厭氧氨氧化反應器帶氧啟動過程研究*

福建省環境科學研究院，福建省環境工程重點實驗室　張　健

厭氧氨氧化反應器帶氧啟動過程研究*

福建省環境科學研究院，福建省環境工程重點實驗室張健

厭氧氨氧化工藝是目前已知最簡捷的脫氮工藝，該文考察了DO在UASB反應器中對Anammox反應器啟動過程的影響。研究結果表明，以厭氧產甲烷顆粒污泥和好氧硝化污泥的混合物為接種污泥，經100 d未除氧運行，成功啟動了UASB反應器，TN去除率高達80%以上，TN容積去除負荷穩定在0.24 kgN/（m3·d）。穩定階段Δm（NH4+-N）：Δm（NO2--N）：Δm（NO3--N）三者比例為1：1.20：0.22。啟動過程中，DO存在對啟動過程反應器效能影響不大，但使Anammox反應首先出現在顆粒泥內部，且位于污泥層中部。

厭氧氨氧化帶氧啟動過程混合接種污泥UASB反應器

1　概述

厭氧氨氧化工藝（Anaerobic Ammonia Oxidation，Anammox）由荷蘭Delft大學于20世紀末期研發，是目前已知最簡捷的高效脫氮工藝。該工藝機理是在嚴格的厭氧條件下，厭氧氨氧化菌將NH4+作電子供體，NO2-為電子受體，將NH4+和NO2-轉化為氮氣的過程，CO2是Anammox菌生長的唯一碳源。

該工藝無需外加碳源、無需供氧、也無需投加堿度，且減少90%污泥產出，與傳統脫氮工藝相比具有極大優勢。但是由于該菌倍增時間較長，需要嚴格的厭氧條件，限制了該工藝的進一步工程化應用。

實際工程應用中，半亞硝化出水均含DO，而Strous等研究指出，Anammox反應中若存在氧，則厭氧氨氧化菌受到嚴重抑制，但該作用可逆。一般情況會采取惰性氣體吹脫來除氧，該項措施雖保證了Anammox菌不受DO的抑制，但顯然會使工程化應用中成本能耗相應增加，不利于技術的進一步推廣。且Anammox工藝用于生物脫氮時需前置短程硝化反應器，這樣進水中必然有氧的存在。因此如何為Anammox反應器解除氧毒及探究Anammox反應器進水所含DO對系統的影響具有重要的現實意義。

本研究考慮不對進水進行除氧處理而啟動Anammox反應器，以期為加速Anammox反應器的啟動及工程化應用提供有益借鑒。

2　材料與方法

2.1接種污泥

產甲烷顆粒污泥來源豐富，以該污泥作接種污泥，有可能使其轉化為Anammox顆粒污泥。Imajo U等成功實現將產甲烷顆粒泥轉化為Anammox顆粒泥。Schmidt也成功完成了這一轉化，但培養出的Anammox污泥只出現在顆粒泥特定位置。另外，利用好氧硝化污泥實現Anammox反應器啟動的方法也能成功。因為硝化菌具有代謝的多樣性，能發生好氧氨氧化作用，也能發生Anammox作用；同時硝化菌擁有基質多樣性，能利用氨氮實現硝化作用，也能利用氫實現反硝化。因此，本實驗擬選用實驗室培養的UASB厭氧產甲烷顆粒污泥和好氧硝化污泥的混合物作為Anammox反應器接種污泥。

2.2實驗用水

實驗用水采用自配人工模擬廢水，進水NO2--N/NH4+-N理論值為1.32，為防止NO2--N的抑制作用，一般情況下會使NH4+-N過量，NH4+-N過量雖然會導致總氮去除效率的下降，但卻可以使得系統能穩定運行，因此設置進水NO2--N/NH4+-N比例約為1，具體水質組成如表1所示。配水中另投加Anammox菌所必需的微量元素，其營養元素組成如表2所示，投加量為各1 mg/L。

表1　厭氧氨氧化模擬廢水成分

表2　營養液組成

2.3實驗裝置

本實驗選用 UASB（Upflow Anaerobic Sludge Banket，UASB）裝置作為Anammox反應器，內徑9 cm，柱高120 cm，有效容積7.6 L。在反應器外部包裹鋁箔膠帶以避光和保溫，反應器置于厭氧、避光、溫度為35℃、pH=7.5和HRT=12 h的條件下連續運行，模擬廢水經溫度控制裝置調節溫度后由BT300-01蠕動泵泵送入反應器底部，經均勻分布然后向上流，經反應器上部三相分離器時顆粒泥依重力下沉、氣體由氣室逸出且液體經溢流堰流出。

2.4分析測試方法

均按國家環保部發布的標準方法。

2.5反應器啟動

Anammox反應器成功啟動的標志為培育出具有厭氧氨氧化活性的顆粒污泥，污泥顯紅色，且運行中NH4+-N去除量：NO2--N去除量：NO3--N生成量間比例約為1：1.31：0.26。

UASB反應器在厭氧、避光、溫度為35℃、pH=7.5和HRT=12h的條件下啟動運行，進水不進行除氧處理，反應器在低負荷條件下啟動，進水NO2--N/NH4+-N比例約為1，且二者濃度均為50 mg/L左右。控制反應條件使得Anammox菌得到富集，最終成功啟動Anammox反應器且穩定運行。

3　結果與討論

厭氧氨氧化反應器啟動階段根據三氮變化具體情況，可分為三個階段：啟動初期、活性提高期和穩定運行期。

3.1啟動初期

在系統啟動初期，基質變化如圖1所示。

圖1　啟動初期基質變化曲線

由圖1分析可知，進出水NH4+-N濃度變化不大，氨氮利用率很低，此時反應器中厭氧氨氧化菌很少，無法有效去除氨氮，少部分去除量則可能由于進水含DO而發生的氨氧化反應；偶爾還會出現出水氨氮濃度高于進水的情況，原因在于部分細胞解體釋放出NH4+。但進出水NO2--N濃度變化很明顯，反應剛開始的幾天出水NO2--N濃度略高，待污泥適應后，出水NO2--N濃度一直很低，濃度基本低于2 mg/L，同時觀察到系統有氣體產生，推測系統內可能發生了傳統反硝化及短程反硝化。該階段因為NH4+-N與NO2--N沒有形成同比例去除，因此基本未顯示Anammox菌活性，主要作用為反硝化，其原因可能為污泥內存在異養反硝化菌，能夠利用內含有機物及其他菌體解體釋放的有機碳作為碳源進行反硝化，因此出水NO2--N濃度很低。此外，由于進水中含DO，抑制Anammox菌生長繁殖，因此本階段持續時間較長。

3.2活性提高期

圖2為活性提高期基質變化情況。

圖2　活性提高階段各基質變化曲線

如圖2所示，該階段反應器活性有所提高，好氧氨氧化菌為反應器解除氧毒，同時厭氧污泥也逐漸適應水中DO對其產生的抑制，厭氧氨氧化性能有所體現，顆粒污泥由黑色轉為黃褐色。該階段，NH4+-N去除率逐漸升高，達到20%～30%左右，氨氮的有效去除主要由Anammox作用完成，說明Anammox菌逐漸得到富集開始顯示活性；NO2--N和NO3--N出水濃度均很低，NO2--N去除率高于95%。NO3--N出水濃度低的原因推測為異養菌的反硝化作用。在該階段后期，NO2--N出水濃度突然升高，這是因為隨著反硝化作用能利用的碳源逐漸變少，短程反硝化作用慢慢變弱，致使出水NO2--N在該階段后期有所增加。

3.3穩定運行期

圖3為穩定運行階段基質變化情況。

圖3　穩定運行階段基質去除曲線

如圖3所示，運行第88～100 d為系統穩定運行階段。該階段提高進水負荷，氨氮與亞硝鹽濃度均提高至約70 mg/L，出水NO2--N濃度不再升高，而是逐步降低，反映出Anammox菌逐漸富集并占據優勢，能彌補被淘洗出系統的反硝化菌早先對NO2--N去除量，導致其濃度很低。而NH4+-N在本階段去除效果漸佳，Anammox反應凸顯。NO2--N與NH4+-N呈現明顯的同步下降趨勢，與此同時出水NO3--N濃度隨之上升。后期Δm（NH4+-N）：Δm（NO2--N）：Δm（NO3--N）三者比例穩定在1：1.20：0.22，Δm（NO3--N）：Δm（NH4+-N）低于理論值 0.26的原因推測為 NO2--N去除量降低（去除的NO2--N/NH4+-N=1.20，低于理論值1.32），Anammox菌并未達到其理論的最大生長速率，所以產生較少的NO3--N；而反應器產生氣體明顯增多，TN去除率高達80%以上，TN容積去除負荷穩定在0.24 kgN/（m3·d），說明Anammox反應在系統中已經占據主導地位。

進水中由于DO的存在，對Anammox反應器產生了較大影響。但由于Anammox菌的不斷生長，顆粒污泥逐漸形成，在內部和表面形成了DO濃度梯度，在其表面好氧氨氧化菌利用DO將氨氮轉為亞硝鹽以解除氧毒，內部則主要進行厭氧氨氧化反應。進水DO對Δm（NH4+-N）：Δm（NO2--N）：Δm（NO3--N）三者比值也產生影響，三者理論比值為1：1.31：0.26，而穩定階段后期三者比值圍繞1：1.20：0.22小幅波動，這證明反應器內存在的好氧氨氧化菌能夠利用水中DO將NH4+轉為NO2-。

經過約100d運行，Anammox菌逐漸得到富集，Anammox反應逐漸占據優勢，且保持較好穩定性，表明進水不除氧條件下啟動Anammox反應器仍能取得成功。

3.4污泥性狀變化

本階段所用接種污泥為部分厭氧產甲烷顆粒污泥與傳統好氧硝化污泥混合而成。反應器啟動初期，污泥多為顆粒污泥且為黑色；經過一段時間運行，由于反硝化作用的存在，反硝化菌中豐富的鉬鐵蛋白使成熟的污泥呈淡黃色，因此污泥顏色逐漸由黑色轉為黃褐色；在穩定階段隨著Anammox菌不斷富集，顆粒污泥呈現淺紅色。由于Anammox菌顏色特殊，能反映其在UASB中逐漸富集的過程，因此污泥顏色變化可作為Anammox反應器啟動中的指示。

此外，進水中含DO對Anammox反應器啟動過程中顆粒污泥的變化也有影響：①顆粒污泥結構上，首先變紅的是顆粒泥內部，這是因為進水含DO，在顆粒泥表面和內部形成氧梯度濃度，在顆粒泥表面的好氧氨氧化菌利用氧將NH4+氧化為NO2-以解除氧毒，顆粒泥內部形成厭氧環境供Anammox菌生長富集；②在反應器結構上，首先變紅的部位位于反應器污泥層中部，原因在于UASB反應器進水方式為底部進水，底部DO濃度相對較高，對Anammox菌抑制作用較明顯；水流進入污泥層中部時DO基本已經消耗完全，能夠形成厭氧環境，同時基質濃度較高，更有利于Anammox菌富集；而污泥層上部由于基質消耗較為完全，Anammox菌可利用的基質濃度低，因此首先變紅的部位位于反應器污泥層中部。

4　結論

4.1Anammox反應器啟動實驗表明，進水帶氧（DO=4 mg/L），即不進行除氧處理，選用UASB反應器，以產甲烷顆粒污泥與傳統硝化污泥的混合物作接種污泥，仍然可以成功啟動反應器，TN去除率高達80%以上，TN容積去除負荷穩定在0.24 kgN/（m3·d）。

4.2由于進水中含 DO，因此穩定階段Δm（NH4+-N）：Δm（NO2--N）：Δm（NO3--N）三者比例與理論值有一定出入，理論值為1：1.31：0.26，本實驗所得比例為1：1.20：0.22。此外，DO存在使Anammox反應首先出現在顆粒泥內部，且位于污泥層中部。

4.3啟動過程中污泥顏色變化可以作為Anammox菌富集的指示參數。啟動過程中顆粒泥內部首先變紅，在UASB反應器污泥層中部首先變紅。

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*項目來源：福建省科技計劃項目《低碳氮比高氨氮廢水處理工藝中試研究》（ZZLX1202）。