不同負荷對厭氧氨氧化污泥培養的影響

侯曉幫， 操家順

（1.南京市市政設計研究院有限責任公司， 江蘇 南京 210008；2.河海大學， 江蘇 南京 210098）

0 引言

厭氧氨氧化（Anaerobic Ammonium Oxidation，簡稱ANAMMOX）過程是自養型ANAMMOX菌在無外加有機碳源的條件下，同時去除氨和亞硝酸鹽，突破了傳統生物脫氮工藝中的基本概念[1-2]，得到越來越多研究者的關注。但ANAMMOX菌生長速度極慢（倍增時間長達11 d）[3]，產率系數較低，ANAMMOX菌培養和富集困難。

人類已發現的古細菌在極端生境條件下生存能力都很強，ANAMMOX菌即屬于最古老的古生物菌（Archaea）或分支很深的細菌棲熱孢菌屬（Thermotoga）和產液菌屬（Aquifex）[2]。雖然發現ANAMMOX在自然界的封閉海體（水體）、土壤以及水底淤泥中廣泛存在[4-6]，然而在試驗室條件下ANAMMOX菌培養富集仍很困難，這與ANAMMOX菌在自然界中有如此強的生存能力的實際不符；因此，有理由相信ANAMMOX菌的生存信息尚未被完全揭示。

ANAMMOX菌在自然界廣泛存在的封閉海體（水體）、土壤以及水底淤泥有共同的特征是負荷較低，本文在ANAMMOX菌培養過程中進行了階段性負荷轉變，研究不同負荷對ANAMMOX菌培養過程中的作用。探求ANAMMOX菌的有效培養方法。

1 材料及方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗裝置

EGSB(Extended granular sludge bed)反應器總容積7.8 L，有效容積6.5 L。反應器外包裹黑布避光，通過溫控系統控制反應器溫度，試驗時通過緩沖氣囊不定時充入CO2或Ar來維持反應器內絕對的厭氧環境。通過內循環泵進行升流式內循環達到良好的泥水混合。試驗工藝流程見圖1。

圖1 EGSB反應器裝置示意

1.1.2 接種污泥

取某啤酒廠厭氧顆粒污泥及城市污水處理廠好氧硝化污泥各1.75 L接種于反應器中進行ANAMMOX培養。

1.1.3 進水水質

試驗采用人工合成廢水，廢水水質見表1。1 L合成廢水中加入微量元素溶液Ⅰ和微量元素溶液Ⅱ各1 mL。微量元素溶液Ⅰ主要組分：FeSO4·7H2O，5 g/L；EDTA，5g/L； 微量元素溶液Ⅱ主要組分：CuSO4·5H2O，4 g/L；ZnSO4·7H2O，0.43 g/L；CoCl2·6H2O，0.24 g/L；MnCl2·4H2O，0.99 g/L；（NH4）6Mo7O24·4H2O，0.16 g/L；NiCl2·6H2O，0.19 g/L；H3BO4，0.014 g/L；EDTA，15 g/L。

表1 人工合成廢水水質

1.2 試驗條件

反應器的運行條件為：反應器采用間歇進水、間歇出水的方式運行。人工合成廢水采用純氬氣曝氣30 min以消除溶解氧，通過蠕動泵進水和排水。反應器的回流流量為15.7 L/h（水流上升流速為2 m/h），溫度控制在32℃，pH值控制在8.30左右。

運行周期見圖2，其中第1階段反應時間10 h 50 min，第2階段反應時間70 h 50 min，第3階段反應時間22 h 50 min。

圖2 運行周期示意

1.3 試驗方法

污泥培養的總時間為265d，進水的NH4+-N的平均質量濃度控制在48 mg/L左右，進水的NO2--N的平均質量濃度控制在62 mg/L左右。按照對反應器負荷及運行周期的調節，分為3個階段，各個階段運行條件見表2。

表2 各階段運行條件

1.4 試驗分析項目及測定方法

NO2-N，NH4+-N，NO3--N的監測均采用標準方法 (APHA,1998)；pH值的監測由HACH便攜式pH測量儀完成。

2 培養過程與討論

2.1 ANAMMOX污泥的培養過程及變化特征

2.1.1 培養過程

培養過程見表3和圖3。

表3 培養中各階段主要特征

圖3 ANAMMOX污泥培養過程

由圖3可知，在第 1階段，ANAMMOX在負荷（以 N計，下同）為 40 mg/(L·d)的條件下經 200 d培養，活性沒有顯著增加；經過第2階段在負荷為18 mg/(L·d)的條件下55d的培養，ANAMMOX菌活性已經非常明顯。

第3階段提高運行負荷到為55 mg/(L·d)，在此負荷下ANAMMOX活性進一步提高。

在第3階段末期進一步提高負荷到110mg/(L·d)，NO2--N的去除率下降到76%，NH4+-N去除率下降到28%，出現ANAMMOX菌活性受到抑制的現象，停止進一步提高負荷，轉為與第2階段同等負荷的為18mg/(L·d)條件進行復活試驗，經過18 d的培養，NO2--N的去除率上升為100%，NH4+-N去除率提高到89%，復活成功。

2.1.2 污泥變化特征

由于ANAMMOX菌含有豐富的細胞色素C，成熟的ANAMMOX污泥呈淺紅色[5]，在本試驗的第2階段已經出現了紅褐色污泥，在穩定運行期取ANAMMOX污泥進行檢測，發現ANAMMOX菌泥水混合物的顏色呈土紅色，經過600℃高溫灼燒后ANAMMOX菌污泥顏色為紅褐色。與接種的厭氧顆粒污泥黑色相比，具有明顯差異。污泥顏色的變化較好地印證了啟動過程中ANAMMOX菌的發展歷程。

2.1.3 化學計量學變化特征

ANAMMOX反應的化學計量關系[6]：

NH4+-N和NO2--N以一定比例被同時轉化是ANAMMOX的本質特征，NO3--N的產量在某種程度上也反映了ANAMMOX菌的增殖情況。因此，在ANAMMOX反應器啟動過程中，NH4+-N，NO2--N去除量與NO3--N生成量的比值變化可作為ANAMMOX反應狀況的重要判據。第1階段、第2階段及第3階段的比例變化趨勢見圖4。

圖4 第1階段、第2階段及第3階段比例變化曲線

由圖4可以看出，在第 1階段，ρ(NH4+-N)∶ρ(NO2--N)平均為 1 ∶5.10，且沒有檢測到NO3--N的產生；在第 2 階段中，ρ（NO2--N）消耗∶ρ（NH4+-N）消耗的均值為1.51，在本階段末檢測到了NO3--N的生成，ρ（NH4+-N）去除∶ρ（NO2--N）去除∶ρ（NO3--N）生成為1∶1.51∶0.07；在第 3階段中，ρ（NH4+-N）去除∶ρ（NO2--N）去除∶ρ（NO3--N）生成為 1∶1.28∶0.16，與理論值 1∶1.32∶0.26 非常接近。

2.2 分析與討論

2.2.1 培養過程分析

在第1階段，ANAMMOX對NO2--N去除效果良好，而對NH4+-N去除能力較弱的可能原因：①NO2--N通過反硝化作用去除；②發酵性細菌進行了異化性硝酸鹽還原作用（dissimilatorynitratereduction），該類細菌利用硝酸鹽作為電子受體將硝酸鹽還原成氨，在自然界，該作用常發生于電子受體貧乏的缺氧環境中[7]；③ANAMMOX菌將NO3--N異化還原成NH4+-N[8]。此階段經歷時間較長，但ANAMMOX菌的活性并沒有得到明顯提高，說明高負荷（短周期）條件下并不利于ANAMMOX菌的富集。

在第2階段較長周期條件下，相比于第1階段的200 d，該階段僅用55d使ANAMMOX即成長為優勢菌種。成因分析如下，文獻報道[9-10]，ANAMMOX菌在缺氧水體、沉積物、海冰等各種各樣的海洋水體中是廣泛存在的，據估計，全球海洋氮循環（50%以上）的主要方式是ANAMMOX[11]；ANAMMOX菌在自然界的封閉海體（水體）、土壤以及水底淤泥中廣泛存在[12]，這種環境流動性差，生存環境穩定、停留時間較長且負荷較低，這是ANAMMOX菌在自然生境中的重要生存特征之一，本試驗的結果證明在較低負荷N為18 mg/(L·d)條件下ANAMMOXA菌迅速獲得了優勢地位，與ANAMMOX菌的自然的生存環境相互印證，較低負荷對ANAMMOX菌的生長是有益的。

2.2.2 周期試驗與動力學分析

在第3階段，對ANAMMOX過程進行周期分析，見圖5。

圖5 厭氧NH4+-N化典型周期變化曲線

由圖5可知，在第3階段的一個典型周期中，NO2--N和NH4+-N成比例地同步去除，同時有NO3--N生成，pH值基本穩定在8.0左右。在整個周期中基質降解趨勢明顯，周期末底物降解完成充分，周期試驗表明，在運行周期為24 h，HRT為2.0 d時處理負荷為55 mg/(L·d)是適宜的，ANAMMOX系統能夠對底物進行充分的降解。

ANAMMOX的生物降解遵循一級反應，動力學可借由Monod方程表示[13]：

式中：V為基質比去除速度，；Vmax為基質最大比去除速度，h-1；X為微生物平均質量濃度，mg/L；S0為進水基質質量濃度，mg/L；Se為t時間后的基質質量濃度，mg/L；t為水力停留時間，h；Ks為飽和常數，其值為時的基質質量濃度，mg/L。

對式（1）取倒數，得：

跟據周期試驗進行動力學計算Xt/（So-Se）與1/Se的關系，計算結果見圖6。

圖6 Xt/（So-Se）與 1/Se 關系

線性相關系數R2=0.804,線性關系顯著。說明數學模型估算值與觀測值之間相關關系高度顯著，模型具有參考價值。

3 結論

（1）與 40 mg/(L·d)的運行負荷相比，在 18 mg/(L·d)的較低負荷條件有利于ANAMMOX菌的培養成功。

（2）培養成功的ANAMMOX系統中，當HRT為2.0 d，運行周期為 24 h 時，處理負荷 N 為 55 mg/(L·d)條件下ANAMMOX反應器對NH4+-N的去除率為91.9%，對 NO2--N 的去除率為 98.7%。

（3）根據Monod方程，ANAMMOX反應動力學模型為：

4 展望

因條件限制，暫無平行試驗，本文在低負荷下觀察到的ANAMMOX活性有可能是在前200 d長期富集的基礎上實現的。

為進一步明確各因子對ANAMMOX富集的影響，后期應做如下平行試驗：①在高負荷為40 mg/(L·d)下運行，采用CO2作為緩沖氣體；②在低負荷為18 mg/(L·d)下運行，采用CO2作為緩沖氣體；③在高負荷為40 mg/L·d）下運行，采用Ar氣作為緩沖氣體；④在低負荷為18 mg/(L·d)下運行，采用Ar氣作為緩沖氣體。