鐵離子對厭氧氨氧化反應器性能的影響

鐵離子對厭氧氨氧化反應器性能的影響

1國內(nèi)厭氧氨氧化研究現(xiàn)狀厭氧氨氧化（anammox）是指在無產(chǎn)階級條件下，以氨為電子供應，以亞硝酸為電子受體的生物反應。這一反應最早發(fā)現(xiàn)于mulder等人（1995），并在三級生物處理系統(tǒng)中成功應用于廢水生物脫氮。strous等人（1997；1998）使用各種反應裝置，如固定床、流程圖和序列收獲處理，以研究厭氧氨氧化的性能。slav等人（2003）通過氣提升裝置獲得了總氮去除率為9.9kgm-3d-1（n）（v.2007）。近年來，我國對厭氧氨氧化進行了大量研究。左劍邪等（2003）采用培養(yǎng)生物膜塔裝置，將厭氧氨酸和清湖底泥作為種子，并成功啟動了厭氧氨酸。固定床反應裝置（2007）采用通氣生物膜反應裝置。厭氧氨酸的總氮去除率為0.77kgm-3d-1（以n計算）。金仁村等人（2008）報道的固定床反應裝置的厭氧氨酸總氮去除率為6.11kgm-3d-1（以n計算）。這是目前我國文獻報道的最高水平。然而，厭氧氨酸的生長緩慢（11天的最大生長期），啟動過程長，技術應用有限（strous等人，1998；冠岱爾al.，2007；kartanetal.，2004）。打破這一瓶頸的有效方法是改善器官結(jié)構，提高對污泥的保留能力。選擇接種土壤，提高初始菌的質(zhì)量。優(yōu)化營養(yǎng)環(huán)境條件，促進厭氧氨酸的生長（zhangetal.，2008）。鐵是微生物生長的必需元素之一,約占細胞干重的0.02%(Andrews,1998).作為許多含鐵蛋白(如血紅素、鐵硫蛋白和鐵鎳蛋白等)的成分,它幾乎參與了所有重要的代謝反應(Burgessetal.,1999).鐵多以氧化物形態(tài)存在,經(jīng)常成為微生物生長和代謝的限制因子.Zhu等(2007)發(fā)現(xiàn),在一定范圍內(nèi)增加Fe2+濃度可大幅度提高Rhodobactersphaeroides的產(chǎn)氫速率.而厭氧氨氧化菌富含血紅素,例如,每個羥氨氧還酶含有26個血紅素,每個聯(lián)氨氧化酶含有8個血紅素,每個細胞色素c-552含有1個血紅素;厭氧氨氧化體內(nèi)還存在含鐵元素顆粒(Schalketal.,2000;Shimamuraetal.,2007;Cirpusetal.,2005;vanNiftriketal.,2008).以上種種跡象表明,厭氧氨氧化菌對鐵的需求量較大.本文通過在試驗反應器中添加不同濃度的Fe2+,并比較試驗反應器與對照反應器氮去除負荷、鐵的轉(zhuǎn)化量和微生物形態(tài)等方面的不同,旨在研究鐵離子對厭氧氨氧化反應器性能的影響.2材料和方法表面活性劑2.1u3000e中.黑布包裹、固化裝置和反應器水等工藝合理試驗裝置和流程如圖1所示.試驗裝置為兩個有效容積100mL的上流式反應器,采用有機玻璃制作.內(nèi)部各裝有80mL以竹炭為載體的顆粒污泥,污泥粒徑(4.20±0.07)mm.裝置表面用黑布包裹,以防光線對混培物的負面影響.兩個反應器置于30℃恒溫室內(nèi)運行,進水pH控制在6.7～6.8,水力停留時間(HRT)設定為4.8h.一個反應器(R1)用作對照,控制Fe2+濃度為0.03mmol·L-1;另一個(R2)用于試驗,Fe2+濃度由0.03mmol·L-1逐漸增加至0.045、0.06和0.075mmol·L-1.通過提高基質(zhì)(氨和亞硝酸)濃度來增加反應器負荷,比較不同F(xiàn)e2+濃度對兩個反應器基質(zhì)轉(zhuǎn)化速率的影響.2.2微量元素的組成接種污泥來自于一個有效容積為9L的實驗室厭氧氨氧化裝置,該反應器已經(jīng)穩(wěn)定運行1a,具有較高的厭氧氨氧化活性(張蕾等,2008).試驗采用模擬廢水,其組成為:KH2PO410mg·L-1,CaCl2·2H2O5.6mg·L-1,MgSO4·7H2O300mg·L-1,KHCO31250mg·L-1,微量元素濃縮液和Fe2+-EDTA儲備液濃度為0.03mol·L-1(以Fe2+計),其組成見表1.兩個反應器中微量元素濃縮液均為1mL·L-1.對照(R1)反應器中Fe2+濃度為0.030mmol·L-1,R2反應器根據(jù)試驗要求,Fe2+濃度分別為0.045mmol·L-1、0.06mmol·L-1和0.075mmol·L-1.NH+4-N和NO-2-N用(NH4)2SO4和NaNO2提供,濃度按需配制.2.3樣品的制備和透射電鏡sem從反應器中取樣,置于2.5%戊二醛溶液中,4℃固定過夜.經(jīng)0.1mmol·L-1、pH7.0磷酸緩沖液漂洗后,再用1%鋨酸溶液固定1～2h,繼續(xù)用磷酸緩沖液漂洗.經(jīng)過梯度濃度(包括50%、70%、80%、90%、95%和100%6種濃度)的乙醇溶液脫水處理后用純丙酮處理20min.然后分別用體積比為1∶1和3∶1的包埋劑與丙酮的混合液處理樣品1h和3h,最后用包埋劑處理樣品過夜.將滲透處理的樣品包埋起來,70℃加熱過夜,即得到包埋好的樣品.樣品在Reichert超薄切片機中切片,獲得70～90nm的切片,用檸檬酸鉛溶液和醋酸雙氧鈾50%乙醇飽和溶液各染色15min,再用JEM-1230型透射電鏡(日本JEOL公司)觀察結(jié)果.2.4紫外分光光度法NH+4-N采用水楊酸-次氯酸鈉光度法;NO-2-N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法;NO-3-N采用紫外分光光度法;總鐵用鄰菲啰啉比色法,揮發(fā)性固體濃度(VS)用重量法.以上所有方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(國家環(huán)境保護總局,2005).所有圖表繪制和數(shù)據(jù)統(tǒng)計學分析均使用Origin7.5進行處理.3結(jié)果結(jié)果3.1s1反應器s1的基質(zhì)去除速率試驗裝置接種后,先適應性運行10d,再考察不同鐵離子濃度對反應器脫氮性能的影響(見圖2和圖3).根據(jù)所投加的鐵離子濃度(0.045、0.06和0.075mmol·L-1),可將R2反應器的運行過程分為3個階段.在每個階段,通過逐漸提高基質(zhì)濃度(NH+4-N和NO-2-N)來增加反應器負荷.對照(R1)反應器的進水Fe2+濃度維持0.03mmol·L-1,與提供接種污泥的厭氧氨氧化裝置相同.從圖2和圖3可以看出,進水Fe2+濃度為0.045mmol·L-1時,R2反應器的NH+4-N和NO-2-N去除速率與對照沒有顯著差異;進水Fe2+濃度升高到0.06mmol·L-1和0.075mmol·L-1后,R2反應器的基質(zhì)去除速率顯著高于對照(表2).總體來看,NH+4-N和NO-2-N去除速率隨Fe2+濃度的提高而增加,但值得注意的是,當Fe2+濃度從0.045mmol·L-1提升為0.06mmol·L-1時,R2反應器對兩種基質(zhì)的去除速率增加較小;而當Fe2+濃度從0.06mmol·L-1提升為0.075mmol·L-1時,R2反應器對兩種基質(zhì)的去除速率增加顯著(表2).NH+4-N和NO-2-N是厭氧氨氧化菌的基質(zhì),但過量時也會成為抑制劑,其中,NO-2-N的抑制作用強于NH+4-N.研究報道,若亞硝酸濃度高于98mg·L-1,厭氧氨氧化活性可被完全抑制(Strousetal.,1999).在本研究第一和第二階段末期,對照反應器的出水NO-2-N濃度分別為68.61mg·L-1和77.39mg·L-1;R2反應器出水NO-2-N濃度分別為25.83mg·L-1和64.47mg·L-1.兩個反應器對基質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率都顯著下降.提高Fe2+濃度后,R2反應器的效能迅速恢復,特別是在Fe2+濃度為0.075mmol·L-1時,74d內(nèi)R2反應器的容積總氮去除負荷達到2.53kg·m-3·d-1,為對照反應器的2倍多.在厭氧氨氧化反應中,消耗的NO-2-N與NH+4-N理論計量值之比為1.32(Strousetal.,1998).如圖4所示,在R2反應器中,當Fe2+濃度為0.045、0.06和0.075mmol·L-1時,NO-2-N/NH+4-N的平均值分別為1.14±0.23、1.02±0.18和1.15±0.25.單邊t檢驗表明,R2反應器的NO-2-N/NH+4-N顯著低于1.32(p<0.05).添加Fe2+之后,反應消耗的氨氮多于理論計量值;同樣根據(jù)單邊t檢驗,對照反應器的NO-2-N/NH+4-N之比為1.15±0.34,亦偏離1.32.兩個反應器的NO-2-N/NH+4-N比值小于理論計量值的原因有待進一步研究.3.2fe2+對厭氧氨氧化菌生長的影響在厭氧氨氧化過程中,亞硝酸被氧化成硝酸,所產(chǎn)生的能量被用于CO2還原,合成細胞物質(zhì)(vandeGraafetal.,1997;Strousetal.,2006).因此,硝酸產(chǎn)生量可以用來表示厭氧氨氧化菌的增長量(Strousetal.,1998).圖5為在Fe2+濃度為0.075mmol·L-1的條件下,NO-3-N產(chǎn)生量隨培養(yǎng)時間的變化情況.由圖5可見,隨著培養(yǎng)時間的延長,NO-3-N產(chǎn)生量逐漸增加,R2反應器的NO-3-N產(chǎn)生量一直高于對照(R1)反應器,為對照的1.36倍,兩者差異顯著(p<0.05).此外,運行結(jié)束后測定兩個反應器中污泥的VS.R2反應器1g載體污泥的VS為(97.02±31.15)mg,對照反應器1g載體污泥的VS為(45.02±17.14)mg.可見,Fe2+能夠促進厭氧氨氧化菌混培物的生長.3.3鐵離子濃度的變化在添加0.075mmol·L-1Fe2+的條件下(131～205d),考察了R2反應器進出水鐵離子濃度的變化(圖6).由于Fe2+容易被氧化成Fe3+,因此,以總鐵量表征鐵離子濃度.由圖6可以看出,雖然R2反應器出水總鐵濃度高于對照,但R2反應器對總鐵的轉(zhuǎn)化速度大于對照,前者約為后者的4.5倍.這一結(jié)果表明,提高鐵離子濃度后,厭氧氨氧化菌混培物對總鐵的轉(zhuǎn)化速度和轉(zhuǎn)化率均得到提高(見表3).3.4s1反應器和s1反應器的細菌細胞的生長特性經(jīng)過205d連續(xù)培養(yǎng),對照和R2反應器中厭氧氨氧化菌混培物的電鏡照片如圖7所示.從圖7可以看出,對照反應器中的細菌形態(tài)與接種污泥無顯著差別,而R2反應器中的細菌形態(tài)則與接種污泥有較大差別(Zhangetal.,2008).兩者之間的主要差別有:①R2反應器的細菌細胞表面增厚,密度變大;②R2反應器的細菌細胞內(nèi)部顏色較淺,物質(zhì)密度變低;③R2反應器的細菌細胞內(nèi)部產(chǎn)生灰色區(qū)域,深色區(qū)域占整個細胞的比例變小.據(jù)文獻報道,厭氧氨氧化菌細胞從里及外可分為3個部分:厭氧氨氧化體(anammoxsome)、核糖細胞質(zhì)(riboplasm)和外室細胞質(zhì)(paryphoplasm)(Lindsayetal.,2001).在對照反應器的混培物中,內(nèi)部深色區(qū)域(D)占據(jù)細胞的大部分空間,為厭氧氨氧化體(Schmidetal.,2003).在R2反應器的混培物中,細胞形態(tài)不同于對照反應器,細胞內(nèi)部出現(xiàn)灰色區(qū)域,迄今未見相關報道.4鐵離子濃度對微生物活性的影響鐵的重要功能之一是參與血紅素組成.在“Bradyrhizobiumjaponicum”中,亞鐵螯合酶催化Fe2+與卟啉結(jié)合,并受鐵應答調(diào)節(jié)蛋白Irr控制.當環(huán)境中鐵含量較高時,Irr蛋白與亞鐵螯合酶結(jié)合,促進血紅素合成;而當環(huán)境中鐵量較低時,Irr蛋白與亞鐵螯合酶解離,血紅素合成停止(Andrewsetal.,2003).厭氧氨氧化菌富含血紅素,后者是能量代謝和細胞合成中的重要電子載體(Strousetal.,2006).若厭氧氨氧化菌中血紅素合成的調(diào)控機制類似于B.japonicum,則添加鐵可促進血紅素合成,加快電子傳遞,刺激細胞生長和代謝.相關研究報道,2～10mg·L-1的Fe2+對內(nèi)循環(huán)厭氧反應器的顆粒污泥活性有明顯促進作用(盧菊儀等,2007).Zhu等(2007)則證明,鐵離子濃度不足時,光合產(chǎn)氫菌Rhodobactersphaeroides的活性受到限制,鐵離子濃度為3.2mg·L-1時,其產(chǎn)氫量升至最大值.Wei等(2006)用Fe3+充足和缺乏的培養(yǎng)基分別培養(yǎng)氨氧化細菌Nitrosomonaseuropaea,結(jié)果發(fā)現(xiàn),在Fe3+充足的培養(yǎng)基中細菌量較大,為Fe3+缺乏培養(yǎng)基中細菌量的1.6～3.3倍,而前者的血紅素c含量也遠遠高于后者.環(huán)境中缺鐵會誘導細菌產(chǎn)生鐵蛋白.培養(yǎng)基鐵離子濃度為2.3mg·L-1時,只有不到一半鐵(1.15mg·L-1)被利用(vanNiftriketal.,2008).在厭氧氨氧化菌“CandidatusBroca