朱潇枫1，崔超2
1. 合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥230000）
[摘要]高密度聚乙烯载体存在表面光滑、带负电荷、亲水性差等问题，限制了生物膜的生长。本研究将活性炭通过铁离子浸渍进行改性，采用热熔法制备了几种新型复合载体，然后将载体投入亚硝化-厌氧氨氧化反应器，研究不同载体挂膜效果的差异性。结果表明，铁含量为9%的复合载体挂膜效果最好，相比高密度聚乙烯载体，其蛋白和多糖含量分别提高了27%和19%，氨氧化菌和厌氧氨氧化菌活性分别提高了16%和20%，有利于亚硝化-厌氧氨氧化工艺的启动。
[关键字] 厌氧氨氧化；活性炭；复合载体；挂膜
厌氧氨氧化（Anammox）是一种新型脱氮技术，具有脱氮速率快、成本低等优势[1]。Anammox工艺衍生出的如亚硝化-厌氧氨氧化工艺（PN/A）在处理含氮废水时，通过好氧氨氧化菌（AOB）和Anammox菌的协同作用来脱氮。然而Anammox菌和AOB生长速度缓慢，污泥易流失，不利于工艺启动[2]。目前的此工艺多采用悬浮污泥系统，相比活性污泥法，生物膜法具有生物量浓度大、菌群结构丰富的附着相污泥，而载体对生物膜法的处理性能影响很大[3]。其中载体表面的理化性质、表面粗糙度、孔隙结构等对生物膜的形成起决定性作用[4]。
惰性有机载体如高密度聚乙烯（HDPE）载体，具有密度小、机械强度高等优点，但是其表面光滑、带负电荷，不利于微生物的附着生长。活性炭（AC）是常见的一种无机载体，具有表面粗糙、比表面积大等优点[5]。有人将AC与废弃的聚乙烯载体结合，提高了20.2%的附着生物量[6]。基于这两种载体的特点，将二者结合可促进生物膜形成。但AC存在缺陷如电中性和疏水性，需将其表面改性，方法常见的有金属氧化物浸渍法等[7]。有报道称铁容易被胞外聚合物（EPS）吸附，而EPS是生物膜的主要成分，铁还能增加材料的正电[8]。因此将铁引入AC有利于微生物附着生长。Xu等人将采用铁离子浸渍法来改性碳纤维，提高了其表面粗糙度和亲水性，加快了挂膜速度[9]。而目前关于复合载体的研究较少。
基于以上背景，本研究制备了几种新型复合生物载体，并探究不同铁含量的复合载体在PN/A反应器内挂膜效果的差异性，并研究其机理，为实际工程应用中载体的选择提供参考依据。
1. 材料与方法
1.1 复合载体的制备
采用金属浸渍法改性AC，首先用适当浓度的氯化铁溶液浸渍AC（200目），使得每克AC分别获得约3%、6%、9%的铁含量，震荡混合5 h。然后105oC干燥12 h。最后，300oC煅烧4 h，冷却后干燥备用。
以HDPE载体（长度和直径均为10 mm）为骨架，将未改性的、铁改性的AC负载在其表面，制备了多种复合载体，其中铁含量为9%、6%、3%和0%的AC复合载体命名为9wt%Fe AC-HDPE载体、6wt%Fe AC-HDPE载体、3wt%Fe AC-HDPE载体和AC-HDPE载体。将HDPE载体和AC放入反应釜中压实，210oC加热30 min，冷却后水洗并用超声去除多余的AC。各种载体的的特性如表1所示，Zeta电位使用Zeta电位分析仪测定，4 h含水率是将载体在水中浸泡1 h，然后在20oC下自然干燥4 h，载体增加的质量与载体的干重之比。
表1 生物载体的特性
载体 Zeta电位
（mV） 4 h含水率
（%）
9wt%Fe AC-HDPE载体 24.4±10.8 12.36
6wt%Fe AC-HDPE载体 19.9±1.0 10.34
3wt%Fe AC-HDPE载体 10.8±0.3 9.75
AC-HDPE载体 -15.4±1.9 8.88
HDPE载体 -39.4±0.7 0.86
1.2 实验装置
反应器是由有机玻璃制成的圆柱体，有效体积为10 L，充水比为0.5，水力停留时间为16 h，溶解氧（DO）浓度保持在0.5 mg/L以下，pH保持在7.8-8.0，温度保持在32±2℃。
1.3 实验设计
启动亚硝化的接种污泥取自合肥市某污水处理厂。Anammox污泥取自实验室内Anammox反应器。载体的填充比为20%。实验分两个阶段，一阶段是亚硝化阶段（1 d-20 d）；二阶段是PN/A阶段（21 d-120 d）。反应器在实验期间均稳定运行，表明其AOB和Anammox菌活性良好。实验用水采用模拟废水，氮源采用NH4Cl，进水氨氮浓度为300 mg N/L，其组分根据以前的报道[10]。
1.4 挂膜实验
每7 d随机采集3个载体，测定生物膜的EPS（多糖和蛋白），在90℃下加热15 min使得细胞裂解[11]。多糖分析采用苯酚-硫酸法，蛋白分析采用改良的Lowry法[12]。
AOB活性约30d测定一次，采用批次实验。实验装置为250 mL烧杯，设两个平行实验。装入20个来自反应器的载体，然后加入100 mL模拟废水并设定氨氮浓度为50 mg N/L，DO为3±1 mg/L，pH为7.5，温度控制在32±2℃。测定氨氮随时间变化斜率，取样时间为1 h。亚硝化速率根据氨氮的降低速率计算，然后根据mg N/(L?h)量化为特定亚硝化速率（SNR）。
Anammox菌活性实验测定的实验装置采用250 mL玻璃瓶并贴锡箔纸以蔽光，模拟废水设定氨氮浓度和亚硝态氮浓度都为50 mg N/L，通入N2以去除DO，其他与AOB活性测定相同。Anammox速率量化为特定Anammox速率（SAR）。
2. 结果与讨论
2.1生物膜EPS分析
由图1（A）可知，相比HDPE载体，复合载体的生物膜生长速率增加明显。9wt%Fe AC-HDPE载体蛋白含量在第76天便接近稳定，6wt%Fe AC-HDPE载体、3wt%Fe AC-HDPE载体和AC-HDPE载体的稳定时间接近98天，而HDPE载体在120天仍未稳定。第120天时，9wt%Fe AC-HDPE载体、6wt%Fe AC-HDPE载体、3wt%Fe AC-HDPE载体和AC-HDPE载体相比HDPE载体分别提高了27%、20%、21%和13%。表明载体表面正电荷越多，越有利于挂膜。这主要是由于微生物通常带负电荷，当载体表面带正电时与微生物产生静电吸引作用，反之排斥。
如图1（B）所示，铁改性提高了多糖含量。铁改性复合载体多糖浓度稳定所需时间少于AC-HDPE载体和HDPE载体。第120天时，9wt%Fe AC-HDPE载体、6wt%Fe AC-HDPE载体、3wt%Fe AC-HDPE载体和AC-HDPE载体相比HDPE载体分别提高了19%、26%、19%和4%。结果表明铁改性AC可以提高胞外多糖含量，增强了载体的附着性以及生物膜的生长。
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2.2生物膜活性分析
如图2（A）所示，在1-44天，复合载体上AOB的活性增长较快，而HDPE载体活性很低，这与上文结论类似，AC表面粗糙的结构有利于微生物初始的附着生长。在第88天时，铁改性AC-HDPE载体的AOB活性已达稳定，AC-HDPE载体接近稳定，HDPE载体也有活性，但明显小于复合载体。在120天时，9wt%Fe AC-HDPE载体、6wt%Fe AC-HDPE载体和3wt%Fe AC-HDPE载体的AOB活性相比HDPE载体分别提高了16%、17%和15%，AC-HDPE载体与其相差无几。这有可能是因为AOB是好氧菌，通常都生长在载体的外层，外层生物膜的粘附力取决于外层微生物和内层微生物的相互作用力，与内部材料表面相关性不大，而铁改性复合载体由于正电荷的吸引，对AOB有亲和作用[13]。
如图2（B）所示，在23-44天，当水环境中引入Anammox菌后，Anammox菌与载体密切接触并附着生长。复合载体上Anammox菌的活性增长较快，而HDPE载体活性很低，与前文类似。在第88天时，只有9wt%Fe AC-HDPE载体的Anammox菌活性基本达到稳定，其他载体的活性仍然未达到最大值。第120天时，9wt%Fe AC-HDPE载体、6wt%Fe AC-HDPE载体、3wt%Fe AC-HDPE载体和AC-HDPE载体的Anammox菌活性相比HDPE载体分别提高了20%、13%、16%和7%。这是因为Anammox菌是厌氧菌，喜爱在载体的内层，AC发达的孔隙结构和巨大的比表面积为其提供合适的环境，再加上铁改性后的AC的正电吸引，更利于附着。结果表明铁改性AC-HDPE载体能快速富集自养细菌。
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3. 结论
（1）9wt%Fe AC-HDPE载体、6wt%Fe AC-HDPE载体、3wt%Fe AC-HDPE载体和AC-HDPE载体的蛋白含量相比HDPE载体分别提高了27%、20%、21%和13%，多糖含量分别提高了19%、26%、19%和4%
（2）AOB活性分别提高了16%、17%和15%，AC-HDPE载体与其相差无几；Anammox活性分别提高了20%、13%、16%和7%。
结果表明，9wt%Fe AC-HDPE载体的性能最佳，能满足水处理用载体性能的基本要求，有利于PN/A工艺的启动。
4. 参考文献
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基金项目：安徽省科技重大专项（18030801102）。
作者简介：朱潇枫（1996-），男，湖南岳阳，硕士，废水处理。