羥氨強(qiáng)化硫自養(yǎng)反硝化與厭氧氨氧化協(xié)同脫氮效果

摘要：針對(duì)硫化物基質(zhì)對(duì)硫自養(yǎng)反硝化與厭氧氨氧化協(xié)同脫氮體系的抑制問題，采用UASB反應(yīng)器，通過逐漸增加進(jìn)水羥胺質(zhì)量濃度實(shí)現(xiàn)耦合體系高效脫氮。結(jié)果表明：在水力停留時(shí)間（tHRT）為4 h，進(jìn)水NH+4-N和NO-3-N質(zhì)量濃度分別為60和125 mg/L條件下，實(shí)現(xiàn)總氮去除負(fù)荷達(dá)1.05 kg/（m3·d），其中厭氧氨氧化貢獻(xiàn)率達(dá)76%～95%，是未投加羥胺時(shí)的1.55倍；羥胺的投加能夠促進(jìn)耦合系統(tǒng)污泥heme c合成和EPS（胞外聚合物）的分泌，NH2OH與S2-質(zhì)量比超過0.024時(shí)有助于提高SAA（最大比厭氧氨氧化活性）值；厭氧氨氧化菌Candidatus_Kuenenia豐度和活性在羥胺存在時(shí)明顯提高，從而與硫自養(yǎng)反硝化菌Thiobacillus、Thiothrix、Sulfurimonas、Sulfurovum和Sulfuritalea協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)高效脫氮。

關(guān)鍵詞：羥胺; 硫自養(yǎng)反硝化； 厭氧氨氧化； 脫氮； 群落結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：X 703"" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引用格式：張雨彤，郭進(jìn)周，楊永霞，等.羥氨強(qiáng)化硫自養(yǎng)反硝化與厭氧氨氧化協(xié)同脫氮效果［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，48（5）：218-224.

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Synergistic denitrification effect of hydroxylamine enhanced sulfur

autotrophic denitrification and anaerobic ammonia oxidation

ZHANG Yutong1，2，3， GUO Jinzhou1， YANG Yongxia1， SI Shaoxiong1，

REN Zhaoyan1， LIU Lijia3， SUN Zhichao3， LIU Chunshuang3， LIU Fang3

（1.Research Institute of Experiment and Detection， Xinjiang Oilfield Company， Karamay 834000， China;

2.Oil and Gas Field Environmental Protection and Energy Conservation Engineering Research Center of Xinjiang Uygur Autonomous Region， Karamay 834000， China；

3.College of Chemical Engineering in China University of Petroleum（East China）， Qingdao 266580， China）

Abstract： In view of the inhibitory effect of sulfide substrate on the performance of the coupling autotrophic sulfur denitrification and anammox system， hydroxylamine was added gradually into the system to achieve efficient nitrogen removal using UASB reactor. The results show that the total nitrogen removal load reaches as high as 1.05 kg/（m3·d） at HRT of 4 h with the influent NH+4-N and NO-3-N concentration of 60 mg/L and 125 mg/L， respectively. The contribution of anammox for TN removal is among 76%～95%，which is 1.55 times that without NH2OH. The addition of hydroxylamine promotes heme c production and EPS secretion， and the ratio of NH2OH to S2- higher than 0.024 is helpful to the enhancement of SAA. The abundance and activity of Candidatus_ Kuenenia is significantly increased in the presence of hydroxylamine， so as to achieve efficient nitrogen removal by cooperating with sulfur autotrophic denitrification bacteria Thiobacillus， Thiothrix， Sulfurimonas， Sulfurovum and Sulfuritalea.

Keywords：hydroxylammonia; autotrophic sulfur denitrification; anammox; nitrogen removal; microbial community

石油、化工、制藥等行業(yè)排放的廢水中含有大量的硫化物、硫酸鹽和氨氮［1-4］。常規(guī)含硫含氮廢水大都采用分別處理的方式，即采用硫酸鹽還原、硫化物氧化去除廢水中含硫化合物，采用硝化、反硝化去除廢水中的氨氮，雖能滿足排放要求，但卻存在工藝流程長、運(yùn)行操作復(fù)雜、有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生二次污染等問題［5-6］。硫自養(yǎng)反硝化與厭氧氨氧化耦合工藝，能夠在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)S2-、NO-3、NH+4同步去除，具有能耗低、操作簡單、運(yùn)行成本低、效果好等優(yōu)點(diǎn)［7-8］，結(jié)合硫酸鹽還原和硝化預(yù)處理單元，有望實(shí)現(xiàn)含硫含氮廢水低成本處理，在廢水處理領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。然而在脫氮過程中硫化物會(huì)對(duì)厭氧氨氧化產(chǎn)生抑制，系統(tǒng)去除NO-3與NH+4嚴(yán)重失衡 ［9-10］。低濃度羥胺能夠促進(jìn)厭氧氨氧化菌活性，羥胺的投加能夠促進(jìn)異養(yǎng)反硝化工藝亞硝的累積。筆者采用羥胺強(qiáng)化硫自養(yǎng)反硝化與厭氧氨氧化脫氮，研究羥胺的強(qiáng)化效果，探究最大比厭氧氨氧化活性（SAA）、heme c和污泥EPS（胞外聚合物）含量變化、微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

采用上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB）［14］，反應(yīng)器有效容積2.25 L，由反應(yīng)區(qū)和三相分離區(qū)構(gòu)成。反應(yīng)區(qū)位于底部，占總體積的65%，三相分離區(qū)位于頂部，實(shí)現(xiàn)污泥、污水、氣體分離。反應(yīng)器由底部進(jìn)水，出水部分回流后，經(jīng)三角堰排出。反應(yīng)器溫度控制在30 ±1 ℃，上升流速控制在1.2 m/s。反應(yīng)器外部用黑色不透光材料包裹，避免光對(duì)厭氧氨氧化菌產(chǎn)生抑制作用。

1.2 接種污泥與試驗(yàn)用水

接種污泥為實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的厭氧氨氧化顆粒污泥和硫自養(yǎng)反硝化絮狀污泥，二者按質(zhì)量比為1∶1混合，混合后懸浮污泥和揮發(fā)性污泥質(zhì)量濃度分別為24.12和14.34 g/L。試驗(yàn)用水為人工模擬配水，以Na2S、KNO3、NH4Cl配制，此外按照1 mL/L投加微量元素儲(chǔ)備液［11］。進(jìn)水pH控制在約7.2。

1.3 反應(yīng)器運(yùn)行條件

反應(yīng)器連續(xù)進(jìn)水，水力停留時(shí)間（tHRT）為4 h，通過固定進(jìn)水中NO-3-N、NH+4-N質(zhì)量濃度保持在125和60 mg/L不變，進(jìn)水S2-質(zhì)量濃度為125～250 mg/L，通過投加3～7 mg/L羥胺考察羥胺強(qiáng)化硫自養(yǎng)反硝化與厭氧氨氧化氨氧化耦合工藝脫氮效果。反應(yīng)器共運(yùn)行122 d，運(yùn)行參數(shù)見表1。

1.4 分析方法

水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后，采用離子色譜法測定進(jìn)出水中的NO-2-N、NO-3-N、SO2-4［12］。S2-采用亞甲基藍(lán)比色法進(jìn)行測定［13-14］。單質(zhì)硫生成量依據(jù)硫平衡進(jìn)行推算［15］。NH+4-N測定采用水楊酸-次氯酸鹽光度法［12］。污泥SAA的測量方法與Yang等［16］等描述的方法一致。根據(jù)Tang等［17］所述的方法測定heme c 的含量。EPS采用熱提取方法，多糖的測定使用葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)的蒽酮方法進(jìn)行，蛋白質(zhì)水平使用改進(jìn)的Lowry方法和牛血清白蛋白作為標(biāo)準(zhǔn)來測定［18］。在反應(yīng)器各運(yùn)行階段，分別取反應(yīng)器污泥進(jìn)行高通量測序，分析微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性特征［16］。

2 結(jié)果分析

2.1 硫自養(yǎng)反硝化與厭氧氨氧化耦合工藝脫氮效果

反應(yīng)器運(yùn)行結(jié)果如圖1所示。在整個(gè)試驗(yàn)過程中耦合工藝氨氮去除效果受進(jìn)水硫化物濃度影響較為明顯。在階段Ⅰ時(shí)，氨氮去除率僅為30%。進(jìn)入階段Ⅱ，隨著3 mg/L羥胺的投加以及進(jìn)水S2-質(zhì)量濃度降低到125 mg/L，氨氮去除率增加到65%。

第Ⅲ階段前期（階段Ⅲa）S2-質(zhì)量濃度進(jìn)一步增加到150 mg/L，氨氮去除率進(jìn)一步降低到43%，第Ⅲ階段后期（階段Ⅲb）羥胺增加到4 mg/L，氨氮去除率隨之增加到70%，說明羥胺的投加能夠促進(jìn)耦合工藝厭氧氨氧化作用，而且羥胺投加量需要與進(jìn)水硫化物成正比，比值高于0.024促進(jìn)效果明顯。在第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ階段前期（階段Ⅳa、Ⅴa、Ⅵa），每次隨著進(jìn)水S2-質(zhì)量濃度的增加，氨氮去除率都會(huì)有所下降。到Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ階段后期（階段Ⅳb、Ⅴb、Ⅵb），隨著羥胺質(zhì)量濃度的增加，氨氮去除率均能夠明顯增加。最終，進(jìn)水硫化物達(dá)到250 mg/L，羥胺投加量增加到7 mg/L，羥胺與氨氮的比值達(dá)到0.028時(shí)，耦合工藝氨氮去除率穩(wěn)定在約90%，明顯高于未投加羥胺的30%（階段Ⅰ）。

總氮去除呈現(xiàn)出與氨氮去除相類似的規(guī)律。在階段Ⅰ和階段Ⅱ總氮去除率穩(wěn)定在約72%。在階段第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ前期總氮去除率稍有下降，分別為69%、78%、87%和82%，之后隨著進(jìn)水羥胺質(zhì)量濃度的增加，總氮去除率增加到76%、92%、94%和95%。說明羥胺的投加有助于促進(jìn)硫自養(yǎng)反硝化與厭氧氨氧化耦合工藝的脫氮效果。最終總氮去除負(fù)荷高達(dá)1.05 kg/（m3·d）。厭氧氨氧化對(duì)于耦合工藝脫氮貢獻(xiàn)在第Ⅰ階段為30%，第Ⅱ階段增加到60%。在第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ階段前期（階段Ⅳa、Ⅴa、Ⅵa）貢獻(xiàn)率分別為40%、42%、48%和40%。隨著羥胺質(zhì)量濃度的增加，到了Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ階段后期（階段Ⅳb、Ⅴb、Ⅵb）厭氧氨氧化總氮貢獻(xiàn)率分別為60%、65%、63%和62%，說明羥胺的投加明顯提高了厭氧氨氧化對(duì)耦合工藝總氮去除貢獻(xiàn)率，這為耦合工藝的規(guī)?；瘧?yīng)用提供了良好的工藝調(diào)控方法。

硝酸鹽去除率在第Ⅰ階段進(jìn)水S2-質(zhì)量濃度約為250 mg/L時(shí)達(dá)到100%。第Ⅱ階段隨著進(jìn)水S2-質(zhì)量濃度降低至125 mg/L，硝酸鹽去除率也隨之降到約80%。第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和 Ⅵ階段，隨著進(jìn)水S2-質(zhì)量濃度由125 mg/L逐漸增加到180、215、250 mg/L過程中，硝酸鹽去除率由80%逐漸增加到94%、100%和100%。整體上硝酸鹽去除率較好。此外硫化物去除率在整個(gè)試驗(yàn)過程中均穩(wěn)定在約100%，去除的硫化物主要轉(zhuǎn)化為硫酸鹽。單質(zhì)硫累積率在階段Ⅰ中為28%。進(jìn)入階段Ⅱ，硫化物由250 mg/L降低到125 mg/L，單質(zhì)硫幾乎不累積。之后隨著進(jìn)水硫化物質(zhì)量濃度由125 mg/L逐漸增加到250 mg/L，單質(zhì)硫累積率緩慢增加，最后穩(wěn)定在約22%。

2.2 SAA、heme c和污泥EPS含量

試驗(yàn)過程中耦合工藝內(nèi)厭氧氨氧化的活性SAA隨著羥胺質(zhì)量濃度的增加而顯著增強(qiáng)（圖2）。階段Ⅰ（第9天）污泥 SAA僅為153 mgTN/（gVSS·d）。隨著3 mg/L羥胺的投加以及進(jìn)水S2-質(zhì)量濃度的降低，厭氧氨氧化活性提高到205 mgTN/（gVSS·d）（階段Ⅱ，第24 d）。但進(jìn)入階段Ⅲa，硫化物質(zhì)量濃度由125 mg/L增加到150 mg/L，羥胺與硫化物比值下降到0.020，SAA進(jìn)一步降低到164 mgTN/（gVSS·d）（第36 d）。階段Ⅲb羥胺質(zhì)量濃度的提高，羥胺與硫化物的比值增加到0.027，SAA得以恢復(fù)并增加到193 mgTN/（gVSS·d）（第49 d）。之后，在階段Ⅳ、階段Ⅴ和階段Ⅵ都呈現(xiàn)出類似的規(guī)律（第87、111和122 d）。說明羥胺與硫化物的比值高于0.024有助于SAA的提升。

heme c是厭氧氨氧化菌不可或缺的輔助因子。heme c含量可能與厭氧氨氧化菌胭脂紅密切相關(guān)，并且具有促進(jìn)電子傳遞的作用［17］。試驗(yàn)過程中細(xì)胞色素c含量的變化見圖3（a）。階段Ⅰ heme c含量為0.071 μmol/mgVSS，進(jìn)入階段Ⅱ耦合體系進(jìn)水S2-質(zhì)量濃度減半后，heme c含量明顯上升至0.119 μmol/mgVSS，這與脫氮效果明顯增強(qiáng)相一致，厭氧氨氧化菌活性在系統(tǒng)的脫氮中發(fā)揮了重要作用。此后階段Ⅲ至階段Ⅵ，當(dāng)S2-質(zhì)量濃度分別增加至150（第36 d）、180（第63 d）、215（第87 d）、250 mg/L（第111 d）時(shí)，heme c含量有所下降，分別為0.088、0.082、0.065、0.067 μmol/mgVSS，之后NH2OH質(zhì)量濃度隨之增加為4（第49 d）、5（第77 d）、6（第102 d）、7 mg/L（第122 d）時(shí)，heme c含量有所提升，分別為0.107、0.094、0.074、0.078 μmol/mgVSS。說明盡管耦合體系S2-基質(zhì)質(zhì)量濃度的增加會(huì)使heme c含量有所下降，但NH2OH質(zhì)量濃度的增加會(huì)促進(jìn)heme c含量的回升，表明在NH2OH作用下厭氧氨氧化菌能夠抵御S2-的毒性抑制。

EPS是由各種微生物釋放的一種類型的有機(jī)高分子，包括蛋白質(zhì)、碳水化合物、核酸和腐殖酸。EPS的存在有助于多種微生物在不同環(huán)境下的存活［19］。試驗(yàn)過程中污泥EPS含量變化如圖3（b）所示。階段Ⅰ 中EPS含量90.9 mg/gVSS（第9 d），到第Ⅱ階段隨著進(jìn)水羥胺質(zhì)量濃度的增加EPS含量迅速增加到198.1 mg/gVSS（第24 d），表明厭氧氨氧化對(duì)羥胺較敏感，分泌更多的EPS促進(jìn)系統(tǒng)效能的提升。隨著硫化物質(zhì)量濃度由125 mg/L增加到第Ⅲa階段的150 mg/L， EPS含量由198.1下降為147.7 mg/gVSS（第36 d），此后羥胺質(zhì)量濃度的增加（Ⅲb階段）進(jìn)一步使EPS含量增加到179.2 mg/gVSS（第49 d）。階段Ⅳ和階段Ⅴ均呈現(xiàn)類似的規(guī)律，表明盡管隨著耦合系統(tǒng)內(nèi)硫化物濃度的增加，EPS含量呈降低趨勢，但相同硫化物質(zhì)量濃度條件下羥胺能夠促進(jìn)厭氧氨氧化菌分泌更多EPS，降低進(jìn)水基質(zhì)對(duì)酶的抑制，從而提升耦合系統(tǒng)的脫氮性能。EPS中PN/PS比在前3個(gè)階段呈上升趨勢，由8.2增加到12.3；當(dāng)硫化物質(zhì)量濃度達(dá)到215 mg/L（階段Ⅳ）時(shí)稍有下降，此時(shí)PN/PS為約4.3，但到第Ⅴ階段PN/PS又回升到9.2。研究發(fā)現(xiàn)PN與厭氧氨氧化功能密切相關(guān)，PN/PS增加表明耦合體系厭氧氨氧化活性趨于穩(wěn)定。

2.3 微生物群落結(jié)構(gòu)特征

在反應(yīng)器運(yùn)行各階段末期取泥進(jìn)行高通量測序分析污泥微生物的群落組成和多樣性，結(jié)果如圖4。門水平上主要的功能微生物有Proteobacteria、Chloroflexi、Campilobacterota、Bacteroidota、Patescibacteria、Frimicutes、Planctomycetota、Acidobacteriota、Desulfobacterota、WPS-2、Myxococcota、Sumerlaeota等。其中Proteobacteria和Chloroflexi在污樣品中占絕對(duì)優(yōu)勢，這兩種微生物為厭氧氨氧化污泥中常見菌。Chloroflexi能夠與厭氧氨氧化菌之間形成代謝互養(yǎng)關(guān)系，為厭氧氨氧氨氧化菌提供生長代謝必須葉酸、蝶蛉型鉬輔酶因子等物質(zhì)［22，23］。Planctomycetota是厭氧氨氧化菌所屬菌門，其相對(duì)豐度在S2-質(zhì)量濃度低于215 mg/L時(shí)，受S2-質(zhì)量濃度影響不是很大，但會(huì)隨著羥胺質(zhì)量濃度的增加而增加，說明此時(shí)羥胺的投加能夠促進(jìn)Planctomycetota生長。當(dāng)S2-質(zhì)量濃度高于215 mg/L時(shí)，Planctomycetota相對(duì)豐度會(huì)明顯降低，說明此時(shí)S2-能夠抑制Planctomycetota生長，但結(jié)合耦合工藝脫氮效果，說明此時(shí)羥胺質(zhì)量濃度的增加能夠促進(jìn)Planctomycetota菌的厭氧氨氧化活性。

耦合反應(yīng)器污泥中屬水平微生物見圖5。主要的硫自養(yǎng)微生物有Thiobacillus、Thiothrix、Sulfurimonas、Sulfurovum和Sulfuritalea［24-25］。其相對(duì)豐度和為4.13% （階段Ⅰ）、24.30%（階段Ⅱ）、21.78%（階段Ⅲa）、20.59%（階段Ⅲb）、17.29%（階段Ⅳa）、20.26%（階段Ⅳb）、39.80%（階段Ⅴa）、40.47%（階段Ⅴb）、28.03%（階段Ⅵa）和29.01%（階段Ⅵb）。

主要的厭氧氨氧化菌為Candidatus_Kuenenia其相對(duì)豐度變化在第Ⅰ階段至第Ⅳ階段隨著羥胺質(zhì)量濃度的增加而明顯增加，分別為0.06%（階段Ⅰ）、0.61%（階段Ⅱ）、1.48%（階段Ⅲa）、2.86%（階段Ⅲb）、3.63%（階段Ⅳa）、3.90%（階段Ⅳb），在S2-高于200 mg/L的第Ⅴ和Ⅵ階段，Candidatus_Kuenenia相對(duì)豐度雖然有所下降，但仍保持在1.12%～1.36%以上，明顯高于為投加羥胺的第Ⅰ階段。試驗(yàn)結(jié)果表明硫自養(yǎng)反硝化菌與厭氧氨氧化菌的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)耦合工藝脫氮效果，而羥胺的投加能夠緩解基質(zhì)S2-的抑制作用，從而促進(jìn)耦合工藝高效脫氮。

3 結(jié) 論

（a） 采用UASB反應(yīng)器通過投加羥胺成功實(shí)現(xiàn)硫自養(yǎng)反硝化與厭氧氨氧化協(xié)同高效脫氮，總氮去除負(fù)荷達(dá)1.05 kg/（m3·d），厭氧氨氧化的總氮貢獻(xiàn)率高達(dá)，是未投加羥胺時(shí)的1.55倍。

（b） 65%羥胺的投加能夠促進(jìn)污泥heme c合成和EPS的分泌，進(jìn)而提高耦合污泥抵御硫化物的毒性抑制能力。提高NH2OH與S2-質(zhì)量比有助于耦合系統(tǒng)SAA活性增強(qiáng)，二者比值高于0.024有助于系統(tǒng)脫氮效能。

（c） 羥胺的投加促進(jìn)了耦合系統(tǒng)內(nèi)厭氧氨氧化菌Candidatus_Kuenenia豐度和活性的提升，從而與硫自養(yǎng)反硝化菌Thiobacillus、Thiothrix、Sulfurimonas、Sulfurovum和Sulfuritalea協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)高效脫氮。

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（編輯 劉為清）