亞硝化絮狀污泥啟動(dòng)上流式厭氧污泥床-厭氧氨氧化反應(yīng)器及污泥顆粒化研究*

李 蕓 王 斌 李澤兵 李朝明 王東亮 許 丹 李 軍

(1.東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013；3.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124)

厭氧氨氧化(ANAMMOX)作為一種新型生物脫氮技術(shù)越來(lái)越受到廣泛關(guān)注，與傳統(tǒng)生物脫氮工藝比較而言，它具有無(wú)需碳源投加、無(wú)需曝氣、溫室氣體減排、脫氮效率高、產(chǎn)泥量少等優(yōu)點(diǎn)。目前，關(guān)于ANAMMOX啟動(dòng)方面的研究已有不少。有研究不同反應(yīng)器啟動(dòng)ANAMMOX的，也有研究不同接種污泥啟動(dòng)ANAMMOX的。DAPENA MORA等[1]和HELIO等[2]均采用序批式反應(yīng)器(SBR)啟動(dòng)ANAMMOX，經(jīng)過(guò)200多天的運(yùn)行獲得了1.0～2.0 g/(L·d)的TN去除負(fù)荷，并實(shí)現(xiàn)了污泥顆?；Ｌ瞥鐑€等[3]732采用膨脹顆粒污泥床(EGSB)反應(yīng)器來(lái)啟動(dòng)ANAMMOX，經(jīng)過(guò)230 d的穩(wěn)定運(yùn)行，獲得了50.75 g/(L·d)的氮容積負(fù)荷，同時(shí)得到了ANAMMOX顆粒污泥。叢巖等[4]通過(guò)以好氧硝化顆粒污泥和ANAMMOX污泥為接種污泥啟動(dòng)EGSB-ANAMMOX反應(yīng)器，第89天時(shí)TN去除負(fù)荷為4.758 g/(L·d)。唐曉雪等[5]通過(guò)以20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的硝化反硝化污泥、70%的厭氧污泥及10%粉碎后的ANAMMOX顆粒污泥為接種污泥啟動(dòng)上流式厭氧污泥床(UASB)-ANAMMOX，61～100 d系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，平均TN去除負(fù)荷為4.3 g/(L·d)。由此可見(jiàn)，僅采用活性污泥為接種污泥啟動(dòng)ANAMMOX需要較長(zhǎng)的時(shí)間，而采用活性污泥與ANAMMOX污泥作為接種污泥則可大大縮短啟動(dòng)時(shí)間[6-8]。另外，顆粒污泥具有負(fù)荷高、持留性好、抵抗不利條件能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已有學(xué)者在不同反應(yīng)器中培養(yǎng)出ANAMMOX顆粒污泥。如王俊敏等[9]在UASB反應(yīng)器中獲得了平均粒徑為0.73 mm的ANAMMOX顆粒污泥；唐崇儉[3]739在高負(fù)荷運(yùn)行下的EGSB反應(yīng)器中培養(yǎng)出平均粒徑為2.51 mm的ANAMMOX顆粒污泥。因此，為考察UASB-ANAMMOX反應(yīng)器的啟動(dòng)及污泥顆?；^(guò)程，本研究擬采用亞硝化絮狀污泥與一定量ANAMMOX顆粒污泥(粒徑<0.5 mm)的混合污泥為接種污泥，以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的快速啟動(dòng)；同時(shí)，考察UASB中氮素及顆粒污泥的沿高度分布，探討ANAMMOX顆粒污泥的形成及其特性，以期為ANAMMOX的快速啟動(dòng)及污泥顆?；峁﹨⒖?。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置及方案

ANAMMOX啟動(dòng)試驗(yàn)采用UASB反應(yīng)器，有效容積為10 L，進(jìn)水由蠕動(dòng)泵泵入反應(yīng)器底部，控制溫度為25 ℃左右，水力停留時(shí)間(HRT)為1.2～3.7 h，進(jìn)水pH為7.5～8.0；設(shè)置回流泵，在試驗(yàn)過(guò)程中按要求控制回流比。先接種亞硝化絮狀污泥，調(diào)節(jié)HRT為2.4 h，第8天加入ANAMMOX顆粒污泥(粒徑<0.5 mm)，不斷逐步增加進(jìn)水基質(zhì)濃度，提高進(jìn)水負(fù)荷，考察UASB-ANAMMOX反應(yīng)器的啟動(dòng)特性，同時(shí)在第71天時(shí)增加回流比，以提高系統(tǒng)內(nèi)水流的上升流速，促進(jìn)污泥顆?；^(guò)程，探討污泥顆?；匦浴＞唧w運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。同時(shí)，離底部10、40、70、100 cm處設(shè)置4個(gè)取樣口(編號(hào)為1#～4#)。

圖1 UASB-ANAMMOX反應(yīng)器示意圖

1.2 試驗(yàn)用水水質(zhì)

試驗(yàn)采用人工模擬廢水，主要成分包括NH4Cl、NaNO2、NaHCO3、KH2PO4、MgSO4·7H2O、CaCl2和微量元素。各按所需量進(jìn)行配比，后采用自來(lái)水稀釋至所需濃度。微量元素Ⅰ、Ⅱ投加量各1 mL/L。微量元素Ⅰ為乙二胺四乙酸(EDTA)5 g/L、FeSO45 g/L；微量元素Ⅱ?yàn)镋DTA 15 g/L、ZnSO4·7H2O 430 mg/L、CoCl2·6H2O 240 mg/L、MnCl2·4H2O 990 mg/L、CuSO4·5H2O 250 mg/L、Na2MoO4·2H2O 220 mg/L、NiCl2·6H2O 190 mg/L、Na2SeO4·10H2O 210 mg/L、H3BO314 mg/L。

1.3 試驗(yàn)接種污泥

試驗(yàn)的亞硝化絮狀污泥在SBR中采用全程硝化反硝化污泥培養(yǎng)而來(lái)，其平均氨氮去除率為92.6%，平均亞硝態(tài)氮積累率為94.5%；全程硝化反硝化污泥取自北京某污水處理廠，硝化性能良好，混合液懸浮固體(MLSS)為6 500 mg/L左右，混合液揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)和MLSS質(zhì)量濃度比值(MLVSS/MLSS)為83.3%。ANAMMOX顆粒污泥顏色為磚紅色，碾碎并通過(guò)0.5 mm篩子篩分，MLVSS/MLSS為80.7%。ANAMMOX顆粒污泥(粒徑<0.5 mm)和亞硝化絮狀污泥的混合質(zhì)量比為1.00∶4.47，混合后MLSS為8 370 mg/L。

表1 UASB-ANAMMOX反應(yīng)器啟動(dòng)運(yùn)行參數(shù)

1.4 測(cè)試分析方法

采用納氏試劑光度法測(cè)定氨氮；采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法測(cè)定亞硝態(tài)氮；采用麝香草酚分光光度法測(cè)定硝態(tài)氮；采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度計(jì)法測(cè)定TN；采用重量法測(cè)定MLSS[10]。采用濕式篩分析法[11]測(cè)定顆粒污泥粒徑；采用WTW/Multi3420便攜式測(cè)定儀測(cè)定pH、DO、溫度。

2 結(jié)果與討論

2.1 UASB-ANAMMOX系統(tǒng)運(yùn)行效能

UASB-ANAMMOX反應(yīng)器啟動(dòng)性能如圖2所示。1～7 d，出水氨氮高于進(jìn)水氨氮，其原因是亞硝化絮狀污泥由好氧狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬鯛顟B(tài)，一部分細(xì)菌因不適應(yīng)環(huán)境而死亡降解并釋放出氨氮[12-13]；亞硝態(tài)氮降低則是由污泥中存在的反硝化菌內(nèi)源反硝化所致。第8天，隨ANAMMOX顆粒污泥的加入，系統(tǒng)隨即顯現(xiàn)出比厭氧氨氧化活性(SAA)，具體表現(xiàn)為氨氮、亞硝態(tài)氮去除率及TN去除負(fù)荷同時(shí)增高，氨氮和亞硝態(tài)氮的去除率分別為28%和37%，TN的去除量和去除率分別為13.5 mg/L和31%。之后隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，TN去除負(fù)荷逐漸增加，運(yùn)行到35 d時(shí)，氨氮和亞硝態(tài)氮的去除率分別為52%和58%，TN的去除率和去除負(fù)荷分別為51%和0.23 g/(L·d)。經(jīng)計(jì)算，此時(shí)系統(tǒng)反應(yīng)過(guò)程氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮的化學(xué)計(jì)量比為1.00∶1.22∶0.16(摩爾比，下同)，接近于ANAMMOX反應(yīng)理論值(1.00∶1.32∶0.26)，說(shuō)明此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)以ANAMMOX脫氮反應(yīng)為主。一般而言，在低基質(zhì)濃度下微生物生長(zhǎng)緩慢，而基質(zhì)濃度的升高則有利于促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)代謝[14]。將進(jìn)水氨氮和亞硝態(tài)氮分別提高至24～30、30～38 mg/L，第36天TN去除率為36%，較之前有所降低，其原因?yàn)橄到y(tǒng)進(jìn)水負(fù)荷突然升高所致，到第70天時(shí)，氨氮和亞硝態(tài)氮的去除率分別為91%和88%，TN的去除量和去除率分別為53.2 mg/L和79%，這說(shuō)明系統(tǒng)內(nèi)ANAMMOX菌在逐漸富集，SAA在逐漸提高。之后逐步提高進(jìn)水基質(zhì)濃度和負(fù)荷，隨進(jìn)水基質(zhì)濃度和負(fù)荷的升高，SAA不斷增強(qiáng)，系統(tǒng)TN去除負(fù)荷在不斷提高，運(yùn)行至120 d時(shí)，TN的去除率和去除負(fù)荷分別為76%和0.93 g/(L·d)。此外，由表2可見(jiàn)，隨時(shí)間的推移，系統(tǒng)內(nèi)SAA在逐漸提高。

圖2 UASB-ANAMMOX反應(yīng)器啟動(dòng)性能

表2 各階段系統(tǒng)內(nèi)污泥的SAA

2.2 UASB-ANAMMOX反應(yīng)器氮素及顆粒污泥沿高度分布

反應(yīng)器內(nèi)氮素及顆粒污泥沿高度變化可反映UASB-ANAMMOX系統(tǒng)運(yùn)行情況。UASB-ANAMMOX反應(yīng)器氮素及顆粒污泥沿高度分布如圖3所示。1#取樣口的MLSS最高，為24.7 g/L，之后隨高度的增加呈遞減趨勢(shì)，到4#取樣口時(shí)僅為1.3 g/L。反應(yīng)器底部的MLVSS/MLSS較低，而上部則較高，說(shuō)明底部的無(wú)機(jī)成分(如鈣鹽和鎂鹽等)含量較多，無(wú)機(jī)成分可作為顆粒污泥的內(nèi)核提高顆粒污泥的沉降性能。有研究表明，適當(dāng)增加進(jìn)水中無(wú)機(jī)成分含量可增加顆粒污泥的質(zhì)量從而減少污泥流失[15]。因此，反應(yīng)器中質(zhì)量較大的顆粒污泥會(huì)沉于底部，而質(zhì)量較小的顆粒污泥則會(huì)由于ANAMMOX的產(chǎn)氣作用懸浮于上層。同時(shí)，大量的顆粒污泥都聚集在底部，從而導(dǎo)致底部的氮素降解速率較快。此外，從取出的顆粒污泥粒徑看，反應(yīng)器底部的粒徑明顯大于上部，其原因一是底部基質(zhì)充足并具備較高的濃度，利于基質(zhì)向顆粒污泥內(nèi)部擴(kuò)散，可維持大顆粒污泥內(nèi)部細(xì)菌的養(yǎng)分；二是一般來(lái)說(shuō)，顆粒較大的污泥質(zhì)量也較大，促使其沉在底部。氨氮和亞硝態(tài)氮從低至高呈遞減趨勢(shì)，其降解速率在1#至2#最快，2#至3#次之，3#至4#最慢，而硝態(tài)氮?jiǎng)t從低至高呈遞增趨勢(shì)。可見(jiàn)，進(jìn)入系統(tǒng)中的基質(zhì)的降解速率與污泥濃度有關(guān)，污泥濃度高，生物量大，基質(zhì)降解速率快。

圖3 UASB-ANAMMOX反應(yīng)器氮素及顆粒污泥沿高度分布

2.3 污泥顆粒化

對(duì)于ANAMMOX來(lái)說(shuō)，污泥顆粒化可有效減少污泥流失，提高ANAMMOX脫氮效率。一般情況下，控制好相關(guān)條件(如水利條件、基質(zhì)濃度、負(fù)荷等)可快速實(shí)現(xiàn)污泥的顆粒化。上升流速會(huì)影響污泥顆粒化速度，較高的上升流速形成的水力剪切作用大，這會(huì)提高污泥的胞外聚合物(EPS)含量，促進(jìn)污泥顆粒化[16-18]。但過(guò)高的上升流速也會(huì)導(dǎo)致絮狀或小顆粒的污泥流失[19]。試驗(yàn)1～70 d時(shí)，反應(yīng)器中污泥是絮體和小顆粒狀態(tài)，因此先以較小的上升流速(3.62 m/h)運(yùn)行，隨污泥粒徑的增大，通過(guò)內(nèi)回流的方式逐步提高上升流速，71～90、91～120 d的上升流速分別為5.44、7.36 m/h?；|(zhì)濃度和進(jìn)水負(fù)荷也會(huì)影響污泥顆?；^(guò)程，過(guò)低的基質(zhì)濃度和進(jìn)水負(fù)荷，會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖緩慢，從而影響污泥顆粒化進(jìn)程[20]。不同時(shí)間反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥粒徑分布見(jiàn)表3。試驗(yàn)中反應(yīng)器的啟動(dòng)采用培養(yǎng)的亞硝化絮狀污泥和小粒徑的ANAMMOX顆粒污泥，初始時(shí)，兩種污泥混合后粒徑<0.5 mm；隨反應(yīng)器的運(yùn)行，第40天時(shí)顆粒污泥粒徑已有所增大，其中粒徑≥0.5 mm的顆粒污泥占27.4%，但仍然以絮體為主；第80天時(shí)粒徑≥0.5 mm的顆粒污泥占56.8%；第120天時(shí)反應(yīng)器中污泥多以顆粒狀態(tài)為主，粒徑≥0.5 mm的顆粒污泥占73.6%，并且污泥呈現(xiàn)紅褐色。說(shuō)明通過(guò)不斷提高基質(zhì)濃度和進(jìn)水負(fù)荷，并通過(guò)調(diào)整回流比提高上升流速來(lái)加大水力剪切作用，成功啟動(dòng)UASB-ANAMMOX反應(yīng)器并實(shí)現(xiàn)污泥顆?；?。

表3 不同時(shí)間反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥粒徑分布1)

3 結(jié) 論

(1) 通過(guò)接種亞硝化絮狀污泥和粒徑<0.5 mm的ANAMMOX顆粒污泥，逐步提高進(jìn)水基質(zhì)濃度和進(jìn)水負(fù)荷，35 d時(shí)TN的去除率和去除負(fù)荷分別為51%和0.23 g/(L·d)；系統(tǒng)反應(yīng)過(guò)程化學(xué)計(jì)量比接近ANAMMOX反應(yīng)理論值，成功啟動(dòng)UASB-ANAMMOX反應(yīng)器。隨進(jìn)水基質(zhì)濃度和負(fù)荷的升高，SAA不斷增強(qiáng)，至120 d時(shí)，TN的去除率和去除負(fù)荷分別為76%和0.93 g/(L·d)。

(2) 大量的顆粒污泥在反應(yīng)器底部聚集，從而導(dǎo)致底部的氮素降解速率較快。底部顆粒污泥的粒徑明顯大于上部，并且底部的MLVSS/MLSS較低，而上部則較高?；|(zhì)在底部快速降解，而在上部降解緩慢。

(3) 進(jìn)水基質(zhì)與上升流速的提高促進(jìn)了污泥顆粒化過(guò)程，在整個(gè)過(guò)程中，反應(yīng)器中的污泥平均粒徑逐漸增大，第120天時(shí)有73.6%的污泥粒徑≥0.5 mm，實(shí)現(xiàn)污泥顆粒化，并且污泥呈現(xiàn)紅褐色。