浅谈不同填料在高氨氮废水处理工艺中的应用

李明雪 刘宝玉 张轶凡 李红霞 孙晓莹 伊泽

（1. 天津创业环保集团股份有限公司，天津 300381；2. 天津凯英科技发展股份有限公司，天津 300384）

1 引言

随着城市化水平的提高以及工业化进程的加快，垃圾渗滤液、味精废水、污泥消化液、焦化废水等高氨氮废水的产生量越来越大，造成水环境的污染，并给人们的生活带来了极大影响，因此亟待采取高效经济的脱氮方法来处理高氨氮废水。厌氧氨氧化（ANAMMOX）工艺是由厌氧氨氧化菌在厌氧条件下，以氨氮（NH4＋－N）作为电子供体、亚硝态氮（NO2－－N）作为电子受体，利用无机碳源将NH4＋－N 和NO2－－N转化生成N2的过程［1］。与传统的异养型生物脱氮过程相比，厌氧氨氧化工艺具有节约能耗、不需要外加碳源且污泥产量少等优点，有望成为新一代高氨氮废水主流处理技术的核心。

但是，ANAMMOX 菌为特殊的自养菌群体，生长速率极慢，倍增时间长达11 d 以上［2］（一般异养菌只需几十分钟到几个小时），而且容易随出水流失，ANAMMOX 菌难以富集培养，反应器系统中ANAMMOX 菌的生物量存在严重不足。这个问题可通过添加填料来较为有效地解决。填料为ANAMMOX菌提供了附着和繁衍的场所，有利于ANAMMOX 菌的生长繁殖，减少菌体的流失，延长ANAMMOX 菌在系统内的停留时间，可以有效促使ANAMMOX 菌的富集，进而加快ANAMMOX 反应器的启动。填料的结构、材质、密度对ANAMMOX 菌的挂膜起着至关重要的作用，开发新型填料将会成为研究的热点。本文概括了ANAMMOX 工艺处理高氨氮废水过程中不同类型填料的研究现状，以期为ANAMMOX工艺的快速启动和广泛应用提供有价值的参考。

2 不同类型填料在ANAMMOX 工艺中处理高氨氮废水的应用

2.1 活性炭填料

活性炭是一种硬性填料，具有良好的吸附性能，微生物能够在其表面及内部孔道进行生长繁殖，这有利于提高反应器内的生物量，同时能够促进污泥颗粒化。除此之外，活性炭对NO2－－N 等有害物质具有屏蔽作用，有害物质浓度沿孔道深度逐渐减少，微生物直接与高浓度有害物质接触的部分很小，因而有利于反应过程的稳定，且提高了在恶劣环境下ANAMMOX 菌的生存机会［3］。赵旭飞等［4］在上流式厌氧污泥床（UASB）反应器中添加活性炭填料，考察了活性炭填料对ANAMMOX 过程的影响，结果表明，活性炭的添加在很大程度上促进了反应器的启动，80 d 成功完成启动，TN 去除率能够稳定在80%～95%，TN 去除负荷为0.44 kg/（m3·d），且还有很大的提升空间。此填料是一种较为理想的生物载体，不仅能够迅速提高局部功能菌的生物量，还可避免不利环境的干扰，而聚氨酯海绵填料则容易阻碍营养物质和微生物代谢产物的传质。

2.2 聚乙烯填料

目前，常用于ANAMMOX 工艺中的聚乙烯填料多为呈蜂窝状的扁圆柱体，其侧边沿不同径向伸展许多尾翅，增加了填料的比表面积，且反应所产生的气体可通过蜂窝状结构和填料之间的孔隙排出，有助于老化生物膜的脱落更新，促进ANAMMOX 菌与底物之间的传质以及系统的稳定运行。孙庆花等［5］以某污水厂污泥消化液进行连续进水，并向稳定运行的CANON 反应器内投加亚硝化挂膜聚乙烯填料，构建了CANON－MBBR 反应器，研究表明，系统具有良好的脱氮效能，TN 去除负荷为1.15 kg/（m3·d），且系统内生物量高达1.5 kg，避免了污泥的流失。王钧等［6］利用厌氧序批式生物膜反应器（ASBBR），以城市生活污水为配水基质，并投加聚乙烯悬浮填料，进行ANAMMOX 的启动及挂膜，考察了ASBBR 系统的脱氮效果，结果表明，ASBBR 在第93 天完成ANAMMOX 的启动，并实现了反应器长时间的稳定运行，且系统总无机氮平均去除率达到88.34%。聚乙烯填料可直接悬浮在水面以下，与其他填料相比，更容易呈流化态和进行反冲洗，且运行维护简便。

2.3 聚氨酯海绵填料

聚氨酯海绵填料比表面积大、密度低，对ANAMMOX 菌具有极强的截留能力，可显著提高系统的脱氮效能和生物量。安雪迪等［7］利用聚氨酯填料复合颗粒污泥构建了UASB 反应器，并进行长期培养驯化及填料的挂膜，经过120 d 的运行，进水NH4＋－N 的浓度从30 mg/L 提高至420 mg/L，容积氮去除负荷从0.08 kgN/（m3·d）提升至3.39 kgN/（m3·d），系统表现出良好的适应性和氮去除率。王淑雅等［8］采用改性聚氨酯填料进行ANAMMOX 小试实验，研究表明，稳定运行120 d，总氮去除率在80%以上，相比于普通聚氨酯填料的挂膜，表面生物膜量增加了一倍，生物膜上物种丰富度更高，且联氨氧化还原酶的功能基因的相对丰度明显增高。相比于聚乙烯填料，这种填料对ANAMMOX 菌的滞留能力极强，且具有很强的抵抗冲击能力，更有利于菌种的富集培养。

2.4 其他填料

火山岩、陶粒、沸石、无纺布等填料也被广泛应用于ANAMMOX 工艺中进行微生物挂膜［9-11］。关于ANAMMOX 菌的填料研究众多，且不同类型的填料都存在其各自的优势。为了进一步强化ANAMMOX系统，除单一填料的研究外，混合填料也成为快速启动ANAMMOX 反应器的一个重要研究方向。苏慧等［12］自主研发了一种新型的电气石陶粒＋聚氨酯的复合填料，并且将其投加到一体化的ANAMMOX 反应器中进行挂膜实验，研究表明，复合填料对反应器的快速启动具有一定的促进作用，且系统表现出较好的脱氮效果和稳定性。谭锡诚等［13］构建了2 个装载不同填料的UASB 反应器，一个添加普通的K3 填料，另外一个添加载活性炭基K3 填料，对比研究了这2种ANAMMOX 系统的启动及脱氮性能，最终2个反应器成功启动，最大氮容积负荷分别为2.156，2.122 g/（L·d），最大氮去除负荷分别达到1.855，1.815 g/（L·d），脱氮效果稳定，但添加载活性炭基K3 填料的反应器系统启动要明显更快，且系统内微生物的种群结构也发生了变化。

3结语

由于ANAMMOX 反应器中的填料疏水性较强且比表面积较大，能够将ANAMMOX 菌固定化，从而有效减少了系统的启动时间，同时可以降低运行成本，对提高ANAMMOX 工艺的脱氮性能具有独特的优势，这为ANAMMOX 的工程应用提供了依据。填料的类型和形式对ANAMMOX 菌的挂膜效果具有较大的影响，因此，新型填料的研发将成为今后的研究热点之一，通过改性和优选填料来进一步加强ANAMMOX 系统性能。