含厭氧氨氧化菌生物膜在上流式管膜曝氣反應器中的作用

董宇，李小進，李曉彤(河北翰尼環境科技有限公司，河北 承德 067000)

1 研究背景

1.1 厭氧氨氧化菌的特點

厭氧氨氧化菌自從1988年被發現可用于污水脫氮流程之后，這一氮循環中曾經被人類忽視的一環，才逐漸走進科研界、工業界的視野之中。厭氧氨氧化菌已被發現的五個屬分別為：Kuenenia、Brocadia、Anammoxoglobus、Jettenia 和 Scalindua，其聚集的生物膜顏色表現為鮮紅色或橘紅色，其能在溫度為30～35 ℃左右，pH在7.0～7.6之間達到最高活性，厭氧氨氧化菌雖然是厭氧細菌，但是其在缺氧的條件下也能保持較高活性，其生長速率較低，細胞周期為7～11天左右(在最適宜的生長環境下)，其生長繁殖需要充足的亞硝氮、氨氮以及碳源[1]。

1.2 厭氧氨氧化菌相關工藝

在這幾十年中，厭氧氨氧化菌流程逐漸從科研尖端走向污水處理廠支流脫氮實際應用，并形成了各種厭氧氨氧化組合工藝，如：單反應器短程硝化-厭氧氨氧化工藝(SHARON-ANAMMOX)、自養短程硝化-厭氧氨氧化耦合脫氮工藝(CANON)、單級短程硝化-厭氧氨氧化耦合脫氮工藝(SNAP)、自養反硝化-厭氧氨氧化耦合脫氮工藝(DEAMOX)、同反應異養反硝化-厭氧氨氧化耦合脫氮工藝(SAD)、限氧亞硝化-厭氧氨氧化耦合脫氮工藝(OLAND)等。

2 厭氧氨氧化菌與粒狀生物膜的特性

2.1 厭氧氨氧化菌的特性

厭氧氨氧化菌的反應特性：

由于以上反應特性決定了厭氧氨氧化菌脫氮需要有充足的亞硝態氮以進行正向反應，所以短程硝化反應是厭氧氨氧化菌高效脫氮的必要條件。短程硝化反應即氨氧化菌半程氧化銨態氮為亞硝態氮并盡量阻止后半程亞硝酸鹽氧化菌進行氨氧化，即氧化亞硝態氮為硝態氮由于在低溶解氧水體中，氨氧化菌的活性與繁殖速度要高于亞硝酸鹽氧化菌，所以控制水體溶解氧在一個穩定且較低范圍內至關重要，也是短程硝化-厭氧氨氧化工藝的一個關鍵點[2]。

2.2 粒狀生物膜的特性

顆粒狀生物膜、流化床生物膜的大規模應用，給予了厭氧氨氧化菌與氨氧化菌相互結合的思路與啟示。其中粒狀生物膜具有諸多優點：首先粒狀生物膜較為穩定，不會像懸浮污泥隨水體移動，可以使用過濾網將厭氧氨氧化菌粒狀生物膜固定在反應器內，以使附著在生物膜上的厭氧氨氧化菌接觸到濃度更高的營養物質；其次粒狀生物膜具有較強的抗沖擊性，散狀或懸浮狀厭氧氨氧化菌本身抗沖擊性較弱，極易因pH或溶解氧等因素的變化而死亡，所以當厭氧氨氧化菌形成粒狀生物膜后可以應對各個種類的污水沖擊；最后粒狀生物膜可以聚集厭氧氨氧化菌和氨氧化菌成為一個互養代謝循環，使氨氧化菌所生產的亞硝態氮直接被厭氧氨氧化菌作為養分吸收[3]。

3 實驗設置以及小試流程

3.1 實驗所用的菌種培養過程

本小試所使用的混合粒狀生物膜培育過程為：在取樣自實驗室，顆粒顏色呈紅色，以厭氧氨氧化菌為主的粒狀污泥基礎上，加入一定量的分選好氧脫氮污泥，并控制曝氣量，在特定的環境中培養混合污泥，經過3～6個月的培育，使之混合成為厭氧氨氧化菌與氨氧化菌為主的粒狀生物膜，培育流程類似單級短程硝化-厭氧氨氧化耦合脫氮工藝(SNAP)中的粒狀生物膜，其氨氧化細菌在培育過程中逐漸附著在原厭氧氨氧化菌為主的顆粒污泥之上，并將厭氧的厭氧氨氧化菌包裹在粒狀生物膜之內，為厭氧氨氧化菌創造更好的厭氧條件[4]。在此期間，判斷厭氧氨氧化菌與氨氧化菌耦合的重要依據是粒裝污泥逐漸由鮮紅色逐漸變為橙紅色，并繼續淡化。

圖1 短程硝化-厭氧氨氧化耦合粒狀生物膜在連續上流式管膜曝氣反應器中的示意圖

圖2 反應器實際小試運行圖

3.2 實驗反應器構型

在本小試所設置的反應器中，反應器主體為內徑10 cm的柱狀管，為了便于觀察柱狀主體材質選用了透明玻璃，并且制作了遮光罩避光以防止藻類生物在反應器中繁殖。在反應器的上端，作為分離液體和氣體并具有收集上浮氣體作用的三相分離器，緊密地貼合在柱狀反應器內壁中，并使水體淹沒大部分三相分離器，三相分離器的上端連接著氣體收集袋，用來收集脫氮所產生的氣體，以備對其進行定量、定性分析，以佐證脫氮流程的有效性。

本小試的水體環流方式為上流式，由于大部分粒狀生物膜都沉淀在反應器底部，所以使生物膜充分接觸進水與循環水體是反應器設計的重要目標，如圖所示，進水口與環流進水口都在反應器主體結構的下端，出水口在三相分離器之上，環流出水口在三相分離器之下。

本反應器還帶有簡易的自控裝置，在環流結構中連接著一個緩沖加藥裝置，在裝置的上半部分是溫度、溶解氧以及pH探頭的檢測區，下半部分是連接加熱與自動加藥泵的加藥區，反應器介由此自控系統來控制溫度、溶解氧和酸堿度，以滿足粒狀生物膜可以一直保持綜合高活性的狀態。

管膜曝氣系統是本小試的關鍵所在，管膜曝氣系統由內徑為0.5 mm，管壁為1 mm的無孔硅膠管為曝氣主體，無孔硅膠管連接在氣壓控制閥上，氣壓控制閥的另一端連接高壓空氣瓶，由氣壓控制閥來調節無孔硅膠管中的氣壓，以達到精準控制管膜的曝氣速率。

小試反應器在溫度28 ℃，pH 7.1～7.2，溶解氧濃度0.4～0.7 mg/L的實驗環境下，在水利停留時間為48 h，進水為模擬污水，其中氨氮濃度為140.0 mg/L，同時進水中也加入了適量的醋酸鈉作為碳源，以及一定量的微量元素來滿足菌群營養平衡。在4 d后，出水穩定后，根據出水的氨氮濃度10.3 mg/L計算可得氨氮去除率為92.68%，去除率較高。

4 問題以及思考

本實驗在長時間運行后，即超過14 d以上，反應器中會發生硝態氮積累，導致正向反應被抑制、氨氮去除率變低，在本實驗中所用的反應器未考慮水體更換，除放置濾網后放空所有水體外無其他有效去除硝態氮積累的辦法，在中試、實際污水廠處理流程中應設置換水、環流優化裝置，以消除硝態氮積累。

5 結語

在本小試中，利用連續上流式管膜曝氣生物膜反應器，可以在較穩定的低溶解氧環境中，利用厭氧氨氧化菌-氨氧化菌混合粒狀生物膜合理地、高效地去除高濃度含氨氮廢水，完成脫氮處理流程，本實驗為以后的中試以及實際污水處理廠中的脫氮處理流程提供了實驗基礎與反應器理論模型。