不同负荷对厌氧氨氧化污泥培养的影响

侯晓帮， 操家顺

（1.南京市市政设计研究院有限责任公司， 江苏 南京 210008；2.河海大学， 江苏 南京 210098）

0 引言

厌氧氨氧化（Anaerobic Ammonium Oxidation，简称ANAMMOX）过程是自养型ANAMMOX菌在无外加有机碳源的条件下，同时去除氨和亚硝酸盐，突破了传统生物脱氮工艺中的基本概念[1-2]，得到越来越多研究者的关注。但ANAMMOX菌生长速度极慢（倍增时间长达11 d）[3]，产率系数较低，ANAMMOX菌培养和富集困难。

人类已发现的古细菌在极端生境条件下生存能力都很强，ANAMMOX菌即属于最古老的古生物菌（Archaea）或分支很深的细菌栖热孢菌属（Thermotoga）和产液菌属（Aquifex）[2]。虽然发现ANAMMOX在自然界的封闭海体（水体）、土壤以及水底淤泥中广泛存在[4-6]，然而在试验室条件下ANAMMOX菌培养富集仍很困难，这与ANAMMOX菌在自然界中有如此强的生存能力的实际不符；因此，有理由相信ANAMMOX菌的生存信息尚未被完全揭示。

ANAMMOX菌在自然界广泛存在的封闭海体（水体）、土壤以及水底淤泥有共同的特征是负荷较低，本文在ANAMMOX菌培养过程中进行了阶段性负荷转变，研究不同负荷对ANAMMOX菌培养过程中的作用。探求ANAMMOX菌的有效培养方法。

1 材料及方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验装置

EGSB(Extended granular sludge bed)反应器总容积7.8 L，有效容积6.5 L。反应器外包裹黑布避光，通过温控系统控制反应器温度，试验时通过缓冲气囊不定时充入CO2或Ar来维持反应器内绝对的厌氧环境。通过内循环泵进行升流式内循环达到良好的泥水混合。试验工艺流程见图1。

图1 EGSB反应器装置示意

1.1.2 接种污泥

取某啤酒厂厌氧颗粒污泥及城市污水处理厂好氧硝化污泥各1.75 L接种于反应器中进行ANAMMOX培养。

1.1.3 进水水质

试验采用人工合成废水，废水水质见表1。1 L合成废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主要组分：FeSO4·7H2O，5 g/L；EDTA，5g/L； 微量元素溶液Ⅱ主要组分：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 人工合成废水水质

1.2 试验条件

反应器的运行条件为：反应器采用间歇进水、间歇出水的方式运行。人工合成废水采用纯氩气曝气30 min以消除溶解氧，通过蠕动泵进水和排水。反应器的回流流量为15.7 L/h（水流上升流速为2 m/h），温度控制在32℃，pH值控制在8.30左右。

运行周期见图2，其中第1阶段反应时间10 h 50 min，第2阶段反应时间70 h 50 min，第3阶段反应时间22 h 50 min。

图2 运行周期示意

1.3 试验方法

污泥培养的总时间为265d，进水的NH4+-N的平均质量浓度控制在48 mg/L左右，进水的NO2--N的平均质量浓度控制在62 mg/L左右。按照对反应器负荷及运行周期的调节，分为3个阶段，各个阶段运行条件见表2。

表2 各阶段运行条件

1.4 试验分析项目及测定方法

NO2-N，NH4+-N，NO3--N的监测均采用标准方法 (APHA,1998)；pH值的监测由HACH便携式pH测量仪完成。

2 培养过程与讨论

2.1 ANAMMOX污泥的培养过程及变化特征

2.1.1 培养过程

培养过程见表3和图3。

表3 培养中各阶段主要特征

图3 ANAMMOX污泥培养过程

由图3可知，在第 1阶段，ANAMMOX在负荷（以 N计，下同）为 40 mg/(L·d)的条件下经 200 d培养，活性没有显著增加；经过第2阶段在负荷为18 mg/(L·d)的条件下55d的培养，ANAMMOX菌活性已经非常明显。

第3阶段提高运行负荷到为55 mg/(L·d)，在此负荷下ANAMMOX活性进一步提高。

在第3阶段末期进一步提高负荷到110mg/(L·d)，NO2--N的去除率下降到76%，NH4+-N去除率下降到28%，出现ANAMMOX菌活性受到抑制的现象，停止进一步提高负荷，转为与第2阶段同等负荷的为18mg/(L·d)条件进行复活试验，经过18 d的培养，NO2--N的去除率上升为100%，NH4+-N去除率提高到89%，复活成功。

2.1.2 污泥变化特征

由于ANAMMOX菌含有丰富的细胞色素C，成熟的ANAMMOX污泥呈浅红色[5]，在本试验的第2阶段已经出现了红褐色污泥，在稳定运行期取ANAMMOX污泥进行检测，发现ANAMMOX菌泥水混合物的颜色呈土红色，经过600℃高温灼烧后ANAMMOX菌污泥颜色为红褐色。与接种的厌氧颗粒污泥黑色相比，具有明显差异。污泥颜色的变化较好地印证了启动过程中ANAMMOX菌的发展历程。

2.1.3 化学计量学变化特征

ANAMMOX反应的化学计量关系[6]：

NH4+-N和NO2--N以一定比例被同时转化是ANAMMOX的本质特征，NO3--N的产量在某种程度上也反映了ANAMMOX菌的增殖情况。因此，在ANAMMOX反应器启动过程中，NH4+-N，NO2--N去除量与NO3--N生成量的比值变化可作为ANAMMOX反应状况的重要判据。第1阶段、第2阶段及第3阶段的比例变化趋势见图4。

图4 第1阶段、第2阶段及第3阶段比例变化曲线

由图4可以看出，在第 1阶段，ρ(NH4+-N)∶ρ(NO2--N)平均为 1 ∶5.10，且没有检测到NO3--N的产生；在第 2 阶段中，ρ（NO2--N）消耗∶ρ（NH4+-N）消耗的均值为1.51，在本阶段末检测到了NO3--N的生成，ρ（NH4+-N）去除∶ρ（NO2--N）去除∶ρ（NO3--N）生成为1∶1.51∶0.07；在第 3阶段中，ρ（NH4+-N）去除∶ρ（NO2--N）去除∶ρ（NO3--N）生成为 1∶1.28∶0.16，与理论值 1∶1.32∶0.26 非常接近。

2.2 分析与讨论

2.2.1 培养过程分析

在第1阶段，ANAMMOX对NO2--N去除效果良好，而对NH4+-N去除能力较弱的可能原因：①NO2--N通过反硝化作用去除；②发酵性细菌进行了异化性硝酸盐还原作用（dissimilatorynitratereduction），该类细菌利用硝酸盐作为电子受体将硝酸盐还原成氨，在自然界，该作用常发生于电子受体贫乏的缺氧环境中[7]；③ANAMMOX菌将NO3--N异化还原成NH4+-N[8]。此阶段经历时间较长，但ANAMMOX菌的活性并没有得到明显提高，说明高负荷（短周期）条件下并不利于ANAMMOX菌的富集。

在第2阶段较长周期条件下，相比于第1阶段的200 d，该阶段仅用55d使ANAMMOX即成长为优势菌种。成因分析如下，文献报道[9-10]，ANAMMOX菌在缺氧水体、沉积物、海冰等各种各样的海洋水体中是广泛存在的，据估计，全球海洋氮循环（50%以上）的主要方式是ANAMMOX[11]；ANAMMOX菌在自然界的封闭海体（水体）、土壤以及水底淤泥中广泛存在[12]，这种环境流动性差，生存环境稳定、停留时间较长且负荷较低，这是ANAMMOX菌在自然生境中的重要生存特征之一，本试验的结果证明在较低负荷N为18 mg/(L·d)条件下ANAMMOXA菌迅速获得了优势地位，与ANAMMOX菌的自然的生存环境相互印证，较低负荷对ANAMMOX菌的生长是有益的。

2.2.2 周期试验与动力学分析

在第3阶段，对ANAMMOX过程进行周期分析，见图5。

图5 厌氧NH4+-N化典型周期变化曲线

由图5可知，在第3阶段的一个典型周期中，NO2--N和NH4+-N成比例地同步去除，同时有NO3--N生成，pH值基本稳定在8.0左右。在整个周期中基质降解趋势明显，周期末底物降解完成充分，周期试验表明，在运行周期为24 h，HRT为2.0 d时处理负荷为55 mg/(L·d)是适宜的，ANAMMOX系统能够对底物进行充分的降解。

ANAMMOX的生物降解遵循一级反应，动力学可借由Monod方程表示[13]：

式中：V为基质比去除速度，；Vmax为基质最大比去除速度，h-1；X为微生物平均质量浓度，mg/L；S0为进水基质质量浓度，mg/L；Se为t时间后的基质质量浓度，mg/L；t为水力停留时间，h；Ks为饱和常数，其值为时的基质质量浓度，mg/L。

对式（1）取倒数，得：

跟据周期试验进行动力学计算Xt/（So-Se）与1/Se的关系，计算结果见图6。

图6 Xt/（So-Se）与 1/Se 关系

线性相关系数R2=0.804,线性关系显著。说明数学模型估算值与观测值之间相关关系高度显著，模型具有参考价值。

3 结论

（1）与 40 mg/(L·d)的运行负荷相比，在 18 mg/(L·d)的较低负荷条件有利于ANAMMOX菌的培养成功。

（2）培养成功的ANAMMOX系统中，当HRT为2.0 d，运行周期为 24 h 时，处理负荷 N 为 55 mg/(L·d)条件下ANAMMOX反应器对NH4+-N的去除率为91.9%，对 NO2--N 的去除率为 98.7%。

（3）根据Monod方程，ANAMMOX反应动力学模型为：

4 展望

因条件限制，暂无平行试验，本文在低负荷下观察到的ANAMMOX活性有可能是在前200 d长期富集的基础上实现的。

为进一步明确各因子对ANAMMOX富集的影响，后期应做如下平行试验：①在高负荷为40 mg/(L·d)下运行，采用CO2作为缓冲气体；②在低负荷为18 mg/(L·d)下运行，采用CO2作为缓冲气体；③在高负荷为40 mg/L·d）下运行，采用Ar气作为缓冲气体；④在低负荷为18 mg/(L·d)下运行，采用Ar气作为缓冲气体。