短程反硝化/厌氧氨氧化混合生物膜反应器处理制药废水的可行性

作者：Jingwen Zhang, Yongzhen Peng, Xiangchen Li, Rui Du^*

单位：National Engineering Laboratory for Advanced Municipal Wastewater Treatment and Reuse Technology, Engineering Research Center of Beijing, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China

关键词：

制药废水

短程反硝化/厌氧氨氧化

生物膜

功能性细菌富集

胞外聚合物（EPS）

摘要：

由于生物毒性和抑制作用，如何从制药废水中去除生物氮已引起越来越多的关注。在这项研究中，首次提出了一种将短程反硝化与厌氧氨氧化（Partial-denitrification with anaerobic ammonia oxidation，PD/A）结合在测序生物膜间歇式反应器（Sequencing biofilm batch reactor，SBBR）中运行的新方法，并证明该方法可有效处理硝酸铋和柠檬酸铋钾制造废水，含有6300plusmn;50 mg L^-1和15300plusmn;50 mg L^-1的氨（NH₄ -N）和硝酸盐（NO₃^--N）在进水总氮（Total nitrogen，TN）为100 mg L^-1，NO₃^--N /NH₄ -N为1.0时，厌氧氨氧化活性最高。长期运行表明，使用合成进水30天后PD/A生物膜迅速发育，TN去除率从40.9%提高到80.8%。值得注意的是，PD/A的关键菌具有较高的耐受性，对制药废水适应迅速，进水NH₄ -N和NO₃^--N的相对稳定的TN去除率分别为81.2%和77.9plusmn;2.6和104.1plusmn;4.4 mg L^-1 COD/ NO₃^--N相对较低，为2.6。厌氧氨氧化途径对TN去除的贡献达到83.6%。随着对抑制条件的响应，三圈螺旋结构蛋白质的增加，获得了松散结合的细胞外聚合物的显着增加。高通量测序分析表明，功能属Thauera在两种生物膜中高度富集（9.5%→43.6%），悬浮生物量（15.5%→57.5%）在高NO₂^--N积累中起关键作用。而厌氧氨氧化菌在生物膜中从7.8%降至1.6%，悬浮污泥中从1.8%降至0.1%。总体而言，本研究为高强度制药废水处理提供了一种新方法，能耗低，运行成本高，效率高。

1. 引言

随着近几十年健康药物的快速发展，药品生产需求的增加引起了公众的关注。由于高浓度难降解有机污染物，无机氮化合物和盐对水质的潜在影响，制药废水已成为严重的环境问题（Gadipelly et al., 2014; Wang et al., 2020a; Zhao et al., 2019）。在这些污染物中，无机氮越来越受到关注，因为它会引起严重的富营养化和致病性，特别是高浓度的NO₃^--N。物理化学方法已被用于去除不同类型的污染物，例如使用电离辐射耦合技术去除废水中的抗生素和抗菌药物抗性基因（Antimicrobial resistance genes，ARGs）（Chu et al., 2021）。此外，混凝，吸附，气浮，离子交换和膜分离方法也常用于制药废水中的有机化合物和重金属（Chen et al., 2020a; Rasouli et al., 2017; Rathi and Kumar, 2021）。至于脱氮，生物处理方法无疑是最经济有效的去除废水中氮的方法，因为它具有节约成本，高效和副产物少的特点（Chen et al., 2020b; Qiu et al., 2021）。然而，各种抑制因素对微生物活性有负面影响，限制了生物处理的效率，不同类型的制药废水迫切需要新技术（Chelliapan et al., 2011）。

与传统的脱氮工艺相比，厌氧氨氧化工艺被认为是废水中生物脱氮最具成本效益和生态效益的方法（Cao et al., 2019c; Lin and Wang, 2017）。它在缺氧条件下直接将NH₄ -N和NO₂^--N转化为氮气（Nitrogen gas，N₂），产生11%的NO₃^--N。它已成功用于处理富含铵的废水，如消化家禽马铃薯加工废水（Lackner et al., 2014; Shi et al., 2016; van der Star et al., 2007）。然而，厌氧氨氧化细菌生长缓慢（10-x223C 30天的倍增时间）并且对环境胁迫（例如pH，温度，有机物）极其敏感（deGraaf et al., 1996; Fux et al., 2004; van der Star et al., 2008）。这通常会导致脱氮性能的严重恶化（Weralupitiya et al., 2021）。更重要的是，厌氧氨氧化工艺不仅不能去除废水中的NO₃^--N，而且由于该反应中NO₃^--N的产量为11%，因此存在氮残留物（Du et al., 2019b）。这限制了其自身的应用，特别是对于含有高浓度NO₃^--N的工业废水，需要进一步的组合工艺加以处理。

短程反硝化（PD，NO₃^--N→NO₂^--N）通过厌氧氨氧化技术为脱氮提供了可能的生物过程（Cao et al., 2017）。通过结合PD和厌氧氨氧化，可以同时去除合成废水中的高浓度NH₄ -N和NO₃^--N（Du et al., 2019a, 2019b）。与传统的硝化/反硝化工艺相比，PD/A工艺不需要曝气能量，节省了有机碳源的需求，降低了污泥产量和温室气体，再加上对NO₃^--N和NH₄ -N的高去除效率从而使得其具有处理工业废水的巨大潜力，此外许多报道也证明了这一点（Cao et al., 2019a; Du et al., 2016; Han et al., 2021）。迄今为止，关于使用厌氧氨氧化从工业和制药废水中去除氮的研究报道很少，主要集中在颗粒污泥系统中的两阶段短程硝化与厌氧氨氧化工艺相结合（Daverey et al., 2013; Shen et al., 2012; Tang et al., 2011）。据我们所知，新型PD/A工艺在单级生物膜处理含有NO₃^--N和NH₄ -N的制药废水中的可行性和性能还有巨大的研究空间。

另一方面，厌氧氨氧化微生物可能被反硝化细菌过度竞争，并且由于其低得多的生长速率而在抑制胁迫下从系统消失。这将严重破坏除氮性能，甚至难以回收。应考虑有效保留生长缓慢的细菌，特别是对于真正的工业废水。出于这个原因，生物膜的形成为整合的PD/A过程提供了有效的替代方案，该过程被认为保留并减少了厌氧菌的洗出（Fernaacute;ndez et al., 2008; Gilbert et al., 2015）。此外，与悬浮污泥相比，附着的生物质对有毒化合物具有更高的耐受性（Phanwilai et al., 2020）。因此，提出了一种新的PD/A生物膜概念来处理含有高强度NO₃^--N和NH₄ -N的制药废水。

这项工作的目的是开发和探索综合PD/A工艺处理低pH和高盐度的含有NO₃^--N和NH₄ -N的实际制药废水。建立了实验室规模的PD/A-SBBR，用于评估实际废水的长期脱氮性能。综合研究了生物膜形成过程中生物量性质和微生物群落结构的变化以及关键细菌的富集。还分析了EPS对从设置到适应阶段进料与真实废水抑制作用的微生物响应。这项工作的结果有助于深入了解微生物机制并有望为制药废水生物处理提供一种有前途的方法。

1. 材料与方法
   1. 反应器设置与运行

本研究在由甲基丙烯酸甲酯制成的一体化缺氧固定床生物膜SBR中进行，工作体积为10.0 L。反应器的示意图如图S1所示。通过使用不锈钢丝将总共140个空白载体缠绕在一起，然后固定到填充率为12.6%的塑料架中。载体是由比表面积为500 m ²/m ³的聚乙烯制成的圆筒。表S1中描述了生物膜载体的更多特征。

在操作期间，系统的水力停留时间（Hydraulic retention time，HRT）控制在20小时。每个SBBR循环包括填充10分钟，混合600分钟，生物质沉降30分钟和抽出液体10分钟。在加入反应器之前，通过添加5.0 M NaOH将进水罐中的pH值保持在7.0-7.5。反应器在没有任何温度控制器的环境温度下操作。长期运行分为四个阶段，如表1所示：阶段I-II（第1-50天）包括启动阶段和稳定运行阶段，而阶段III-Ⅳ（第51-180天）实际制药废水开始在反应器中进行处理。

表1

PD/A-SBBR在不同阶段的运行情况