亚硝化絮状污泥启动上流式厌氧污泥床-厌氧氨氧化反应器及污泥颗粒化研究*

李 芸 王 斌 李泽兵 李朝明 王东亮 许 丹 李 军

(1.东华理工大学水资源与环境工程学院，江西 南昌 330013；2.核资源与环境国家重点实验室，江西 南昌 330013；3.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124)

厌氧氨氧化(ANAMMOX)作为一种新型生物脱氮技术越来越受到广泛关注，与传统生物脱氮工艺比较而言，它具有无需碳源投加、无需曝气、温室气体减排、脱氮效率高、产泥量少等优点。目前，关于ANAMMOX启动方面的研究已有不少。有研究不同反应器启动ANAMMOX的，也有研究不同接种污泥启动ANAMMOX的。DAPENA MORA等[1]和HELIO等[2]均采用序批式反应器(SBR)启动ANAMMOX，经过200多天的运行获得了1.0～2.0 g/(L·d)的TN去除负荷，并实现了污泥颗粒化。唐崇俭等[3]732采用膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器来启动ANAMMOX，经过230 d的稳定运行，获得了50.75 g/(L·d)的氮容积负荷，同时得到了ANAMMOX颗粒污泥。丛岩等[4]通过以好氧硝化颗粒污泥和ANAMMOX污泥为接种污泥启动EGSB-ANAMMOX反应器，第89天时TN去除负荷为4.758 g/(L·d)。唐晓雪等[5]通过以20%(质量分数，下同)的硝化反硝化污泥、70%的厌氧污泥及10%粉碎后的ANAMMOX颗粒污泥为接种污泥启动上流式厌氧污泥床(UASB)-ANAMMOX，61～100 d系统稳定运行，平均TN去除负荷为4.3 g/(L·d)。由此可见，仅采用活性污泥为接种污泥启动ANAMMOX需要较长的时间，而采用活性污泥与ANAMMOX污泥作为接种污泥则可大大缩短启动时间[6-8]。另外，颗粒污泥具有负荷高、持留性好、抵抗不利条件能力强等优点，已有学者在不同反应器中培养出ANAMMOX颗粒污泥。如王俊敏等[9]在UASB反应器中获得了平均粒径为0.73 mm的ANAMMOX颗粒污泥；唐崇俭[3]739在高负荷运行下的EGSB反应器中培养出平均粒径为2.51 mm的ANAMMOX颗粒污泥。因此，为考察UASB-ANAMMOX反应器的启动及污泥颗粒化过程，本研究拟采用亚硝化絮状污泥与一定量ANAMMOX颗粒污泥(粒径<0.5 mm)的混合污泥为接种污泥，以实现反应器的快速启动；同时，考察UASB中氮素及颗粒污泥的沿高度分布，探讨ANAMMOX颗粒污泥的形成及其特性，以期为ANAMMOX的快速启动及污泥颗粒化提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置及方案

ANAMMOX启动试验采用UASB反应器，有效容积为10 L，进水由蠕动泵泵入反应器底部，控制温度为25 ℃左右，水力停留时间(HRT)为1.2～3.7 h，进水pH为7.5～8.0；设置回流泵，在试验过程中按要求控制回流比。先接种亚硝化絮状污泥，调节HRT为2.4 h，第8天加入ANAMMOX颗粒污泥(粒径<0.5 mm)，不断逐步增加进水基质浓度，提高进水负荷，考察UASB-ANAMMOX反应器的启动特性，同时在第71天时增加回流比，以提高系统内水流的上升流速，促进污泥颗粒化过程，探讨污泥颗粒化特性。具体运行参数见表1。同时，离底部10、40、70、100 cm处设置4个取样口(编号为1#～4#)。

图1 UASB-ANAMMOX反应器示意图

1.2 试验用水水质

试验采用人工模拟废水，主要成分包括NH4Cl、NaNO2、NaHCO3、KH2PO4、MgSO4·7H2O、CaCl2和微量元素。各按所需量进行配比，后采用自来水稀释至所需浓度。微量元素Ⅰ、Ⅱ投加量各1 mL/L。微量元素Ⅰ为乙二胺四乙酸(EDTA)5 g/L、FeSO45 g/L；微量元素Ⅱ为EDTA 15 g/L、ZnSO4·7H2O 430 mg/L、CoCl2·6H2O 240 mg/L、MnCl2·4H2O 990 mg/L、CuSO4·5H2O 250 mg/L、Na2MoO4·2H2O 220 mg/L、NiCl2·6H2O 190 mg/L、Na2SeO4·10H2O 210 mg/L、H3BO314 mg/L。

1.3 试验接种污泥

试验的亚硝化絮状污泥在SBR中采用全程硝化反硝化污泥培养而来，其平均氨氮去除率为92.6%，平均亚硝态氮积累率为94.5%；全程硝化反硝化污泥取自北京某污水处理厂，硝化性能良好，混合液悬浮固体(MLSS)为6 500 mg/L左右，混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)和MLSS质量浓度比值(MLVSS/MLSS)为83.3%。ANAMMOX颗粒污泥颜色为砖红色，碾碎并通过0.5 mm筛子筛分，MLVSS/MLSS为80.7%。ANAMMOX颗粒污泥(粒径<0.5 mm)和亚硝化絮状污泥的混合质量比为1.00∶4.47，混合后MLSS为8 370 mg/L。

表1 UASB-ANAMMOX反应器启动运行参数

1.4 测试分析方法

采用纳氏试剂光度法测定氨氮；采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法测定亚硝态氮；采用麝香草酚分光光度法测定硝态氮；采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度计法测定TN；采用重量法测定MLSS[10]。采用湿式筛分析法[11]测定颗粒污泥粒径；采用WTW/Multi3420便携式测定仪测定pH、DO、温度。

2 结果与讨论

2.1 UASB-ANAMMOX系统运行效能

UASB-ANAMMOX反应器启动性能如图2所示。1～7 d，出水氨氮高于进水氨氮，其原因是亚硝化絮状污泥由好氧状态转变为厌氧状态，一部分细菌因不适应环境而死亡降解并释放出氨氮[12-13]；亚硝态氮降低则是由污泥中存在的反硝化菌内源反硝化所致。第8天，随ANAMMOX颗粒污泥的加入，系统随即显现出比厌氧氨氧化活性(SAA)，具体表现为氨氮、亚硝态氮去除率及TN去除负荷同时增高，氨氮和亚硝态氮的去除率分别为28%和37%，TN的去除量和去除率分别为13.5 mg/L和31%。之后随着系统的运行，TN去除负荷逐渐增加，运行到35 d时，氨氮和亚硝态氮的去除率分别为52%和58%，TN的去除率和去除负荷分别为51%和0.23 g/(L·d)。经计算，此时系统反应过程氨氮、亚硝态氮、硝态氮的化学计量比为1.00∶1.22∶0.16(摩尔比，下同)，接近于ANAMMOX反应理论值(1.00∶1.32∶0.26)，说明此时系统内以ANAMMOX脱氮反应为主。一般而言，在低基质浓度下微生物生长缓慢，而基质浓度的升高则有利于促进微生物的生长代谢[14]。将进水氨氮和亚硝态氮分别提高至24～30、30～38 mg/L，第36天TN去除率为36%，较之前有所降低，其原因为系统进水负荷突然升高所致，到第70天时，氨氮和亚硝态氮的去除率分别为91%和88%，TN的去除量和去除率分别为53.2 mg/L和79%，这说明系统内ANAMMOX菌在逐渐富集，SAA在逐渐提高。之后逐步提高进水基质浓度和负荷，随进水基质浓度和负荷的升高，SAA不断增强，系统TN去除负荷在不断提高，运行至120 d时，TN的去除率和去除负荷分别为76%和0.93 g/(L·d)。此外，由表2可见，随时间的推移，系统内SAA在逐渐提高。

图2 UASB-ANAMMOX反应器启动性能

表2 各阶段系统内污泥的SAA

2.2 UASB-ANAMMOX反应器氮素及颗粒污泥沿高度分布

反应器内氮素及颗粒污泥沿高度变化可反映UASB-ANAMMOX系统运行情况。UASB-ANAMMOX反应器氮素及颗粒污泥沿高度分布如图3所示。1#取样口的MLSS最高，为24.7 g/L，之后随高度的增加呈递减趋势，到4#取样口时仅为1.3 g/L。反应器底部的MLVSS/MLSS较低，而上部则较高，说明底部的无机成分(如钙盐和镁盐等)含量较多，无机成分可作为颗粒污泥的内核提高颗粒污泥的沉降性能。有研究表明，适当增加进水中无机成分含量可增加颗粒污泥的质量从而减少污泥流失[15]。因此，反应器中质量较大的颗粒污泥会沉于底部，而质量较小的颗粒污泥则会由于ANAMMOX的产气作用悬浮于上层。同时，大量的颗粒污泥都聚集在底部，从而导致底部的氮素降解速率较快。此外，从取出的颗粒污泥粒径看，反应器底部的粒径明显大于上部，其原因一是底部基质充足并具备较高的浓度，利于基质向颗粒污泥内部扩散，可维持大颗粒污泥内部细菌的养分；二是一般来说，颗粒较大的污泥质量也较大，促使其沉在底部。氨氮和亚硝态氮从低至高呈递减趋势，其降解速率在1#至2#最快，2#至3#次之，3#至4#最慢，而硝态氮则从低至高呈递增趋势。可见，进入系统中的基质的降解速率与污泥浓度有关，污泥浓度高，生物量大，基质降解速率快。

图3 UASB-ANAMMOX反应器氮素及颗粒污泥沿高度分布

2.3 污泥颗粒化

对于ANAMMOX来说，污泥颗粒化可有效减少污泥流失，提高ANAMMOX脱氮效率。一般情况下，控制好相关条件(如水利条件、基质浓度、负荷等)可快速实现污泥的颗粒化。上升流速会影响污泥颗粒化速度，较高的上升流速形成的水力剪切作用大，这会提高污泥的胞外聚合物(EPS)含量，促进污泥颗粒化[16-18]。但过高的上升流速也会导致絮状或小颗粒的污泥流失[19]。试验1～70 d时，反应器中污泥是絮体和小颗粒状态，因此先以较小的上升流速(3.62 m/h)运行，随污泥粒径的增大，通过内回流的方式逐步提高上升流速，71～90、91～120 d的上升流速分别为5.44、7.36 m/h。基质浓度和进水负荷也会影响污泥颗粒化过程，过低的基质浓度和进水负荷，会导致细菌生长繁殖缓慢，从而影响污泥颗粒化进程[20]。不同时间反应器内颗粒污泥粒径分布见表3。试验中反应器的启动采用培养的亚硝化絮状污泥和小粒径的ANAMMOX颗粒污泥，初始时，两种污泥混合后粒径<0.5 mm；随反应器的运行，第40天时颗粒污泥粒径已有所增大，其中粒径≥0.5 mm的颗粒污泥占27.4%，但仍然以絮体为主；第80天时粒径≥0.5 mm的颗粒污泥占56.8%；第120天时反应器中污泥多以颗粒状态为主，粒径≥0.5 mm的颗粒污泥占73.6%，并且污泥呈现红褐色。说明通过不断提高基质浓度和进水负荷，并通过调整回流比提高上升流速来加大水力剪切作用，成功启动UASB-ANAMMOX反应器并实现污泥颗粒化。

表3 不同时间反应器内颗粒污泥粒径分布1)

3 结 论

(1) 通过接种亚硝化絮状污泥和粒径<0.5 mm的ANAMMOX颗粒污泥，逐步提高进水基质浓度和进水负荷，35 d时TN的去除率和去除负荷分别为51%和0.23 g/(L·d)；系统反应过程化学计量比接近ANAMMOX反应理论值，成功启动UASB-ANAMMOX反应器。随进水基质浓度和负荷的升高，SAA不断增强，至120 d时，TN的去除率和去除负荷分别为76%和0.93 g/(L·d)。

(2) 大量的颗粒污泥在反应器底部聚集，从而导致底部的氮素降解速率较快。底部颗粒污泥的粒径明显大于上部，并且底部的MLVSS/MLSS较低，而上部则较高。基质在底部快速降解，而在上部降解缓慢。

(3) 进水基质与上升流速的提高促进了污泥颗粒化过程，在整个过程中，反应器中的污泥平均粒径逐渐增大，第120天时有73.6%的污泥粒径≥0.5 mm，实现污泥颗粒化，并且污泥呈现红褐色。