丁爽，鄭平，唐崇儉，張吉強，胡安輝

浙江大學環(huán)境工程系，杭州 310058

三種接種物啟動Anammox-EGSB反應器的性能

丁爽，鄭平，唐崇儉，張吉強，胡安輝

浙江大學環(huán)境工程系，杭州 310058

為了優(yōu)選接種物和加速厭氧氨氧化 (Anammox) 反應器啟動，分別以厭氧產(chǎn)甲烷污泥 (Anaerobic methanogenic sludge，AMS)、新鮮厭氧氨氧化污泥 (Fresh Anammox sludge，F(xiàn)AS) 和儲藏厭氧氨氧化污泥 (Stored Anammox sludge，SAS)作為接種物，研究了厭氧氨氧化膨脹顆粒污泥床 (Anammox-EGSB) 反應器 (R1、R2和 R3) 的啟動性能。結果表明：3種接種物均能成功啟動Anammox-EGSB反應器，啟動性能的優(yōu)劣次序為：R2 (接種物為FAS)＞R3 (接種物為SAS)＞R1 (接種物為AMS)。三種接種物啟動Anammox反應器呈現(xiàn)不同的過程特性。R1的啟動過程分為菌體水解期 (15 d)、活性遲滯期 (54 d) 和活性提高期 (40 d)；R2的啟動過程分為活性遲滯期 (2 d) 和活性提高期 (15 d)；R3的啟動過程分為活性遲滯期 (12 d) 和活性提高期 (57 d)。將Anammox污泥潛浴于Anammox反應器出水中，是長期儲藏Anammox污泥的有效方法；反應器內(nèi)氨氮去除率、反硝化作用比例和三氮比例均可作為Anammox反應器啟動進程的指示參數(shù)。

厭氧氨氧化，接種污泥，啟動性能

Abstract:In order to select better seeding sludge and promote start-up of Anammox reactors, we studied the start-up performances of three Anammox-EGSB bioreactors inoculated with anaerobic methanogenic sludge (AMS) (R1), Fresh Anammox sludge (FAS) (R2) and stored Anammox sludge (SAS) (R3), respectively. Results showed that these three seeding sludges could start up Anammox-EGSB bioreactors successfully, but the start-up progresses showed different characteristics. The start-up course of R1 could be divided into three phases including autolysis phase (15 d), lag phase (54 d) and activity elevation phase (40 d). However, the start-up courses of R2 and R3 only included lag phase (2 d and 12 d, respectively) and activity elevation phase (15 d and 57 d, respectively). Besides, the performance of R3 was better than that of R1, but worse than that of R2.Furthermore, bathing the Anammox sludge in the effluent of bioreactors was a convenient and effective way to keep the activity of the Anammox sludge. The ammonia removal efficiency, percentage of denitrification and the stoichiometric ratios ofcould serve as indicators to monitor the start-up of Anammox bioreactors.

Keywords:Anammox, seeding sludge, start-up performance

2000年實施“一控雙達標”后，我國有機物污染得到有效遏制，氮素污染上升為主要環(huán)境問題。2009年中國環(huán)境狀況公報顯示，我國氨氮排放量達122.6萬 t[1]。氮素污染所致的湖泊“水華”及近海“赤潮”頻發(fā)，已危及農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、旅游業(yè)等諸多行業(yè)，并對飲水衛(wèi)生和食品安全構成嚴重威脅。氮素污染的防治迫在眉睫，刻不容緩。

厭氧氨氧化 (Anaerobic ammonium oxidation，Anammox，反應式 1) 工藝是一種新型生物脫氮工藝[2-5]，已成功應用于消化污泥壓濾液的脫氮處理，容積去除速率高達9.50 kg N/(m3·d)[5]，遠高于傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝 [0.23~0.5 kg N/(m3·d)][6]；其處理成本僅為€0.75/kg N，遠低于傳統(tǒng)生物脫氮工藝(€2-5/kg N)[7]。Anammox工藝的高效性和經(jīng)濟性使其成為廢水脫氮的重要升級技術。

然而，Anammox菌屬自養(yǎng)型細菌，倍增時間長，細胞產(chǎn)率低[2]，致使Anammox反應器啟動緩慢[7-11]，世界上第一個生產(chǎn)性 Anammox反應器的啟動過程長達3.5年[5]，啟動難已成為Anammox工藝推廣應用的瓶頸。菌種 (接種物) 是生物處理的根本，選取適宜的接種物是提高生物處理效能的必要條件。因此，從選取合適菌種以縮短Anammox反應器啟動時間的角度出發(fā)，本研究采用厭氧膨脹顆粒污泥床(Expanded granular sludge bed，EGSB) 反應器，試驗厭氧產(chǎn)甲烷污泥 (Anaerobic methanogenic sludge，AMS)、新鮮 Anammox 污泥 (Fresh Anammox sludge)和儲藏 Anammox污泥 (Stored Anammox sludge，SAS) 的啟動性能，以期為Anammox反應器優(yōu)選接種物和快速啟動提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗廢水

試驗采用模擬廢水，其組成 (g/L) 為：KH2PO40.01，CaCl2·2H2O 0.0056，MgSO4·7H2O 0.3，KHCO31.25；微量元素濃縮液Ⅰ和Ⅱ各1.25 mL/L。和以 (NH4)2SO4和 NaNO2提供，濃度按需配制。

微量元素濃縮液Ⅰ的組成 (g/L) 為：EDTA 5，F(xiàn)eSO45。微量元素濃縮液Ⅱ的組成 (g/L) 為：EDTA 15，H3BO40.014，MnCl2·4H2O 0.99，CuSO4·5H2O 0.25，ZnSO4·7H2O 0.43，NiCl2·6H2O 0.19，NaSeO4·10H2O 0.21，NaMoO4·2H2O 0.22。

1.2 試驗裝置

Anammox工藝的裝置與流程如圖1所示。試驗采用3個EGSB反應器，分別記為R1、R2和R3。反應器由有機玻璃制成，總容積8.0 L，有效容積4.0 L，污泥接種量3.0 L，外裹黑布，以防止光照的負面影響。廢水通過蠕動泵連續(xù)泵入Anammox-EGSB反應器內(nèi)，基質(zhì) (氨和亞硝酸) 隨發(fā)酵液上升運動，由Anammox菌轉化為N2。經(jīng)三相分離器分離后，N2從反應器頂部的氣室引出，出水從反應器上部的溢流堰排放。進水pH控制在6.8~7.0，操作溫度控制在 (35±1) ℃。

圖1 Anammox-EGSB工藝的裝置與流程Fig. 1 Schematic diagram of Anammox-EGSB system. 1:influent tank; 2: peristaltic pump; 3: water distributor zone; 4:reaction zone; 5: sample ports; 6: three-phase separator; 7:settling zone; 8: NaOH solution tank; 9: gas outlet; 10:effluent tank.

1.3 接種污泥

接種污泥為AMS、FAS和SAS，分別接種于R1、R2和R3，其理化性質(zhì)見表1。AMS取自浙江某造紙廠廢水處理的厭氧內(nèi)循環(huán)反應器 (Internal circulation，IC) 反應器；FAS直接取自本實驗室的高負荷Anammox反應器；SAS取自本實驗室的 Anammox污泥儲罐，潛浴于出水中3個月，不作其他特殊維護。

表1 接種污泥的理化性質(zhì)Table 1 Initial characteristics of the three seeding sludges

1.4 測定項目與方法

氨氮：水楊酸–次氯酸鹽光度法[12]；亞硝氮：N-(1-萘基)-乙二胺光度法[12]；硝氮：紫外分光光度法[12]；SS和 VSS：采用重量法[12]；pH：pHS-9V型酸度計測定；粒徑：Lecia DM2LB圖像分析系統(tǒng)(Qwin V3)。

2 結果與分析

2.1 AMS的啟動性能

以AMS為接種物的R1反應器的啟動性能如圖2~5所示，其啟動過程可分為菌體水解期、活性遲滯期和活性提高期3個階段。

2.1.1 菌體水解期

1~15 d為菌體水解期，主要特征為部分菌體自溶，導致出水氨氮濃度高于進水氨氮濃度。在該階段，平均進水氨氮和亞硝氮濃度均為 (50.00±5.53) mg/L，平均出水氨氮、亞硝氮和硝氮濃度分別為 (62.13±29.55) mg/L、(0.01±0.03) mg/L 和 (0.22±0.62) mg/L；平均氨氮和亞硝氮去除率分別為 (?24.27±59.11)%和 (99.99±0.05)%；平均容積總氮負荷 (Volumetric nitrogen loading rate，VNLR) 和容積總氮去除速率(Volumetric nitrogen removal rate，VNRR) 分別為0.26 kg/(m3·d)和 (0.12±0.06) kg/(m3·d)；亞硝氮的去除量和氨氮去除量之比以及硝氮產(chǎn)生量和氨氮去除量之比嚴重偏離理論值1.32和0.26。由于污泥所處環(huán)境從原來的富有機質(zhì)條件 (IC反應器) 轉變?yōu)楝F(xiàn)在的貧有機質(zhì)條件 (Anammox反應器)，接種污泥中的部分菌體發(fā)生自溶，導致出水氨氮濃度高于進水氨氮濃度；反應器內(nèi)的生物反應以異養(yǎng)反硝化為主，未檢測到Anammox反應。

2.1.2 活性遲滯期

16~68 d為活性遲滯，主要特征為菌體停止自溶，氨氮與亞硝氮開始同時消失 (Anammox活性開始顯現(xiàn))。在該階段，平均進水氨氮和亞硝氮濃度均為 (58.09±11.52) mg/L，平均出水氨氮、亞硝氮和硝氮濃度分別為 (45.01±15.05) mg/L、(0.05±0.15) mg/L和0 mg/L；平均氨氮和亞硝氮去除率分別為 (11.52±20.05)%和 (99.93±0.24)%；平均VNLR、VNRR和容積產(chǎn)氣率 (Volumetric gas production rate，VGPR)分別為 (0.31±0.06) kg/(m3·d)、(0.17±0.05) kg/(m3·d)和 (0.03±0.07) L/(L·d) ；和仍遠離理論值 1.32和 0.26。在活性遲滯期前段，進水氨氮濃度與出水氨氮濃度基本持平；在活性遲滯期后段，氨氮有一定的去除，至69 d，氨氮去除率躍升為65.88%，標志活性遲滯期結束。

2.1.3 活性提高期

69~108d為活性提高期，主要特征為菌體數(shù)量的增長和菌體活性的提高，氨氮與亞硝氮同時消失量增加 (Anammox活性大幅提高)。在該階段，平均進水氨氮和亞硝氮濃度分別為 (170.71±55.58) mg/L和 (187.56±58.54) mg/L，平均出水氨氮、亞硝氮和硝氮濃度分別為 (36.16±10.23) mg/L、(1.60±4.60) mg/L和 0 mg/L；平均氨氮和亞硝氮去除率分別為(76.32±9.97)%和 (99.20±2.03)%；平均 VNLR、VNRR 和 VGPR 分別為 (0.94±0.30) kg/(m3·d)、(0.84±0.30) kg/(m3·d) 和 (0.59±0.25) L/(L·d)。(1.47±0.26)和0，前者與理論值1.32差距縮小，而后者仍遠離理論值0.26。在以氨和亞硝酸為基質(zhì)的無機條件下，異養(yǎng)菌受到抑制，Anammox菌得以富集，反應器內(nèi)的主導反應由反硝化轉變?yōu)锳nammox反應。

2.2 FAS的啟動性能

以FAS為接種物的R2反應器的啟動性能如圖2~5所示。整個啟動過程可分為活性遲滯期和活性提高期2個階段。

2.2.1 活性遲滯期

1~2 d為活性遲滯期，主要特征為菌體適應和活性維穩(wěn)。在該階段，平均進水氨氮和亞硝氮濃度均為 (182.05±5.63) mg/L，平均出水氨氮、亞硝氮和硝氮濃度分別為 (32.33±0.16) mg/L、(2.31±0.54) mg/L和 (21.01±3.70) mg/L；平均氨氮和亞硝氮去除率分別為 (82.23±0.09)%和 (98.73±0.29)%；平均 VNLR、VNRR 和 VGPR 分別為 (5.96±0.00) kg/(m3·d)、(5.39±0.01) kg/(m3·d) 和 (4.13±0.01) L/(L·d)。分 別 為(1.20±0.01) 和 (0.14±0.02)，前者與理論值 1.32 接近，后者與理論值0.26仍有一定的偏離。

2.2.2 活性提高期

3~17 d為活性提高期，主要特征為菌體數(shù)量增加和菌體活性提高。在該階段，平均進水氨氮和亞硝氮濃度為 (185.7± 36.41) mg/L 和 (197.87±18.22) mg/L，平均出水氨氮、亞硝氮和硝氮濃度分別為 (22.45±4.94) mg/L、(1.30±1.27) mg/L 和 (33.35±6.55) mg/L；平均氨氮和亞硝氮的去除率分別為 (87.85±2.90)%和 (99.36±0.58)%；平均 VNLR、VNRR和 VGPR分別為 (6.90±1.03) kg/(m3·d)、(6.48±1.04) kg/(m3·d)和 (4.95±0.71) L/(L·d)。分別為 (1.20±0.05) 和 (0.20±0.03)，相比活性遲滯期，以上兩者更接近理論值1.32和0.26。

圖2 R1、R2和R3反應器進出水三氮濃度Fig. 2 The influent concentrations of-N and effluent concentrations ofof R1, R2 and R3.

2.3 SAS的啟動性能

以SAS為接種物的R3反應器的啟動性能如圖2~5所示。整個啟動過程可分為活性遲滯期和活性提高期2個階段。

圖 3 R1、R2和 R3反應器的容積負荷、容積去除率和容積產(chǎn)氣率Fig. 3 VNLR, VNRR and VGPR of R1, R2 and R3.

2.3.1 活性遲滯期

1~12 d為活性遲滯期，主要特征為菌體的適應，Anammox功能較強，反硝化作用仍占一定比例。在該階段，平均進水氨氮和亞硝氮濃度分別為 (87.90±15.69) mg/L和 (84.00±8.37) mg/L，平均出水氨氮、亞硝氮和硝氮濃度分別為 (40.45±12.20) mg/L、(9.37±7.24) mg/L 和 (4.53±2.40) mg/L；平均氨氮和亞硝氮去除率分別為 (55.30±12.20)%和 (89.02±8.43)%；平均 VNLR、VNRR和 VGPR分別為(0.92.±0.18) kg/(m3·d) 、 (0.65±0.11) kg/(m3·d) 和(0.43±0.11) L/(L·d)；分別為 (1.61±0.31) 和 (0.10±0.04)，偏離理論值1.32和0.26。

圖4 R1、R2和R3反應器的基質(zhì)去除率Fig. 4 Substrate removal efficiency of R1, R2 and R3.

2.3.2 活性提高期

13~69 d為活性提高期，主要特征為菌體數(shù)量的增加和菌體活性的提高。在該階段，平均進水氨氮和亞硝氮濃度分別為 (133.13±36.00) mg/L 和(166.54±55.50) mg/L，平均出水氨氮、亞硝氮和硝氮濃度分別為 (25.60±10.80) mg/L、(30.68±14.76) mg/L和 (22.87±9.26) mg/L；平均氨氮和亞硝氮去除率分別為(80.18±7.81)%和 (81.42±7.19)%；平均 VNLR、VNRR 和 VGP 分 別 為 (2.29.±0.88) kg/(m3·d)、(1.85±0.75) kg/(m3·d) 和 (1.38±0.53) L/(L·d) 。分 別 為(1.27±0.25) 和 (0.21±0.06)，兩者與理論值 1.32 和0.26相差不大。該階段 Anammox反應已占主導地位，反應器的Anammox功能不斷增強。

圖5 R1、R2和R3反應器內(nèi)三種氮素的化學計量比Fig. 5 Stoichiometric ratio ofandof R1, R2 and R3.

3 討論

3.1 Anammox反應器啟動進程的指示參數(shù)

Anammox反應器中存在多種微生物反應，其啟動過程實際上是 Anammox反應逐步在反應器占據(jù)主導地位的演變過程。這種轉變過程可以通過基質(zhì)利用、產(chǎn)物形成等現(xiàn)象表現(xiàn)出來，因此可用基質(zhì)利用和產(chǎn)物形成作為 Anammox反應器的啟動進程的指示參數(shù)。

第一，氨氮去除率可指示Anammox反應器啟動性能的變化。在菌體水解期，R1的氨氮沒有去除反而增加，表明R1內(nèi)幾乎沒有Anammox反應；在活性遲滯期，R1、R2和R3內(nèi)氨氮均得到了一定的去除，表明 3個反應器內(nèi)顯現(xiàn)一定強度的 Anammox反應；在活性提高期，R1、R2和R3內(nèi)氨氮均有較高的去除，表明3個反應器內(nèi)Anammox反應增強。因此，在厭氧條件下，氨氮的去除可以反映Anammox反應的強度并指示反應器的啟動進程。

第二，反硝化作用的比例可指示Anammox反應器啟動性能的變化。由表 2可知，在菌體水解期和活性延滯期，R1反應器的Anammox活性較低，主導反應為反硝化作用，而到活性提高期，R1反應器的主導反應發(fā)生質(zhì)變，Anammox反應幾乎完全替代反硝化作用。在活性遲滯期和活性提高期，R2、R3反應器的主導反應均為Anammox反應。因此，反硝化作用的比例可作為 Anammox反應器啟動進程的指示參數(shù)。

表2 Anammox-EGSB啟動過程中反硝化作用對于去除的貢獻率Table 2 Percentage of denitrification that contributes to the removal of

表2 Anammox-EGSB啟動過程中反硝化作用對于去除的貢獻率Table 2 Percentage of denitrification that contributes to the removal of

Autolysis phase(%)Lag phase(%)Activity elevation phase (%)R1 100.00 70.25 00.00 R2 ? 00.00 00.00 R3 ? 23.80 00.00

第三，3種氮素之間的比例可指示Anammox反應器啟動性能的變化。氨氮與亞硝氮以特定的比例被同時去除是Anammox反應的重要特征。R1啟動后的一直遠遠偏離理論值，直到69 d左右才逐漸接近理論值；R3啟動后，也偏離理論值，但相比R1，偏離程度不大且很快接近理論值；R2啟動后，則接近于理論值。因此，可反映 Anammox反應成為主導反應的過程。在Anammox過程中，固定CO2所需的能量和還原力來自于將亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽的過程，因此，硝氮產(chǎn)量在某種程度上反映了Anammox菌的增殖情況[13]。R1啟動后，一直遠離理論值，其原因有待進一步探究；R3啟動后，逐步接近理論值；R2啟動后，接近理論值。因此，也能反映Anammox反應器性能的變化。

3.2 三種接種污泥對 Anammox-EGSB反應器的啟動性能比較

由表3可知，R1呈現(xiàn)菌體水解期、活性遲滯期和活性提高期 3個階段，而 R2、R3沒有菌體水解期，僅有活性遲滯期和活性提高期2個階段。R1的啟動周期最長，R3次之，R2最短。

傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝的總氮負荷最高約為0.5 kg/(m3·d)[6]，若以此作為啟動成功的標準，結合表4可知啟動時間為：R1(83 d)＞R3(0 d)=R2(0 d)。目前一般 Anammox反應器的總氮負荷為0.6~2.5 kg/(m3·d)[14-15]，若以 1.0 kg/(m3·d) 為啟動成功的標準，則啟動時間為：R1(93 d)＞R3(7 d)＞R2(0 d)。AMS、FAS和SAS均能用作接種物成功啟動EGSB反應器；相比AMS，以FAS和SAS啟動Anammox反應器，菌體水解期和活性遲滯期明顯縮短，3種接種物以FAS最佳，SAS次之，AMS最差。

表3 Anammox-EGSB反應器啟動過程的比較Table 3 Process comparison of Anammox-EGSB bioreactors started up with the three seeding sludges

3.2 啟動菌源的選取

生物反應器的轉化效能在一定程度上取決于菌種的數(shù)量和活性。因此，菌種的選取對生物反應器的快速啟動具有十分重要的工程意義。Imajo等[16]研究表明，AMS顆粒污泥可以作為Anammox菌的附著載體，形成Anammox菌生物膜，并逐步轉化為Anammox顆粒污泥。唐崇儉等[17]研究表明，以AMS顆粒污泥為接種物可以成功啟動Anammox反應器，啟動時間約為122 d。本研究也得到相近的結果。因此，在沒有高效 Anammox菌源的情況下，AMS也是一種可取的選擇。

隨著Anammox工程的發(fā)展[5,16-19]，直接以高效Anammox污泥作為接種物已成為可能。但是由于Anammox生長緩慢，細胞產(chǎn)率很低，要一次性提供大量Anammox污泥尚有困難。要達到工程啟動所需的菌種量，需要菌種積累和儲藏過程。本課題組把 Anammox污泥潛浴于 Anammox反應器出水中，試驗證明，經(jīng) 3個月的儲存后，其 Anammox活性仍能維持，將其用于Anammox反應器啟動，容積氮去除速率可在7 d內(nèi)超過1 kg/(m3·d)，啟動時間顯著短于 AMS。菌種保藏是費錢費力的過程，將Anammox污泥潛浴于Anammox反應器出水中，簡單易行，不失為儲藏Anammox污泥的有效方法。

4 結論

3種接種物均能成功啟動Anammox-EGSB反應器，啟動性能優(yōu)劣次序為：R2(接種為 FAS)＞儲R3(接種物為SAS)＞R1 (接種物為AMS)。3種接種物啟動 Anammox反應器呈現(xiàn)不同的過程特征。R1的啟動過程有菌體水解期 (15 d)、活性遲滯期 (54 d)和活性提高期 (40 d) 3個階段；R2和R3的啟動過程均只有活性遲滯期 (分別為2 d和12 d) 和活性提高期 (分別為15 d和57 d) 兩個階段。反應器內(nèi)指示主導反應變化的參數(shù)可作為判斷 Anammox反應器啟動進程的重要依據(jù)。3種接種物物以FAS最佳，SAS次之，AMS最差；將 Anammox污泥潛浴于Anammox反應器出水中，是長期儲藏Anammox污泥的有效方法。

表4 Anammox-EGSB反應器的啟動性能比較Table 4 Performance comparison of Anammox-EGSB reactors started up with the three seeding sludges

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Performances of Anammox-EGSB bioreactors started up with three different seeding sludges

Shuang Ding, Ping Zheng, Chongjian Tang, Jiqiang Zhang, and Anhui Hu
Department of Environmental Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China

Received: July 16, 2010; Accepted: November 16, 2010

Supported by: National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (No. 2009AA06Z311), National Natural Science Foundation of China (No. 31070110).

Corresponding author: Ping Zheng. Tel/Fax: +86-571-86971709; E-mail: pzheng@zju.edu.cn

國家高技術研究發(fā)展計劃 (863計劃) (No. 2009AA06Z311)，國家自然科學基金 (No. 31070110) 資助。