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低温下厌氧氨氧化工艺中pH控制的意义

摘 要

厌氧氨氧化是废水生物脱氮的有效工艺，相对较高的最佳温度限制这种技术的普遍使用。对厌氧氨氧化工艺的温度和pH影响进行了广泛的研究，但是在低温厌氧氨氧化工艺中pH值控制的重要性被忽略了。此外，到目前为止，这两个参数分别进行了分析，没有考虑复合效应。使用统计学方法深入研究pH和低温对厌氧氨氧化活性的影响。最佳pH范围是7.0-7.5，但结果表明在pH和温度之间没有明显的相互作用。然而，观察到最佳pH范围随着温度降低而变窄，这意味着通过校正和适当控制pH可以提高厌氧氨氧化工艺在低温下的效率。

关键词 厌氧氨化；氮；pH值；统计分析；温度

引言

厌氧氨氧化是将富含有机碳的富氮废水进行生物脱氮的创新工艺。在厌氧氨氧化工艺中，氨氮通过将疣微菌门型细菌厌氧氧化成分子氮，亚硝酸盐用作电子受体。与传统的生物工艺（硝化和脱氮）相比，厌氧氨氧化不需要氧气和有机碳。 因此，部分亚硝化 - 厌氧氨氧化可以减少氧气需求（减少约60％），并降低对外部有机碳源的需求（Lackner et al., 2014;Maet al., 2016），结合较小的剩余污泥产量（减少92％）（(Ma et al., 2016)厌氧氨氧化有助于显着减少成本高达90％（(Jetten et al., 2001）。此外，厌氧氨氧化菌具有较高的去除能力，反应中产生较少量的剩余污泥量并且排放较少量的温室气体（包括CO₂和N₂O），因此需要较小的生物反应器容积（(Nozhevnikova et al., 2012; Ma et al., 2016）。尽管厌氧氨氧化已经用于部分污水处理厂，但由于生物质对条件变化的高度敏感性，例如pH，温度或底物浓度的高生物量敏感性，该方法的广泛应用仍然困难重重（(Jin et al., 2012）。物理化学因素造成损害后的生物再生是耗时的，因为厌氧氨氧化细菌加倍时间长（7-11天）（(Kartal et al., 2012）。这意味着获得更多有关影响因素的知识对于稳定过程性能至关重要。

温度和pH值是微生物生长和活动的关键参数。据报道用于废水处理的大多数厌氧氨氧化细菌的最佳温度在30至40℃（(Strous et al., 1999; Egli et al., 2001;Jin et al., 2012）。因此，厌氧氨氧化工艺通常用于处理消化污泥脱水后的废水，但是，厌氧氨氧化的最佳温度远远高于城市污水的平均温度，这就是废水处理厂主要流程中常见的问题之一，而不是硝化和反硝化的结合。因此，在最佳温度以下实施有效的厌氧氨氧化反应似乎是最具挑战性但也是最赚钱的过程。据报道用于废水处理的厌氧氨氧化细菌的生长和活性的最佳pH在7.2-7.6（Puyol et al., 2014b; Carvajal-Arroyo et al., 2014; Lu et al., 2017），但活性也在更宽的范围内观察到，即从6.5至9.3（Egli et al., 2001; Tang et al.,2010; Jin et al., 2012）。除了直接影响之外，温度和pH值都会影响游离氨（FA）和游离亚硝酸（FNA）的浓度，据报道它们是厌氧氨氧化抑制剂（(Fernandez et al., 2012）。基于中央组合设计（CCD），据Daverey et al.,（2015）报道，根据统计上显示温度（在21.9-43.1℃）和pH（5.38-9.62范围内）之间的相互影响。他们还认为低温的负面影响可以通过更高的pH值来补偿，但是这个有趣的结论是在相同温度（15℃）下，两个实验组（超过CCD设计）pH分别为6.5和7.5的条件下得出的。温度和pH对厌氧氨氧化细菌的影响近年来得到了广泛的研究，但是这两个参数的同时影响，特别是在低温下，目前尚不清楚，迄今尚未研究。

统计方法是寻找工艺参数的最优值以及它们之间相互影响的强大工具。这些方法被广泛用于生物工艺优化，也成功地被应用在环境领域环境科学（Daverey et al., 2015）。中心组合设计，采用响应曲面法（RSM）来获得独立，同时在寻找影响厌氧氨氧化活性的温度和pH值的数学关系，然后可以用二次多项式方程表达出（StatSoft,2013）。所示的图形表示CCD(补充图1),它由9 kfrac14;2因素分析实验装配。中心点和K²阶乘点为一阶回归系数要求，而2·k轴点允许估计二阶模型。阶乘的距离和轴向点中心的一点是相同的,是frac14;radic;k,使一个球形,可旋转设计。

这项工作的主要目的是深入研究温度和pH值对厌氧氨氧化工艺的影响。研究了pH和温度的个体影响以及它们对厌氧氨氧化细菌活性的相互作用。

2 材料和方法

2.1 厌氧氨氧化生物质

厌氧氨氧化在所有的实验中所使用的生物质来自实验室规模的序批式反应器（SBR），并由Candidatus Jettenia属的厌氧氨氧化菌主导（这是评价基于宏基因组分析未显示的数据）。反应器的操作环境是在温度31.6plusmn;0.9℃和pH7.8plusmn;0.3下，并辅以无机介质中总氮负荷率为0.408plusmn;0.086gNL^-1d^-1。矿物介质组成改编（Van de Graaf et al., 1996）:0.725gNH₄Cl·L^-1,1.268g NaNO₂·L^-1,0.048gKHCO₃2·L^-1,0.041gKH₂PO₄·L^-1,0.228gMgSO₄·7H2O·L^-1,0.007gFeSO₄·7H₂O·L^-1,0.004gEDTA·L^-1.进行批量测试，在1L批次厌氧反应器中制备具有培养基的生物质样品，并在恒温箱（POL-EKO-APARATURA）中放置20小时以除去所有铵和亚硝酸盐氮并达到所需温度。

2.2 批量测试

向批量反应器中加入磷酸盐缓冲液（最终浓度为0.14g KH₂PO4·L^-1和0.75g K₂HPO₄·L^-1），通过使用10％HCl或10％NaOH，并且使用pH计（WTW pH 330i）将pH调节至目标值。用二氮气吹扫样品以除去任何溶解的氧，一式两份进行测试;在1L体积中，在150rpm混合下，平均生物质浓度为1.0plusmn;0.2g VSS·L^-1并具有相等的初始浓度的厌氧氨氧化底物，即铵和亚硝酸盐氮（30mgN·L-1），以NH₄Cl和NaNO₂的形式存在。在测试过程中定期收集，并且批量测试反应器中的样品（1.5-3h，取决于反应速率），在4℃下过滤并储存0.5-3.5h以获得N-NH₄，N-NO₂和N-NO₃浓度进行测量。用光度计（MERCK Spectroquantreg;NOVA60）通过快速光度测试（MERCK Millipore）方法来测定铵，亚硝酸盐和硝酸盐氮的浓度。根据去除底物的线性范围中无机氮的减少来计算特定的厌氧氨氧化活性（SAA），并表示为gN gVSS^-1· d^-1。

2.3 实验装置

对温度的影响进行实验：pH值恒定为7.5，在温度10,15,20,25,30,35和40℃分别进行实验分析，对pH的影响进行实验：恒定温度为30℃，在pH7.0,7.5,8.0,8.5和9.0分别进行实验分析。

完整的CCD实验设置如图所示表3（结果与分析）。它由12个实验组组成，其中包括4个中心点重复，以提高实验精度。选择温度范围来研究pH值与温度低于最佳范围的关系，温度和pH值以5个不同的编码级别进行评估，表示为：alpha;asymp;1.41，-1,0， 1和 alpha;asymp; 1.41。温度自然值为：alpha; = 10℃，-1 = 13℃，0 = 20℃， 1 = 27℃和 a = 30℃，pH自然值分别是：alpha; =6.5,-1=6.8,0=7.5, 1=8.2和 alpha; =8.5。

使用统计软件（STATISTICA StatSoftreg;）分析CCD实验。基于回归分析，计算二阶多项式方程的系数。该等式描述了独立变量（温度和pH）与自变量之间的关系，这是不同的厌氧氨氧化活性。最后，使用方差分析（ANOVA）测试获得的数学模型。

3 结论与讨论

3.1 个体温度影响

试验结果表明，在10-40℃的温度范围内，厌氧氨氧化细菌活性几乎呈线性关系（图.1）。 在40℃（0.857 gN gVSS^-1· d^-1）和最低10℃（0.032 ggN gVSS^-1· d^-1）下获得最高的厌氧氨氧化活性，pH值为7.5。测试的生物量主要由Candidatus Jetia属的厌氧氨氧化细菌决定。Aliet al.,(2015)报道了在20℃-42.5℃的温度范围内的C.jettenia caeni的生长，最适温度为37℃。

结果与其他报告相似并一致（Dostaet al., 2008; Sobotka et al., 2015; Lotti et al., 2015）. Dosta et al.,（2008）观察到10-40℃之间的活性呈指数增加，即从ca. 0.02至0.18 gN gVSS^-1· d^-1，在45℃时发现抑制（可能由生物质裂解引起）。结果表明，在约30摄氏度的条件下，颗粒状和生物膜的厌氧氨氧化生物量均得

图1.（A）在批量实验实验中获得的特定厌氧氨氧化活性（SAA）的温度（具有恒定的pH7.5）影响（条形代表平均值来自重复的标准偏差）。

（B）Arrhenius绘制了用于不同温度区间的回归线的厌氧氨氧化转换图。 实线：10-40℃，细虚线：10-20℃，粗虚线：20-40℃。

到了相似的结果。Sobotka等（2015）也使用在30℃培养的颗粒状生物质，在他们的实验中，在相同温度范围（10-40℃）的温度依赖性几乎是线性，即从0到1.3gN gVSS^-1· d^-1。最近的另一份报告中，Lotti等（2015）在30℃的生物质条件下，在20℃培养8个月后和10℃下培养6个月后，在适应寒冷条件过程中进行温度效应的评估（10至30℃）。这项有趣的研究证明，在20℃和10℃长期培养后，厌氧氨氧化细菌能够适应较低的温度，并且适应的生物量在低温下具有比未适应的生物量更高的SAA。适应是细菌中的一种自然现象，厌氧氨氧化细菌的对温度适应已经被许多作者研究和证实（(Dosta et al., 2008; Isakaet al., 2008; Lotti et al., 2015)。

阿伦尼乌斯方程（方程式(1)）用于计算活化能（E_a）; 阿伦尼乌斯图如图.1B.在10-40℃范围内计算的活化能等于72kJ/mol，并且与其他报道的值类似：70kJ/mol（Strouset al., 1999）,63kJ/mol（Dosta et al., 2008）和76kJ/mol（Sobotkaet al., 2015)。

k = A exp（-E_a/ RT） (1)

注释：

K-速率常数，

A-预指数因子

E_a-激活能，

R-气体常数，

T-温度

然而，用于全测试范围（10-40℃）的数据集的线性回归的测定系数（R²）等于0.89，因此表明单一回归线没有准确描述温度，Isaka等（2008）和Lotti等（2015）也观察到类似现象。为此，计算了不同温度范围的Ea(图1B)，并在表1中给出，屈服点是20℃。Ea值分别为140和46kJ/mol，分别为10-20℃和20-40℃。计算值明显不同，但类似的行为被Isaka等（2008）和Lotti等（2015）发现。Isaka等（2008）注意到在ca.的一个屈服点在Ea= 93-94kJ/mol（在6-28℃）和Ea的范围内= 33kJ/mol（在28-37℃的范围内）。Lotti等（2015）在ca.找到了一个屈服点在20℃，并且观察到在较低温度下活化能增加。这些结论可以通过表1所示的概述得到证实。这里所描述的现象可能与厌氧氨氧化反应步骤有关，这可能涉及两种具有不同温度下的速率决定酶（Isaka et al., 2008）。另一方面，另一方面，阿伦尼乌斯方程只在一定的温度范围内有效，对于低温（低于15℃）是无效的。（Lotti et al., 2015)。

3.2 个别pH值影响

厌氧氨氧化细菌对pH变化敏感（Jin et al., 2012），因此在厌氧氨氧化工艺中控制pH值是必不可少的。在这里的研究中，最高活性在pH7

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