厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動及其脫氮性能研究

朱清江，張大超，熊昌獅，代振鵬，王俊蔚，吳速英

（江西理工大學(xué)江西省礦冶環(huán)境污染控制重點實驗室，江西贛州341000）

厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動及其脫氮性能研究

朱清江，張大超，熊昌獅，代振鵬，王俊蔚，吳速英

（江西理工大學(xué)江西省礦冶環(huán)境污染控制重點實驗室，江西贛州341000）

采用添加多層多孔板的升流式厭氧污泥床接種混合污泥，于78 d內(nèi)成功啟動厭氧氨氧化反應(yīng)器。第75天，反應(yīng)器對NH4+-N和NO2--N的去除率達(dá)95%以上，容積氮去除負(fù)荷達(dá)0.525 kg/（m3·d）。啟動后，快速提高進(jìn)水基質(zhì)濃度，反應(yīng)器出現(xiàn)抑制現(xiàn)象，且抑制前后三氮之比具有顯著變化。運行后期，底部出現(xiàn)紅棕色污泥。與普通的升流式厭氧污泥床相比，其具有噴動床效應(yīng)及水利篩分作用，有利于顆粒污泥的形成。

厭氧氨氧化；多孔板；基質(zhì)抑制；顆粒污泥；噴動床效應(yīng)

厭氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation，ANAMMOX）工藝是在缺氧條件下，利用厭氧氨氧化菌以氨（NH4+）和亞硝酸鹽（NO2-）為基質(zhì)轉(zhuǎn)化生成氮氣（N2）的新型生物脫氮技術(shù)。與傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)相比，厭氧氨氧化工藝具有能耗低、效能高、無需外加有機(jī)碳源、運行成本低等優(yōu)點〔1-3〕。但是，厭氧氨氧化菌對生存環(huán)境要求較嚴(yán)格，其倍增時間長（11 d）且個體較?。ㄖ睆剑?μm），極易流失〔4-5〕，成為限制厭氧氨氧化技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的重要因素。因此，如何實現(xiàn)反應(yīng)裝置中污泥的有效持留顯得尤為重要。

為保持反應(yīng)器內(nèi)的微生物量，國內(nèi)外學(xué)者利用微生物固定化技術(shù)來減少污泥的流失，如采用載體固定生物膜〔6〕、生物膜法截留〔7〕、培養(yǎng)沉降性能優(yōu)良的顆粒污泥〔7-8〕等，均取得一定的成果。但是，針對厭氧氨氧化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)本身的研究并不多，主要以SBR〔9-10〕、UASB〔11〕等為主。為此，開發(fā)一種新型高污泥持留能力的厭氧氨氧化反應(yīng)器有利于厭氧氨氧化技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用。

多孔板厭氧反應(yīng)器以UASB為原型，通過添加多層多孔板使整個反應(yīng)區(qū)沿豎向被分割成多個反應(yīng)區(qū)間，相當(dāng)于多個UASB反應(yīng)器串聯(lián)而成，具有強(qiáng)大的污泥持留能力。其特點：（1）多孔板篩板流速大于空塔流速，只有當(dāng)污泥沉降速度大于多孔板篩板流速時，顆粒污泥可穿過篩板，進(jìn)入下一反應(yīng)區(qū)間，具有噴動床效應(yīng)及水利篩分作用。（2）通過控制多孔板的開孔率及空塔流速，可以將具有不同沉降速度的污泥分隔在不同區(qū)間內(nèi)，形成分層現(xiàn)象。因此，可以認(rèn)為多孔板厭氧反應(yīng)器適合富集厭氧氨氧化菌。

本研究基于多孔板厭氧反應(yīng)器，混合接種、富集厭氧氨氧化菌，以減少菌體流失，實現(xiàn)厭氧氨氧化反應(yīng)器的快速啟動。通過試驗考察了反應(yīng)器啟動過程中的污泥脫氮性能及污泥生長情況，探討了多孔板厭氧氨氧化反應(yīng)器的運行特性。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置為有機(jī)玻璃制成的多孔板反應(yīng)器，如圖1所示。

圖1 試驗裝置

反應(yīng)器內(nèi)徑為100mm，有效高度900mm，有效容積7 L。通過水浴加熱維持反應(yīng)器內(nèi)溫度為（32± 1）℃。反應(yīng)器表面用不透光貼紙包裹，避免光照對厭氧氨氧化菌的影響。模擬廢水由蠕動泵泵入反應(yīng)器底部，且前期進(jìn)水曝氮氣20 min，以驅(qū)趕水中DO。通過調(diào)節(jié)蠕動泵的轉(zhuǎn)速控制反應(yīng)器的空塔流速為1m/h，多孔板1、2、3的開孔率分別為2.5%、5%、10%，對應(yīng)的多孔板篩板流速分別為40、20、10m/h。

1.2 試驗用水與接種污泥

反應(yīng)器進(jìn)水為模擬廢水。模擬廢水成分：KH2PO40.010 g/L，MgSO4·7H2O 0.030 g/L，CaCl20.004 g/L，KHCO31.250 g/L；和由NH4Cl和NaNO2按需提供；微量元素Ⅰ、Ⅱ各1.25mL/L。其中，微量元素Ⅰ：EDTA 5 g/L，F(xiàn)eSO45 g/L；微量元素Ⅱ：EDTA 15 g/L，ZnSO4·7H2O 0.43 g/L，CuSO4·5H2O 0.25 g/L，NiCl2·6H2O 0.19 g/L，MnCl2·4H2O 0.99 g/L，CoCl2·6H2O 0.24 g/L，Na2MoO4·2H2O 0.22 g/L，H3BO30.014 g/L。

接種污泥為1 L好氧活性污泥、0.5 L未培養(yǎng)成功的厭氧氨氧化污泥和0.5 L粉碎的厭氧顆粒污泥的混合污泥?；旌衔勰郙LSS為4.86 g/L，約占反應(yīng)器有效容積的30%。其中，好氧活性污泥取自江西金達(dá)萊環(huán)保股份有限公司，未培養(yǎng)成功的厭氧氨氧化污泥為好氧活性污泥經(jīng)富集厭氧氨氧化菌3個月未出現(xiàn)脫氮效能的污泥，粉碎的厭氧顆粒污泥取自湖南某污水處理廠。

1.3 操作條件

整個厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動過程可以分為5個階段：A階段（1～13 d）、B階段（13～35 d）、C階段（35～78 d）、D階段（78～100 d）和E階段（100～119 d），各階段試驗條件如表1所示。

表1 反應(yīng)器試驗條件

1.4 試驗分析項目與方法

按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》〔12〕，：納氏試劑分光光度法；：N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法；：紫外分光光度法；pH：PXS-450精密離子計；MLSS：重量法。

2 結(jié)果與討論

2.1 厭氧反應(yīng)器的脫氮效果

反應(yīng)器啟動歷時78 d，運行了119 d，其容積氮負(fù)荷、容積氮去除負(fù)荷和HRT隨時間的變化情況如圖2所示。

圖2 反應(yīng)器運行過程中容積氮負(fù)荷、容積氮去除負(fù)荷及HRT隨時間的變化

根據(jù)運行期間脫氮情況可分為5個階段：A階段（1～13 d）為菌體自溶期，B階段（13～35 d）為適應(yīng)期，C階段（35～78 d）為活性提高期，D階段（78～100 d）為基質(zhì)抑制與恢復(fù)期，E階段（100～119 d）為脫氮穩(wěn)定期。圖3～圖5分別為反應(yīng)器啟動過程各階段進(jìn)、出水濃度的變化情況。

圖3 反應(yīng)器運行過程中的變化

圖4 反應(yīng)器運行過程中的變化

圖5 反應(yīng)器運行過程中的變化

A階段（1～13 d）為菌體自溶期，反應(yīng)器HRT為 2 d，進(jìn)水分別為50、65mg/L，出分別為（61.7±5.8）、（3.4±2.1） mg/L。該階段由于部分菌體自溶〔13〕，導(dǎo)致出水濃度大于進(jìn)水濃度。但是，經(jīng)過幾天的培養(yǎng)，出水濃度出現(xiàn)下降趨勢；出水濃度很低，去除率為（94.7±3.2）%?？赡苁腔旌辖臃N中未培養(yǎng)成功的厭氧氨氧化污泥中具有一定量的厭氧氨氧化菌，大大縮短了菌體自溶期。這與唐崇儉等〔14〕通過投加少量的厭氧氨氧化污泥成功啟動中試厭氧氨氧化反應(yīng)器的現(xiàn)象相似。

B階段（13～35 d）為適應(yīng)期，保持運行參數(shù)不變。隨著菌體逐漸適應(yīng)環(huán)境，逐步實現(xiàn)與去除率分別為95.7%和99.0%。

C階段（35～78 d）為活性提高期，持續(xù)43 d。通過提高進(jìn)水基質(zhì)濃度和縮短HRT，使進(jìn)水容積氮負(fù)荷由0.078 kg/（m3·d）提高至0.616 kg/（m3·d），反應(yīng)器容積氮去除負(fù)荷由0.050 kg/（m3·d）提高至0.525 kg/（m3·d），反應(yīng)器脫氮性能在該階段提升了10.5氧氨氧化反應(yīng)器啟動成功，并且運行狀況良好。

D階段（78～100 d）為基質(zhì)抑制與恢復(fù)期，考察快速提高進(jìn)水基質(zhì)濃度對反應(yīng)器脫氮性能的影響。該階段進(jìn)水由280mg/L提高到330mg/L，進(jìn)水由336mg/L提高到396mg/L。結(jié)果表明，快速提高進(jìn)水基質(zhì)濃度可導(dǎo)致厭氧氨氧化反應(yīng)迅速出現(xiàn)抑制，第82天出水達(dá)101.57mg/L，出水達(dá)207.84mg/L，超過了穩(wěn)定運行時的出水（＜70mg/L）〔15〕。通過降低進(jìn)水和濃度與提高HRT，很快消除了基質(zhì)抑制。然后通過降低HRT，容積氮去除負(fù)荷逐漸恢復(fù)到0.575 kg/（m3·d），和平均去除率分別保持在90%和85%以上。

E階段（100～119 d）為脫氮穩(wěn)定期，保持運行參數(shù)不變。進(jìn)水和分別為（299.4± 5.1）、（347.9±18.2）mg/L，和平均去除率分別保持在95%和90%以上，出水水質(zhì)較穩(wěn)定。第109天，容積氮去除負(fù)荷為0.589 kg/（m3·d），該階段的平均容積氮去除負(fù)荷為0.541 kg/（m3·d）。

2.2 啟動過程中的基質(zhì)及產(chǎn)物計量比的變化

厭氧氨氧化的化學(xué)計量關(guān)系式如下〔6〕：

理論上反應(yīng)器消耗的NH4-N和NO2-N與增加的的物質(zhì)的量比為1∶1.32∶0.26，其可作為反應(yīng)器中出現(xiàn)厭氧氨氧化現(xiàn)象的依據(jù)。

2.3 污泥的性狀

反應(yīng)器啟動前后污泥形態(tài)發(fā)生了較大的變化。接種前，混合污泥呈黃灰色。啟動過程中，由于反應(yīng)器內(nèi)加入多孔板，使得多孔板篩板附近流速遠(yuǎn)大于空塔流速，污泥呈流化狀態(tài)，密度較輕的污泥在上升水流與氣泡的共同作用下進(jìn)入上一反應(yīng)區(qū)間，密度較大的污泥由于沉降速度大于多孔篩板流速而逐漸積累在反應(yīng)器底部，并且由于反應(yīng)器底部能提供充足的基質(zhì)，有利于反應(yīng)器底部厭氧氨氧化菌的富集及顆粒污泥的成長。觀察發(fā)現(xiàn)，底部污泥出現(xiàn)較多細(xì)小顆粒污泥，呈厭氧氨氧化污泥經(jīng)典的紅棕色。說明基于多孔板厭氧反應(yīng)器能在短期內(nèi)啟動厭氧氨氧化反應(yīng)器，且可形成高脫氮活性的厭氧氨氧化顆粒污泥。

3 結(jié)論

（1）采用添加多層多孔板的升流式厭氧污泥床接種混合污泥，于78 d內(nèi)成功啟動厭氧氨氧化反應(yīng)器，第75天，反應(yīng)器對和的去除率達(dá)95%以上，容積氮去除負(fù)荷達(dá)0.525 kg/（m3·d），實現(xiàn)了厭氧氨氧化反應(yīng)器的快速啟動。

（2）通過快速提高進(jìn)水基質(zhì)濃度，考察了其對反應(yīng)器脫氮性能的影響。結(jié)果表明，快速提高進(jìn)水基質(zhì)濃度可導(dǎo)致厭氧氨氧化反應(yīng)迅速出現(xiàn)抑制，與抑制前相比，△n（）/△n（-N）下降，△n（-N）/△n（N）升高。通過降低進(jìn)水基質(zhì)濃度和提高HRT，可以在較短時間消除基質(zhì)抑制的影響，厭氧氨氧化反應(yīng)重新成為主導(dǎo)反應(yīng)。

（3）由于反應(yīng)器內(nèi)多孔板篩板附近污泥處于流化狀態(tài)，有利于顆粒污泥的形成，運行119 d后，反應(yīng)器底部出現(xiàn)紅棕色顆粒污泥。

［1］van der StarW R L，AbmaW R，Bolmmers D，etal.Startup of reactors for anoxic ammonium oxidation：Experiences from the first fullscale anammox reactor in Rotterdam［J］.Water Research，2007，41（18）：4149-4163.

［2］TangChongjian，ZhengPing，WangCaihua，etal.Performanceofhighloaded ANAMMOX UASB reactors containing granular sludge［J］. Water Research，2011，45（1）：135-144.

［3］鄭平，胡寶蘭，徐向陽.新型生物脫氮理論與技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2004：147-148.

［4］Chamchoi N，Nitisoravut S.ANAMMOX enrichment from different conventionalsludges［J］.Chemosphere，2007，66（11）：2225-2232.

［5］Trigo C，Campos JL，Garrido JM，etal.Start-up of theanammox process in amembrane bioreactor［J］.Journal of Biotechnology，2006，126（4）：475-487.

［6］劉金苓，鐘玉鳴，王麗嬌，等.厭氧氨氧化微生物的吸附、包埋固定化效果初探［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2010，30（3）：470-476.

［7］Li Ziyin，Xu Xiaochen，Shao Bing，et al.Anammox granules formation and performance in a submerged anaerobicmembrane bioreactor［J］.Chemical Engineering Journal，2014，254（7）：9-16.

［8］唐曉雪，彭永臻，徐竹兵，等.低基質(zhì)濃度厭氧氨氧化顆粒污泥反應(yīng)器的快速啟動［J］.中南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，45（12）：4445-4451.

［9］Jin Rencun，Zheng Ping，Hu Anhui，et al.Performance comparison of two anammox reactors：SBR and UBF［J］.Chemical Engineering Journal，2008，138（1/2/3）：224-230.

［10］Wang Tao，Zhang Hanmin，Gao Dawen et al.Comparison betweenMBR and SBR on Anammox start-up process from the conventional activated sludge［J］.Bioresource Technology，2012，122（5）：78-82.

［11］傅金祥，陳敬新，郜玉楠，等.兩種UASB—厭氧氨氧化反應(yīng)器對比啟動研究［J］.工業(yè)水處理，2012，32（7）：21-24.

［12］國家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測分析方法［M］.4版.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002：105-281.

［13］袁青，黃曉麗，高大文.不同填料UAFB-ANAMMOX反應(yīng)器的脫氮效能［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2014，27（3）：301-308.

［14］唐崇儉，鄭平，陳建偉，等.中試厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動與調(diào)控［J］.生物工程學(xué)報，2009，25（3）：406-412.

［15］Berge N D，Reinhart D R，Townsend T G.The fate of nitrogen in bioreactor landfills［J］.Crit.Rev.Environ.Sci.Technol.，2005，35（4）：365-399.

Study on the start-up of anaerobic ammonium oxidation reactorand its denitrification capacity

Zhu Qingjiang，Zhang Dachao，Xiong Changshi，DaiZhenpeng，Wang Junyu，Wu Suying
（JiangxiKey Laboratory ofMining&MetallurgicalPollution Control，JiangxiUniversity of Scienceand Technology，Ganzhou 341000，China）

Anaerobic ammonium oxidation（ANAMMOX）reactor hasbeen started up successfullywithin 78 days，by the up-flow anaerobic sludgeblanket（UASB）reactorwithmulti-layerandmulti-porousplate，inoculatedwithmixed sludge.On the75th day，the removing ratesofboth-N and-N by the reactor areabove 95%，the removing load of volume nitrogen is 0.525 kg/（m3·d）.After the successful start-up，through increasing influent substrate concentration rapidly，inhibition phenomenon occurs to the reactor，and before and after inhibition the ratio of the three-nitrogen has remarkable changes.In the late stage of the operation，typical red brown sludge appears at the bottom of the reactor.Compared with the ordinary UASB，ithas spouted bed effectand water conservancy screening effect，beingbeneficial to the formation ofgranular sludge.

anaerobic ammonium oxidation；multi-porous plate；substrate inhibition；granular sludge；spouted bed effect

X703

A

1005-829X（2016）06-0083-04

朱清江（1993—），碩士。電話：15216110236，E-mail：zqj0420@163.com。通訊聯(lián)系人：張大超，E-mail：dachaozhang@sina.com。

2016-03-25（修改稿）