UBF实现同步反硝化产甲烷的启动与运行特征

郭兴宇，丁琦，王增长

(1.青岛市公路规划设计院有限公司，山东 青岛 266041；2.中国市政工程西北设计研究院有限公司，山东 青岛 266041；3.太原理工大学 环境科学与工程学院，山西 太原 030024)

UBF实现同步反硝化产甲烷的启动与运行特征

郭兴宇1，丁琦2，王增长3*

(1.青岛市公路规划设计院有限公司，山东 青岛 266041；2.中国市政工程西北设计研究院有限公司，山东 青岛 266041；3.太原理工大学 环境科学与工程学院，山西 太原 030024)

[目的]寻求同步反硝化产甲烷工艺的快速启动方法，并观察启动后同步反硝化产甲烷的稳定运行特征。[方法]利用自制的上向流厌氧污泥床-生物膜复合反应器(up-flow anaerobic sludge bed-filter，简称UBF)处理高碳氮比垃圾渗滤液，选择好氧预挂膜-厌氧驯化联合方式对反应器实施启动，最终实现同步反硝化产甲烷功能。[结果]整个启动过程历时42 d，下部污泥床的污泥浓度约为9.5 g·L-1，上部填料床的挂膜量达5.2 g·g-1填料；高碳氮比下反应器的处理效果十分稳定，CODCr、NO3--N、NH4+-N和TN的总去除率分别为88.83%、99.95%、70.97%、82.80%，污染物降解效率较高；生物气日产量约7.2～8.9 L，所含气体成分较为稳定，CH4、CO2、H2和含氮气体的平均含量比例分别为54.41%、44.09%、0.58%、0.92%。[结论]利用好氧预挂膜-厌氧驯化的启动方式，可以对UBF反应器快速实现同步反硝化产甲烷功能，并获得稳定且良好的运行效果。

UBF反应器；同步反硝化产甲烷；垃圾渗滤液；快速启动；稳定运行

Abstract:[Objective]In this paper, it was the research purpose that seeking the rapid startmethod of simultaneous denitrification and methanogenesis (SDM) process and observing stable operation characteristics of SDM after start-up.[Methods]The up-flow anaerobic sludge bed-filter (UBF) was used for treating landfill leachate with high C/N, and the associated way of aerobic precoating-anaerobic acclimation was selected to implement start process, which achieved SDM function in the UBF reactor finally.[Results]The whole start-up process lasted for 42 d, the sludge concentration was about 9.5 g·L-1in the sludge bed, and the amount of biofilm was 5.2 g·g-1filler in packed bed; Under high C/N the treatment effect of UBF reactor was very stable, and total removal rates of CODCr, NO3--N, NH4+-N and TN were 88.83%, 99.95%, 70.97% and 82.80% respectively and substrate degrading efficiencies were higher; The daily production of biogas was about 7.2～8.9 L and the composition of biogas was stable, and average content ratios of CH4、CO2、H2and nitrogen gas were 54.41%, 44.09%, 0.58% and 0.92% respectively.[Conclusion]Therefore, for the UBF reactor, the associated way of aerobic precoating-sludge anaerobic acclimation could be used for the fast achievement of SDM function, and the stable and good operation effect was acquired.

Keywords:UBF reactor, Simultaneous denitrification and methanogenesis, Landfill leachate, Rapid start up, Stable operation

随着工农业生产的高速发展和人们生活水平的不断提高，含氮有机废水(生活污水、垃圾渗滤液、焦化废水、制革工业废水、屠宰场废水和食品工业废水等)排放量逐年增加，导致城市污水处理厂有机负荷和氮负荷同时上升，废水中含氮有机物种类趋于多样化，且高分子难降解物质含量增加。以垃圾渗滤液为例，其成分复杂，有机物和氨氮的含量都很高，同时还含有多种重金属离子，属于典型的高氨氮废水，其脱氮问题一直是国内外研究的重点和难点[1]。

通常采用A2/O工艺对垃圾渗滤液等含氮废水进行处理，但是，当所处理废水生化性差或BOD5/TN比值高时，传统A2/O工艺的反硝化段只能去除废水中一部分有机物，仍有相当数量的有机物依靠后续的好氧生物处理单元来承担，造成碳氧化需氧量高、能耗大。诸多研究者[2]针对A2/O工艺的不足之处，提出同步反硝化产甲烷工艺，即在一个厌氧反应器内实现反硝化和产甲烷两个过程，不仅缩短了工艺流程，省去了缺氧反硝化池，同时也解决了A2/O工艺中缺氧池反硝化碳源不足的问题，还可防止厌氧产甲烷反应器出现酸化。

反硝化和产甲烷过程是由两大类性质迥异的微生物分别完成的，反硝化降解产生的各种氮氧化物(N2O、NO、NO2--N)对产甲烷菌有较强的毒性抑制作用[3]，通常认为反硝化菌与产甲烷菌很难共存，如果要在单一厌氧反应器中同时实现反硝化和产甲烷，厌氧反应器的成功启动是关键所在。本文重点讨论同步反硝化产甲烷反应器的启动方案，并考察启动阶段的废水处理特征；同时，在反应器正常运行后，考察运行阶段的废水处理特征。

1 材料与方法

1.1 试验用水与接种污泥

试验用水取自山西某垃圾场的渗滤液。该垃圾场主要用于填埋生活垃圾，渗滤液成分以有机物和氨氮为主，渗滤液原水水质见表1。试验中，使用硫酸或氢氧化钠溶液将进水的pH值调节为8.00～8.30，使用葡萄糖、氯化铵溶液将进水的CODCr、NH4+-N浓度调节为6 500 mg·L-1、490 mg·L-1。本试验采用城市污水处理厂二沉池的回流污泥作为接种污泥。

表1 渗滤液原水水质Table 1 Leachate raw water quality

1.2 试验装置

利用自制的上向流厌氧污泥床-生物膜复合反应器(up-flow anaerobic sludge bed-filter，简称UBF)模拟同步反硝化产甲烷工艺(图1)。反应器有效容积为7.8 L，内径和高度分别为100 mm、1 200 mm。反应器中间设有隔板，分为上、下两部分，以防止下部污泥床的污泥上浮而导致污泥流失。上部生物膜空间与下部污泥床空间的容积分别为4.68 L、3.12 L。反应器配备有恒温器，温度设置为(35±1) ℃。通过反应器取样口、出水口分别收集下部污泥床和总出水水样，以待分析。反应器水力停留时间为8 h，污泥停留时间为30 d。

图1 同步反硝化产甲烷工艺构成Fig.1 Simultaneous nitrification and denitrification process

1.3 分析方法

测试项目主要有CODCr、NH4+-N、NO3--N、TN、混合液悬浮固体浓度(MLSS)、混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)、pH、氧化还原电位(ORP)、溶解氧(DO)、温度、产气量及气体成分等。测试项目、方法及设备见表2。

表2 测试项目一览表Table 2 List of test items

2 结果与分析

2.1 反应器快速启动过程

2.1.1 填料床好氧预挂膜

UBF反应器快速启动的关键点在于上部填料床的挂膜效率。厌氧生物膜反应器挂膜效率低主要有三个原因：厌氧微生物的增殖速率和新陈代谢速率较低；厌氧微生物大都为杆菌和球菌，不容易附着于填料表面且易随反应器出水流失掉；产甲烷菌作为厌氧消化反应器中的主要菌群，在启动阶段还未形成优良的菌体结构且生物量较少，容易受到各类抑制因子的影响。根据相关研究成果[5～7]，可以先让丝状细菌成功附着于填料并快速生长，由于该类微生物的生态特点，在填料表面会形成稳固的网络构架，此时就能为其他微生物如厌氧菌群提供良好的固着条件，达到厌氧生物膜反应器高效挂膜与快速启动的目的。因此，本试验在UBF反应器启动阶段采用好氧预挂膜方式，即在好氧条件下促使丝状菌的大量繁殖，在填料表面预先附着一层由丝状菌形成的网状生物膜。通常来说，丝状菌是严格的好氧细菌，但现有资料显示，0961、1863、1851和N.limicola类型的丝状菌也能够在厌氧条件下进行呼吸代谢[8，9]，由此推测在好氧条件下培育且在后续厌氧阶段存活下来的丝状菌为上述几类。

UBF反应器上部填料床选用悬挂组合式填料，如图2所示，填料单元为内、外双圈构型，内圈是呈雪花状的塑料枝条，外圈连接有一圈分布均匀的醛化纤维束，该填料同时具有半软性和软性填料的特点，主要参数如下：外圈直径120 mm，内圈直径75 mm，片距60 mm，安装距离120 mm。在反应器启动过程中，需要定期观察填料床的挂膜情况，使用“挂膜量”来表征，具体测试方法为：取一块填料单元置于容器内，用蒸馏水冲洗附着的生物膜，然后将填料与脱落的生物膜一起经滤纸过滤，并于105 ℃下烘干称重，称重结果减去填料单元净重即得挂膜量(g·g-1填料)。

图2 悬挂组合式填料及填料单元构型Fig.2 Suspension combined packing and packing unit configuration

污泥床和填料床的污泥接种浓度分别为2.0、5.0 g·L-1，为提高填料床的好氧预挂膜效率，进水采用葡萄糖人工配水(表3)，进水CODCr浓度为1 000 mg·L-1，进水流量为1.35 L·h-1。通过UBF反应器底部的循环出口鼓入空气，控制溶解氧在2 mg·L-1左右。在预挂膜过程中污泥浓度的变化情况如图3所示，运行结束后污泥床的污泥浓度增至6.2 g·L-1，填料床的挂膜量达到2.5 g·g-1填料，整个运行过程中COD去除率均在95%以上。

另外，为确保能够均匀挂膜，反应器运行前5 d，试验用水由底部进水口进入，水流自下至上行进，经上部出水口排出；在运行后5 d，试验用水改为由出水口进入，水流自上至下行进，经进水口排出。

表3 葡萄糖人工配水组分Table 3 Glucose artificial water component

注：微量元素液添加量为10 mL·L-1反应器，维生素溶液添加量为0.01 mL·L-1反应器。
Note: The trace element solution was 10 mL per liter reactor, and the vitamin solution was 0.01 mL per liter reactor.

图3 好氧预挂膜过程中污泥浓度的变化情况Fig.3 The change of concentration of sludge in aerobic pre coating process

2.1.2 污泥厌氧驯化

在好氧预挂膜结束后，向反应器内冲入氮气，使ORP初步降至-120 mV左右，将反应器溶解氧环境由先前的好氧转变为缺氧环境。试验进水改用垃圾渗滤液，为使污泥微生物逐步适应实际废水，采取阶梯式增大有机负荷的方式，垃圾渗滤液稀释倍数依次为3.2、2.1、1.6、1，进水NO3--N浓度按CODCr/NO3--N=16进行相应调整，进水流量为1.35 L·h-1。在厌氧驯化过程中CODCr和NO3vN的降解情况如图4所示，以某有机负荷运行时，当CODCr、NO3--N去除率趋于稳定(分别达86%、99%以上)，随即增大有机负荷，此时底物去除率迅速下降，随着反应持续进行去除率逐渐上升并趋于稳定，然后再增大有机负荷，如此循环直至垃圾渗滤液无需稀释。

图4 厌氧驯化过程中底物降解情况Fig.4 Substrate degradation during anaerobic acclimation

在厌氧驯化过程中污泥浓度的变化情况如图5所示，随着反应持续进行，下部污泥床的污泥浓度和上部填料床的挂膜量均呈不断增大趋势。在反应器启动运行的第30 d，下部污泥浓度增至10.3 g·L-1，此时开始排泥以调节下部污泥床的污泥龄，按“反应器体积/SRT”计算排泥量，取SRT为30 d，则日排泥量约90 mL，持续排泥12 d后污泥浓度趋于稳定，大约9.5 g·L-1。对于上部填料床，在反应器启动运行的第39 d，挂膜量增至5.2 g·g-1填料，此时填料床的挂膜(新生)与脱膜(死亡)速率达到平衡，使得挂膜量随运行时间趋于稳定，脱落下来的生物膜随出水水流排出。

图5 厌氧驯化过程中污泥浓度的变化情况Fig.5 Changes of sludge concentration during anaerobic acclimation

2.2 反应器正常运行特征

2.2.1 底物降解过程

UBF反应器在经过好氧预挂膜、污泥厌氧驯化后成功启动，启动过程历时约42 d，在此之后该反应器进入稳定运行阶段，试验周期为20 d。正常运行过程中，每日分别于进水口、取样口和出水口取得待测样品，以考察下部污泥床、上部填料床及反应器的底物降解效率，取样口和出水口的CODCr、NO3--N、NH4+-N和TN浓度随时间在一定范围内波动，各底物平均去除率如图6所示。(1)对于CODCr，其进水浓度为6 500 mg·L-1，取样口平均浓度为4 304.3 mg·L-1，出水口平均浓度为726.1 mg·L-1，反应器总去除率达88.83%，其中污泥床和填料床的去除率分别为33.78%、55.05%，可见填料床在CODCr降解过程中起着主要作用；(2)对于NO3--N，其进水浓度为400 mg·L-1，取样口平均浓度为50.4 mg·L-1，出水口平均浓度为0.2 mg·L-1，反应器总去除率达99.95%，其中污泥床和填料床的去除率分别为87.40%、12.55%，可见NO3-N在污泥床中就可基本被去除；(3)对于NH4+-N，其进水浓度为490 mg·L-1，取样口平均浓度为510.6 mg·L-1，出水口平均浓度为142.3 mg·L-1，反应器总去除率为70.97%，取样口浓度稍高于进水浓度，可见NH4+-N仅在填料床中被利用去除，而在污泥床中未发生显著变化，这表明在此区域内并未发生厌氧氨氧化反应，可能是较高的有机物浓度抑制了该反应，新增加NH4+-N主要来自含氮有机物的反硝化降解；(4)对于TN，其进水浓度为620 mg·L-1，取样口平均浓度为447.5 mg·L-1，出水口平均浓度为106.6 mg·L-1，反应器总去除率达82.80%，其中污泥床和填料床的去除率分别为27.82%、54.98%，可见填料床在TN降解过程中起着主要作用，在填料床中除大部分有机氮被降解外，NH4+-N作为产甲烷菌的氮源也被利用消耗。

图6 反应器正常运行阶段的底物降解情况Fig.6 Substrate degradation during normal operation stage

2.2.2 产气变化规律

在UBF反应器运行过程中，每日使用集气袋对其产生的生物气体进行采样，采样完毕后将集气袋取下，测量其中生物气的成分含量。UBF反应器的生物气体成分主要包括含氮气体、CH4、CO2和H2，通过气相色谱仪测定出CH4、CO2和H2的含量，其余则为含氮气体含量。

生物气体日产量随运行时间的变化情况如图7所示。总气体日产量在7.2～8.9 L范围内波动，所含气体成分较为稳定，CH4、CO2、H2和含氮气体的平均含量比例分别为54.41%、44.09%、0.58%、0.92%。由此可见，UBF反应器的含氮气体生成量较少，生物气体主要来自厌氧产甲烷反应，在产甲烷反应中H2的有效利用率较高，它所参与的同型乙酸化、食氢甲烷化过程进展顺利，使得气体中H2含量偏低。

图7 反应器正常运行阶段的产气变化规律Fig.7 Gas variation during normal operation stage

3 讨论与结论

生物处理有机质过程中主要包括好氧技术、厌氧技术[10,11]，但如果直接应用好氧技术处理高有机质浓度的废水存在能耗需求大、污泥产量多、后续处理费用昂贵等问题[12]，对于高有机质浓度废水适合选择应用厌氧处理技术对有机质进行去除，既可节省能耗、减少后续处理费用，又可回收甲烷能源[13,14]。因此，根据厌氧技术优势特点，提出应用同步反硝化产甲烷工艺处理高碳氮比的有机废水，同时去除废水中有机质和部分氮素[15,16]。由于反硝化细菌与产甲烷菌特性差异较大、难以共存，同步反硝化产甲烷的实现往往取决于反应器微生物的成功培养。对于UBF反应器而言，其快速启动的关键点在于组合式填料的生物膜挂膜效率。

本试验采用填料床好氧预挂膜-污泥厌氧驯化联合方式对反应器实施启动，整个启动过程历时42 d，成功启动后下部污泥床的污泥浓度约为9.5 g·L-1，上部填料床的挂膜量达5.2 g·g-1填料。利用具有同步反硝化产甲烷功能的UBF反应器处理垃圾渗滤液，高COD/NO3--N下反应器的处理效果十分稳定，CODCr、NO3--N、NH4+-N和TN的总去除率分别为88.83%、99.95%、70.97%、82.80%，污染物降解效率较高；生物气日产量约7.2～8.9 L，所含气体成分较为稳定，CH4、CO2、H2和含氮气体的平均含量比例分别为54.41%、44.09%、0.58%、0.92%。

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(编辑：武英耀)

Start-upandoperationcharacteristicsofUBFreactorforsimultaneousdenitrificationandmethanogenesis

Guo Xingyu1, Ding Qi2, Wang Zengzhang3*

(1.QingdaoTrafficPlanningandDesignInstituteLimitedCompany,Qingdao266041,China; 2.CSCECAECOMConsultantsLimitedCompany，Qingdao266041,China；3.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

X703

A

1671-8151(2017)10-0754-06

2017-06-02

2017-06-22

郭兴宇(1984-)，男(汉)，山西太原人，工程师，硕士，研究方向：水污染控制工程

*通信作者：王增长，教授，博士生导师，电话：18562751769；E-mail： 93667187@qq.com

国家自然科学基金(51378330)