常温下UASB反应器厌氧氨氧化生物脱氮试验

张彦江，姚俊芹

(新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐 830046)

水体氮污染引起的富营养化已经引起人们广泛关注，污水排入水体前进行由微生物完成的脱氮处理，是目前城镇污水处理厂的基本要求。硝化-反硝化是目前运用最广泛的传统生物脱氨途径，实际运行中具有流程长、工艺操作运行复杂的缺点[1]。人们开始探讨高效经济的生物脱氮新技术。1995年，荷兰Delft大学一个生物脱氮流化床反应器中发现在厌氧条件下，氨氮和亚硝酸盐氮的同时消失，并同时有氮气和少量硝酸盐氮的生成，这种现象被称作厌氧氨氧化[2]。随后，研究表明厌氧氨氧化是一种生化反应[3]，且厌氧氨氧化菌广泛存在于自然界中[4-5]。厌氧氨氧化现象的发现，打破了对自然界氮循环的认识，开辟了一条全新的生物脱氮途径，成为近年来污水处理生物脱氮新工艺研究的热点[6-7]。研究表明，温度是影响厌氧氨氧化反应的主要因素之一[4,8]，(32±1) ℃被证明是厌氧氨氧化反应的最佳反应器温度[9]。如果能实现不加热污水，常温下厌氧氨氧化生物脱氮，将大大减少污水加热的成本。该试验考察接种普通污水厂活性污泥，常温下(22～29 ℃)能否实现厌氧氨氧化生物脱氮，以期为厌氧氨氧化工艺的早日工程应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1试验装置试验装置采用如图1所示UASB反应器，反应器由有机玻璃加工制成，总容积为3.20 L，其中反应区2.28 L，沉淀区0.92 L。进水由UASB反应器底部泵入，出水从反应器上部出水口流出。以防光对厌氧氨氧化菌的损害，反应器用黑纸包裹。

注：1.进水隔膜泵；2.配水桶；3.温度计；4.排气；5.出水；6.取样口Note:1.Inlet diaphragm pump; 2. With bucket; 3. Thermometer; 4. Exhaust; 5. Outlet; 6. Sample port图1 试验装置示意Fig.1 Diagram of experimental reactor

1.2接种污泥与试验用水接种污泥取自于乌鲁木齐市某污水处理厂氧化沟，接种量为2.30 L。试验用水为自来水配制，氨氮和亚硝酸盐氮分别由NH4Cl和NaNO2提供，由于自来水中存在少量的硝酸盐氮，因此试验用水中存在少量的硝酸盐氮。

主要元素为NaHCO3(500 mg/L)、MgSO4(300 mg/L)、CaCl2(126 mg/L)、KH2PO4(30 mg/L)。同时投加微生物生长必需的微量元素溶液，以满足微生物正常生长所需微量元素Ⅰ：FeSO4(5 000 mg/L)；微量元素Ⅱ：ZnSO4·7H2O(430 mg/L)、CoCl2·6H2O(240 mg/L)、MnCl2·H2O(990 mg/L)、CuSO4·H2O (250 mg/L)、NiCl2·6H2O(190 mg/L)，H3BO4(14 mg/L)[10]。

1.3监测项目及方法NH4+-N，纳氏试剂光度法；NO2--N，N-(1-萘基)-乙二胺光度法；NO3--N，紫外分光光度法；温度，水银温度计。

1.4试验方法试验期间(2016年1—10月)进水氨氮和亚硝酸盐氮质量浓度分别为50和70 mg/L(浓度比为1.0∶1.4)，通过调节进水量调整反应器的容积负荷。研究表明，普通污水处理厂活性污泥中具有厌氧氨氧化菌活性的菌数量较少，反应器所能承受的负荷较低[10]。因此，第1～17天流量为4.0 L/d，氨氮容积负荷为0.063 kg/(m3·d)，目的是为加快反应器内有机物的消耗，减少有机物对厌氧氨氧化的影响。当反应器内表现出厌氧氨氧化活性后，第18～43天流量，降为3.4 L/d，氨氮容积负荷下调为0.053 kg/(m3·d)，目的是提高厌氧氨氧生物脱氮去除率。当去除率达到70%以上，但是一直徘徊不前，第44～85天再进一步降低流量,降为2.6 L/d，氨氮容积负荷为0.041 kg/(m3·d)，以提高反应器的脱氮效果。暑假期间，反应器停止运行3个月。10月开始进行二次启动的试验，第1～36天流量为2.6 L/d。

2 结果与分析

2.1氨氮的去除水体中氨氮的生物去除，好氧条件下，经亚硝化菌和硝化菌的作用，通过硝化作用转化为硝酸盐氮；另一种就是在厌氧条件下，在厌氧氨氧化菌的作用下，与亚硝酸盐氮经厌氧氨氧化生化反应去除。图2显示，接种污泥从第7天开始有氨氮的去除，随后去除率逐渐提高，到第75天以后去除率均在90.0%以上。第75～85天，氨氮的平均去除率为93.5%。

图2 进、出水氨氮浓度和去除率变化Fig.2 Variation of concentration and removal rate of NH4+-N in influent and effluent

2.2亚硝酸氮的去除水体中亚硝酸盐氮在厌氧条件下的生物去除通常有2种途径：一是有机物存在时，在反硝化菌作用下，经反硝化作用生成氮气而去除；另一种就是厌氧氨氧化途径。研究表明，厌氧氨氧化菌是一种自养菌，较高有机物浓度会抑制厌氧氨氧化菌的活性[11]。图3显示，反应器对亚硝酸氮的去除规律相对复杂。接种污泥来自城市污水处理厂，污泥中含有大量的有机物和微生物。试验初期第1～12天，在污泥中反硝化菌作用下，进水亚硝酸盐氮经反硝化作用被去除，表现为对亚硝酸盐氮的去除率逐渐提高，达96.9%。随着有机物的消耗，厌氧氨氧化菌开始表现出活性，结合图2中第13～20天氨氮的去除分析，有氨氮的去除，表明厌氧氨氧化作用去除了部分亚硝酸盐氮，且亚硝酸盐氮去除率很高，说明亚硝酸盐氮是通过反硝化和厌氧氨氧化2种途径去除，但仍然是反硝化途径去除为主。随着有机物的消耗，反硝化途径减弱，第21～44天厌氧氨氧化途径还没有成为主要途径，因此表现出亚硝酸盐氮的去除率反而下降。在第44天以后，当有机物完全消耗殆尽后，亚硝酸盐氮的去除率又开始稳步提高，表明反应器内厌氧氨氧化反应成为反应器内的主导反应。第75～85天亚硝酸盐氮平均去除率为86.1%。

图3 进、出水亚硝酸盐氮浓度和去除率变化Fig.3 Variation of concentration and removal rate of NO2--N in influent and effluent

2.3硝酸盐氮的生成厌氧氨氧化是生化反应，经过大量的试验，得出厌氧氨氧化的生化反应式为[4]：

NH4++1.32NO2-+0.066HCO3-+ 0.13H+→1.02N2+0.26NO3-+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O

(1)

式(1)显示，厌氧氨氧化生物脱氮的特点是氨氮和亚硝酸盐氮的去除，同时会有少量的硝酸盐氮生成。由图4可知，反应器在第9天开始有硝酸盐的生成，表明第9天反应器内就开始出现厌氧氨氧化现象。

图4 进、出水硝酸盐氮浓度变化Fig.4 Variation of NO3--N concentration in influent and effluent

2.4厌氧氨氧化反应的三氮比由式(1)可以看出，去除的氨氮、去除的亚硝酸盐氮和生成的硝酸盐氮的比(简称三氮比)为1.00∶1.32∶0.26。厌氧氨氧化菌在20～43 ℃均具有活性[4]，在31 ℃左右活性最高[9]。

从图5可以看出，第1次启动温度为22～29 ℃，平均为25 ℃，前47 d三氮比值波动较大，之后出水氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮含量稳定，反应器三氮比趋于稳定，表明反应器中厌氧氨氧化是反应内的主要生物脱氮途径，反应器在22～29 ℃顺利启动。

图5 第1次启动温度和三氮比的变化Fig.5 Variation of temperature and the ratio of removed NH4+-N,removed NO2--N and produced NO3--N at the first time

图6 第2次启动温度和三氮比的变化Fig.6 Variation of temperature and the ratio of removed NH4+-N,removed NO2--N and produced NO3--N at the second time

2.5厌氧氨氧化反应器的二次启动及运行第2次启动厌氧氨氧化反应器，温度为17～25 ℃，平均温度为22 ℃，图6显示厌氧氨氧化菌活性低，造成反应器氨氮和亚硝酸盐氮去除率低，温度逐渐上升后其活性也随之逐渐增强，反应器仅用16 d就恢复稳定运行状态，氨氮和亚硝酸盐氮平均去除率分别为96.6%和90.1%，第16～36天三氮比平均为1.00∶1.32∶0.21，成功恢复了厌氧氨氧化菌活性，表明厌氧氨氧化菌可以在17～25 ℃表现出活性。

3 结论

(1)接种普通活性污泥经过75 d运行，在常温22～29 ℃下可以成功启动UASB厌氧氨氧化反应器，氨氮和亚硝酸盐氮的平均去除率分别达93.5%和86.1%。

(2)在17～25 ℃下二次启动反应器，运行16 d可快速恢复厌氧氨氧化菌活性，氨氮和亚硝酸盐氮的平均去除率分别达96.6%和90.1%。

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