厌氧氨氧化的快速启动工艺：五种不同的污泥胞外聚合物质对厌氧氨氧化菌活性的影响外文翻译资料

 2023-07-21 10:02:59

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厌氧氨氧化的快速启动工艺：五种不同的污泥胞外聚合物质对厌氧氨氧化菌活性的影响

摘 要

本文通过接种不同生物量比率的反硝化颗粒污泥和厌氧氨氧化菌来研究厌氧氨氧化快速启动装置。实验结果证明了两个反应器（反应器一和反应器二）分别在第25天和第28天成功快速启动。脱氮率分别为0.70 kg /（m3d）和0.72 kg /（m3d），生物量量比率分别为10：1（反应器一）和50：1（反应器二）。厌氧氨氧化快速启动实验是在检测五种不同的污泥胞外聚合物质对厌氧氨氧化菌活性影响的批次实验中发现的。批次实验第一次证明了反硝化污泥胞外聚合物可以最大限度的提高厌氧氨氧化菌的活性，并且亚硝态氮和氨氮的去除率分别是10ml反硝化污泥-胞外聚合物最优解对照值的1.88倍和1.53倍。厌氧氨氧化的快速启动使其在实际工程中的应用成为可能。

关键词：厌氧氨氧化；反硝化颗粒污泥；快速启动；细胞外聚合物；厌氧氨氧化菌活性

  1. 引言

自从20世纪90年代反硝化流化床反应器中发现厌氧氨氧化以来，厌氧氨氧化已成为去除氮污染物工艺中一个很有前景的技术。厌氧氨氧化菌在厌氧条件下以亚硝态氮作为电子受体产生氮气。相比传统的生物过程，厌氧氨氧化过程可以将曝气量减少到64％，将外源电子供体减少到100％，以及污泥产生量减少到80-90％。但是，在大规模应用中存在一个缺点。厌氧氨氧化工艺需要相当长的启动时间，这可能是由于厌氧氨氧化细菌的生长速度慢（据报道，倍增时间约为11天）。厌氧氨氧化菌快速启动测试各种方法，包括反应器类型，接种不同污泥。选择的反应器必须有充足的有效生物量，并且应避免游离细菌的损失。在这种情况下，上流式厌氧污泥床反应器可以有效保留生物量。此外，颗粒污泥有助于厌氧氨氧化菌富集成高浓度。厌氧氨氧化菌颗粒污泥的生物量浓度在反应器为42.0-57.7 g-VSS / L。此外，各种类型的接种污泥，包括传统的活性污泥，反硝化污泥和硝化污泥以及产甲烷颗粒都被用来测验厌氧氨氧化菌的富集。众所周知，胞外聚合物在粘结环境，基质结构的形成，颗粒形成过程和颗粒的稳定性长期改善方面起着重要作用。在快速启动厌氧氨氧化过程中，胞外聚合物的结构可以提高厌氧氨氧化细菌的抗逆性。由于细胞都是嵌在胞外聚合物的体内，这样就可以防止厌氧污泥被冲洗出反应器，而且这在某种程度上还可以延长污泥停留时间。通过接种反硝化污泥，陈等人在55天内成功启动了厌氧氨氧化。同样，通过接种反硝化污泥，厌氧氨氧化的快速启动时间被缩短到40天。因此通过接种反硝化接种污泥，厌氧氨氧化的快速启动时间可以被极大的缩短，厌氧氨氧化工艺在反硝化流化床反应器中首次被发现。在此之前的研究，我们尚不清楚反硝化细菌和厌氧氨氧化菌之间的联系。此外，为什么反硝化细菌能缩短厌氧氨氧化的快速启动时间和胞外聚合物对厌氧氨氧化菌活性的影响直到现在才被调查研究。

2材料和方法

2.1人工废水

人工废水用于快速启动厌氧氨氧化反应器。人工废水的组成模拟了真实废水，以及合成的特点废水与实际废水相似。人工配置的厌氧氨氧化污水的组分如下：0.48–1.44（NH4）2SO4、0.48–1.44 NaNO2、0.136 CaCl2、0.1 MgSO4，

0.03 KH2PO4和0.3 NaHCO3。此外，添加1 ml / L的微量元素，其中包含以下内容（以g / L计）：5.00 EDTA，5.00 FeSO4、0.43 ZnSO47H2O，0.014 H3BO4、0.99 MnCl2-4H2O，0.25 CuSO45H2O，0.19 NiCl26H2O和0.24 CoCl26H2O

2.2反应器运行

两个相同的上流式厌氧污泥床反应器（反应器一和反应器二）用于研究快速启动过程在这个研究中。两个反应器的工作容积约为3.5 L，内径为6.8 cm，高度为71cm。反硝化颗粒污泥来自于一个的成熟反硝化反应器，而厌氧氨氧化菌则源自实验室的厌氧氨氧化反应器，培养时间为2年。反硝化颗粒污泥和厌氧氨氧化菌的挥发性悬浮固体浓度分别为24.53 g / L和16.89 g / L。 反应器一接种了900 ml反硝化颗粒污泥和130 ml厌氧氨氧化细菌，而反应器二接种1000 ml反硝化颗粒污泥和30 ml厌氧细菌。 反应器一和反应器二的反硝化颗粒污泥和厌氧氨氧化菌的生物量比分别为10：1和50：1。两个反应器在35°C下运行。进水pH值控制在7–7.5范围内。使用不透明的黑色塑料薄膜外壳抑制光合细菌的生长。

2.3批次实验

为了通过接种反硝化颗粒污泥和厌氧氨氧化菌来评估快速启动工艺，五种不同的污泥胞外聚合物提取胞外聚合物（反硝化污泥，硝化污泥，活性污泥，高氯酸盐还原菌和硫驱动的高氯酸盐还原菌）。此外，活性污泥来自市政废水处理厂。反硝化污泥来源于实验反应装置中；高氯酸盐还原菌来源于实验室规模的反应器中，利用乙酸酯作为电子供体；硫驱动的高氯酸盐还原菌也是来源于实验室规模的反应器中，利用硫作为电子供体。这些污泥的胞外聚合酶都是来源于细菌分泌，细胞裂解和水解，外细胞成分的泄漏和从周围废水吸附的有机物质。 胞外聚合物由多糖，蛋白质，核酸和脂质组成。实验是在含有100mg/L的氨氮，100mg/L的亚硝态氮，20g（湿重）的厌氧细菌和五种不同的污泥胞外聚合酶的300ml的血清瓶中进行的。从反应器收集的20g厌氧细菌用硫酸缓冲溶液冲洗三次，然后用人工配置的废水冲洗三次以去除残留的氮。血清瓶用氮气冲洗五分钟，并且用橡胶帽密封以维持厌氧条件。人工合成废水主要包括以硫酸铵形式存在的氨氮和以亚硝酸钠形式存在的亚硝态氮。所有的血清瓶都用透明的黑色塑料袋包裹来阻止光合细菌的生长。瓶子在35°C的振荡器上加热，配置的废水用1mole盐酸和1mole氢氧化钠调节至7-7.5之间。出水水样每个两个小时用针和注射剂收集一次来检测硝态氮，氨氮和亚硝态氮的浓度。

2.4分析方法

污泥样本通过加热从污泥样品中提取胞外聚合物。多糖含量以葡萄糖为标准，通过蒽酮硫酸法测定胞外聚合物。测量胞外聚合物的蛋白质含量用牛血清白蛋白为样本。废水样品离心以8000 r / min的速度离心15分钟，以除去上清液的不溶性颗粒。 硝态氮，亚硝态氮，氨氮的浓度根据标准方法测得。PH值采用PH计测定。

3结论与讨论

3.1快速启动厌氧氨氧化工艺

反应器一和反应器二的反硝化颗粒污泥与厌氧氨氧化菌的生物量比分别为10：1和50：1。两个反应器通过逐步提高进水的氨氮和亚硝态氮的浓度如图1和2所示，基于氨的去除的总量，厌氧氨氧化工艺被分成如下的四个阶段（1）

图3.1 反应器一的启动性能 图3.2 反应器二的启动

细胞裂解期（2）延迟期（3）活性增长期 （4）稳定期

在厌氧氨氧化反应器启动之初，由于反应器的初始不利条件，氨氮和有机物从反硝化细菌的自分解中释放出来，这段时期命名为裂解期（出水氨浓度比进水高），这在其他许多研究中也很常见。 反应器一的细胞裂解阶段持续10天，而反应器二持续13天。但是，由于存在厌氧氨氧化菌，然而，由于厌氧氨氧化菌的存在，出水的氨氮浓度没有超过进水的，显示出我们的启动方法的优越性。此结果与李等人的研究相同。通过接种来自部分硝化反应器和厌氧氨氧化反应器的混合污泥，厌氧氨氧化在35天成功启动，而且，没有细胞裂解期的迹象。反应器一和反应器二的亚硝态氮在此阶段完全积累，这可能是由于反硝化的作用。剩余的反硝化颗粒污泥利用自溶作用释放的有机物作为电子供体还原硝态氮和亚硝态氮。

反应器一和反应器二的延迟期持续时间分别为为6天（第11天-第16天）和10天（第14天-第23天）。在此阶段，出水氨的去除效率分别为75.0%和80.8%，同样，亚硝态氮的完全去除证明反硝化和细胞裂解期仍在这一阶段继续进行，而且反应器一和反应器二的出水硝态氮的浓度也在逐步增加，别分为13.44mg/L和19.98mg/L，时间分别为16天和23天，说明在两个反应器中它都是出于厌氧氨氧化活性的初始阶段。在活性提升阶段观察到氨和硝酸盐的去除率也在持续提高。例如反应器一。从第17天到第25天，氮的去除率从0.23kg/(m3·d)增加到0.70 kg/(m3·d)，这表明厌氧氨氧化性能正在逐步提高。根据金等人提出的厌氧氨氧化快速启动以氮的去除率0.50 kg/(m3·d)为标准，反应器的在25天成功启动。培养25天后，亚硝酸盐消耗量与铵的平均化学计量摩尔比为1.29，硝酸盐生产量与铵消耗量的化学计量摩尔比计算为0.22-0.29，这类似于Strous等人提出厌氧氨氧化过程的理论化学计量比0.26-1.32。这一结果表明，厌氧氨氧化性能在逐步提高。反应器二在28天成功启动，此时的氮的去除率为0.72 kg/(m3·d)。

表3.1 反应器一和反应器二在快速启动阶段每相的停留时间

反应器

细胞裂解阶段（天）

延迟期（天）

活性增长期（天）

快速启动时间（天）

反应器一

10（第1-10）

6（第11-16）

9（第17-25）

25

反应器二

13（第1-13）

10（第14-23）

5（第24-28）

28

在稳定期，反应器的进水亚硝酸和氨氮浓度分别进一步提高到300mg/L和230mg/L.出水的最大硝态氮浓度分别为65.05mg/L和66.93mg/L,这比化学计量比的理论值稍高一些。出书的高硝酸盐浓度表明在稳定期反硝化消失，厌氧氨氧化菌在此反应器起主导作用。在启动阶段每个反应器的每个阶段总结见表一。在这项研究中，反应器一和反应器二的成功启动时间分别为25天和28天，氮的去除率分别为0.70 kg/(m3·d)和0.72 kg/(m3·d)。根据陈等人的研究，厌氧氧化过程通过在40天以3:1体积比混合反硝化-厌氧氨氧化反应而成功启动，氮的去除率为0.55 kg/(m3·d)。 这些发现表明，反硝化污泥加速了厌氧氨氧化反应的启动过程。然而，没有研究反硝化污泥可以加速厌氧氨氧化反应启动过程的原因。

3.2通过接种方法使厌氧氨氧化工艺快速启动的原因

3.2.1 DS-EPS对厌氧氨氧化菌活性的影响

图3描绘了不同DS-EPS体积对分批实验中厌氧氨氧化菌的活性的影响。本实验选择五种DS-EPS体积（1 ml，5 ml，10 ml，20 ml和30 ml）。除30 ml外，其他体积的厌氧氨氧化菌活性均有提高。当DS-EPS的量在一定范围内时，氨合细菌的活性倾向于提高0至10 ml。 氨氮和亚硝态氮表现出最大去除性能，最大去除速率为11.70 mg / (L-h)和8.11 mg /( L-h)，当DS-EPS为10ml，运行时间为8h时，硝酸盐的浓度达到它的最大值；当DS-EPS为20ml，亚硝态氮和氨氮的去除率下降到7.72mg/（L-h）和6.33mg/（L-h），这个值仍然比对照值的较高。当DS-EPS为30ml时，氨氮和亚硝态氮的去除率与控制的基本相同。亚硝态氮的去除率控制在6.21 mg/（L-h）,当DS-EPS分别为1ml,5ml，10ml,20ml时，亚硝态氮的去除率分别为7.56 mg/（L-h），9.33mg/（L-h），11.70mg/（L-h）,7.72mg/（L-h）,分别为控制值的1.2

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