污水处理技术之Anammox厌氧氨氧化+MBR膜生物反应器

对于Anammox厌氧氨氧化菌在污水脱氮方面的优点，IWA公众号的不少文章都有所提及。但是，厌氧氨氧化菌的生长速度慢（世代倍增时间一般为15-30天），如何实现厌氧氨氧化的快速启动，使厌氧氨氧化菌快速富集并保留在反应器中是系统能否成功运行的关键因素之一。MBR膜生物反应器在HRT和SRT的分离上有天然的优势。荷兰和罗马尼亚的团队曾利用MBR膜生物反应器来富集培养厌氧氨氧化菌，其设计为后来的相关研究提供了借鉴。

荷兰和罗马尼亚研究团队设计的富集培养厌氧氨氧化菌的MBR反应器，更多信息可参考文章 The Membrane Bioreactor: A Novel Tool to Grow Anammox Bacteria as Free Cells。另外，来自中国大连理工和哈工大的团队也做过大量有关厌氧氨氧化菌富集培养的研究，可参考其发表的文章 Comparison between MBR and SBR on Anammox start-up process from the conventional activated sludge

在前人研究的基础上，日本名古屋大学的一科研团队(Takanori Awata等人)对MBR与Anammox的结合进行了更加深入的探索。他们在2015年的Water Science &Technology发表了一篇题为《厌氧氨氧化膜生物反应器在低温下的脱氮效果(Nitrogen removal using an anammox membrane bioreactor at low temperature)》的文章，希望通过实验验证Anammox菌是否能够在低温下保持活性，而MBR是否能够有效地留住生物质。

实验背景

温度是影响厌氧氨氧化反应表现的关键因素之一。厌氧氨氧化菌是对一类菌的统称，有许多研究者对不同种类厌氧氨氧化菌的生理特点进行了相关研究。例如研究发现 Candidatus Brocadia anammoxidans、Candidatus Kuenenia stuttgartiensis 和 Candidatus Brocadiasinica 三种厌氧氨氧化菌的理想温度分别为 20–43℃ , 25–37℃ 和25–45℃。

实际工程应用中，有研究人员对厌氧氨氧化菌在低温环境下的表现进行了研究，但他们得到的结论却不大一致：有些研究显示厌氧氨氧化菌能够适应低温状态，而另外一些则显示低温会对菌种产生不可逆的抑制作用，原因是亚硝态氮富集所产生的毒性。还有研究称虽然总体上氮去除量仍能达标，但是温度下降会使脱氮速率降低。另外，有研究人员对来自海洋的厌氧氨氧化菌进行研究，并称每一种细菌都有各自的内在zui适宜温度，而这些海洋厌氧氨氧化菌似乎比淡水菌种更偏好相对较低的温度。

在这样的背景下，日本名古屋大学的科研团队决定将温度敏感性和MBR结合在一起做实验，探索厌氧氨氧化菌能否在低温下保持较好的活性而且不会流失。

实验方法

日本研究人员设计的反应系统如下图。反应器体积为0.64L，采用浸入式的MBR，膜采用PE材质的中空纤维膜(孔径大小为0.03 μm，总的比表面积为0.18m2，通量为0.05m/d)。进水采用人工合成的营养液(参照的是1996年荷兰van de Graaf团队使用的配方)。进水量为9L/d，HRT为1.7小时。

研究人员每个月对膜进行一次清洗。接种污泥取自一个上流式的反应器，“Candidatus Brocadia sinica” 是其中的优势菌种。生物质每两周清除一次，使MLSS浓度维持在8000 mg/L，SRT设定在88天左右。

温度的变化情况如下边的表格来设置，在35℃和15℃之间切换，共六个阶段。在15℃的环境下，研究人员会降低硝态氮浓度来防止其对厌氧氨氧化菌活性的抑制。此外，他们还对反应器加入氮气(600mL/min)并使之循环，pH控制在6.5-7.5之间。

实验结果

实验结果显示，在35℃和15℃的环境下，反应器的zui大脱氮率分别为6.7g-N/L/d和1.1g-N/L/d。

上图显示研究人员所选的菌种不能适应短时间里温度的迅速变化，但是这也不同于一些文献得出的低温会对厌氧氨氧化菌造成不可逆损害的结论。有趣的是，在连续三次将温度从低温切换升回至其理想反应温度(35℃)的操作后，其选用的厌氧氨氧化菌仍旧能很快地恢复活性，研究人员认为这也是使用MBR反应器的优势所在。

研究人员也提到了实验本身的一些局限性，例如切换时间较短等。他们认为这个实验里使用的厌氧氨氧化菌需要更长的过度时间来适应温度的变化，而用其他菌种做测试可能会得到不一样的结果，他们也因此考虑针对这一点做对照实验。

另一方面，研究人员利用荧光原位杂交(FISH)和16S-rRNA的分子生物学方法对样品进行了分析。结果显示厌氧氨氧化菌群落的主要种群没有随温度变化而发生明显改变，研究人员认为这是因为厌氧氨氧化生物质在MBR反应器得以完全保留。

厌氧厌氧化菌生物质在35℃(a)和15℃(b)温度条件的FISH图(右下角的尺寸是10um)

结论展望

虽然实验中所选取的厌氧氨氧化菌种不能适应温度急剧下降的环境，但其能在恢复到理想温度后快速恢复活性，这也是该研究的一个亮点。未来，名古屋大学的研究人员会考虑使用温度递减的方式再进行实验，来验证厌氧氨氧化菌的数量和种群构成是否会在一个较为长期的运行环境下发生变化。