，SGR均有不同程度的提升，以0.090mmol/L对应的SGR最高，这可能是由于Fe3+可与硫形成硫化铁，硫化铁具有较好的表面张力〔10〕。

2.3颗粒污泥的生物质含量

评价颗粒污泥品质的一项重要指标就是所持生物量的多少。对于厌氧氨氧化反应而言，生物质含量越高，降解氮负荷的能力越大。MLSS反映了颗粒污泥整体的固体浓度，而颗粒污泥内部微生物含量则用MLVSS/MLSS表示，MLVSS/MLSS越高，说明污泥内部生物量越多。图3为第81天时不同浓度金属离子的MLSS、MLVSS/MLSS对比。

图3　不同浓度金属离子的MLSS、MLVSS/MLSS对比

在实验进行初期，各个反应器内MLSS均为3 687mg/L，随着时间增长，污泥逐渐呈现出不同的形态。从图3可以看出，添加Mg2+后MLSS随浓度提高呈现出逐渐降低的趋势，但它的MLVSS/MLSS则表现为4组试验中最好的状态，其中以0.060mmol/L时的效果最好；Fe3+的MLSS先上升后下降，略高于Mg2+，MLVSS/MLSS在Mg2+和Ca2+之间；Ca2+的MLSS整体表现为略微上升后下降的趋势，MLVSS/MLVSS随着Ca2+浓度的增加而下降，以在0.030mmol/L时最佳。分析原因由于Mg2+的粒径较小，传质通道较短不宜堵塞，同时具有较大的比表面积，更有利于菌体生长；Ca2+的粒径过大，虽然MLSS相对较大，但微生物含量相对较小。Fe3+也呈现出先上升后下降的趋势，0.030～0.045mmol/L的MLSS变化不大，在Fe3+投加浓度为0.060 mmol/L时，MLSS升至最高值，在0.075～0.090mmol/L时趋于下降。所以在生物含量方面，Fe3+的最佳投加浓度为0.060mmol/L。

2.4颗粒形成过程中的生物活性

厌氧氨氧化发生的标志是氨态氮和亚硝态氮等比例同时消失。在污泥颗粒化的过程中，厌氧氨氧化菌是否得到了很好的培养，可以用比厌氧氨氧化活性来表示。图4表示空白试验及添加不同浓度的Ca2+、Mg2+、Fe3+的污泥比厌氧氨氧化活性。

图4　不同浓度金属离子对应的比厌氧氨氧化活性

综合图2～图4可知，添加金属离子对厌氧氨氧化颗粒污泥的生物活性具有一定的积极影响。在SGR较高的情况下，生物含量一般较低，比厌氧氨氧化活性较差；反之，SGR较小，生物含量大，活性则较高。投加Ca2+的颗粒污泥在投加0.030～0.060 mmol/LCa2+时保持了较高的活性，比厌氧氨氧化活性分别为0.239、0.236 kg/（kg·d）。在0.090mmol/L效果最差，但仍高于空白试验。Mg2+、Fe3+表现较好，添加后比厌氧氨氧化活性较高，在0.060mmol/L均达到最高水平，比厌氧氨氧化活性分别为0.253、0.247 kg/（kg·d）。这可能是因为Ca2+形成颗粒较大，厌氧氨氧化菌虽然得到聚集，但与外界物质和能量交换可能减弱。而Mg2+粒径较小，物质与能量交换的机会较多，因此生物活性较高。此外厌氧氨氧化菌富含血红素，Fe3+存在可能促使了血红素的合成，因此添加铁可能会促进厌氧氨氧化菌的增殖富集〔7〕，进而为厌氧氨氧化污泥颗粒化提供条件。

2.5最佳离子和离子浓度的对比选取

由图2～图4可以看出，Ca2+形成厌氧氨氧化颗粒污泥时间最早，可颗粒化程度较高；Mg2+形成颗粒时间最长，但边缘轮廓清晰，质地均匀；Fe3+形成时间适中，形成颗粒状态较好。生物含量、比厌氧氨氧化活性方面，投加Ca2+后，两者相对较低；Mg2+形成颗粒径较小，但生物含量最高，比厌氧氨氧化活性也最高；Fe3+的生物含量及活性均接近于Mg2+偏离Ca2+。从颗粒形成污泥形态、SGR、生物含量、比厌氧氨氧化活性各种考察指标来看，Ca2+、Mg2+、Fe3+的最佳投加浓度依次为0.030、0.060、0.060mmoL/L。3种金属离子最佳状态下的SGR、MLVSS/MLSS、比厌氧氨氧化活性对比见表2。

表2　3种金属离子对厌氧氨氧化污泥颗粒化影响的对比

由表2可知，Mg2+的效果优于其他两种离子。

3　结论

（1）相比空白试验，添加适量金属离子可以有效促进厌氧氨氧化污泥颗粒化。投加Ca2+、Mg2+、Fe3+后，均形成了结构密实、轮廓清晰的颗粒污泥。其中Ca2+形成稳定颗粒的时间最短，为64 d，浓度为0.045 mmol/L；Mg2+、Fe3+颗粒化形成最优的时间和添加浓度分别为72 d、0.090mmol/L和69 d、0.090mmol/L。

（2）Ca2+可颗粒化程度在0.075mmol/L表现最好，但生物含量MLVSS/MLSS相对较低，仅为63%，生物含量最高的浓度为0.030 mmol/L，对应的MLVSS/MLSS为66.1%。Mg2+形成的颗粒最小，但是生化性强，并在0.060mmol/L达到峰值，对应的MLVSS/MLSS为68.6%；Fe3+的SGR程度最差，但生物含量在Mg2+、Ca2+之间，综合两项指标来看0.060 mmol/L为Fe3+的最佳投加浓度。

（3）Ca2+、Mg2+、Fe3+在比厌氧氨氧化活性方面，Mg2+不仅在微生物含量方面最高，在比厌氧氨氧化活性上表现也较高，Ca2+的状态最差。三者最适浓度依次为：0.030、0.060、0.060mmol/L。

（4）在Ca2+、Mg2+、Fe3+最佳投加浓度依次为0.03、0.06、0.060mmol/L的情况下，将这三者进行比较，其中SGR：Ca2+＞Mg2+＞Fe3+；MLVSS/MLSS：Mg2+＞Fe3+＞Ca2+；比厌氧氨氧化活性：Mg2+＞Fe3+＞Ca2+；从颗粒形成状况，SGR等各种考察项目来看，Mg2+为最佳投加离子，投加浓度为0.060mmol/L。

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Research on the influences ofmetallic ions concentrations on the granulation of ANAMMOX sludge

Su Yang，Yu Pengfei，Fu Jinxiang，Zhou Mingjun，Zhao Heqian，Wang Guoqiang
（Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China）

The influences of Ca2+，Mg2+，and Fe3+having different concentrations on the formation of ANAMMOX granularsludge havebeen studied.Batch testsare carried out in Serum bottlesby adding 0.300，0.045，0.060，0.075，0.090mmol/L ofmetallic ions，respectively，soas to carried outblank tests.The influencesofshape，granulated level（SGR），biomass，and specific ANAMMOX activity are investigated.The results show that adding appropriate amountofmetallic ionscan promote thegranulation ofANAMMOX.Theoptimum dosage concentrationsofCa2+，Mg2+，Fe3+are 0.03，0.060，0.060mmol/L，respectively.Among the three optimum concentrations，it is found that the effect ofMg2+is thebest.

ANAMMOX；granularsludge；metallic ions

X703

A

1005-829X（2016）03-0074-04

“十二五”国家水体污染控制与治理科技重大专项（2012ZX07505-003-01）

苏杨（1989—），硕士。电话：18202476606，E-mail：1013082968@qq.com。通讯联系人：于鹏飞，硕士。电话：13840212529，E-mail：361630565@qq.com。

2016-01-12（修改稿）