污水處理技術(shù)之Anammox厭氧氨氧化+MBR膜生物反應(yīng)器1+1>2？

對于Anammox厭氧氨氧化菌在污水脫氮方面的優(yōu)點(diǎn)，IWA公眾號的不少文章都有所提及。但是，厭氧氨氧化菌的生長速度慢（世代倍增時間一般為15-30天），如何實現(xiàn)厭氧氨氧化的快速啟動，使厭氧氨氧化菌快速富集并保留在反應(yīng)器中是系統(tǒng)能否成功運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。MBR膜生物反應(yīng)器在HRT和SRT的分離上有天然的優(yōu)勢。荷蘭和羅馬尼亞的團(tuán)隊曾利用MBR膜生物反應(yīng)器來富集培養(yǎng)厭氧氨氧化菌，其設(shè)計為后來的相關(guān)研究提供了借鑒。

荷蘭和羅馬尼亞研究團(tuán)隊設(shè)計的富集培養(yǎng)厭氧氨氧化菌的MBR反應(yīng)器，更多信息可參考文章 The Membrane Bioreactor: A Novel Tool to Grow Anammox Bacteria as Free Cells。另外，來自中國大連理工和哈工大的團(tuán)隊也做過大量有關(guān)厭氧氨氧化菌富集培養(yǎng)的研究，可參考其發(fā)表的文章 Comparison between MBR and SBR on Anammox start-up process from the conventional activated sludge

在前人研究的基礎(chǔ)上，日本名古屋大學(xué)的一科研團(tuán)隊(Takanori Awata等人)對MBR與Anammox的結(jié)合進(jìn)行了更加深入的探索。他們在2015年的Water Science &Technology發(fā)表了一篇題為《厭氧氨氧化膜生物反應(yīng)器在低溫下的脫氮效果(Nitrogen removal using an anammox membrane bioreactor at low temperature)》的文章，希望通過實驗驗證Anammox菌是否能夠在低溫下保持活性，而MBR是否能夠有效地留住生物質(zhì)。

實驗背景

溫度是影響厭氧氨氧化反應(yīng)表現(xiàn)的關(guān)鍵因素之一。厭氧氨氧化菌是對一類菌的統(tǒng)稱，有許多研究者對不同種類厭氧氨氧化菌的生理特點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)研究。例如研究發(fā)現(xiàn) Candidatus Brocadia anammoxidans、Candidatus Kuenenia stuttgartiensis 和 Candidatus Brocadiasinica 三種厭氧氨氧化菌的理想溫度分別為 20–43℃ , 25–37℃ 和25–45℃。

實際工程應(yīng)用中，有研究人員對厭氧氨氧化菌在低溫環(huán)境下的表現(xiàn)進(jìn)行了研究，但他們得到的結(jié)論卻不大一致：有些研究顯示厭氧氨氧化菌能夠適應(yīng)低溫狀態(tài)，而另外一些則顯示低溫會對菌種產(chǎn)生不可逆的抑制作用，原因是亞硝態(tài)氮富集所產(chǎn)生的毒性。還有研究稱雖然總體上氮去除量仍能達(dá)標(biāo)，但是溫度下降會使脫氮速率降低。另外，有研究人員對來自海洋的厭氧氨氧化菌進(jìn)行研究，并稱每一種細(xì)菌都有各自的內(nèi)在zui適宜溫度，而這些海洋厭氧氨氧化菌似乎比淡水菌種更偏好相對較低的溫度。

在這樣的背景下，日本名古屋大學(xué)的科研團(tuán)隊決定將溫度敏感性和MBR結(jié)合在一起做實驗，探索厭氧氨氧化菌能否在低溫下保持較好的活性而且不會流失。

實驗方法

日本研究人員設(shè)計的反應(yīng)系統(tǒng)如下圖。反應(yīng)器體積為0.64L，采用浸入式的MBR，膜采用PE材質(zhì)的中空纖維膜(孔徑大小為0.03 μm，總的比表面積為0.18m2，通量為0.05m/d)。進(jìn)水采用人工合成的營養(yǎng)液(參照的是1996年荷蘭van de Graaf團(tuán)隊使用的配方)。進(jìn)水量為9L/d，HRT為1.7小時。

研究人員每個月對膜進(jìn)行一次清洗。接種污泥取自一個上流式的反應(yīng)器，“Candidatus Brocadia sinica” 是其中的優(yōu)勢菌種。生物質(zhì)每兩周清除一次，使MLSS濃度維持在8000 mg/L，SRT設(shè)定在88天左右。

溫度的變化情況如下邊的表格來設(shè)置，在35℃和15℃之間切換，共六個階段。在15℃的環(huán)境下，研究人員會降低硝態(tài)氮濃度來防止其對厭氧氨氧化菌活性的抑制。此外，他們還對反應(yīng)器加入氮?dú)?600mL/min)并使之循環(huán)，pH控制在6.5-7.5之間。

實驗結(jié)果

實驗結(jié)果顯示，在35℃和15℃的環(huán)境下，反應(yīng)器的zui大脫氮率分別為6.7g-N/L/d和1.1g-N/L/d。

上圖顯示研究人員所選的菌種不能適應(yīng)短時間里溫度的迅速變化，但是這也不同于一些文獻(xiàn)得出的低溫會對厭氧氨氧化菌造成不可逆損害的結(jié)論。有趣的是，在連續(xù)三次將溫度從低溫切換升回至其理想反應(yīng)溫度(35℃)的操作后，其選用的厭氧氨氧化菌仍舊能很快地恢復(fù)活性，研究人員認(rèn)為這也是使用MBR反應(yīng)器的優(yōu)勢所在。

研究人員也提到了實驗本身的一些局限性，例如切換時間較短等。他們認(rèn)為這個實驗里使用的厭氧氨氧化菌需要更長的過度時間來適應(yīng)溫度的變化，而用其他菌種做測試可能會得到不一樣的結(jié)果，他們也因此考慮針對這一點(diǎn)做對照實驗。

另一方面，研究人員利用熒光原位雜交(FISH)和16S-rRNA的分子生物學(xué)方法對樣品進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示厭氧氨氧化菌群落的主要種群沒有隨溫度變化而發(fā)生明顯改變，研究人員認(rèn)為這是因為厭氧氨氧化生物質(zhì)在MBR反應(yīng)器得以*保留。

厭氧厭氧化菌生物質(zhì)在35℃(a)和15℃(b)溫度條件的FISH圖(右下角的尺寸是10um)

結(jié)論展望

雖然實驗中所選取的厭氧氨氧化菌種不能適應(yīng)溫度急劇下降的環(huán)境，但其能在恢復(fù)到理想溫度后快速恢復(fù)活性，這也是該研究的一個亮點(diǎn)。未來，名古屋大學(xué)的研究人員會考慮使用溫度遞減的方式再進(jìn)行實驗，來驗證厭氧氨氧化菌的數(shù)量和種群構(gòu)成是否會在一個較為長期的運(yùn)行環(huán)境下發(fā)生變化。