1        ANANMMOX工藝研究狀況

厭氧氨氧化技術的研究從荷蘭KLUYVER試驗室發(fā)現(xiàn)這一實驗現(xiàn)象（1），到2002年6月世界上第一座生產(chǎn)性裝置在DOKHAVEN投入運行（2），至今已持續(xù)近十年。國內(nèi)的一些研究者在這一領域也取得了一定的研究成果（3）。目前國內(nèi)一大批研究機構正積極地在這一領域開展研究工作（4）。綜觀目前的研究成果，對ANAMMOX 的基礎理論研究已經(jīng)相當深入，但對如何快速培養(yǎng)和富集ANAMMOX菌公開報道，較為鮮見。眾多研究者缺乏研究材料的問題相當普遍，這已成為在這一領域開展大量研究工作的重要瓶頸。

2        ANAMMOX菌培養(yǎng)反應器選擇

目前已知的培養(yǎng)ANANMMOX菌方法的有兩類，一類是采用ANAMMOX菌接種物，在反應器中進行增殖培養(yǎng)；另一種是采用活性污泥進行富集培養(yǎng)。荷蘭代爾夫特工業(yè)大學（TU Delft）關于ANAMMOX的研究主要利用第一種方法，種泥來自于最早發(fā)現(xiàn)ANAMMOX現(xiàn)象的脫氮流化床反應器。在國內(nèi)開展的研究只能依靠從活性污泥中富集培養(yǎng)的方法。浙江大學鄭平、胡寶蘭等采用UASB反應器成功地富集到了高活性的ANAMMOX污泥（5）。上海交通大學的楊虹等采用懸浮填料床反應器，成功地進行了OLAND工藝的研究，該工藝中同樣有ANAMMOX菌參與反應（6）。荷蘭研究者認為SBR是適合ANAMMOX 菌培養(yǎng)的反應器，并且在該反應器中培養(yǎng)出了顆?；腁NAMMOX污泥（7），但是該反應器全套購置費用昂貴，國內(nèi)一般研究機構難以承受，不便于推廣使用。分析目前關于ANAMMOX菌的研究成果可知，培養(yǎng)該菌應該滿足其如下一些基本要求：

（1）   該菌廣泛地存在于自然界中，在具有硝化、脫氮能力的生物膜、長污泥齡低負荷活性污泥中數(shù)量較多。

（2）   該菌在有氨氮、亞硝酸鹽氮的環(huán)境中，可以進行ANAMMOX反應，并能夠增殖。

（3）   氧對該菌完成ANAMMOX反應有抑制作用（8）。

（4）   該菌的合適生存環(huán)境是：溫度20-43℃，pH6.7~8.3（9）。

（5）   亞硝酸鹽氮抑制濃度為100mg/L（9）。

（6）   該菌的倍增時間是4-11天，合成系數(shù)是0.054gVSS/gNH4+-N，污泥衰減系數(shù)為0.01d-1。 比增長速率為0.065 d-1（10）。

目前研究中使用的反應器，如UASB，流化床，填料床等，基本屬于完全混合類反應器。采用推流式的反應器，并且將啟動污泥均勻地固定在反應器中，同樣適合于ANAMMOX 菌的富集培養(yǎng)。理由如下：

（1）   接種污泥中含有少量ANAMMOX菌，這些分散于污泥絮體中的菌體通過填料的支撐作用，均勻地固定在反應器中，可以獲得相對穩(wěn)定、相互依存的生長環(huán)境。

（2）   培養(yǎng)基質低速穿過污泥絮體，可以為該菌提供營養(yǎng)，傳遞中間產(chǎn)物。

（3）   反應器中基質濃度沿推流沿程上是遞減分布的，為污泥在各種負荷下生長提供了可能性，在進水口附近是高負荷區(qū)，在出水附近是低負荷區(qū)。負荷的不同，微生物的生長狀況也呈現(xiàn)出差異，特別是對于復合菌而言，不同種類的菌在反應器中可能有相應的生長區(qū)段。

（4）   對于氧、高基質濃度等抑制因素，推流式反應器的前段可以起到保護后段的作用。

（5）   從推流沿程上取樣，可以方便觀察不同區(qū)段微生物的生長和基質濃度變化所帶來的差異性情況。

（6）   從設備要求上講，該反應器只需要一個進水泵，最大限度低減少了轉動部件，從而對保證系統(tǒng)的密閉性非常有利。整個系統(tǒng)造價低廉。

基于上述設想，本研究設計了一個2.4L的推流式固定化生物絮體反應器，在4個月內(nèi)成功地完成了啟動過程。隨后啟動的另一組12L反應器也已獲得了穩(wěn)定的ANAMMOX活性。

3        試驗裝置及方法

3.1    試驗裝置

試驗用ANAMMOX反應器及試驗流程圖見圖1.反應器有效容積為2.4L。該裝置運行在30℃的恒溫試驗室中。進水流量范圍0.8~1.13L/d，平均流量為0.923L，平均水力停留時間為2.6天。

1．進水貯瓶   2. 水蠕動泵   3. 流式固定化絮體反應器   4. 出水貯瓶    5. 出水貯瓶

圖1    ANAMMOX反應器及試驗流程圖

3.2    接種污泥

接種污泥取自某污水廠的好氧消化污泥和中水處理廠的好氧污泥，經(jīng)過短暫的硝化培養(yǎng)后，作為接種污泥使用。其部分理化性狀為：TS 13.3g/L; VS 7.25g/L; VS/TS 54.65%;  pH 8.0~ 8.3。

3.3    培養(yǎng)基質

含氮污水采用在自來水中配入工業(yè)碳酸氫銨和亞硝酸鈉的方法配制，同時按照一定比例加入無機鹽和微量元素(3)。每次配制基質后，用氬氣置換20-~30分鐘，在進料過程中也連續(xù)通入該氣體，以消除氧的影響。

3.4    分析方法

氨氮：納氏試劑光度法；

亞硝酸鹽：N-( 1-萘基)乙二胺光度法；

硝酸鹽：紫外分光光度法；

總氮：過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法；

PH：玻璃電極法；

堿度：電位滴定法；

每批次分析化驗時，每個項目均選取一個樣品進行加標回收測定，回收率在90%以上為有效數(shù)據(jù)。

4         推流式固定化絮體生物反應器的啟動與運行結果

試驗期間氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、總氮和反應器負荷的歷時變化曲線見圖2~6。

4.1   污泥適應及轉換期

污泥接種完畢后，開始連續(xù)進水培養(yǎng)ANAMMOX 菌。根據(jù)鄭平等的經(jīng)驗，起始濃度設定為70mg/L(NH4+-N和NO2--N)。試驗開始的一個半月可以看作是污泥的適應和轉換期。接種污泥均是好氧污泥，并且含有一定的有機物，在轉為厭氧狀態(tài)下運行，有一個轉變過程。從圖1-5中可以看出，出水中NH4+-N、NO2--N、TN變化非常不穩(wěn)定。根據(jù)堿度變化和各種氮形態(tài)之間轉化分析，這一時期首先發(fā)生的是氨氧化和反硝化反應，然后才開始ANAMMOX反應。從第30天以后后，氨氮濃度持續(xù)降低，亞硝酸鹽氮濃度持續(xù)上升濃度，但是氨氮轉化量高于亞硝酸鹽氮增加量，總氮去除率均小于20%。到第45天后，亞硝酸鹽氮濃度開始逐步下降，并低于進水濃度，同時總氮去除率上升，達到30%以上。出水中的硝酸鹽氮含量和產(chǎn)氣量開始上升。至此反應器已經(jīng)具備一定的ANAMMOX反應特征。

4.2    負荷提高期

從第45天后開始提高負荷，考慮到反應器中要發(fā)生一部分氨氧化反應，有一部分氨氮要轉化為亞硝酸鹽氮，因此在配水時，有意提高氨氮濃度（一般按氨氮與亞硝酸鹽氮1.2~1.5:1的比例配置，根據(jù)出水中殘余的氨氮和亞硝酸鹽氮濃度進行調(diào)整）。從圖1-4中可以看出，到第80天后，總氮的去除率達到80%，出水中的氨氮和亞硝酸鹽氮均接近0mg/l。反應器此時已基本穩(wěn)定，第80天以后按照7-10天提高進水TN60-80mg/l的速度提高負荷，控制出水中氨氮和亞硝酸鹽氮均接近0mg/l。到120天左右，在反應器中觀察到了紅色的顆粒狀污泥，此污泥可能就是ANAMMOX菌的聚集體。試驗結果表明，雖然進水濃度在不但提高，氨氮和亞硝酸鹽氮的去除率均接近100%，但總氮的去除率因為有硝酸鹽氮的生成，而始終維持在80%左右。當負荷降低時，硝酸鹽氮的濃度可以降低，總氮去除率也隨著上升，但為了加快培養(yǎng)細菌，未在這方面進行進一步試驗。在本試驗第135~147天的12天穩(wěn)定運行期內(nèi)（平均流量0.929L/d），平均進水氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、總氮濃度分別為337.0mg/l、317.4mg/l，27.3mg/l，684.8mg/l，出水中氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、總氮的濃度分別為5.2mg/l, 6.4mg/l, 111.4mg/l、128.2mg/l。反應器平均進水氨氮、亞硝酸鹽氮、總氮負荷分別為0.131Kg-N/m3.d，0.123Kg-N/m3.d，0.265Kg-N/m3.d，反應器平均氨氮、亞硝酸鹽氮，總氮去除負荷分別為0.129Kg-N/m3.d，0.120Kg-N/m3.d，0.215Kg-N/m3.d，平均去除率分別為98.4%，97.9%，81.1%。目前反應器運行負荷仍在不斷提高之中。

5  污泥性狀觀察

5.1  反應器沿程污泥分布

經(jīng)過連續(xù)培養(yǎng)，反應器中污泥顏色變化不大，從原來的黃褐色變?yōu)檩^暗的土黃色。反應器前半部分的污泥變少，反應器后半部分的污泥從外觀觀察未見減少。試驗過程中未觀察到明顯的污泥流動和流失現(xiàn)象。

5.2    污泥顆?；?/p>

從第120天觀察到反應器前半部分出現(xiàn)紅色污泥后，紅色污泥顆粒在填料支架上成片生長，污泥的數(shù)量和尺寸在不斷增加。并且與黃色絮狀污泥混雜在一起。顆粒尺寸從0.2mm到3-4mm不等。污泥顆粒周圍有較多氣泡。反應器的后半部分未發(fā)現(xiàn)紅色污泥。這表明高負荷有利于該污泥的生長和顆?；?。由于反應器是推流式運行，到末端可供微生物利用的基質較少，不利于微生物的大量生長。

6        問題討論

6.1    氨氮與亞硝酸氮反應比例問題

本試驗中觀察到的氨氮和亞硝酸鹽氮反應比例與目前普遍認同的反應方程式（式1）(10)有較大差異。

根據(jù)上述反應式，氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮的反應比例為1:1.32:0.26左右，胡寶蘭等的試驗結果是1:1.123（氨氮：亞硝酸鹽氮）。本試驗期間反應器累積的氨氮與亞硝酸鹽氮反應比例為1.37:1:0.056（或1:0.73:0.04）。初步探索性試驗表明，硝酸鹽氮的比例可以通過降低負荷進一步降低，但如果將進水氨氮與亞硝酸鹽氮濃度改為1:1，對反應器的運行將造成重大沖擊。本反應器中氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮反應比例的差異是否是由于存在硝化反應或存在其他微生物反應所造成，仍有待于以后的試驗深入研究確認。

6.2    負荷提高速度問題

負荷提高速度受污泥增長的速度的限制。本試驗期間，按照7~10天增加總氮濃度60-80mg/L的速度提高負荷，基本上與反應器中微生物的增長相適應。當負荷提高過快或提高幅度過大后，會導致出水中有殘余的氨氮和亞硝酸鹽氮。雖然維持一定出水基質濃度對反應器末端微生物的生長有利，但由于對ANAMMOX 反應器的控制條件不甚明了，為了保證反應器的穩(wěn)定運行，只好按控制出水亞硝酸鹽氮和氨氮濃度均為0mg/L的方式運行。

7         氧氣的影響

反應器氧非常敏感，少量的氧進入反應器就會造成ANAMMOX反應效率的急速降低，出水pH也較原先的值低?？梢酝ㄟ^觀察出水pH的變化，判斷反應器是否受到氧的影響。氧對反應器的影響是可逆的，并且可以通入氬氣驅趕氧氣，消除氧對ANAMMOX反應的抑制。

8         運行控制方法

本試驗運行結果表明，控制出水氨氮、亞硝酸鹽氮濃度在一定的范圍內(nèi)，穩(wěn)定運行7-10天作為一個周期，再提高負荷；利用出水pH、堿度的變化判斷反應器日常的運行情況，就可以順利地運行該反應器，并獲得ANAMMOX活性和顆?；腁NAMMOX污泥。由于試驗裝置一般較小，產(chǎn)氣計量較為困難，不便于作為運行控制手段。

9         結論

（1）      采用推流式固定化絮體生物反應器培養(yǎng)ANAMMOX菌，有其獨特的優(yōu)勢，是一種廉價并且易于控制的試驗手段。

（2）      本試驗利用該反應器成功地在一個半月后獲得了穩(wěn)定的ANAMMOX活性，并且在120天左右培養(yǎng)出了紅色的顆?；勰啵赡苁茿NAMMOX菌的聚集體）。

（3）   本試驗運行后期的穩(wěn)定運行期間，反應器平均HRT為2.58天，溫度為30度時獲得如下結果：平均進水氨氮、亞硝酸鹽氮濃度分別為337.0mg/l、317.4mg/l，平均出水氨氮、亞硝酸鹽氮濃度為5.2mg/l、6.4mg/l，平均出水硝酸鹽氮濃度111.4mg/l；氨氮、亞硝酸鹽氮、總氮去除率分別為98.4、97.9%、81.1%；氨氮、亞硝酸鹽氮、總氮的去除負荷分別為0.129Kg/m3.d、0.120Kg/m3.d、0.215Kg/m3.d。

（4）      該反應器可以通過控制出水氨氮、亞硝酸鹽氮濃度，日常監(jiān)控pH、堿度等指標的方式運行管理。

 

參考文獻

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