在密闭海绵床滴滤池中培养厌氧氨氧化微生物外文翻译资料

在密闭海绵床滴滤池中培养厌氧氨氧化微生物

J.A. Saacute;nchez Guilleacute;n^a,c,*, P.R. Cueacute;llar Guardado^a, C.M. Lopez Vazquez, L.M. de Oliveira Cruz^a, D. Brdjanovic^a,b, J.B. van Lier^a,c

摘要:评估在实验室规模的密闭的海绵床滴滤池（CSTR）反应器中培养厌氧氨氧化菌的可行性，即：在20 °C下的CSTF-1和在30 °C 下的CSTF-2。在第66天时CSTF-2达到稳定状态，在104天时CSF-1达到稳定状态。CSF-2较短时间达到稳定的主要原因是温度的影响;但是,到405天时，CSTF-1的脱氮与CSF-2的相近。CSF-1的最大总脱氮效率为82％，CSF-2为84％。经过400多天的运行，CSTF-1和CSTF-2 的总氮去除效率分别达到74plusmn;5%和 78plusmn;4% 并且总氮转化率分别达到 1.52 和1.60 kg-N/m³ sponge·d。所提出的技术可以通过厌氧氨氧化转化过程替代后处理单元的主流脱氮途径。

关键词：厌氧氨氧化，DHS，封闭式海绵床滤池，固定化生物量，主流脱氮

1简介

生物脱氮工艺是通过自养型的厌氧氨氧化过程是利用铵作为电子供体还原亚硝酸盐，该过程的主要特点是成本效益即能耗低，剩余污泥少。然而，厌氧氨氧化菌生长速率慢，微生物生物产量低。鉴于此特性，在废水处理设备中，尤其是在主流处理中，厌氧氨氧化过程应用的主要挑战之一是厌氧氨氧化微生物的有效保留(Wett et al., 2010)。因此，污水处理系统中保持厌氧氨氧化菌浓度是必需要达到的：(i)通过较高的细胞密度到达合适的生物降解率；(ii)连续流操作以达到较高高负荷率，(iii)在反应器中有效和实用的分离固液相, 使操作维护简单。在污水处理厂已经有一些适用于培养厌氧氨氧化菌的反应器，例如：升流式颗粒污泥床反应器(van der Star et al., 2007)，序批式反应器（SBR）(Joss et al., 2009),气旋式序批式反应器(Wett et al., 2010), 气升式反应器(Abma et al., 2010), 和升流式厌氧污泥床反应器(Ma et al., 2013). 其它可选择的系统包括是在聚乙二烯（PEG）凝胶中包埋厌氧氨氧化菌的载体(Isaka et al., 2008)和采用膜生物反应器对游离的厌氧氨氧化微生物进行培养(Lotti et al., 2014)。

已应用的采用不同的装置的生物膜系统，例如塑料载体材料和生物转盘形成膜生物反应器 (Pynaert et al.,2004),基于亲水性网式丙烯酸树脂纤维载体的反应器(Furukawa et al.,2006), 曝气生物膜反应器(Pellicer-Nacher et al., 2010), 移动床生物膜反应器（Lackner and Horn, 2013)和序批式生物膜反应器(Yu et al., 2012)。

关于厌氧氨氧化生物膜反应器，一些研究者研究了用海绵填料作为载体是一个有发展前景的方案。例如，Chuang et al. (2008)已研究报道自养脱氮过程中，厌氧氨氧化菌在降流式悬料海绵床反应器中的固定化和生长。另一方面，进行了测试了厌氧氨氧化反应器中海绵填料在液相中的永久，例如填充竖状聚乙烯海绵条的升流式厌氧氨氧化柱式反应器（在底部包含大量悬浮厌氧氨氧化颗粒）(Zhang et al., 2010)和Monballiu等人发明的厌氧升流式固定床反应器(UFBR)。根据Zhang等人的文章中(2010)得知，和填充其它材料的反应器相比，装载海绵的厌氧氨氧化反应器，如非织造材料和丙烯酸纤维，取得了较高的氮转化率。较高的氮转化率归因于海棉介质的具有较高的生物保留能力。海绵填料的厌氧氨氧化生物膜反应器这些潜在的优势在本文中被发现。

最近的研究报道了厌氧氨氧化细菌存在于厌氧或缺氧海绵滴滤床反应器中进行的于硝化/反硝化过程。Lydmark 等人(2006)在市政生产性规模的填充有塑料的错流的载体的暴气硝化滴滤池中观察到厌氧氨氧化细菌。同样，Almeida et al. (2013) 在以海绵材料为载体的中试规模的市政滴滤池也检测到了厌氧氨氧化微生物的存在。然而，厌氧氨氧化菌的丰富度在这些反应器中相对要低，因为这些反应器的目的不是通过厌氧氨氧化来实现脱氮。最近，在南非的Daspoort市政污水处理厂以石头作为载体的生物膜滴滤池中，Wilsenach et al. (2014) 确定了存在的厌氧氨氧化菌为Candidatus Brocadia anammoxidans和Candidatus Brocadia Fulgida。据作者表示，在滴滤器中厌氧氨氧化菌是脱氮作用起主要作用。

考虑到海绵填料对厌氧氨氧化生物体潜在的保留能力和厌氧氨氧化生物体在海绵填料中的出现，厌氧氨氧化过程在填充海绵载体的滴滤床反应器处理污水是有前景和高效的生物脱氮过程：(i) 为微生物的生长提供合适的表面区域，(ii) 具有高微生物持留能力和基质渗透性，(iii)降低氧扩散有助于维持在系统中或甚至部分开放系统的厌氧条件，(iv) 是一个能量消耗相对低、运行和维护要求简单的工艺。因此，研究的目的是评估在一个封闭的海棉床生物滤池培养厌氧氨氧化菌的可行性，这可能最终为市政污水处理厂的脱氮技术的发展做出贡献。

2材料和方法

2.1反应器的配置装置

本研究构建两个实验室规模的密闭式海棉床滴滤池（CSTF），即反应器CSTR-1和CSTF-2。分别在模拟温带和热带的20⁰C和30⁰C条件下运行。每个反应器高为100厘米，内径为7.14厘米，每个反应器的总容积为4.3 L。CSTF反应器的四个隔室中每个隔室任意填充380块95型聚氨酯海棉方块 (尺寸: 1.5x1.5x1.5cm) (图1)。考虑到每个反应器海绵填料的总数和每个海绵填料的体积3.375 cm³), 在CSTR反应器内海绵填料所占的体积是1.28 L，即有效体积（基于所占用海绵的体积）占反应器体积的30％。在这项研究中使用的聚氨酯海绵介质的是BVB Sublime（第二代）。海绵孔隙率为0.98，密度为28 kg/m³。

支持介质的比表面积是在CSTF反应器内隔室中所有立方体海绵的体积总不包括海绵的微观结构 (空隙大小和结构)。因此，比表面积为400 m²/m³。根据制造商提供的信息，该聚氨酯海绵具有垂直和水平结构，可以提供有良好的稳定的进水和排水。并且，它具有高尺寸稳定性（没有形状的变化）且没有化学毒性。该反应器在厌氧条件下操作;因此，无需提供氧气。此外，为了逐出和避免进水中存在的氧气，从第43天，将氮气通入到输送进水的送料槽。

2.2接种污泥和运行条件

在现有条件为30.5plusmn;0.5⁰C、pH值为7.89plusmn;0.01，混合物悬浮固体浓度（MLSS）3290 mg/L的实验室规模的SBR中提取的厌氧氨氧化颗粒污泥作为接种污泥，据FISH分析，在SBR中占主导成分Brocadia fulgida的厌氧氨氧化菌，活性为0.34 g-(NO₂^- NH₄ )-N /(g-VSS・d)，平均直径为0.394 plusmn;0.244 mm。此外，Harnaschpolder污水处理厂（荷兰登霍伦）的活性污泥，MLSS浓度为3500 mg/L，添加到CSTR反应器内并允许其他潜在微生物（厌氧氨氧化）生长（如果它们可以适应当前的环境和工作条件）。对反应器中每个隔室随机填充的45聚氨酯海绵立方体的合成基质预先浸泡。随后，取125mL厌氧氨氧化颗粒污泥和12.5mL的活性污泥分布在海绵上。剩下40块的海绵方块也使用合成基质浸泡，放置在每个隔室的微生物的上面。将反应器密封使它们不透气并覆盖有暗色塑料避免光线穿透，并用氮气鼓吹两小时去除现有的存在的氧气。如表1所示,反应器操作运转分为两个阶段，即启动和阶段I。

2.3合成基质

合成基质是通过对van de Graaf 等人提出的合成基质进行改进，然后分在两个容器中的（图 1): 即富含氨和亚硝酸盐的营养物质。这些基质中每升软化水的组成：(i)含氨基质2.9828 g NH₄Cl; 0.77 g MgSO₄·7H₂O; 0.3906 g KH₂PO₄; 4.6875 g CaCl₂·2H₂O；(ii)含亚硝酸盐基质：3.8504 g NaNO₂; 0.1786 g FeSO₄·7H₂O; 19.531 g KHCO₃; 0.1786 g NaEDTA和1.25mL的微量元素溶液液。

图1.封闭海绵床生物滤池（CSTF）反应器示意图

表1. CSTR反应器的环境和操作参数

每升微量元素溶液包含：15 g MgEDTA; 0.43 g ZnSO₄·7H₂O; 0.24 g CoCl₂·6H₂O; 0.99 gMnCl₂·4H₂O; 0.25 g CuSO₄·5H₂O;0.22 g Na₂MoO₄·2H₂O; 0.19 g NiCl₂·6H₂O; 0.1076 g Na₂SeO₄; 0.014 g H₃BO₃; 0.05 g NaWO₄·2H₂O。

2.4示踪试验

示踪测试的目的是估计水力停留时间(HRT;基于海绵填料的体积）并使用氯化锂溶液作为示踪剂(8.5 mg-Li/L)。Metcalf and Eddy (2003)所描述的方法是通过影响软化水线并与再循环流动混合合成底物和示踪物连续地加入到反应器中。在示踪试验中，污水收集和再循环流动的分离是分别通过使用临时污水收集池和保持原来的收集器的出水。每15min收集从反应器中的出水并用HNO₃调pH至1-2。美国的Perkin Elmer用AANALYST 200原子吸收分光光度计测量锂浓度。锂浓度作为时间的函数来绘制示踪剂反应曲线或C曲线（补充资料附录A）。

2.5分析方法

总悬浮固体（TSS）,挥发性悬浮固体(VSS),可溶性化学需氧量（COD）和亚硝酸盐（NO₂^--N）的浓度测定是根据水和废水的检验的标准方法。根据荷兰国际标准采用分光光度法测定氨氮。硝氮测量标准是根据国际化标准7890-1:1986。使用便携式pH计测定pH值(Model ProfiLine 3310. WTW, Germany)，使用配备了LDO101光学溶解氧探头的Hach便携式仪表HQ30d来（美国Hach公司）测定溶解氧浓度。厌氧氨氧化菌的颗粒使用莱卡微系统M205 FA的显微镜进行测定（放大倍数13.0，校准系数4.45和软件版本QWIN V3.5.1;莱卡公司，荷兰）。通过荧光原位杂交（FISH）技术识别厌氧氨氧化菌。混合的微生物样品从每个不同的海绵截刮下来，固定在4％（W/V）多聚甲醛溶液中。具有荧光探头的杂交方法按照Schmid等人的描述的。荧光显微镜用于鉴别细胞和DAPI（4，6-二脒基-2-苯基吲哚）作为普通的DNA染色。低聚核苷酸探头示踪使用Cy3或Cy5的荧光染料中的一种进行标记（Biomers.net，Germany）。用带有相机XM10(Olympus, Japan)的荧光显微镜BX51摄取图像。在这项研究中使用的探头为AMX820（Schmid et al., 2001;Schmid et al., 2003), Amx1240和 Kst1275 (Schmid et al., 2005)。

3结果与讨论

3.1厌氧氨氧化微生物的固定化

接种后，在整个实验过程中，附着在海绵载体上的厌氧氨氧化微生物在载体的内部和外部扩散。总的来说，在上部的隔室微生物的增长明显，上部的隔室比下部的具有更高的脱氮性能。CSTF-2（在30⁰C运行）的微生物生长速度高于CSF-1（在20⁰C运行）。因为CSTF-2，在30⁰C的

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