淺談不同填料在高氨氮廢水處理工藝中的應用

李明雪 劉寶玉 張軼凡 李紅霞 孫曉瑩 伊澤

（1. 天津創業環保集團股份有限公司，天津 300381；2. 天津凱英科技發展股份有限公司，天津 300384）

1 引言

隨著城市化水平的提高以及工業化進程的加快，垃圾滲濾液、味精廢水、污泥消化液、焦化廢水等高氨氮廢水的產生量越來越大，造成水環境的污染，并給人們的生活帶來了極大影響，因此亟待采取高效經濟的脫氮方法來處理高氨氮廢水。厭氧氨氧化（ANAMMOX）工藝是由厭氧氨氧化菌在厭氧條件下，以氨氮（NH4＋－N）作為電子供體、亞硝態氮（NO2－－N）作為電子受體，利用無機碳源將NH4＋－N 和NO2－－N轉化生成N2的過程［1］。與傳統的異養型生物脫氮過程相比，厭氧氨氧化工藝具有節約能耗、不需要外加碳源且污泥產量少等優點，有望成為新一代高氨氮廢水主流處理技術的核心。

但是，ANAMMOX 菌為特殊的自養菌群體，生長速率極慢，倍增時間長達11 d 以上［2］（一般異養菌只需幾十分鐘到幾個小時），而且容易隨出水流失，ANAMMOX 菌難以富集培養，反應器系統中ANAMMOX 菌的生物量存在嚴重不足。這個問題可通過添加填料來較為有效地解決。填料為ANAMMOX菌提供了附著和繁衍的場所，有利于ANAMMOX 菌的生長繁殖，減少菌體的流失，延長ANAMMOX 菌在系統內的停留時間，可以有效促使ANAMMOX 菌的富集，進而加快ANAMMOX 反應器的啟動。填料的結構、材質、密度對ANAMMOX 菌的掛膜起著至關重要的作用，開發新型填料將會成為研究的熱點。本文概括了ANAMMOX 工藝處理高氨氮廢水過程中不同類型填料的研究現狀，以期為ANAMMOX工藝的快速啟動和廣泛應用提供有價值的參考。

2 不同類型填料在ANAMMOX 工藝中處理高氨氮廢水的應用

2.1 活性炭填料

活性炭是一種硬性填料，具有良好的吸附性能，微生物能夠在其表面及內部孔道進行生長繁殖，這有利于提高反應器內的生物量，同時能夠促進污泥顆粒化。除此之外，活性炭對NO2－－N 等有害物質具有屏蔽作用，有害物質濃度沿孔道深度逐漸減少，微生物直接與高濃度有害物質接觸的部分很小，因而有利于反應過程的穩定，且提高了在惡劣環境下ANAMMOX 菌的生存機會［3］。趙旭飛等［4］在上流式厭氧污泥床（UASB）反應器中添加活性炭填料，考察了活性炭填料對ANAMMOX 過程的影響，結果表明，活性炭的添加在很大程度上促進了反應器的啟動，80 d 成功完成啟動，TN 去除率能夠穩定在80%～95%，TN 去除負荷為0.44 kg/（m3·d），且還有很大的提升空間。此填料是一種較為理想的生物載體，不僅能夠迅速提高局部功能菌的生物量，還可避免不利環境的干擾，而聚氨酯海綿填料則容易阻礙營養物質和微生物代謝產物的傳質。

2.2 聚乙烯填料

目前，常用于ANAMMOX 工藝中的聚乙烯填料多為呈蜂窩狀的扁圓柱體，其側邊沿不同徑向伸展許多尾翅，增加了填料的比表面積，且反應所產生的氣體可通過蜂窩狀結構和填料之間的孔隙排出，有助于老化生物膜的脫落更新，促進ANAMMOX 菌與底物之間的傳質以及系統的穩定運行。孫慶花等［5］以某污水廠污泥消化液進行連續進水，并向穩定運行的CANON 反應器內投加亞硝化掛膜聚乙烯填料，構建了CANON－MBBR 反應器，研究表明，系統具有良好的脫氮效能，TN 去除負荷為1.15 kg/（m3·d），且系統內生物量高達1.5 kg，避免了污泥的流失。王鈞等［6］利用厭氧序批式生物膜反應器（ASBBR），以城市生活污水為配水基質，并投加聚乙烯懸浮填料，進行ANAMMOX 的啟動及掛膜，考察了ASBBR 系統的脫氮效果，結果表明，ASBBR 在第93 天完成ANAMMOX 的啟動，并實現了反應器長時間的穩定運行，且系統總無機氮平均去除率達到88.34%。聚乙烯填料可直接懸浮在水面以下，與其他填料相比，更容易呈流化態和進行反沖洗，且運行維護簡便。

2.3 聚氨酯海綿填料

聚氨酯海綿填料比表面積大、密度低，對ANAMMOX 菌具有極強的截留能力，可顯著提高系統的脫氮效能和生物量。安雪迪等［7］利用聚氨酯填料復合顆粒污泥構建了UASB 反應器，并進行長期培養馴化及填料的掛膜，經過120 d 的運行，進水NH4＋－N 的濃度從30 mg/L 提高至420 mg/L，容積氮去除負荷從0.08 kgN/（m3·d）提升至3.39 kgN/（m3·d），系統表現出良好的適應性和氮去除率。王淑雅等［8］采用改性聚氨酯填料進行ANAMMOX 小試實驗，研究表明，穩定運行120 d，總氮去除率在80%以上，相比于普通聚氨酯填料的掛膜，表面生物膜量增加了一倍，生物膜上物種豐富度更高，且聯氨氧化還原酶的功能基因的相對豐度明顯增高。相比于聚乙烯填料，這種填料對ANAMMOX 菌的滯留能力極強，且具有很強的抵抗沖擊能力，更有利于菌種的富集培養。

2.4 其他填料

火山巖、陶粒、沸石、無紡布等填料也被廣泛應用于ANAMMOX 工藝中進行微生物掛膜［9-11］。關于ANAMMOX 菌的填料研究眾多，且不同類型的填料都存在其各自的優勢。為了進一步強化ANAMMOX系統，除單一填料的研究外，混合填料也成為快速啟動ANAMMOX 反應器的一個重要研究方向。蘇慧等［12］自主研發了一種新型的電氣石陶粒＋聚氨酯的復合填料，并且將其投加到一體化的ANAMMOX 反應器中進行掛膜實驗，研究表明，復合填料對反應器的快速啟動具有一定的促進作用，且系統表現出較好的脫氮效果和穩定性。譚錫誠等［13］構建了2 個裝載不同填料的UASB 反應器，一個添加普通的K3 填料，另外一個添加載活性炭基K3 填料，對比研究了這2種ANAMMOX 系統的啟動及脫氮性能，最終2個反應器成功啟動，最大氮容積負荷分別為2.156，2.122 g/（L·d），最大氮去除負荷分別達到1.855，1.815 g/（L·d），脫氮效果穩定，但添加載活性炭基K3 填料的反應器系統啟動要明顯更快，且系統內微生物的種群結構也發生了變化。

3結語

由于ANAMMOX 反應器中的填料疏水性較強且比表面積較大，能夠將ANAMMOX 菌固定化，從而有效減少了系統的啟動時間，同時可以降低運行成本，對提高ANAMMOX 工藝的脫氮性能具有獨特的優勢，這為ANAMMOX 的工程應用提供了依據。填料的類型和形式對ANAMMOX 菌的掛膜效果具有較大的影響，因此，新型填料的研發將成為今后的研究熱點之一，通過改性和優選填料來進一步加強ANAMMOX 系統性能。