含厌氧氨氧化菌生物膜在上流式管膜曝气反应器中的作用

董宇，李小进，李晓彤(河北翰尼环境科技有限公司，河北 承德 067000)

1 研究背景

1.1 厌氧氨氧化菌的特点

厌氧氨氧化菌自从1988年被发现可用于污水脱氮流程之后，这一氮循环中曾经被人类忽视的一环，才逐渐走进科研界、工业界的视野之中。厌氧氨氧化菌已被发现的五个属分别为：Kuenenia、Brocadia、Anammoxoglobus、Jettenia 和 Scalindua，其聚集的生物膜颜色表现为鲜红色或橘红色，其能在温度为30～35 ℃左右，pH在7.0～7.6之间达到最高活性，厌氧氨氧化菌虽然是厌氧细菌，但是其在缺氧的条件下也能保持较高活性，其生长速率较低，细胞周期为7～11天左右(在最适宜的生长环境下)，其生长繁殖需要充足的亚硝氮、氨氮以及碳源[1]。

1.2 厌氧氨氧化菌相关工艺

在这几十年中，厌氧氨氧化菌流程逐渐从科研尖端走向污水处理厂支流脱氮实际应用，并形成了各种厌氧氨氧化组合工艺，如：单反应器短程硝化-厌氧氨氧化工艺(SHARON-ANAMMOX)、自养短程硝化-厌氧氨氧化耦合脱氮工艺(CANON)、单级短程硝化-厌氧氨氧化耦合脱氮工艺(SNAP)、自养反硝化-厌氧氨氧化耦合脱氮工艺(DEAMOX)、同反应异养反硝化-厌氧氨氧化耦合脱氮工艺(SAD)、限氧亚硝化-厌氧氨氧化耦合脱氮工艺(OLAND)等。

2 厌氧氨氧化菌与粒状生物膜的特性

2.1 厌氧氨氧化菌的特性

厌氧氨氧化菌的反应特性：

由于以上反应特性决定了厌氧氨氧化菌脱氮需要有充足的亚硝态氮以进行正向反应，所以短程硝化反应是厌氧氨氧化菌高效脱氮的必要条件。短程硝化反应即氨氧化菌半程氧化铵态氮为亚硝态氮并尽量阻止后半程亚硝酸盐氧化菌进行氨氧化，即氧化亚硝态氮为硝态氮由于在低溶解氧水体中，氨氧化菌的活性与繁殖速度要高于亚硝酸盐氧化菌，所以控制水体溶解氧在一个稳定且较低范围内至关重要，也是短程硝化-厌氧氨氧化工艺的一个关键点[2]。

2.2 粒状生物膜的特性

颗粒状生物膜、流化床生物膜的大规模应用，给予了厌氧氨氧化菌与氨氧化菌相互结合的思路与启示。其中粒状生物膜具有诸多优点：首先粒状生物膜较为稳定，不会像悬浮污泥随水体移动，可以使用过滤网将厌氧氨氧化菌粒状生物膜固定在反应器内，以使附着在生物膜上的厌氧氨氧化菌接触到浓度更高的营养物质；其次粒状生物膜具有较强的抗冲击性，散状或悬浮状厌氧氨氧化菌本身抗冲击性较弱，极易因pH或溶解氧等因素的变化而死亡，所以当厌氧氨氧化菌形成粒状生物膜后可以应对各个种类的污水冲击；最后粒状生物膜可以聚集厌氧氨氧化菌和氨氧化菌成为一个互养代谢循环，使氨氧化菌所生产的亚硝态氮直接被厌氧氨氧化菌作为养分吸收[3]。

3 实验设置以及小试流程

3.1 实验所用的菌种培养过程

本小试所使用的混合粒状生物膜培育过程为：在取样自实验室，颗粒颜色呈红色，以厌氧氨氧化菌为主的粒状污泥基础上，加入一定量的分选好氧脱氮污泥，并控制曝气量，在特定的环境中培养混合污泥，经过3～6个月的培育，使之混合成为厌氧氨氧化菌与氨氧化菌为主的粒状生物膜，培育流程类似单级短程硝化-厌氧氨氧化耦合脱氮工艺(SNAP)中的粒状生物膜，其氨氧化细菌在培育过程中逐渐附着在原厌氧氨氧化菌为主的颗粒污泥之上，并将厌氧的厌氧氨氧化菌包裹在粒状生物膜之内，为厌氧氨氧化菌创造更好的厌氧条件[4]。在此期间，判断厌氧氨氧化菌与氨氧化菌耦合的重要依据是粒装污泥逐渐由鲜红色逐渐变为橙红色，并继续淡化。

图1 短程硝化-厌氧氨氧化耦合粒状生物膜在连续上流式管膜曝气反应器中的示意图

图2 反应器实际小试运行图

3.2 实验反应器构型

在本小试所设置的反应器中，反应器主体为内径10 cm的柱状管，为了便于观察柱状主体材质选用了透明玻璃，并且制作了遮光罩避光以防止藻类生物在反应器中繁殖。在反应器的上端，作为分离液体和气体并具有收集上浮气体作用的三相分离器，紧密地贴合在柱状反应器内壁中，并使水体淹没大部分三相分离器，三相分离器的上端连接着气体收集袋，用来收集脱氮所产生的气体，以备对其进行定量、定性分析，以佐证脱氮流程的有效性。

本小试的水体环流方式为上流式，由于大部分粒状生物膜都沉淀在反应器底部，所以使生物膜充分接触进水与循环水体是反应器设计的重要目标，如图所示，进水口与环流进水口都在反应器主体结构的下端，出水口在三相分离器之上，环流出水口在三相分离器之下。

本反应器还带有简易的自控装置，在环流结构中连接着一个缓冲加药装置，在装置的上半部分是温度、溶解氧以及pH探头的检测区，下半部分是连接加热与自动加药泵的加药区，反应器介由此自控系统来控制温度、溶解氧和酸碱度，以满足粒状生物膜可以一直保持综合高活性的状态。

管膜曝气系统是本小试的关键所在，管膜曝气系统由内径为0.5 mm，管壁为1 mm的无孔硅胶管为曝气主体，无孔硅胶管连接在气压控制阀上，气压控制阀的另一端连接高压空气瓶，由气压控制阀来调节无孔硅胶管中的气压，以达到精准控制管膜的曝气速率。

小试反应器在温度28 ℃，pH 7.1～7.2，溶解氧浓度0.4～0.7 mg/L的实验环境下，在水利停留时间为48 h，进水为模拟污水，其中氨氮浓度为140.0 mg/L，同时进水中也加入了适量的醋酸钠作为碳源，以及一定量的微量元素来满足菌群营养平衡。在4 d后，出水稳定后，根据出水的氨氮浓度10.3 mg/L计算可得氨氮去除率为92.68%，去除率较高。

4 问题以及思考

本实验在长时间运行后，即超过14 d以上，反应器中会发生硝态氮积累，导致正向反应被抑制、氨氮去除率变低，在本实验中所用的反应器未考虑水体更换，除放置滤网后放空所有水体外无其他有效去除硝态氮积累的办法，在中试、实际污水厂处理流程中应设置换水、环流优化装置，以消除硝态氮积累。

5 结语

在本小试中，利用连续上流式管膜曝气生物膜反应器，可以在较稳定的低溶解氧环境中，利用厌氧氨氧化菌-氨氧化菌混合粒状生物膜合理地、高效地去除高浓度含氨氮废水，完成脱氮处理流程，本实验为以后的中试以及实际污水处理厂中的脱氮处理流程提供了实验基础与反应器理论模型。