污水處理技術之Anammox厭氧氨氧化+MBR膜生物反應器

對于Anammox厭氧氨氧化菌在污水脫氮方面的優點，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器中是系統能否成功運行的關鍵因素之一。MBR膜生物反應器在HRT和SRT的分離上有天然的優勢。荷蘭和羅馬尼亞的團隊曾利用MBR膜生物反應器來富集培養厭氧氨氧化菌，其設計為后來的相關研究提供了借鑒。

荷蘭和羅馬尼亞研究團隊設計的富集培養厭氧氨氧化菌的MBR反應器，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隊也做過大量有關厭氧氨氧化菌富集培養的研究，可參考其發表的文章 Comparison between MBR and SBR on Anammox start-up process from the conventional activated sludge

在前人研究的基礎上，日本名古屋大學的一科研團隊(Takanori Awata等人)對MBR與Anammox的結合進行了更加深入的探索。他們在2015年的Water Science &Technology發表了一篇題為《厭氧氨氧化膜生物反應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。

實驗背景

溫度是影響厭氧氨氧化反應表現的關鍵因素之一。厭氧氨氧化菌是對一類菌的統稱，有許多研究者對不同種類厭氧氨氧化菌的生理特點進行了相關研究。例如研究發現 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℃。

實際工程應用中，有研究人員對厭氧氨氧化菌在低溫環境下的表現進行了研究，但他們得到的結論卻不大一致：有些研究顯示厭氧氨氧化菌能夠適應低溫狀態，而另外一些則顯示低溫會對菌種產生不可逆的抑制作用，原因是亞硝態氮富集所產生的毒性。還有研究稱雖然總體上氮去除量仍能達標，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行研究，并稱每一種細菌都有各自的內在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，日本名古屋大學的科研團隊決定將溫度敏感性和MBR結合在一起做實驗，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

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

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

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

實驗結果

實驗結果顯示，在35℃和15℃的環境下，反應器的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短時間里溫度的迅速變化，但是這也不同于一些文獻得出的低溫會對厭氧氨氧化菌造成不可逆損害的結論。有趣的是，在連續三次將溫度從低溫切換升回至其理想反應溫度(35℃)的操作后，其選用的厭氧氨氧化菌仍舊能很快地恢復活性，研究人員認為這也是使用MBR反應器的優勢所在。

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溫度的變化，而用其他菌種做測試可能會得到不一樣的結果，他們也因此考慮針對這一點做對照實驗。

另一方面，研究人員利用熒光原位雜交(FISH)和16S-rRNA的分子生物學方法對樣品進行了分析。結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生明顯改變，研究人員認為這是因為厭氧氨氧化生物質在MBR反應器得以完全保留。

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

結論展望

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