氮素是造成水体富营养化的重要根源。传统的生物脱氮要经过硝化和反硝化2个过程，硝化耗能较大，反硝化需要碳源，导致处理效果不理想。厌氧氨氧化(anammox)是以亚硝氮(NO2−-N)为电子受体，以氨氮(NH4+-N)为电子供体，反应生成氮气(N2)的过程，与传统的生物脱氮相比，可以节省40%的曝气量且无需有机碳源。
厌氧氨氧化菌多为中温菌，其适宜的温度为30~40 ℃。PUYOL等[7]认为厌氧氨氧化菌的最适温度为30~35 ℃。多数学者在ASBR启动中都采用中温。自然水体的温度一般处于15~25 ℃。因此，采用厌氧氨氧化工艺处理废水时，需要对废水进行预热或者保温处理;但是在实际工程中，对废水进行预热或保温难度很大。所以，寻求在低温条件下实现稳定的厌氧氨氧化显得尤为重要。然而，温度对厌氧氨氧化菌活性的影响及其胞外聚合物(EPS)变化的研究较鲜见。本实验采用不同的降温方式研究厌氧氨氧化菌活性及其EPS含量的影响。旨在解析温度对厌氧氨氧化反应造成的影响，以期为厌氧氨氧化技术的推广应用提供技术参考。
1 实验部分
1.1 实验装置
实验装置为ASBR(anaerobic sequencing batch reactor)(见图1)，由有机玻璃制成，直径为14 cm、高为45 cm，有效容积为5 L。取样口位于反应器壁的垂直方向，在其底部设置有排泥口，上部设有通气口，反应产生的气体经过水封瓶后排出。整个反应器用黑色塑料布覆盖，以避免光照对厌氧氨氧化污泥造成不利影响。
图1 ASBR示意图
1.2 用水及接种污泥
实验采用人工配水，进水通过NaHCO3将pH控制在7.20±0.20，NH4+-N和NO2−-N分别由NH4Cl和NaNO2提供，微量元素参照文献中的数值，微量元素为1.5 mL·L−1。表1为配水成分组成。接种污泥取自成功启动ASBR中的活性污泥，脱氮性能良好。其中MLSS为3 300 mg·L−1，MLVSS为2 500 mg·L−1。
表1 配水成分组成
1.3 测定项目和方法
水样经过0.45 µm滤纸过滤后测定，检测指标按照APHA标准方法[11]测定：NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法;NO2−-N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;NO3−-N采用麝香草酚分光光度法;蛋白质(PN)和多糖(PS)测定分别采用考马斯亮蓝法和苯酚硫酸法;pH测定采用WTW pH/Oxi 340i便携式pH仪实时测定;温度控制采用水浴恒温控制器控制温度;搅拌速率为80 r·min−1。总氮容积负荷(TNLR)根据进水总氮浓度与HRT关系得到，总氮去除负荷(TNRR)根据进、出水总氮浓度与HRT关系得到，即：
r TNLR =24C inf 1 000t HRT rTNLR=24Cinf1 000tHRT(1)
r TNRR =24(C inf −C eff )1 000t HRT rTNRR=24(Cinf−Ceff)1 000tHRT(2)
式中：rTNLR为总氮容积负荷，kg·(m3·d)−1;rTNRR为总氮去除负荷，kg·(m3·d)−1;Cinf为进水总氮浓度，mg·L−1; Ceff为出水总氮浓度，mg·L−1;tHRT为水力停留时间。
1.4 实验方案
ASBR为间歇式运行，周期为280 min，包括进水5 min，反应240 min，沉淀30 min，排水5 min，每天运行2个周期，各反应过程均采用自动控制系统实现。本实验采用一次性降温和阶梯式降温2种模式，见表2。
表2 2种降温方式下的运行工况
2 结果与讨论
2.1 2种降温方式下氮素的去除
2.1.1 一次性降温过程中氮素的去除
图2为一次性降温过程中NH4+-N、NO2−-N和NO3−-N的变化情况。进水NH4+-N和NO2−-N浓度分别为(25.0±0.4) mg·L−1和(33.0±0.6) mg·L−1。1~4周期温度为30 ℃，从第5周期时实行一次性降温至15 ℃。可以看出，第1~4周期时出水NH4+-N和NO2−-N浓度分别为0.7 mg·L−1和0.5 mg·L−1，在这一阶段厌氧氨氧化能够正常进行。当一次性降低温度后，出水NH4+-N和NO2−-N浓度分别升至16.1 mg·L−1和19.4 mg·L−1，去除率分别降低到35.6%和41.2%，到34周期时逐渐下降至13.4 mg·L−1和16.1 mg·L−1，去除率分别升高到46.4%和51.2%，49周期后出水NH4+-N和NO2−-N浓度稳定至13.2 mg·L−1和14.9 mg·L−1，去除率分别降低至47.9%和55.1%。一次性降温时，出水NH4+-N和NO2−-N浓度增加，脱氮效果变差，经过一段时间的运行，在该低温条件下也达到了较稳定的运行状态，这与宋成康等的实验结果一致。可见，一次性降温使厌氧氨氧化活性下降，经过一段时间的适应，该菌仍然具有一定的活性。说明厌氧氨氧化菌逐渐适应低温环境，其NH4+-N、NO2−-N的去除率达到了基本稳定。VANDEGRAAF等发现在20~43 ℃之间，厌氧氨氧化菌可保持较强的活性。一次性降温实验当中，温度已低至15 ℃，但厌氧氨氧化菌仍然保持了一定的活性。姚俊芹等发现在温度从31 ℃降至17 ℃时，NH4+-N、NO2−-N的平均去除率也能达到46.2%、41.8%。
一次性降温至15 ℃后反应器的出水NO3−-N浓度由6.3 mg·L−1降至1.8 mg·L−1，之后缓慢上升，最终稳定在2.3 mg·L−1。温度降低，出水NO3−-N浓度降低，这可能是因为厌氧氨氧化反应速率减小或存在反硝化，但是进水没有有机碳源，不存在反硝化，故厌氧氨氧化反应速率减小导致出水NO3−-N浓度降低。
图2 一次性降温过程中NH4+-N、NO2−-N和NO3−-N 的变化
2.1.2 阶梯式降温过程中氮素的去除
图3为阶梯式降温过程中NH4+-N、NO2−-N和NO3−-N浓度的变化情况，进水NH4+-N和NO2−-N浓度分别为(25.0±0.4) mg·L−1和(33.0±0.4) mg·L−1。1~4周期温度为30 ℃，5~10周期温度为25 ℃，11~19周期温度为20 ℃，20~54周期为15 ℃。在30 ℃时，出水平均NH4+-N和NO2−-N浓度分别为0.6 mg·L−1和0.5 mg·L−1，平均去除率分别为97.8%和98.5%。在25 ℃时，出水平均NH4+-N和NO2−-N浓度为4.5 mg·L−1和4.8 mg·L−1，平均去除率分别为81.4%和84.2%。在20 ℃时，出水平均NH4+-N和NO2−-N浓度分别为6.2 mg·L−1和6.8 mg·L−1，平均去除率分别为76.3%和79.7%。在15 ℃时，出水平均NH4+-N和NO2−-N浓度为12.1 mg·L−1和12.8 mg·L−1，平均去除率分别为51.6%和61.2%。在阶梯式降温下，每次降温后出水NH4+-N和NO2−-N浓度均呈现上升的趋势，平均去除率逐级降低，且降低幅度逐渐加大，反应器重新达到稳定运行所需的时间逐渐变长。温度降低后，微生物能够逐步适应低温，厌氧氨氧化菌的活性逐步得到恢复。控制温度恒定，系统的脱氮性能会随着运行时间的推移而上升，最后达到一个新的稳定状态，这与李祥等的研究结果一致。采用阶梯式降温方式比一次性降温方式下的NH4+-N和NO2−-N去除率高3.6%和5.1%。杨朝晖等通过阶梯式降温的方式缩短低温条件下厌氧氨氧化菌驯化时间，而且菌体活性保持较好，能够维持较高的脱氮性能，这与本实验结果一致。
在30 ℃时，反应器出水平均NO3−-N浓度为6.3 mg·L−1。降温至25 ℃后，出水NO3−-N浓度降至3.4 mg·L−1，从25 ℃降到20 ℃，再降温至15 ℃的过程中，出水NO3−-N浓度呈现阶梯式下降，但下降的幅度逐渐减小，最终稳定在2.6 mg·L−1。反应器温度降低后，NO3−-N生成量也随之降低，即厌氧氨氧化反应速率也随之减小。出水NO3−-N浓度高于一次性降温时的值，表明阶梯式降温下的厌氧氨氧化反应速率高于一次性降温方式。
图3 阶梯式降温过程中NH4+-N、NO2−-N和NO3−-N的变化
2.2 2种降温方式下总氮反应速率及反应计量比的变化
图4为一次性降温和阶梯式降温方式总氮的去除速率及ΔNO2−-N/ΔNH4+-N(反应掉的NO2−-N量与反应掉的NH4+-N量的比)的变化。由图4(a)可知，在30 ℃下，一次性降温和阶梯式降温总氮去除速率均为5.10 mg·(g·h)−1。一次性降温至15 ℃时，总氮去除速率降至2.74 mg·(g·h)−1，阶梯式降温至15 ℃时，总氮去除速率降为3.22 mg·(g·h)−1，这主要是低温会使酶作用降低或停止，而厌氧氨氧化菌最适温度为30~35 ℃，故在低温下厌氧氨氧化菌酶作用降低，导致厌氧氨氧化反应速率下降。阶梯式降温比一次性降温总氮的去除速率高0.48 mg·(g·h)−1。一次性降温达到总氮去除速率稳定运行所需的周期为49周期，阶梯式降温总氮去除速率达到稳定所需的周期为26周期，即阶梯式降温方式下总氮去除速率达到稳定运行所需的时间较短。
由图4(b)可知，在30 ℃时，一次性降温和阶梯式降温反应器的ΔNO2−-N/ΔNH4+-N均为1.33，一次性降温和阶梯式降温条件下ΔNO2−-N/ΔNH4+-N均有所增加，运行一段时间后达到稳定。这可能是NOB和厌氧氨氧化菌均以亚硝酸盐为基质分别进行亚硝酸盐的氧化反应和厌氧氨氧化反应，当亚硝酸盐成为其限制因素时，可导致二者存在竞争关系。ASBR内有NOB时，就会利用亚硝酸盐和进水中的微量溶解氧反应，导致ΔNO2−-N/ΔNH4+-N升高。一次性降温至15 ℃后，ΔNO2−-N/ΔNH4+-N波动式上升，最终稳定至1.51。阶梯式降温方式下，每次降温均会导致ΔNO2−-N/ΔNH4+-N上升，15 ℃时ΔNO2−-N/ΔNH4+-N最终稳定至1.48。15 ℃时2种降温方式ΔNO2−-N/ΔNH4+-N值均比理论值1.32高，这是因为随着温度的降低水中DO增多，导致ΔNO2−-N/ΔNH4+-N增大。阶梯式降温的ΔNO2−-N/ΔNH4+-N更接近厌氧氨氧化反应的理论值，有研究报道指出，ΔNO2−-N/ΔNH4+-N越接近理论值，厌氧氨氧化菌的除氮性能越好，即阶梯式降温方式更有利于脱氮。
图4 2种降温方式下总氮的去除速率及ΔNO2−-N/ΔNH4+-N变化
2.3 2种降温方式下对厌氧氨氧化活性、总氮去除负荷以及胞外聚合物的影响
图5、图6为2种降温方式下厌氧氨氧化活性、总氮去除负荷(TNRR)以及胞外聚合物(EPS)的变化。由图5(a)可知，在30 ℃下，一次性降温和阶梯式降温厌氧氨氧化活性(SAA)均为0.139 g·(g·d)−1。一次性降温至15 ℃时，SAA降至0.071 g·(g·d)−1，降幅为48.9%。阶梯式降温方式下，SAA呈现阶梯式减小，至15 ℃时，SAA降为0.083 g·(g·d)−1，降幅为40.1%。杨洋等[24]也发现采用阶梯式降温对SAA的影响较小。
由图5(b)可知，在30 ℃下，2个反应器进水总氮容积负荷(TNLR)均为0.292 kg·(m3·d)−1，TNRR均为0.256 kg·(m3·d)−1。一次性降温至15 ℃时，该反应器TNRR降为0.142 kg·(m3·d)−1，采用阶梯式降温至15 ℃时，该反应器TNRR降为0.160 kg·(m3·d)−1，可见阶梯式降温方式比一次性降温方式时的TNRR高0.018 kg·(m3·d)−1。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
EPS是微生物在生长过程分泌的黏性物质，在一定范围内，EPS分泌量越多，其受到外界环境胁迫越大。由图6可知，在30 ℃下，一次性降温和阶梯式降温反应器中微生物分泌的PN和PS平均值分别为36.58 mg·g−1和2.16 mg·g−1。一次性降温至15 ℃，PN和PS分别为121.56 mg·g−1和25.16 mg·g−1，这可能在较低温度时微生物生长速率下降使得部分细菌死亡释放出大量的EPS。阶梯式降温过程中，PN和PS均逐渐增大，至15 ℃时，PN和PS分别上升到109.26 mg·g−1和24.16 mg·g−1。这是因为反应温度的降低对厌氧氨氧化菌产生了应激性，即当微生物受到外界环境的胁迫(如温度突变等)时，微生物主要通过分泌EPS来适应新环境，阶梯式降温方式的微生物EPS分泌量较小，所以阶梯式降温方式对厌氧氨氧化菌的影响较小。
图5 2种降温方式下SAA和TNRR的变化
图6 2种降温方式下EPS变化
2.4 2种降温方式下反应器的活性恢复
图7和图8为一次性降温反应器和阶梯式降温反应器升温过程中NH4+-N、NO2−-N和NO3−-N的变化。将一次性降温到15 ℃的反应器再一次性升温至30 ℃时。可以看出，在1~15周期时，出水NH4+-N和NO2−-N的平均浓度分别为12.5 mg·L−1和13.8 mg·L−1，其去除率分别达到50.8%和58.5%，出水NO3−-N平均浓度为2.0 mg·L−1;第41周期时出水NH4+-N和NO2−-N浓度逐渐下降至2.3 mg·L−1和2.8 mg·L−1，出水NO3−-N浓度逐渐升高至4.6 mg·L−1;44周期后，出水NH4+-N和NO2−-N浓度分别稳定为1.7 mg·L−1和1.9 mg·L−1，二者去除率分别为93.0%和94.3%，出水NO3−-N浓度为5.3 mg·L−1。将阶梯式降温到15 ℃的反应器一次性升温至30 ℃。可以看出，在1~9周期时，出水NH4+-N和NO2−-N的平均浓度为11.5 mg·L−1和12.5 mg·L−1，NH4+-N和NO2−-N的去除率分别为55.1%和57.5%，出水平均NO3−-N浓度为2.6 mg·L−1，第23周期，出水NH4+-N和NO2−-N浓度逐渐下降至2.3 mg·L−1和2.7 mg·L−1，出水NO3−-N浓度逐渐升高至5.3 mg·L−1，26周期后，出水NH4+-N、NO2−-N和NO3−-N浓度均达到稳定，出水NH4+-N和NO2−-N浓度为1.5 mg·L−1和1.6 mg·L−1，去除率分别为94.0%和95.5%，出水NO3−-N浓度为5.6 mg·L−1。可见2种降温方式下的反应器再经一次性升温时其脱氮性能均不能在短时间内恢复。而阶梯式降温反应器经过30周期的恢复，其脱氮性能接近于最初30 ℃时的脱氮性能，一次性降温反应器经过44周期的恢复才接近最初30 ℃时的脱氮性能。姚俊芹等研究发现，反应器在17 ℃停运2个月后，直接升温31 ℃开始再次运行，第17天时，NH4+-N、NO2−-N的最高去除率就达到99.4%、90.6%，表明仅仅经历较短时间，反应器内微生物SAA便得到恢复。
图7 一次性降温反应器升温后NH4+-N、NO2−-N、NO3−-N的变化
图8 阶梯式降温反应器升温后NH4+-N、NO2−-N、NO3−-N的变化
3 结论
1)对30 ℃稳定运行的ASBR采用一次性降温和阶梯式降温至15 ℃的方式研究厌氧氨氧化脱氮性能。采用阶梯式降温方式比一次性降温方式的NH4+-N和NO2−-N去除率高3.7%和6.1%、总氮去除速率高0.48 mg·(g·h)−1、ΔNO2−-N/ΔNH4+-N更接近厌氧氨氧化反应的理论值、SAA高0.012g·(g·d)−1、TNRR高0.018 kg·(m3·d)−1，表明阶梯式降温方式优于一次性降温方式。
2)对一次性降温和阶梯式降温的ASBR采用一次性升温的方式进行活性恢复，一次性降温反应器活性恢复需要44周期，而阶梯式降温反应器活性恢复仅需要26周期，前者出水NH4+-N和NO2−-N浓度为1.7 mg·L−1和1.9 mg·L−1，后者出水NH4+-N和NO2−-N浓度为1.5 mg·L−1和1.6 mg·L−1，表明阶梯式降温方式更有利于厌氧氨氧化菌的活性恢复。(来源：环境工程学报 作者：邵兆伟)
