附件C：译文
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短程硝化和厌氧氨氧化工艺：一种用于处理高浓度光
电工业废水的方法
Achlesh Davereya, Sin-Han Sua, Yu-Tzu Huangb, Shiou-Shiou Chenb, Shihwu Sungc, Jih-Gaw Lina
论文信息： 2012年10月16日收到
2013年1月3日收到修改稿 2013年1月17日接受 2013年2月4日在网上发布
摘要：亚硝酸盐的完全自养脱氮（CANON）工艺是用一个18L的序批式反应器
（SBR）来处理含有高浓度氨氮（3712±120毫克NH4-N）的光电工业废水，在负荷率为909 g N m?3 d?1、水力停留时间为4天时，总氮和NH4+-N的去除率分别约为89%和98%。CANON工艺的巨大改革表现在高DO（超过1mg·L-1）曝气和高亚硝酸盐（超过100 mg·L-1）浓缩，其中高DO曝气的抑制作用是可逆的，而NO2-盐、NH4+和NO2-的协同抑制作用是不可逆的。反应温度在17℃和37℃之间的波动并不影响CANON系统的性能。CANON能在高氮负荷率下稳定控制超过一个月，通过PCR分析可以检测到好氧和厌氧性氨氧化细菌共存于反应器中。通过对487天的qPCR检测分析发现厌氧氨氧化菌的数量在一段258天的期间内增加了约5倍。
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关键词：光电废水；厌氧氨氧化；短程硝化；序批式反应器。
1 引言
由于氮对环境存在潜在威胁，如何从废水中去除氮的研究获得了很大的关注。一般来说，像硝化 - 反硝化和厌氧氨氧化（氨氧化）之类的生物方法常被用来去除废水中的氮。在这些方法中厌氧氨氧化反应已经变得越来越流行，因为它以亚硝酸盐作为电子受体（van Graaf 等人, 1996）直接将氨转换至氮气，是一种去除氨的快捷循环方式。与传统的工艺（硝化接着脱氮）相比，用厌氧氨氧化反应从污水中去除氮的应用具有许多优点，因为它是一个单一的反应器中厌氧自养系统，消耗更少的能量，也没有必要添加额外的碳源（Siegrist等人，2008; van Graaf等，1996）。然而，这个过程取决于亚硝酸盐的剩余情况，这实际上是一
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种不常见的废水，而另一方面亚硝酸盐还可以通过局部硝化过程产生。因此，结合一个单一的反应器中部分硝化的作用，兼有厌氧氨氧化菌和好氧氨氧化菌（AOB）的厌氧氨氧化反应，可以克服传统厌氧氨氧化过程中的缺点。这个过程就被称为亚硝酸盐的完全自养脱氮（CANON） (Sliekers 等, 2002; Third 等, 2001)。在这个过程中，首先在低氧气浓度下，氨在AOB作用下部分转化成亚硝酸盐（式（1））；其后，厌氧氨氧化菌将氨和亚硝酸盐转化为到氮气（式（2））。CANON工艺的总化学计量式如（3）所示（Strous，2000）。
1NH3+1.5O2→NO2?+H2O+H+ （1） 1NH3+1.3NO2?+H+→1.02N2+0.26NO3?+2H2O （2） 1NH3+0.85O2→0.11NO3?+0.44N2+1.43H2O+0.14H+ （3） 由于厌氧氨氧化菌的生长速度缓慢，对于不同的反应器结构都有过研究，如流化床反应器（van Graaf等人，1996），序批式反应器（Strous等，1998），膜生物反应器（Trigo等人，2006）。在这些反应器中，序批式反应器（SBR）被认为是最适合厌氧氨氧化菌的生长的反应器，因为它完成生物质潴留，从而有效地降低了细菌倍增时间（在流化床反应器中需要30天，在SBR中只需11天）（ Strous等人，1998;。van Graaf 等人，1996）。
在过去的几年里，为了满足世界各地对电子设备不断增加的需求，高科技产业如光电和半导体行业也水涨船高地快速发展起来，并在台湾经济中起着至关重要的作用。从这些工业产生的废水自然是复杂的，危险的，这就需要在将污水排放到环境之前进行适当处理，以满足污水排放标准。由于工业废水缺乏人体必需的微量元素和营养物质，这种情况在另一方面使得有必要进行生物脱氮的事实加剧。在文献中，只有少数研究已经报道了从高科技工业废水中生物脱氮（Chen等，2003; Daverey等人，2012; Kumar等，2012）。据我们所知，没文献报道关于用CANON工艺来处理含高浓度氨氮的光电工业废水的研究。所以，目前的研究侧重于在一个18L实验规模的SBR中应用CANON工艺对高浓度的光电工业废水进行脱氮。
2 材料和方法
2.1 序批式反应器（SBR）的实验装置和操作条件
一个SBR反应器的工作容积是18升，是利用之前已经建好用来处理合成废水的装置，现在用来研究从光电工业废水中脱氮。图1（a）是SBR启动的示意图。直径为3厘米的聚氨酯球分别插在反应器中以提高生物量保留率，载流子（合计数目100个）放置为在反应器壁表面的单层上面的空气扩散器和混频器上，放置在反应器中的载波的总体积为750立方厘米。在反应器中使用的液体介质的总
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体积为18 L，SBR以24小时为一个周期循环操作，其中进料和反应阶段为23.4小时，沉淀阶段为0.45小时，调整阶段为0.15小时。如图 1（b）所示。将培养期延长至12小时，是为了避免冲击负荷。蠕动泵和一个出水端口供给废水进入反应器，并排出上清液；DO水平保持在低于0.5 mg·L-1，DO控制器系统（站内IG模型1000CE，LA）配备DO仪和滚针风量阀。通过使用一个恒温水套，将反应器的温度在初始94天保持在37℃，之后保持在25℃（从95天到199天及416到487）。第200天至415天之间在环境温度（17.5-36℃）下运行。通过在入流废水投加碳酸氢钠（NaHCO3）作为CaCO3计，将流出物的碱度控制在800?850 mg·L-1。
图1
（a）18L序批式反应器（SBR）以及载体的配置，（b）在SBR分配的操作循环的示意图
2.2 接种污泥和饲养媒介
用从处理合成废水污泥（兰等人，2011）中得到的污泥接种到CANON工艺中的SBR。最初（第1天），反应器中混合液的挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）为1370 mg·L-1。在第94日，将台湾一个安全垃圾填埋场的渗滤液处理厂收集的新种泥接种到反应器里，增加反应器的MLVSS浓度至2800 mg·L-1。从这个垃圾填埋渗滤液处理厂的污泥可以同时检测到厌氧氨氧化菌、亚硝化类微生物和反硝化菌。此外，在第306天从反应器中排出一部分污泥（16克），加入新的种子污泥（31克）以恢复反应器的性能，这是因为亚硝酸盐的累积产生了抑制作用，所以需要排除一部分。经过这个顺序放出和补给污泥后，MLVSS的浓度约是2589
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mg·L-1。进料废水是从位于台湾台南的光电产业收集而来，并储存在冰箱中，保持4℃。废水的特性见表1。由表1可见，该废水具有强碱性（pH值9.7），非常丰富的无机氮，其中NH4+-N（3712±120 mg·L-1）和TKN浓度（3799±9 mg·L-1）几乎是相同的。以矿质培养基和微量元素（Sliekers等人，2002）作为营养物供给废水来满足厌氧氨氧化菌的聚合和生长。矿物培养基（以mg·L-1计）的主要成分为 KHCO3, 1250; KH2PO4, 25; CaCl2·2H2O, 300; MgSO4·7H2O, 200 and FeSO4, 6.25。此外，NaHCO3主要作为污水中厌氧氨氧化和硝化细菌的无机碳源。在将厌氧氨氧化菌引入到反应器之前，调节废水的pH值至7.8-8.0，这是其最佳的适应pH值。
表1 原始光电工业废水的主要特点。
2.3 微生物分析
为了识别微生物群落和量化厌氧氨氧化菌，分别在第229天（抑制反应器性能之前）、304天（抑制反应器性能期间）、487天（高脱氮率下的稳定状态）从反应器出水端口提取完全混合式悬浮生物样品，用聚合酶链反应（PCR）和定量PCR技术进行检测。有关PCR实验见早些时候的报道（Daverey等，2012）。样品的总基因组DNA是用电源土壤DNA分离试剂盒（MO BIO实验室，美国）进行提取，DNA浓度是用基因定量光度计（Amersham Biosciences社制，匹兹堡，宾夕法尼亚州，美国）来测定。在96孔渐变掌上型基因扩增仪（科贝特研究有限公司，奥地利）上进行PCR反应，每次反应有25μl容积的液体，包含1μl的DNA模板（约50毫微克），每种引物1μl（10μM），9.5μl无菌水和12.5μl Taq酶PCR主要混合液(Genomics BioSd & Tech, Taiwan)。用于检测AOB、亚硝酸盐氧化菌（NOB）、反硝化细菌和厌氧氨氧化菌的引物组分别是amoA-1F/amoA-2R（Rotthauwe等，1997），Nitro-1198f/Nitro1423r（Knapp和Graham，2007）和NSR-1113f/NSR-1264r（Dionisi等人，2002），nirS-1F/nirS-6R（Braker等，1998），
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以及AnnirS379F/AnnirS821R（Li等，2011）。针对厌氧氨氧化菌的物种特异性，引物组KS-qF3/KS-qR3用于Candidatus Kuenenia stuttgartiensis（KS），而BAqF/ BAqR用于Candidatus Brocadia anammoxidans（BA）。通过琼脂糖凝胶电泳和DNA测序来确保PCR检测的结果。用于qPCR分析的引物分别是BACT1369F/PROK1492R（Suzuki等人，2000）和Amx809F/Amx1066R（Tsushima等人，2007），用于检测所述真细菌和大多数的厌氧氨氧化细菌。每次反应有10μl容积，包含1μl的DNA模板（约50毫微克），每种引物（10μM）0.5μl，3μl无菌水和5μlSsoFast?EvaGreen?Supermix的荧光染料。循环参数如下：变性30秒，95℃;40次循环5秒，95℃；退火5秒，用BACT1369F/PROK1492R时温度为54℃，或用Amx809F/Amx1066R时温度为58℃；随后是解离阶段（95℃维持15秒，65℃维持15秒，然后缓慢加热到95℃）。熔解曲线没有检测到峰值（峰值显示引物二聚体的构件物和其他非特异性PCR扩增产物的关联性）,qPCR的标准曲线（见补充图S2）的 R2值总是大于0.99，琼脂糖凝胶电泳确保了 qPCR产物的特异性。
2.4 分析方法
氮化合物、TKN、悬浮固体（SS）、挥发性悬浮固体（VSS）和混合液悬浮固体（MLSS）浓度，MLVSS及碱度都是根据标准方法（APHA，1998）每周测定两次或三次。进水和出水中NH4+-N、NO3--N和NO2--N的浓度用分光光度法测定。工艺参数如pH，ORP和DO分别采用pH计，氧化还原电位计（新达PC3200，台湾）和DO计（站内IG模型1000CE，美国）进行监测。
3 结果与讨论
3.1 从光电工业废水中脱氮
CANON是在氧受限的条件下去除NH4+-N的单一反应器工艺。在这项研究中，由CANON工艺中从SBR中去除NH4+-N研究了较长时间（487 天）。这项脱氮研究分为四个不同的阶段：反应器启动（1-164天）；SBR性能研究（165-235 天）； 溶解氧，亚硝酸盐，氨和亚硝酸的抑制研究（233-373天）和高氮负荷率（NLR）的研究（374-487 天）。NH4+-N的进水浓度、HRT和NLR集中影响随着时间的每个阶段各不相同的，参见表2。为了评估CANON系统，我们多亚硝酸盐和硝酸盐的残余铵率（η）的性能进行了计算，如前面（Daverey等人，2012）报道。据CANON工艺化学计量式（公式（3）），η的值应该接近11％。较高的η值表明了NOB在反应器中很活跃，与CANON工艺系统中存在的亚硝酸盐竞争底物。
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