不同有机物对厌氧氨氧化耦合反硝化的影响

刘常敬，李泽兵，郑照明，王春香，王昌稳，张美雪，赵白航，李 军*（.北京工业大学水质科学与

水环境恢复工程北京市重点实验室，北京 100124；2.中国市政工程西北设计研究院有限公司天津分院，天津 300201；3.东华理工大学水资源与环境工程学院，江西 南昌 330013）

不同有机物对厌氧氨氧化耦合反硝化的影响

刘常敬1，2，李泽兵3，郑照明1，王春香1，王昌稳1，张美雪1，赵白航1，李 军1*（1.北京工业大学水质科学与

水环境恢复工程北京市重点实验室，北京 100124；2.中国市政工程西北设计研究院有限公司天津分院，天津 300201；3.东华理工大学水资源与环境工程学院，江西 南昌 330013）

通过连续试验和血清瓶批式试验研究了不同种类有机物对厌氧氨氧化耦合异养反硝化脱氮性能的影响.结果表明，从TN去除率来看，对耦合反应器的影响:苯甲酸钠＜邻苯二酚＜间苯二酚＜丙酸钠＜乙酸钠；苯甲酸钠、邻苯二酚、间苯二酚、丙酸钠和乙酸钠对厌氧氨氧化菌的影响很小.苯酚反硝化菌能利用苯甲酸钠、邻苯二酚、间苯二酚、丙酸钠和乙酸钠作为电子供体进行反硝化.不同有机物对苯酚反硝化菌的影响不同，进而影响苯酚反硝化菌与厌氧氨氧化菌之间的协同和竞争关系.苯甲酸是苯酚降解过程中可能的中间产物.

厌氧氨氧化；异养反硝化；有机物；脱氮

近年来，国内外的研究者对厌氧氨氧化（ANAMMOX）耦合异养反硝化做了很多研究［1-5］.周少奇［6］从电子计量学方程提出两者可实现协同作用:ANAMMOX反应以CO2为碳源产生一定量的，为反硝化提供电子受体；而反硝化反应消耗有机物且产生CO2，为ANAMMOX菌解除有机物抑制并提供无机碳源.研究发现，低浓度有机物存在时，ANAMMOX菌和异养反硝化菌协同脱氮，提高了TN的去除率［1，7-8］.但大多是采用单一有机物进行的研究，然而，实际污水大多含有多种有机物，因此，在不同有机环境下ANAMMOX菌、异养反硝化菌的活性，耦合系统的稳定性以及两种菌之间协同、竞争关系等问题都值得研究.本文以实验室投加苯酚条件下已经长期稳定运行的ANAMMOX耦合异养反硝化反应器为基础，通过连续流和批次试验研究了苯甲酸钠、邻苯二酚、间苯二酚、丙酸钠和乙酸钠对ANAMMOX耦合异养反硝化脱氮性能的影响.

1 材料与方法

1.1 试验装置及其运行条件

1.1.1 连续流试验装置及其运行条件 连续流试验装置如图1所示.采用UASB-生物膜反应器，反应器高110m，内径11cm，有效容积为10L，反应器采用黑色软性材料（EVA泡沫）包裹以避光，废水由蠕动泵泵入反应器底部，通过水浴使反应器内温度维持在（25±1）℃，HRT为1.5h，进水pH值控制在7.8左右，反应器内部上三分之一部分添加直径为10cm的聚氯乙烯球形填料以减少污泥的流失，球形填料内有环状辫带式纤维填料.

图1 UASB-生物膜反应器示意Fig.1 Schematic diagram of UASB-biofilm reactor

1.1.2 批次试验装置及其运行条件 批次试验装置采用血清瓶，有效容积为500mL.首先，从连续流反应器中取适量污泥，先用蒸馏水冲洗污泥3遍以去除残留基质.然后向每个血清瓶中加入150mL污泥和350mL配有相应基质的水，放在磁力搅拌器上500r/min边搅拌边以纯度99.9%的N2向瓶中吹脱20min除氧.最后将血清瓶连同磁力搅拌器放入25℃的恒温箱培养，待温度稳定后，开始取样.试验开始、结束均测定pH值，每隔1h取样测定、、的浓度，最后取50mL混合液测定MLVSS.设置了A、B、C 3组试验，见表1.反应器运行到第7，22，33，48，64d时，分别用苯甲酸钠、邻苯二酚、间苯二酚、丙酸钠和乙酸钠代替苯酚.每种有机物连续运行6～9d，反应器进水中苯甲酸钠、邻苯二酚、甲苯二酚、丙酸钠和乙酸钠的浓度分别控制为28.8，22.0，22.0，38.4，49.2mg/L，相当于COD浓度分别为46.3，41.6，41.6，41.5，33.6mg/L.

表1 间歇试验条件Table 1 Batch experimental conditions

1.2 试验废水

试验废水采用模拟废水，主要成分有NH4Cl，NaNO2， NaHCO3， KH2PO4， MgSO4·7H2O， CaCl2，苯酚（苯甲酸钠、邻苯二酚、间苯二酚、丙酸钠、乙酸钠）.

微量元素Ⅰ（mg/L）:EDTA 5000， FeSO45000；微量元素Ⅱ（mg/L）:EDTA 15000， ZnSO4·7H2O 430， CoCl2·6H2O 240， MnCl2·4H2O 990， CuSO4· 5H2O 250， Na2MoO4·2H2O 220， NiCl2·6H2O 190，Na2SeO4·10H2O 210， H3BO314.其中微量元素Ⅰ、Ⅱ投加量各1mL/L.

1.3 分析方法

2 结果与讨论

2.1 苯酚条件下耦合反应器的脱氮性能

当苯酚作为有机物时，ANAMMOX耦合异养反硝化反应器能长期稳定运行［9］.出水、去除率高达100%，TN去除率高达90.88%，平均总氮去除负荷达2.26kg/（m3·d），耦合系统消耗的、消耗的和生成的的比例关系为1:1.49:0.12.异养反硝化与ANAMMOX存在协同和竞争关系，TN的去除是ANAMMOX过程和异养反硝化过程共同作用的结果.耦合反应器中ANAMMOX对TN去除贡献率达到86.72%，反硝化过程对TN去除贡献率达到13.28%，其中反硝化菌利用对TN去除的贡献率为7.16%，反硝化菌利用对TN去除的贡献率为5.89%.苯酚反硝化菌经克隆、测序、比对后分析认为属于β-变形菌纲（β-proteobacteria）［10］.

2.2 连续流时不同种类有机物对耦合反应器脱氮性能的影响

表2 不同有机物对耦合系统的影响Table 2 The effect of different organic matters on coupling system

图2 不同有机物时进、出水、和含量及变化曲线Fig.2 Variations ofandduring the operation with different organic matters

由表2，图2、3和4可知，苯甲酸钠、邻苯二酚、间苯二酚、丙酸钠和乙酸钠对耦合反应器脱氮性能影响较小，处理效果接近苯酚作为有机碳源时耦合系统的脱氮效果.

图3 不同有机物时TN的去除特性Fig.3 Characteristics of TN removal with different organic matters

图4 不同有机物时反应器中和Fig.4 Ratios oftoandtoN in the reactor with different organic matters

从耦合系统中各氮素的化学计量关系可知，不同有机物对苯酚反硝化菌的影响不同，进而影响苯酚反硝化菌与ANAMMOX菌之间的协同和竞争关系.用苯甲酸钠、邻苯二酚、邻苯二酚、丙酸钠和乙酸钠代替苯酚时，经计算可得出各反应过程对TN去除的贡献率，如表3所示.

从苯酚反硝化菌与ANAMMOX菌之间的协同和竞争关系可以看出，不管哪种有机物存在，在耦合系统中，ANAMMOX过程始终处于主导地位，这是耦合系统TN去除率高的保障.另外，投加苯甲酸钠时系统的处理效果与苯酚时最接近，且效果优于苯酚（竞争的量少，去除的量多），说明在此系统中，苯甲酸是苯酚降解过程中的中间产物，这与Gallert等［11］，Ke等［12］研究结果相同.

表3 各反应过程对TN去除的贡献率（%）Table 3 The contributions of each reaction process on TN removal （%）

2.3 批式试验时不同有机物对耦合反应器脱氮性能的影响

图5 投加苯甲酸钠时基质的降解特性Fig.5 Substances degradation characteristics with sodium benzoate addition

2.3.1 苯甲酸钠对耦合反应器脱氮性能的影响反应结束后测得A、B和C的MLVSS浓度分别为2.66，2.55，2.67g/L.如图5A所示和的降解过程均为零级反应，线性相关系数R2分别为0.989、0.997，线性关系很好，比降解速率（单位质量MLVSS在单位时间降解的基质的质量）分别为2.97，5.41mg/（g·h），比降解速率之比为1:1.82.在前1h生成量很少，后生成量增多，浓度明显升高，在后3h比生成速率为0.73mg/（g·h），与的比降解速率之比为0.25:1.如图5B所示在前2h降解较快，后2h降解缓慢，这是反硝化电子供体苯甲酸钠浓度逐步变低的原因.如图5C所示的降解过程为零级反应，线性相关系数R2为0.955，线性关系较好，比降解速率为1.11mg/（g·h），降解过程中在前1h有少量的的积累.

2.3.2 邻苯二酚对耦合反应器脱氮性能的影响 反应结束后测得A、B和C的MLVSS浓度分别为4.63，5.24，2.94g/L.如图6A所示和的降解过程均为零级反应，线性相关系数R2分别为0.987、0.988，线性关系较好，比降解速率分别为2.54，4.05mg/（g·h），比降解速率之比为1:1.60.NO3--N的比生成速率为0.45mg/（g·h），与的比降解速率之比为0.18:1.如图6B所示的浓度随着试验的进行而降低明显.如图6C所示的浓度在前1h降解的明显，在后3h几乎没降解，在整个过程一直有少量的的积累.

图6 投加邻苯二酚时基质的降解特性Fig.6 Substances degradation characterisics with o-dihydroxybenzene addition

2.3.3 间苯二酚对耦合反应器脱氮性能的影响 反应结束后测得A、B和C的MLVSS浓度分别为4.33，5.11，4.26g/L.如图7A所示和的降解过程均为零级反应，线性相关系数R2分别为0.996、0.990，线性关系很好，比降解速率分别为3.47，5.41mg/（g·h），比降解速率之比为1:1.56.的比生成速率为0.73mg/（g·h），与的比降解速率之比为0.21:1.如图7B所示的浓度随着试验的进行而降低的明显.如图7C所示在整个试验过程中降解缓慢，且一直有少量的的积累.

图7 投加间苯二酚时基质的降解特性Fig.7 Substances degradation characterisics with m-dihydroxybenzene addition

2.3.4 丙酸钠对耦合反应器脱氮性能的影响反应结束后测得A、B和C的MLVSS浓度分别为5.06，7.74，6.32g/L.如图8A所示在前2h的降解过程为零级反应，线性相关系数R2为0.961，比降解速率为4.00mg/（g·h），在后2h降解缓慢.的降解过程为零级反应，线性相关系数R2为0.932，线性关系较好，比降解速率为5.34mg/（g·h），与的比降解速率之比为1.33:1.在前2h的比生成速率为0.37mg/（g·h），与的比降解速率之比为0.09:1，在后2h比生成速率变小.如图8B所示的降解过程为零级反应，线性相关系数R2为0.979，线性关系较好，比降解速率为1.72mg/（g·h）.如图8C所示在前2h的降解过程为零级反应，比降解速率为0.46mg/（g·h），降解过程中在前3h有少量的的积累.

图8 投加丙酸钠时基质的降解特性Fig.8 Substances degradation characterisics with sodium propionate addition

2.3.5 乙酸钠对耦合反应器脱氮性能的影响反应结束后测得A、B和C的MLVSS浓度分别为5.51，6.67，5.76g/L.如图9A所示，和的降解过程均为零级反应，线性相关系数R2分别为0.973、0.978，线性关系较好，比降解速率分别为2.35，3.80mg/（g·h），比降解速率之比为1:1.62.的比生成速率为0.34mg/（g·h），与的比降解速率之比为0.15:1.如图9B所示的降解过程为零级反应，线性相关系数R2为0.994，线性关系很好，比降解速率为1.65mg/（g·h）.如图9C所示的降解过程均为零级反应，线性相关系数R2为0.918，线性关系较好，比降解速率为0.22mg/（g·h），降解过程中始终有少量的的积累.

图9 投加乙酸钠时基质的降解特性Fig.9 Substances degradation characterisics with sodium acetate addition

试验起始、结束的pH值如表4所示，所有批次试验结束时的pH值均高于起始时的pH值，这是因为ANAMMOX和异养反硝化均消耗H+，随着试验的进行，会引起pH值升高［6，13］.过高的pH值会抑制微生物的活性，研究表明，ANAMMOX菌最适宜的pH值范围6.7～8.3［14］，反硝化菌生长适宜pH值范围为6～9［15］.pH值会影响ANAMMOX与异养反硝化的耦合关系，胡勇有等［16］研究表明，ANAMMOX与异养反硝化耦合最适的pH值为8.0.

表4 试验起始和结束时的pH值Table 4 The changes of pH at the beginning and ending of the experiment

从所有组的B试验可以看出，苯酚反硝化菌能以苯甲酸钠、邻苯二酚、间苯二酚、丙酸钠和乙酸钠作为电子供体，以作为电子受体进行反硝化，说明反硝化菌和ANAMMOX菌之间有竞争关系.

从所有组的C试验可以看出，苯酚反硝化菌能以苯甲酸钠、邻苯二酚、间苯二酚、丙酸钠和乙酸钠作为电子供体，以作为电子受体进行反硝化，说明反硝化菌和ANAMMOX菌之间有协同关系.另外，试验过程中都有的积累，只是积累的时间段不同，这说明协同关系不仅体现在反硝化菌利用了ANAMMOX过程生成的，还体现在反硝化菌降解为ANAMMOX菌提供.有研究表明，反硝化反应分为4个步骤:首先是在硝酸盐还原酶作用下将硝酸盐还原为亚硝酸盐；然后在亚硝酸盐还原酶作用下将亚硝酸盐转化成异化亚硝酸盐；然后在异化亚硝酸盐还原酶作用下将异化亚硝酸盐还原成一氧化二氮；最后在一氧化二氮还原酶作用下将一氧化二氮还原为氮气［18-19］.有的积累说明反硝化过程中第一步的反应速率快于后续步骤的反应速率.酶是由基因来控制的，若能从酶或基因等分子生物学来控制反硝化过程，就能很好的控制ANAMMOX与异养反硝化的耦合.

不同有机物对ANAMMOX和异养反硝化的影响不同，进而影响了ANAMMOX与反硝化的协同与竞争关系，ANAMMOX与异养反硝化的耦合关系还值得深入研究.

3 结论

3.1 不同有机物对ANAMMOX耦合异养反硝化的影响:苯甲酸钠＜邻苯二酚＜间苯二酚＜丙酸钠＜乙酸钠.不同有机物存在时，苯酚反硝化菌与ANAMMOX菌之间的协同和竞争关系不同.苯甲酸是苯酚降解过程中的中间产物.

3.2 苯酚反硝化菌能以苯甲酸钠、邻苯二酚、间苯二酚、丙酸钠和乙酸钠作为电子供体，以和作为电子受体进行反硝化，反硝化降解过程中有的积累，反硝化菌和ANAMMOX菌之间的协同关系不仅体现在反硝化菌利用了ANAMMOX过程生成的，还体现在反硝化菌降解为ANAMMOX菌提供.

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Effect of different organic matters on anammox coupling denitrifying.

LIU Chang-jing1，2， LI Ze-bing3， ZHENG Zhao-ming1， WANG Chun-xiang1， WANG Chang-wen1， ZHANG Mei-xue1， ZHAO Bai-hang1， LI Jun1*（1.Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China；2.Tianjin Branch，China Northwest Municipal Engineering Design and Research Institute Limited Company， Tianjin 300201， China；3.School of Water Resources and Environmental Engineering， East China Institute of Technology， Nanchang 330013， China）. China Environmental Science， 2015，35（1）：87～94

The effect of different organic matters on nitrogen removal performance of anammox coupling heterotrophic denitrification process was investigated by continuous cultivation and serum bottle batch tests. In view of TN removal rate，the results showed that the sequence of these orgnic matters’ influence on the coupling reactor was （from minimum to maximum）: sodium benzoate， o-dihydroxybenzene， m-dihydroxybenzene， sodium propionate， sodium acetate；. sodium benzoate， o-dihydroxybenzene， m-dihydroxybenzene， sodium propionate and sodium acetate have a little impact on the anaerobic ammonia oxidation bacteria. Phenol denitrifying bacteria could use sodium benzoate， o-dihydroxybenzene，m-dihydroxybenzene， sodium propionate and sodium acetate as electron donor for denitrification. Different organic matters had different influences on phenol denitrifying bacteria and then affected the cooperative and competitive relationship between phenol denitrifying bacteria and anaerobic ammonia oxidation bacteria. Benzoic acid was the possible product of phenol degradation.

ANAMMOX；heterotrophic denitrification；organic matter；nitrogen removal

X703.5

A

1000-6923（2015）01-0087-08

刘常敬（1987-），男，河北保定人，北京工业大学硕士研究生，主要从事厌氧氨氧化脱氮研究.发表论文4篇.

2014-04-18

国家自然科学基金资助项目（51078008）；北京市自然科学基金资助项目（8122005）；北京市教委重点项目（KZ201110005008）

* 责任作者， 教授， jglijun@bjut.edu.cn