水污染文献翻译：短程硝化和厌氧氨氧化工艺

附件C：译文

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指导教师签字：

短程硝化和厌氧氨氧化工艺：一种用于处理高浓度光

电工业废水的方法

Achlesh Davereya, Sin-Han Sua, Yu-Tzu Huangb, Shiou-Shiou Chenb, Shihwu Sungc, Jih-Gaw Lina

论文信息： 2012年10月16日收到

2013年1月3日收到修改稿 2013年1月17日接受 2013年2月4日在网上发布

摘要：亚硝酸盐的完全自养脱氮（CANON）工艺是用一个18L的序批式反应器

（SBR）来处理含有高浓度氨氮（3712±120毫克NH4-N）的光电工业废水，在负荷率为909 g N m?3 d?1、水力停留时间为4天时，总氮和NH4+-N的去除率分别约为89%和98%。CANON工艺的巨大改革表现在高DO（超过1mg·L-1）曝气和高亚硝酸盐（超过100 mg·L-1）浓缩，其中高DO曝气的抑制作用是可逆的，而NO2-盐、NH4+和NO2-的协同抑制作用是不可逆的。反应温度在17℃和37℃之间的波动并不影响CANON系统的性能。CANON能在高氮负荷率下稳定控制超过一个月，通过PCR分析可以检测到好氧和厌氧性氨氧化细菌共存于反应器中。通过对487天的qPCR检测分析发现厌氧氨氧化菌的数量在一段258天的期间内增加了约5倍。

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关键词：光电废水；厌氧氨氧化；短程硝化；序批式反应器。

1 引言

由于氮对环境存在潜在威胁，如何从废水中去除氮的研究获得了很大的关注。一般来说，像硝化 - 反硝化和厌氧氨氧化（氨氧化）之类的生物方法常被用来去除废水中的氮。在这些方法中厌氧氨氧化反应已经变得越来越流行，因为它以亚硝酸盐作为电子受体（van Graaf 等人, 1996）直接将氨转换至氮气，是一种去除氨的快捷循环方式。与传统的工艺（硝化接着脱氮）相比，用厌氧氨氧化反应从污水中去除氮的应用具有许多优点，因为它是一个单一的反应器中厌氧自养系统，消耗更少的能量，也没有必要添加额外的碳源（Siegrist等人，2008; van Graaf等，1996）。然而，这个过程取决于亚硝酸盐的剩余情况，这实际上是一

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种不常见的废水，而另一方面亚硝酸盐还可以通过局部硝化过程产生。因此，结合一个单一的反应器中部分硝化的作用，兼有厌氧氨氧化菌和好氧氨氧化菌（AOB）的厌氧氨氧化反应，可以克服传统厌氧氨氧化过程中的缺点。这个过程就被称为亚硝酸盐的完全自养脱氮（CANON） (Sliekers 等, 2002; Third 等, 2001)。在这个过程中，首先在低氧气浓度下，氨在AOB作用下部分转化成亚硝酸盐（式（1））；其后，厌氧氨氧化菌将氨和亚硝酸盐转化为到氮气（式（2））。CANON工艺的总化学计量式如（3）所示（Strous，2000）。

1NH3+1.5O2→NO2?+H2O+H+ （1） 1NH3+1.3NO2?+H+→1.02N2+0.26NO3?+2H2O （2） 1NH3+0.85O2→0.11NO3?+0.44N2+1.43H2O+0.14H+ （3） 由于厌氧氨氧化菌的生长速度缓慢，对于不同的反应器结构都有过研究，如流化床反应器（van Graaf等人，1996），序批式反应器（Strous等，1998），膜生物反应器（Trigo等人，2006）。在这些反应器中，序批式反应器（SBR）被认为是最适合厌氧氨氧化菌的生长的反应器，因为它完成生物质潴留，从而有效地降低了细菌倍增时间（在流化床反应器中需要30天，在SBR中只需11天）（ Strous等人，1998;。van Graaf 等人，1996）。

在过去的几年里，为了满足世界各地对电子设备不断增加的需求，高科技产业如光电和半导体行业也水涨船高地快速发展起来，并在台湾经济中起着至关重要的作用。从这些工业产生的废水自然是复杂的，危险的，这就需要在将污水排放到环境之前进行适当处理，以满足污水排放标准。由于工业废水缺乏人体必需的微量元素和营养物质，这种情况在另一方面使得有必要进行生物脱氮的事实加剧。在文献中，只有少数研究已经报道了从高科技工业废水中生物脱氮（Chen等，2003; Daverey等人，2012; Kumar等，2012）。据我们所知，没文献报道关于用CANON工艺来处理含高浓度氨氮的光电工业废水的研究。所以，目前的研究侧重于在一个18L实验规模的SBR中应用CANON工艺对高浓度的光电工业废水进行脱氮。

2 材料和方法

2.1 序批式反应器（SBR）的实验装置和操作条件

一个SBR反应器的工作容积是18升，是利用之前已经建好用来处理合成废水的装置，现在用来研究从光电工业废水中脱氮。图1（a）是SBR启动的示意图。直径为3厘米的聚氨酯球分别插在反应器中以提高生物量保留率，载流子（合计数目100个）放置为在反应器壁表面的单层上面的空气扩散器和混频器上，放置在反应器中的载波的总体积为750立方厘米。在反应器中使用的液体介质的总

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体积为18 L，SBR以24小时为一个周期循环操作，其中进料和反应阶段为23.4小时，沉淀阶段为0.45小时，调整阶段为0.15小时。如图 1（b）所示。将培养期延长至12小时，是为了避免冲击负荷。蠕动泵和一个出水端口供给废水进入反应器，并排出上清液；DO水平保持在低于0.5 mg·L-1，DO控制器系统（站内IG模型1000CE，LA）配备DO仪和滚针风量阀。通过使用一个恒温水套，将反应器的温度在初始94天保持在37℃，之后保持在25℃（从95天到199天及416到487）。第200天至415天之间在环境温度（17.5-36℃）下运行。通过在入流废水投加碳酸氢钠（NaHCO3）作为CaCO3计，将流出物的碱度控制在800?850 mg·L-1。

图1

（a）18L序批式反应器（SBR）以及载体的配置，（b）在SBR分配的操作循环的示意图

2.2 接种污泥和饲养媒介

用从处理合成废水污泥（兰等人，2011）中得到的污泥接种到CANON工艺中的SBR。最初（第1天），反应器中混合液的挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）为1370 mg·L-1。在第94日，将台湾一个安全垃圾填埋场的渗滤液处理厂收集的新种泥接种到反应器里，增加反应器的MLVSS浓度至2800 mg·L-1。从这个垃圾填埋渗滤液处理厂的污泥可以同时检测到厌氧氨氧化菌、亚硝化类微生物和反硝化菌。此外，在第306天从反应器中排出一部分污泥（16克），加入新的种子污泥（31克）以恢复反应器的性能，这是因为亚硝酸盐的累积产生了抑制作用，所以需要排除一部分。经过这个顺序放出和补给污泥后，MLVSS的浓度约是2589

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mg·L-1。进料废水是从位于台湾台南的光电产业收集而来，并储存在冰箱中，保持4℃。废水的特性见表1。由表1可见，该废水具有强碱性（pH值9.7），非常丰富的无机氮，其中NH4+-N（3712±120 mg·L-1）和TKN浓度（3799±9 mg·L-1）几乎是相同的。以矿质培养基和微量元素（Sliekers等人，2002）作为营养物供给废水来满足厌氧氨氧化菌的聚合和生长。矿物培养基（以mg·L-1计）的主要成分为 KHCO3, 1250; KH2PO4, 25; CaCl2·2H2O, 300; MgSO4·7H2O, 200 and FeSO4, 6.25。此外，NaHCO3主要作为污水中厌氧氨氧化和硝化细菌的无机碳源。在将厌氧氨氧化菌引入到反应器之前，调节废水的pH值至7.8-8.0，这是其最佳的适应pH值。

表1 原始光电工业废水的主要特点。

2.3 微生物分析

为了识别微生物群落和量化厌氧氨氧化菌，分别在第229天（抑制反应器性能之前）、304天（抑制反应器性能期间）、487天（高脱氮率下的稳定状态）从反应器出水端口提取完全混合式悬浮生物样品，用聚合酶链反应（PCR）和定量PCR技术进行检测。有关PCR实验见早些时候的报道（Daverey等，2012）。样品的总基因组DNA是用电源土壤DNA分离试剂盒（MO BIO实验室，美国）进行提取，DNA浓度是用基因定量光度计（Amersham Biosciences社制，匹兹堡，宾夕法尼亚州，美国）来测定。在96孔渐变掌上型基因扩增仪（科贝特研究有限公司，奥地利）上进行PCR反应，每次反应有25μl容积的液体，包含1μl的DNA模板（约50毫微克），每种引物1μl（10μM），9.5μl无菌水和12.5μl Taq酶PCR主要混合液(Genomics BioSd & Tech, Taiwan)。用于检测AOB、亚硝酸盐氧化菌（NOB）、反硝化细菌和厌氧氨氧化菌的引物组分别是amoA-1F/amoA-2R（Rotthauwe等，1997），Nitro-1198f/Nitro1423r（Knapp和Graham，2007）和NSR-1113f/NSR-1264r（Dionisi等人，2002），nirS-1F/nirS-6R（Braker等，1998），

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以及AnnirS379F/AnnirS821R（Li等，2011）。针对厌氧氨氧化菌的物种特异性，引物组KS-qF3/KS-qR3用于Candidatus Kuenenia stuttgartiensis（KS），而BAqF/ BAqR用于Candidatus Brocadia anammoxidans（BA）。通过琼脂糖凝胶电泳和DNA测序来确保PCR检测的结果。用于qPCR分析的引物分别是BACT1369F/PROK1492R（Suzuki等人，2000）和Amx809F/Amx1066R（Tsushima等人，2007），用于检测所述真细菌和大多数的厌氧氨氧化细菌。每次反应有10μl容积，包含1μl的DNA模板（约50毫微克），每种引物（10μM）0.5μl，3μl无菌水和5μlSsoFast?EvaGreen?Supermix的荧光染料。循环参数如下：变性30秒，95℃;40次循环5秒，95℃；退火5秒，用BACT1369F/PROK1492R时温度为54℃，或用Amx809F/Amx1066R时温度为58℃；随后是解离阶段（95℃维持15秒，65℃维持15秒，然后缓慢加热到95℃）。熔解曲线没有检测到峰值（峰值显示引物二聚体的构件物和其他非特异性PCR扩增产物的关联性）,qPCR的标准曲线（见补充图S2）的 R2值总是大于0.99，琼脂糖凝胶电泳确保了 qPCR产物的特异性。

2.4 分析方法

氮化合物、TKN、悬浮固体（SS）、挥发性悬浮固体（VSS）和混合液悬浮固体（MLSS）浓度，MLVSS及碱度都是根据标准方法（APHA，1998）每周测定两次或三次。进水和出水中NH4+-N、NO3--N和NO2--N的浓度用分光光度法测定。工艺参数如pH，ORP和DO分别采用pH计，氧化还原电位计（新达PC3200，台湾）和DO计（站内IG模型1000CE，美国）进行监测。

3 结果与讨论

3.1 从光电工业废水中脱氮

CANON是在氧受限的条件下去除NH4+-N的单一反应器工艺。在这项研究中，由CANON工艺中从SBR中去除NH4+-N研究了较长时间（487 天）。这项脱氮研究分为四个不同的阶段：反应器启动（1-164天）；SBR性能研究（165-235 天）； 溶解氧，亚硝酸盐，氨和亚硝酸的抑制研究（233-373天）和高氮负荷率（NLR）的研究（374-487 天）。NH4+-N的进水浓度、HRT和NLR集中影响随着时间的每个阶段各不相同的，参见表2。为了评估CANON系统，我们多亚硝酸盐和硝酸盐的残余铵率（η）的性能进行了计算，如前面（Daverey等人，2012）报道。据CANON工艺化学计量式（公式（3）），η的值应该接近11％。较高的η值表明了NOB在反应器中很活跃，与CANON工艺系统中存在的亚硝酸盐竞争底物。

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表2 不同阶段SBR的运行参数

3.1.1 反应器启动（1-164 天）

CANON工艺是用SBR（ 18升）来研究光电废水的处理问题。将载体引入到这个支架分反应器中，以支持微生物的生长。反应器启动时使用NLR为10g/m3/d和HRT为18天。图2（a ）展示出在启动期间氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐的进水和出水情况以及脱氮效率。经过90天实验NLR增加至33g/m3/d而HRT下降到6天。溶解氧水平一直维持低于1 mg·L-1（图3），因为1 mg·L-1或以上的溶解氧会导致高硝酸盐含量的出水，从而抑制了厌氧氨氧化活性（图3）。

图2 含氮化合物进水和出水情况，以及脱氮效率

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在此期间（1-24天）的脱氮效率下降至约20％。然而，可通过保持溶解氧在一个较低的水平来恢复厌氧氨氧化活性，总氮的去除率是从25-44天提高到60％。 Strous等（1997）也指出，高溶解氧对厌氧氨氧化活性的抑制是一个可逆的现象。

在第45天，将反应器打开重新放置生物载体。在88天出水中的硝酸浓度急剧上升到超过100 mg·L-1时， TN的去除效率急剧降低（图2a）。 在配置变更时期带来的DO浓度的冲击可能是使系统活性降低的原因。此外，在此阶段的η值比理论值（11％）更高（图4），这表明，反应器中的一部分亚硝酸盐被NOB进一步氧化成硝酸盐。因此，为了提高反应器的性能，在95天时向反应器中补充新鲜种泥，使NLR增加到33 g/m3/d，而停留时间减少到6天。该反应器性能开始复苏，在122天时TN和NH4+-N的去除率分别（图2a）提高到60％和80％。然而，在2个月（从95-164天）维持NLR为33 g/m3/d的情况下，反应器并没有达到稳态条件。TN和NH4+-N的去除率分别在40-60％之间和60-95％的变化。这是由于在启动期间的低NLR使得系统没有足够的选择压力来淘汰NOB。 NOB例如亚硝酸盐氧化硝化杆菌和硝化螺物种在系统仍保持活跃。这些NOB等通过氧化 NO2--N成NO3--N，干扰CANON过程的化学计量式，使反应器无法获得NO2-盐，从而抑制厌氧氨氧化反应（第三等人，2001）。图2（a）展示出了在120-164天，NO3--N浓度从20mg·L-1提高到约100 mg·L-1，以及在启动阶段（1-164天）NO3--N的平均浓度是61 mg·L-1。这样高浓度的NO3--N反映在反应器中存在NOB。因此，在165天时通过缩短HRT和提高底物浓度可以进一步增加选择压力。我们通过将NLRs增加到100 g/m3/d，对反应器性能进行了进一步的研究。

图3 反应器出水pH和碱度随溶解氧的变化情况

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图4 以酸铵转化效率（η）表示的亚硝酸盐和硝酸盐的变化情况

3.1.2 SBR性能研究（165-234天）

在165天到234天期间，NLR从33 g/m3/d逐步增大到400 g/m3/d，出水NH4+-N浓度变成1600 mg·L-1，以减少NOB的活性和增加厌氧氨氧化活性。从165天起，水力停留时间从6天减少到4天，并在整个实验阶段保持不变。可以看到亚硝酸盐在反应器中逐渐积累（图2b）。但是，在此阶段亚硝酸盐的这个积累水平（约35 mg·L-1）并不能抑制厌氧氨氧化反应（Strous等人，1999）。在205天和234天期间η的值从50％逐渐减少到10％（图4），平均值为10％（接近理论值）。这一结果表明，由AOB产生的亚硝酸盐，主要是被厌氧氨氧化菌利用了。TN和NH4+-N的去除率分别提高到约90％和100％，并维持这些值4倍HRT以上的时间（图2b）。

3.1.3 DO、NO2-盐、NH4+和NO2-的抑制研究（235-373天）

在NLR为400 g/m3/d时，CANON工艺能够成功地处理含NH4+-N浓度为1600 mg·L-1的废水。然而，一旦进水NH4+-N浓度和曝气量分别提高到2400 mg·L-1（NLR 为600 g/m3/d）和0.6 L·min?1时，反应器性能急剧下降（图2c）。 高η值（>90％）表明由于反应器中NO2-盐（在166 mg·L-1浓度）、NH4+（FA，提高到146 mg·L-1水平）和NO2-（FNA，6.7μg·L-1）的积累，抑制了CANON反应（图2c和辅助文件的图S1）。高浓度的NO2-盐（超过100 mg·L-1）、FA（高于20 mg·L-1）和FNA（高于0.5μg·L-1）已被报告是厌氧氨氧化菌抑制剂（Strous等，1999;。费尔南德斯等人，2012）。Strous等（1999）发现，当NO2--N浓度增加到超过100 mgN·L-1，导致NO3--N在反应器中的水平增加，培养基中厌氧氨氧化过程中会完全受抑制。类似的结果在我们的研究中也可以观察到，因为从图2（c）看出，在235-246天SBR中NH4+-N和NO3--N的出水浓度增加。随着FNA和FA的抑制水平上涨（图S1），NLR负荷与厌氧氨氧化活性不足，通气量从0.4 L·min?1突增到0.6 L·min?1，这是亚硝酸盐含量增加的主要原因。在247天之后，停止对反应器进料和充气，直至NO2-盐水平降低至10 mg·L-1。NLR逐步降低至200 g/m3/d，曝气以0.5 L·min?1的速度引入到反应器中。然而，在253-262

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天期间，NH4+-N、NO2-和NO3-的出水浓度分别增至1000 mg·L-1、100 mg·L-1和40mg·L-1（图2c）。因此，在接下来的43天（HRT的10倍以上）NLR进一步下降（263天），并维持在100?125 g/m3/d。在这样的NLR水平下，该反应器的性能不能得到改善，但出水中FA和NO2-盐浓度分别小于20 mg·L-1和50 mg·L-1。在263-305天期间，无论是TN还是NH4+-N的去除率都在5-15％的范围内（图2（c））。这表明，高浓度的FA和FNA的存在下带来的高浓度NO2-盐（> 100 mg·L-1）已经不可逆地抑制了厌氧氨氧化活性。在235和305天期间，MLSS和MLVSS的平均浓度分别为3300 mg·L-1和1700 mg·L-1。为了恢复厌氧氨氧化活性，306天时，用新鲜种泥（31克）替换掉反应器中的一部分原污泥（16克）。在接下来的68天（HRT的17倍）内保持NLR为109 g/m3/d。可以再次观察到亚硝酸盐的积聚，其浓度达到92 mg·L-1，暂时对厌氧氨氧化过程中产生不利影响。在340-373天期间，反应器的性能得到恢复，达到约90％的TN去除率和100％的NH4+-N去除率（图2（c））。此外，η的值下降到11％，这表明在340-373天期间CANON反应在反应器中占优势。类似渗透阶段，通过向反应器中加入碱性物质，保持pH在7.0和8.0之间（图3）。

3.1.4高氮负荷率研究（375-487天）

在这个阶段中，NLR呈指数增长，从109 g/m3/d增加到909 g/m3/d（可能是NLR最大值）。当NLR为909 g/m3/d，进水NH4+-N浓度为3636 mgN·L-1，其表示在本研究中使用的是实际中光电工业废水的NH4+-N浓度。SBR能够在这个高NLR（909 g/m3/d）下成功地处理污水超过1.5个月（约11倍HRT）。 η的值总是接近11％（图4），表明在375-487期间，在反应器中CANON是主导反应。图 2（d）表示在此阶段的氮化合物的情况，表3表示出CANON工艺中的SBR在稳态状况下（454-487天）不同的参数的平均值。从中可以看出，在稳态条件下的平均脱氮效率非常高（TN和NH4+-N的去除率分别约为89％和98％以上）（图2（d）和表3）；NH4+-N和NO2--N平均出水浓度分别均小于90 mg·L-1和10 mg·L-1； 反应器中FA和FNA的平均浓度分别小于2 mg·L-1和1μgN·L-1；MLSS和MLVSS逐渐升高并分别稳定在9500 mg·L-1和6500 mg·L-1。最大脱氮率（NRR）在这个阶段是825 gN/m3/d。在文献中，许多作者已经报道了通过短程硝化-厌氧氨氧化过程产生的高NRR，但大多数都是利用合成废水或消解酒或使用两步过程进行研究（Cho等，2011;。乔斯等。 ，2009; Sliekers等，2002;。第三等人，2001年，2005年）。与此相反，本研究是将短程硝化加上厌氧氨氧化工艺应用在单个反应器中，从而成功治理富含高浓度氨的工业废水。

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表3 CANON工艺中的SBR在的稳态条件下（454-487天）的不同参数的平均值

3.2.温度对CANON工艺的影响

温度是微生物生长最重要的物理参数之一，其最佳值是指从一个物种变化到另一个物种的时候的温度。在这项研究中，我们对温度对CANON工艺的性能的影响进行了评价。在启动阶段为厌氧氨氧化菌的最适生长，反应器的温度保持在37℃；随后在95-199天期间，反应器温度降低，并维持在25℃；在第200-415 天，反应器在环境温度下运行，温度在17°C和36°C之间变化（图5）。但是，为了避免在冬季（低于17℃）反应器的温度进一步下降，这时在416天之后保持了适当的温度（25°C）。温度的变化对反应器性能没有显著影响，除了在235-340天期间，由于亚硝酸盐对厌氧氨氧化菌的抑制作用使反应器表现不佳。此结果与由Dosta等人（2008年）进行的研究一致。据他们的研究报道，厌氧氨氧化菌在18°C 和30°C之间能成功地成长；在温度超过45°C时由于细胞溶解而失去其活性；低于15℃，系统中的亚硝酸盐会积累。实现短程硝化即好氧氨氧化菌（AOB）增长的最适温度也被认为是在30℃和35℃之间（Gu等，2012）。并且，AOB也可以适当地在低温（11-16℃）和中温（20-25°C）范围内生长（Guo等，2009; Gu等，2012）。此外，表4概括了温度对SBR不同阶段的各种参数的影响。特定的厌氧氨氧化活性（SAA）是33.5℃（0.153g N g VSS?1 d?1），高于25°C（0.132g N g VSS?1 d?1）。然而，从表4和图2中可以看出，这并不影响该反应器的性能。在25℃时的NRRs比33.5°C的高，TN和NH4 +-N的去除率在两个温度下相似。本研究进一步证实，介于17℃和35之间的温度并不是影响厌氧氨氧化菌生长的关键因素。因为厌氧氨氧化菌可以在一个很宽的温度范围内很好地生长，并不影响反应器的性能。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/w6l3.html