生物过滤型厌氧氨氧化系统的启动、抑制及恢复研究

韩 明，何士龙，王冰冰

(1.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221116；2.江苏智盛环境科技有限公司，江苏 连云港 222000)

厌氧氨氧化(ANAMMOX)作为一种生物脱氮新方法，具有容积效能高、无需外加碳源以及污泥产量小等特点[1]，在含氨氮废水特别是低碳氮比的废水处理中具有广阔的应用前景，是目前生物脱氮领域的研究热点。然而，厌氧氨氧化菌的增殖速率较慢，倍增周期大约在11 d左右，致使系统启动时间较长[2]。为此，探索厌氧氨氧化系统的快速启动方式对于厌氧氨氧化技术的工程化应用具有重要意义。另外，厌氧氨氧化菌对环境因子以及废水组分的变化较为敏感，致使系统常常失稳。虽然目前已有研究报道表明过高的基质浓度会对厌氧氨氧化系统产生抑制作用[3-4]，但对于本研究构建的升流式厌氧氨氧化滤池而言，其耐基质浓度能力和抑制后的恢复程度与已有研究有何异同，还有待阐明。

本研究利用装载页岩陶粒作为填料的升流式厌氧污泥床(UASB)系统作为反应器，研究系统的启动特征，考察运行过程基质浓度变化对反应器性能的影响，探讨失稳后系统的恢复方法与恢复能力。

1 试验材料与方法

1.1 试验用水

1.2 接种污泥

本研究的接种污泥为硝化污泥与消化污泥按1∶1混合而成的混合污泥(活性污泥中悬浮固体物质的总质量浓度(MLSS)为10 g/L).硝化污泥取自江苏省徐州市中国矿业大学南湖校区污水处理站内缺氧池污泥，消化污泥取自江苏省某垃圾焚烧厂内消化池污泥。接种前，混合污泥用营养液多次冲洗，以去除种污泥中的杂质和残余污染物质。

1.3 试验装置与运行模式

本试验采用反应器系统如图1所示。反应器为装载页岩陶粒的UASB系统，填料装载体积为反应器有效容积的70%.UASB反应区的内径为10 cm，高为90 cm，有效容积为8.8 L.反应器外裹橡塑海绵保温板，用于遮光和保温，反应区的外部设有保温区，利用循环水浴加热系统保持反应器温度在33～35 ℃之间。试验采用连续进水模式，利用蠕动泵将废水连续泵入反应器底部，然后进入反应区。上部设有三相分离器，污泥絮体、气体和净化水经过三相分离器分离，气体由气室引出，净化水则从出水口流出。

图1 试验装置示意图Fig.1 Diagram of experimental setup

反应运行过程中通过改变基质浓度和水力停留时间(HRT)来改变系统的负荷。具体运行操作过程如表1所示。

表1 反应器运行操作情况Table 1 Operation of the reactor

1.4 分析方法

游离氨(FA)的浓度由式(1)计算得到：

(1)

式中：cFA为游离氨浓度，mol/L；cNH3为总氨氮浓度，mol/L；θ为温度，℃.

游离亚硝酸(FNA)浓度可由(2)计算：

(2)

式中，cFNA为游离亚硝酸浓度，mol/L；cNO2为总亚硝

酸盐浓度，mol/L；θ为温度，℃.

容积基质氮去除速率(NRR)可通过式(3)得出：

(3)

容积氨氮去除速率(ARR)可通过式(4)计算：

(4)

容积氮去除率(NRE)计算公式可通过式(5)计算：

(5)

容积基质氮负荷(NLR)可通过式(6)计算：

(6)

式(3-6)中：进水氨氮、出水氨氮、进水亚硝态氮、出水亚硝态氮、硝态氮生成量以质量浓度计算，mg/L；t为水力停留时间HRT，h；φ(NRR)，φ(NLR)，φ(ARR)单位为kgN·m-3·d-1.

2 结果与讨论

2.1 厌氧氨氧化的快速启动

反应器启动过程中氨氮、亚硝态氮、硝态氮和氮负荷的变化情况如图2所示。

利用接种成熟的厌氧氨氧化污泥作为接种污泥或系统装载填料都可以快速启动厌氧氨氧化系统(如表2所示)。本研究采用的页岩陶粒和悬浮球组合填料，与聚氨酯泡棉填料相比，基本在相同的时间内成功启动了厌氧氨氧化系统，但是本研究选用的复合填料价格低廉，具有较高的性价比。

2.2 反应器的失稳及恢复

在厌氧氨氧化系统启动成功后，继续提高进水在第176 d开始，在低基质浓度和相同进水负荷条件下，考察了不同HRT对系统恢复性能的影响，结果如图3第Ⅳ～Ⅴ阶段所示。由于系统中大部分微生物集中在反应器的下层，通过下层污泥对氮去除率的变化可以判断反应器恢复程度的好坏。当HRT为10 h时，底部的NRE在10% 以下；而当HRT为12 h时，底部的NRE在40%以上。究其原因是随着HRT的降低，水流速度加快，使得底部的污泥与基质接触时间变短，对基质的利用变差，致使反应器脱氮性能的恢复较差。由此可见，维持适宜的HRT对于系统恢复是有利的。

表2 不同填料厌氧氨氧化的启动性能[13-15]Table 2 Start-up performance of ANAMMOX with different filters

图2 反应器启动过程中氨氮浓度变化及去除率(a)、亚硝态氮浓度变化及去除率(b)及ARR、NRR、NLR、NRE(c)的变化Fig.2 Changes in concentration and removal rate of ammonia nitrogen(a), variations in concentration and removal rate of nitrite nitrogen(b) and changes of ARR, NLR, NRE concentration(c) in the process of reactor start-up

图3 运行失稳及恢复过程氨氮浓度变化及去除率(a)、亚硝态氮浓度变化及去除率(b)、FA，FNA浓度变化(c)和pH变化情况(d)Fig.3 Changes in concentration and removal rateof ammonia nitrogen (a), changesin concentration and removal rate of nitrite nitrogen (b), changes of FA, FNA concentration (c) and pH change (d) in the instability andrecoveryprocessesduring operation

3 结论

1) 利用价格低廉的页岩陶粒搭载UASB反应器经过116 d成功的快速启动了厌氧氨氧化系统。

2) 厌氧氨氧化生物膜过滤系统较常规的颗粒污泥厌氧氨氧化系统具有较高的耐FA、FNA能力，在FA质量浓度为5 mg/L和FNA质量浓度达到360 μg/L时该系统仍然可以保持稳定运行；更高的进水基质浓度下，导致系统FA、FNA浓度过高，是导致厌氧氨氧化系统失稳的原因，而且失稳后的厌氧氨氧化系统对FA、FNA的耐受能力降低。

3) 对比HRT在10 h和12 h的条件下系统的恢复性能表明，更高的HRT有利于失稳系统的快速恢复。

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