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在生物膜反应器中通过将厌氧氨氧化和厌氧反硝化甲烷氧化偶联来实现主流的高水平除氮
摘 要
为实现能源中性废水处理，过去十年中主流厌氧氨氧化（Anammox）已引起广泛关注。 但是，相对较高的废水氮浓度（gt; 10 mg NL-1）仍然是阻碍其实际实施的重要障碍。 本研究开发了在膜生物膜反应器（MBfR）中结合厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化（DAMO）反应的新技术，以增强主流厌氧氨氧化过程。 随着水力停留时间（HRT）从12h逐渐下降至4h，总氮（TN）去除率从0.09逐步增加至0.28kg Nm3d1，出水TN浓度低于3.0mgNL -1实现。 质量平衡分析表明，厌氧氨氧化反应产生的硝酸根30e60％被DAMO古细菌还原为亚硝酸盐，厌氧氨氧化菌和DAMO细菌共同负责亚硝酸盐去除，贡献率分别为gt; 90％和lt;10％。 此外，当进水中亚硝酸盐与铵的摩尔比在1.171.55范围内变化时，建立的MBfR稳定且实现了始终如一的高出水水质，gt; 90％的TN去除率。 荧光原位杂交（FISH）和16S rRNA基因测序表明厌氧氨氧化细菌，DAMO细菌和DAMO古细菌共同支配生物膜，并且可能是除氮的关键因素。 这是第一项，通过将anammox和DAMO反应整合到主流中同时实现了高氮去除率（gt; 0.2 kg Nm3d1）和满意的出水水质（〜3 mg TN L-1）废水处理的研究。
1.介绍
污水处理从污染物去除到资源回收正在发生着持续的范式转变。 所谓的AB过程是新概念设计之一，近来引起了广泛的关注（Xu et al。，2015）。 它包括用于生物能回收（A阶段）的前期有机碳分离（Malovanyy等，2015; Rattier等，2015）和随后的由铵氧化细菌（AOB）驱动的自养脱氮（B阶段）和厌氧氨氧化（anammox）细菌（Jetten等，1997; Mulder等，1995; Strous等，1999）。 与传统的废水处理工艺相比，设计可以在不需要有机碳的情况下实现氮气去除，从而通过强化能源回收和降低能耗来推动废水处理厂（WWTP）朝向能源中立（Kartal等，2010）。
虽然自养脱氮工艺（也称为脱氨工艺）已被广泛应用于厌氧污泥消化液等高浓度废水，在全球范围内已有超过100个全套设备（Lackner等，2014），但对主流厌氧工艺的研究是仍在进行中。 已知厌氧氨氧化细菌生长缓慢（Jetten等人，2001），因此需要能够保留它们的生物质聚集体类型（Wang和Zheng，2017）。 这些包括具有良好沉降能力的颗粒污泥（Li等人，2016; Lotti等人，2014a; Ma等人，2013）以及附着在移动床生物膜反应器（MBBR）中的载体上的生物膜（Gilbert等人。，2014; Laureni等，2016; Trojanowicz等，2016）。 然而，目前主流厌氧氨氧化工艺设计的主要问题之一是在大多数情况下，总氮（TN）浓度超过10 mg NL1的出水水质相对较差（De Clippeleir等，2013; Lackner等。，2015; Li等，2016; Lotti等，2014a; Ma等，2013）。 厌氧氨氧化反应产生的硝酸盐积累：
而主流部分亚硝酸盐对亚硝酸盐和铵的比例变化是造成这一问题的最主要因素。
最近已提出膜生物膜反应器（MBfR）作为用于从富氮废水流除去氮的替代反应器设计，如厌氧污泥消化液（Xie等，2017）。 缓慢生长的厌氧氨氧化细菌保留在膜表面的生物膜上。 通过可透气中空纤维的内腔提供气态甲烷使得反硝化厌氧甲烷氧化（DAMO）生物体（Ettwig等，2010; Haroon等，2013; Raghoebarsing等，2006）以及厌氧氨氧化菌菌。 用甲烷作为电子供体，这些DAMO生物体利用由厌氧氨氧化反应产生的硝酸盐和厌氧氨氧化细菌没有消耗的亚硝酸盐作为末端电子受体。 发现目前已知的DAMO有机体的两种类型，即属于NC10门的细菌Candidatus#39;Methylomrabilis oxyfera#39;（Ettwig等，2010）和古细菌Candidatus#39;Methanoperedens nitroreducens#39;（ANME-2D）与其他厌氧甲烷营养古细菌（ANME）（Haroon等，2013）在这种生物膜中生长（Shi等，2013）。 伴随着厌氧甲烷氧化，DAMO古细菌将硝酸盐还原为亚硝酸盐：
和DAMO细菌将亚硝酸盐转化为二氮气：
DAMO生物的存在减少了厌氧氨氧化细菌产生的硝酸盐的积累，并且在进料含有亚硝酸盐和铵的比例为非理想的厌氧氨氧化反应比例的情况下也去除了另外的亚硝酸盐。 这两个功能都有助于提高出水水质。 通过在MBfR中整合anammox和DAMO微生物，Cai等人 （2015）获得了〜0.7 kg Nm3d1的高硝酸盐去除率，而Xie等人 （2017）从部分硝化的厌氧污泥消化液中实现了完全的氮去除（gt; 99％）。
然而，众所周知，与厌氧污泥消化液不同，主流废水具有显着较低的温度（10e25℃对35℃），并且还低得多的氮浓度（20e60mg TNL1相对于500e1500mg TNL 1）（Lotti等，2014b）。 后者意味着需要较短的水力停留时间（HRT）（例如lt;12 h）以实现理想的氮负荷率（De Clippeleir et al。，2011）。 到目前为止，主流废水处理的氮去除效率通常低于85％，导致出水TN浓度高于10 mg NL1（Gilbert等，2014; Hendrickx等，2012; Laureni等， 2016; Lotti等，2014a; Ma等，2013）。
目前的工作旨在通过将Anammox和DAMO微生物纳入到主流废水中，以实际氮去除率（gt; 0.2 kg Nm3d1）获得满意的出水水质（lt;5 mg NL1）甲烷供应的MBfR，这在沼气中很容易获得。 为此，建立了一个实验室MBfR，其模拟主流部分亚硝酸盐的流出物的合成废水供应，并在环境温度下运行约2年。 为了提高体积除氮率，在实验过程中HRT逐渐下降。 进行了两系列独立的批次测试来验证质量平衡以及进水亚硝酸盐与铵比率的影响。 通过荧光原位杂交（FISH）和16S rRNA基因扩增子测序进行微生物分析以揭示功能性微生物群落。
2.材料和方法
2.1 反应器配置和设置
使用的MBfR总体积为2356毫升。 该反应器配备12束用于甲烷输送的膜组件，占用56mL（45mL纤维材料和11mL纤维腔）的膜组件。 每束包含500根无孔聚丙烯中空纤维（Teijin Fibers，Ltd，日本），长度分别为30厘米，内径和外径分别为90毫米和200毫米。 总膜表面积为1.13m2，产生491m2/ m3的面积/体积比。 将膜组件连接到甲烷柱（95％CH4和5％CO2）。 管腔压力设定为300kPa，用气量计（Ross Brown，Australia）调节和监测。
如图1所示，通过蠕动泵（Masterflex L / S，USA）通过装有pH计（澳大利亚Oakton）的330mL溢流瓶，液体采样点和气体采样点。 手动加入1M HCl或1M NaOH将pH保持在7.0plusmn;0.5。 水封瓶用于气体和液体的释放，防止空气回扩到反应器中。 从含有合成废水的50L进料瓶向反应器供应蠕动泵（BT300-2J，龙门泵，中国）。 充入氮气的20L气袋（澳大利亚Tedlar）连接到进料瓶以保持进水无氧。 饲料中的氮物种组成总结在表1中，微量元素在根据Ettwig等人制备的生长培养基中 （2009年）。
2.2 运营战略
MBfR用来自由anammox和DAMO微生物组成的亲本反应器的400mL生物质接种，并且
图1 膜生物膜反应器（MBfR）的示意图
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运行730天。 该研究包括两个阶段，即启动阶段和连续阶段（表1）。 对于启动阶段（第1e202天），将氯化铵（46g NH 4-NL1）和亚硝酸钠（46g NO2-NL1）的储备溶液定期加入溢流瓶以将铵和亚硝酸盐的浓度分别保持在0e130和0e25mg NL1的范围内。 在此阶段期间，通过添加浓缩的储备溶液来提供底物。 因此，不需要流出物排放，这防止了生物质的冲刷并允许生物膜形成。
从第203天起，将含有25.0mg NH 4-NL1和26.5mg NO2-NL1的合成主流废水连续加入反应器中。 基于anammox和DAMO反应的化学计量，假定所有亚硝酸盐（在进水中补充并由DAMO古细菌产生）将通过去除的方式来确定NO2-N与NH 4-N比率为1.06 anammox途径。 为了提高氮负荷率，HRT从第12小时逐渐减少至第9小时，然后在第360天和第424小时分别逐渐降至6小时。 从第568天开始，进水亚硝酸盐和铵浓度分别变为29.5和22mg NL1。 根据前一阶段观察到的反应化学计量比，选择新的NO2-N与NH 4-N的比率为1.34，目的是在TN浓度低于5mg NL1时达到令人满意的出水品质， 。 当达到连续阶段IV的稳定状态时，HRT进一步降低至4小时以测试已建立的MBfR应付更高的氮负荷速率的能力。 在整个实验过程中，定期（每天一次）从溢流瓶中取出液体样品以监测MBfR中的NH 4，NO2和NO3浓度。 在第595天，收集生物膜样品以阐明微生物群落。
2.3 批量测试
在上述长期操作之后，反应器HRT恢复到9小时（基于长期结果的首选HRT）。 当达到一个新的稳定状态时，执行两个系列的批量测试。 进行批次测试组A以研究进水亚硝酸盐与铵比例的影响，连续进行9次具有不同进水（即，1.06,1.12,1.17,1.22,1.28,1.34,1.39,1.44和1.55）的试验，每次持续2天。 在所有这些测试中，进水TN浓度保持恒定在51.5mg NL1。 每12小时从溢流瓶取液体样品以测定NH 4-N，NO2-N和NO3-N的浓度。
批次测试将B组进行鉴定每个生物体的氮气周转率并验证总体质量平衡。 在测试前一天，反应器与气瓶断开以停止甲烷供应，导致甲烷消耗。 用氮气鼓泡新鲜制备的含有100mgNH4-NL1的培养基20分钟以除去氧气，然后用甲烷再冲洗15分钟以产生约20mg CH4L的溶解甲烷浓度。 然后将这种专门制备的10L进料泵入MBfR中以补充反应器液体。 随后通过溢流瓶将亚硝酸盐储备溶液（32g NO2-NL1）加入到反应器中以产生约25mg NO2-NL1的理论亚硝酸盐浓度。 然后每小时从溢流瓶中取液体样品约6小时以测量NH 4，NO2和NO3的变化。 每小时从溢流瓶的顶部空间取出气体样品以分析气相中的甲烷分压。 使用亨利定律从气相数据计算溶解甲烷的浓度。 当完全除去亚硝酸盐时，再次将铵和亚硝酸盐储备溶液定量再次重复实验两次。
2.4 化学分析方法
用1.5mL注射器从溢流瓶中取出液体样品，并立即通过0.22mm一次性无菌微孔过滤器（Merck）过滤。 用Lachat QuickChem8000流动注射分析仪（Lachat Instrument，Milwaukee，WI）测定NO2-N，NO3N和NHkappa;4-N的浓度。 对于气体测量，从溢流瓶的顶部空间取出0.1mL气体样品，通过使用氩气作为载气的气相色谱仪（Agilent GC7890A）测量甲烷的浓度。 由测得的氨氮，亚硝酸盐和硝酸盐消耗率（补充信息，SI）确定了厌氧氨氧化和DAMO反应促进的生物氮转化率（反应1e3）。
2.5 微生物分析
根据制造商的说明使用FastDNA SPIN Kit for Soil（MP Biomedicals，Santa Ana，CA，USA）提取DNA。 按照Huuml;lsen等人所述的方法进行16S rRNA基因扩增，测序和分析（2016）。 FISH也按照Ettwig等人描述的方案进行（2008年）。 这些方法的更多细节在SI中描述。
3.结果
3.1 长期脱氮性能
MBfR建立并运行了730天，涉及两个阶段（即启动阶段和连续阶段）。 图2说明了长期的氮去除性能。接种后，将亚硝酸钠和氯化铵储备溶液脉冲加入反应器中以培养生物膜（0e202天）。 在启动阶段结束时，铵和亚硝酸盐去除率逐渐增加，达到约50mg NL1d1。 TN去除率在20℃时相对稳定
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来自第123e202天的约100mg
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