亞硝化絮狀污泥啟動上流式厭氧污泥床-厭氧氨氧化反應器及污泥顆粒化研究*

李 蕓 王 斌 李澤兵 李朝明 王東亮 許 丹 李 軍

(1.東華理工大學水資源與環境工程學院，江西 南昌 330013；2.核資源與環境國家重點實驗室，江西 南昌 330013；3.北京工業大學建筑工程學院，北京 100124)

厭氧氨氧化(ANAMMOX)作為一種新型生物脫氮技術越來越受到廣泛關注，與傳統生物脫氮工藝比較而言，它具有無需碳源投加、無需曝氣、溫室氣體減排、脫氮效率高、產泥量少等優點。目前，關于ANAMMOX啟動方面的研究已有不少。有研究不同反應器啟動ANAMMOX的，也有研究不同接種污泥啟動ANAMMOX的。DAPENA MORA等[1]和HELIO等[2]均采用序批式反應器(SBR)啟動ANAMMOX，經過200多天的運行獲得了1.0～2.0 g/(L·d)的TN去除負荷，并實現了污泥顆粒化。唐崇儉等[3]732采用膨脹顆粒污泥床(EGSB)反應器來啟動ANAMMOX，經過230 d的穩定運行，獲得了50.75 g/(L·d)的氮容積負荷，同時得到了ANAMMOX顆粒污泥。叢巖等[4]通過以好氧硝化顆粒污泥和ANAMMOX污泥為接種污泥啟動EGSB-ANAMMOX反應器，第89天時TN去除負荷為4.758 g/(L·d)。唐曉雪等[5]通過以20%(質量分數，下同)的硝化反硝化污泥、70%的厭氧污泥及10%粉碎后的ANAMMOX顆粒污泥為接種污泥啟動上流式厭氧污泥床(UASB)-ANAMMOX，61～100 d系統穩定運行，平均TN去除負荷為4.3 g/(L·d)。由此可見，僅采用活性污泥為接種污泥啟動ANAMMOX需要較長的時間，而采用活性污泥與ANAMMOX污泥作為接種污泥則可大大縮短啟動時間[6-8]。另外，顆粒污泥具有負荷高、持留性好、抵抗不利條件能力強等優點，已有學者在不同反應器中培養出ANAMMOX顆粒污泥。如王俊敏等[9]在UASB反應器中獲得了平均粒徑為0.73 mm的ANAMMOX顆粒污泥；唐崇儉[3]739在高負荷運行下的EGSB反應器中培養出平均粒徑為2.51 mm的ANAMMOX顆粒污泥。因此，為考察UASB-ANAMMOX反應器的啟動及污泥顆粒化過程，本研究擬采用亞硝化絮狀污泥與一定量ANAMMOX顆粒污泥(粒徑<0.5 mm)的混合污泥為接種污泥，以實現反應器的快速啟動；同時，考察UASB中氮素及顆粒污泥的沿高度分布，探討ANAMMOX顆粒污泥的形成及其特性，以期為ANAMMOX的快速啟動及污泥顆粒化提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及方案

ANAMMOX啟動試驗采用UASB反應器，有效容積為10 L，進水由蠕動泵泵入反應器底部，控制溫度為25 ℃左右，水力停留時間(HRT)為1.2～3.7 h，進水pH為7.5～8.0；設置回流泵，在試驗過程中按要求控制回流比。先接種亞硝化絮狀污泥，調節HRT為2.4 h，第8天加入ANAMMOX顆粒污泥(粒徑<0.5 mm)，不斷逐步增加進水基質濃度，提高進水負荷，考察UASB-ANAMMOX反應器的啟動特性，同時在第71天時增加回流比，以提高系統內水流的上升流速，促進污泥顆粒化過程，探討污泥顆粒化特性。具體運行參數見表1。同時，離底部10、40、70、100 cm處設置4個取樣口(編號為1#～4#)。

圖1 UASB-ANAMMOX反應器示意圖

1.2 試驗用水水質

試驗采用人工模擬廢水，主要成分包括NH4Cl、NaNO2、NaHCO3、KH2PO4、MgSO4·7H2O、CaCl2和微量元素。各按所需量進行配比，后采用自來水稀釋至所需濃度。微量元素Ⅰ、Ⅱ投加量各1 mL/L。微量元素Ⅰ為乙二胺四乙酸(EDTA)5 g/L、FeSO45 g/L；微量元素Ⅱ為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 試驗接種污泥

試驗的亞硝化絮狀污泥在SBR中采用全程硝化反硝化污泥培養而來，其平均氨氮去除率為92.6%，平均亞硝態氮積累率為94.5%；全程硝化反硝化污泥取自北京某污水處理廠，硝化性能良好，混合液懸浮固體(MLSS)為6 500 mg/L左右，混合液揮發性懸浮固體(MLVSS)和MLSS質量濃度比值(MLVSS/MLSS)為83.3%。ANAMMOX顆粒污泥顏色為磚紅色，碾碎并通過0.5 mm篩子篩分，MLVSS/MLSS為80.7%。ANAMMOX顆粒污泥(粒徑<0.5 mm)和亞硝化絮狀污泥的混合質量比為1.00∶4.47，混合后MLSS為8 370 mg/L。

表1 UASB-ANAMMOX反應器啟動運行參數

1.4 測試分析方法

采用納氏試劑光度法測定氨氮；采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法測定亞硝態氮；采用麝香草酚分光光度法測定硝態氮；采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度計法測定TN；采用重量法測定MLSS[10]。采用濕式篩分析法[11]測定顆粒污泥粒徑；采用WTW/Multi3420便攜式測定儀測定pH、DO、溫度。

2 結果與討論

2.1 UASB-ANAMMOX系統運行效能

UASB-ANAMMOX反應器啟動性能如圖2所示。1～7 d，出水氨氮高于進水氨氮，其原因是亞硝化絮狀污泥由好氧狀態轉變為厭氧狀態，一部分細菌因不適應環境而死亡降解并釋放出氨氮[12-13]；亞硝態氮降低則是由污泥中存在的反硝化菌內源反硝化所致。第8天，隨ANAMMOX顆粒污泥的加入，系統隨即顯現出比厭氧氨氧化活性(SAA)，具體表現為氨氮、亞硝態氮去除率及TN去除負荷同時增高，氨氮和亞硝態氮的去除率分別為28%和37%，TN的去除量和去除率分別為13.5 mg/L和31%。之后隨著系統的運行，TN去除負荷逐漸增加，運行到35 d時，氨氮和亞硝態氮的去除率分別為52%和58%，TN的去除率和去除負荷分別為51%和0.23 g/(L·d)。經計算，此時系統反應過程氨氮、亞硝態氮、硝態氮的化學計量比為1.00∶1.22∶0.16(摩爾比，下同)，接近于ANAMMOX反應理論值(1.00∶1.32∶0.26)，說明此時系統內以ANAMMOX脫氮反應為主。一般而言，在低基質濃度下微生物生長緩慢，而基質濃度的升高則有利于促進微生物的生長代謝[14]。將進水氨氮和亞硝態氮分別提高至24～30、30～38 mg/L，第36天TN去除率為36%，較之前有所降低，其原因為系統進水負荷突然升高所致，到第70天時，氨氮和亞硝態氮的去除率分別為91%和88%，TN的去除量和去除率分別為53.2 mg/L和79%，這說明系統內ANAMMOX菌在逐漸富集，SAA在逐漸提高。之后逐步提高進水基質濃度和負荷，隨進水基質濃度和負荷的升高，SAA不斷增強，系統TN去除負荷在不斷提高，運行至120 d時，TN的去除率和去除負荷分別為76%和0.93 g/(L·d)。此外，由表2可見，隨時間的推移，系統內SAA在逐漸提高。

圖2 UASB-ANAMMOX反應器啟動性能

表2 各階段系統內污泥的SAA

2.2 UASB-ANAMMOX反應器氮素及顆粒污泥沿高度分布

反應器內氮素及顆粒污泥沿高度變化可反映UASB-ANAMMOX系統運行情況。UASB-ANAMMOX反應器氮素及顆粒污泥沿高度分布如圖3所示。1#取樣口的MLSS最高，為24.7 g/L，之后隨高度的增加呈遞減趨勢，到4#取樣口時僅為1.3 g/L。反應器底部的MLVSS/MLSS較低，而上部則較高，說明底部的無機成分(如鈣鹽和鎂鹽等)含量較多，無機成分可作為顆粒污泥的內核提高顆粒污泥的沉降性能。有研究表明，適當增加進水中無機成分含量可增加顆粒污泥的質量從而減少污泥流失[15]。因此，反應器中質量較大的顆粒污泥會沉于底部，而質量較小的顆粒污泥則會由于ANAMMOX的產氣作用懸浮于上層。同時，大量的顆粒污泥都聚集在底部，從而導致底部的氮素降解速率較快。此外，從取出的顆粒污泥粒徑看，反應器底部的粒徑明顯大于上部，其原因一是底部基質充足并具備較高的濃度，利于基質向顆粒污泥內部擴散，可維持大顆粒污泥內部細菌的養分；二是一般來說，顆粒較大的污泥質量也較大，促使其沉在底部。氨氮和亞硝態氮從低至高呈遞減趨勢，其降解速率在1#至2#最快，2#至3#次之，3#至4#最慢，而硝態氮則從低至高呈遞增趨勢。可見，進入系統中的基質的降解速率與污泥濃度有關，污泥濃度高，生物量大，基質降解速率快。

圖3 UASB-ANAMMOX反應器氮素及顆粒污泥沿高度分布

2.3 污泥顆粒化

對于ANAMMOX來說，污泥顆粒化可有效減少污泥流失，提高ANAMMOX脫氮效率。一般情況下，控制好相關條件(如水利條件、基質濃度、負荷等)可快速實現污泥的顆粒化。上升流速會影響污泥顆粒化速度，較高的上升流速形成的水力剪切作用大，這會提高污泥的胞外聚合物(EPS)含量，促進污泥顆粒化[16-18]。但過高的上升流速也會導致絮狀或小顆粒的污泥流失[19]。試驗1～70 d時，反應器中污泥是絮體和小顆粒狀態，因此先以較小的上升流速(3.62 m/h)運行，隨污泥粒徑的增大，通過內回流的方式逐步提高上升流速，71～90、91～120 d的上升流速分別為5.44、7.36 m/h。基質濃度和進水負荷也會影響污泥顆粒化過程，過低的基質濃度和進水負荷，會導致細菌生長繁殖緩慢，從而影響污泥顆粒化進程[20]。不同時間反應器內顆粒污泥粒徑分布見表3。試驗中反應器的啟動采用培養的亞硝化絮狀污泥和小粒徑的ANAMMOX顆粒污泥，初始時，兩種污泥混合后粒徑<0.5 mm；隨反應器的運行，第40天時顆粒污泥粒徑已有所增大，其中粒徑≥0.5 mm的顆粒污泥占27.4%，但仍然以絮體為主；第80天時粒徑≥0.5 mm的顆粒污泥占56.8%；第120天時反應器中污泥多以顆粒狀態為主，粒徑≥0.5 mm的顆粒污泥占73.6%，并且污泥呈現紅褐色。說明通過不斷提高基質濃度和進水負荷，并通過調整回流比提高上升流速來加大水力剪切作用，成功啟動UASB-ANAMMOX反應器并實現污泥顆粒化。

表3 不同時間反應器內顆粒污泥粒徑分布1)

3 結 論

(1) 通過接種亞硝化絮狀污泥和粒徑<0.5 mm的ANAMMOX顆粒污泥，逐步提高進水基質濃度和進水負荷，35 d時TN的去除率和去除負荷分別為51%和0.23 g/(L·d)；系統反應過程化學計量比接近ANAMMOX反應理論值，成功啟動UASB-ANAMMOX反應器。隨進水基質濃度和負荷的升高，SAA不斷增強，至120 d時，TN的去除率和去除負荷分別為76%和0.93 g/(L·d)。

(2) 大量的顆粒污泥在反應器底部聚集，從而導致底部的氮素降解速率較快。底部顆粒污泥的粒徑明顯大于上部，并且底部的MLVSS/MLSS較低，而上部則較高。基質在底部快速降解，而在上部降解緩慢。

(3) 進水基質與上升流速的提高促進了污泥顆粒化過程，在整個過程中，反應器中的污泥平均粒徑逐漸增大，第120天時有73.6%的污泥粒徑≥0.5 mm，實現污泥顆粒化，并且污泥呈現紅褐色。