王 賢 ，汪 濤 ，王書航 ，李 虎 ，劉敬雯

（1.河北工業(yè)大學能源與環(huán)境工程學院，天津300401；2.中國環(huán)境科學研究院，北京100012）

常規(guī)污水生物脫氮工藝可通過硝化作用和反硝化作用去除廢水中的氨氮，但處理高氨氮或低碳氮比廢水時存在運行成本高、效率低等問題。厭氧氨氧化（Anammox）是在厭氧條件下，厭氧氨氧化菌（AnAOB）以水中氨氮為電子供體，亞硝酸氮為電子受體，生成氮氣和少量硝酸氮的生物反應〔1〕。相比傳統(tǒng)脫氮工藝，Anammox工藝無需氧氣和外加有機碳源，剩余污泥產(chǎn)生量少，運行費用可節(jié)省90%〔2〕。以Anammox為基礎(chǔ)的新型污水脫氮工藝受到研究者的廣泛關(guān)注。然而AnAOB生長代謝極其緩慢，世代時間長達11 d，且環(huán)境敏感度高，使得Anammox工藝啟動周期冗長〔3〕。此外，AnAOB稀缺且難以培養(yǎng)，制約了Anammox工藝大規(guī)模應用。

有研究表明，儲存后的污泥經(jīng)活化后可快速啟動 Anammox工藝〔4〕。Anammox污泥的儲存可有效保留AnAOB。接種已儲存污泥既有助于Anammox工藝的快速啟動，又可避免AnAOB培養(yǎng)困難等問題。因此，儲存的Anammox污泥可成為Anammox工藝的可靠菌種來源之一。

常溫儲存Anammox污泥可大大減少儲存過程的能耗，儲存污泥的激活還可縮短Anammox工藝啟動時間，提高工藝啟動有效性?？紤]到低溫或超低溫儲存能耗較大，本研究在常溫（20℃）條件下儲存Anammox污泥并激活，以期為Anammox工藝工程化應用和技術(shù)推廣提供一定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 污泥儲存方法

Anammox污泥取自運行9個月的Anammox固定床反應器（FBR）。用蒸餾水洗滌Anammox污泥，沉淀后撇去上層清液，重復操作3次。然后將700mL污泥轉(zhuǎn)移到2 L填充蜂窩狀填料的廣口瓶中，通過填料分散Anammox污泥，減少污泥堆積密度。填料填充比（體積比）為50%。廣口瓶經(jīng)氮氣曝氣15 min以排除溶解氧，用橡皮塞密封保證厭氧環(huán)境，置于恒溫控制室中。Anammox污泥在常溫（20℃）下避光儲存1個月，儲存過程不補充營養(yǎng)液。

1.2 實驗方法

Anammox激活采用連續(xù)流FBR，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 實驗裝置

Anammox反應器呈圓柱形，由有機鋼化玻璃制成，有效體積為2.6 L，配有水浴夾層。恒溫水箱中的熱水經(jīng)過水浴夾層循環(huán)使反應器溫度保持在35℃。進料容器與反應器密封以保持厭氧條件。反應器以黑布包裹，保護厭氧氨氧化菌生長免受光的干擾。

將廣口瓶中的Anammox儲存污泥連同蜂窩狀聚乙烯填料一起投加到反應器中。該填料平均密度為1 100 g/L，外形近似圓柱，內(nèi)徑25 mm，高12 mm，中心至外圓有3層圓，周邊均為鋸齒狀，內(nèi)部由19個大小近似的孔結(jié)構(gòu)組成，具有較高的比表面積，單位體積填料表面的微生物附著量較高。同時，其多孔結(jié)構(gòu)也有利于厭氧氨氧化反應產(chǎn)生氮氣的排出。附著在填料表面生長的厭氧氨氧化菌以生物膜形式存在，產(chǎn)氣的沖刷過程可避免生物膜生長過厚，既有利于底物傳質(zhì)，又使微生物處于高活性的生長階段。

根據(jù)Anammox培養(yǎng)基制備模擬廢水，主要成分為（NH4）2SO4和 NaNO2，其余組成按表 1、表 2 進行配比。定期更換模擬廢水，避免因生物活性或其他因素改變配水組成。儲存污泥激活方式：反應器溫度控制在 32℃，pH保持 7.8~8.0，DO控制在 0.05 mg/L以下，模擬廢水中的初始質(zhì)量濃度均為50 mg/L，水力停留時間為1 d。根據(jù)反應器的脫氮性能，逐步提高進水和至200 mg/L，從而逐步提高儲存污泥的Anammox活性。

表1 Anammox營養(yǎng)培養(yǎng)基組成

表2 Anammox營養(yǎng)培養(yǎng)基微量元素組成

1.3 分析方法

采用實時定量聚合酶鏈式反應（RT-PCR）技術(shù)測定Anammox污泥中的細菌和AnAOB的細胞密度，表征Anammox儲存污泥中AnAOB的存活情況。RT-PCR采用AnAOB特征引物AMX809FAMX1066R和細菌通用特征引物Eub341FEub534R。 根據(jù) A.Dapena-Mora 等〔5〕的研究，采用批示試驗測定Anammox活性。氨氮采用納氏分光光度法（Spectrum722E型可見分光光度計）測定；亞硝酸鹽氮采用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法（Spectrum722E型可見分光光度計）測定；硝酸鹽氮用紫外分光光度計法（UV-1700型紫外分光光度計）測定。pH和DO分別用便攜式pH測試儀（德國Sartorius AG）和Model 55溶解氧測試儀（美國YSI）測定?；旌弦旱膽腋」腆w質(zhì)量濃度（MLSS）、混合液揮發(fā)性懸浮固體質(zhì)量濃度（MLVSS）用稱重法測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 污泥儲存前后的細胞數(shù)目變化

在常溫（20℃）條件下儲存污泥，儲存時間1個月。通過蜂窩狀填料分散儲存污泥，減少污泥堆積密度，減緩儲存期間細胞自溶及自溶過程對污泥的不利影響。儲存期間不添加任何營養(yǎng)物質(zhì)，只維持溫度平衡。分別從儲存前（儲存第1天）和儲存后（儲存第30天）的Anammox污泥中取0.5 g樣品，進行RTPCR測定污泥樣品的細菌細胞密度和AnAOB細胞密度，結(jié)果見表3。

表3 儲存前后細菌總數(shù)和AnAOB數(shù)目的變化情況

從表3可以看出，細菌細胞密度從3.635×1011mL-1減少到3.012×1011mL-1，細菌總數(shù)未大量減少。為減少自身能量消耗，大多數(shù)細菌處于休眠狀態(tài)以維持生存。而AnAOB細胞密度從2.338×1011mL-1減少到1.223×1011mL-1，數(shù)量減少近1/2，其占細菌總數(shù)的比例也由64.32%減至40.60%，這可能是由于部分AnAOB發(fā)生了自溶。但仍有相當一部分AnAOB保存下來，且儲存污泥發(fā)黑發(fā)臭現(xiàn)象并不明顯。表明在儲存過程中，蜂窩狀填料分散了Anammox污泥，減少了污泥堆積密度，在一定程度上可減緩自溶過程，且自溶現(xiàn)象只影響局部，對整體影響較小。儲存后的污泥中AnAOB占細菌總數(shù)比例為40.60%，雖然有所減少，但與普通活性污泥相比仍處于較高水平。儲存污泥中較高含量的土著AnAOB有利于Anammox儲存污泥的激活及Anammox工藝的啟動。

2.2 Anammox儲存污泥激活

Anammox污泥在常溫（20℃）下儲存1個月后作為接種污泥啟動裝置，進行激活。實驗分2個階段：啟動階段和負荷提高階段，通過和的進水濃度加以區(qū)分。第1～15天為啟動階段，用恒定的低濃度底物（和均為50 mg/L）對儲存污泥進行激活，出水和逐漸降低，并有生成，標志Anammox成功啟動；第16～55天為負荷提高階段，開始提高進水濃度，增設(shè)濃度梯度，此階段主要檢驗激活的污泥能承受的負荷。儲存污泥激活過程的氮素變化見圖2。

2.2.1 啟動階段

吳凱〔6〕用普通污泥啟動 Anammox 過程，122 d后運行穩(wěn)定，平均去除率為86.67%、91.65%。金仁村等〔7〕以反硝化污泥為接種污泥啟動Anammox固定床反應器，經(jīng)86 d成功啟動?？梢妰Υ嫖勰嘧鳛榻臃N污泥大大縮短反應器啟動時間，這是由于儲存污泥含有一定量Anammox菌，避免了污泥轉(zhuǎn)換和活性遲滯期，啟動進程加快。

圖2 儲存污泥在FBR裝置中激活過程的氮素變化情況

圖3 啟動階段氮素去除情況

圖4 啟動階段化學計量比隨時間變化情況

A.A.van de Graff等〔8〕得出 R1、R2的理論值分別為1.32、0.26。從圖 4可見，實際 R1從起初的 2.12逐漸變成1.22，第9天時其達到1.33，非常接近理論值1.32，但隨著生物活性逐漸恢復，當活性完全恢復時其比值為1.22，略低于理論值，大致接近。I.Tsushima等〔9〕發(fā)現(xiàn) R1為 0.8~0.7時反應裝置的去除效率較高，而R.C.Jin等〔10〕認為1.2時處理效果最佳，其他學者也在不同條件下發(fā)現(xiàn)最佳比值在1.32上下浮動，大都不等于1.32。從圖4還可看出，R2從0緩慢升高至0.17左右，同樣低于理論值。R1和R2都低于理論值，可能與反應裝置的類型、所處環(huán)境條件不同有關(guān)，也與反應裝置中的菌種結(jié)構(gòu)和狀態(tài)有聯(lián)系。

2.2.2 負荷提高階段

負荷提高階段R1、R2隨時間變化情況見圖6。

圖5 負荷提高階段氮素去除情況

圖6 負荷提高階段化學計量比隨時間變化情況

由圖6可見，負荷提高階段R1有小幅波動，最大值和最小值分別為1.35、1.13，平均值為1.21，與激活階段的比值大致相等。此實驗條件下Anammox反應的化學計量比R1大致為1.21，與理論值非常接近，但仍存在一定差值。進水由50 mg/L提高到70 mg/L初期，R2呈下降趨勢，在第21天出現(xiàn)最小值0.07，隨著污泥活性的恢復R2趨于平穩(wěn)，平均約為0.16，低于理論值0.26。R1和R2的實際值與理論值存在偏差，除與反應裝置類型、環(huán)境條件等有關(guān)外，還可能是由于反應器內(nèi)AnAOB為優(yōu)勢菌種，存在少量以為電子受體的反硝化菌協(xié)同脫氮。

有學者認為，在污泥儲存過程中添加培養(yǎng)基會使儲存后的激活效果更好。吳凱〔6〕在室溫（25℃）下添加培養(yǎng)液（50 mg/L和 50 mg/L），儲存 30 d、激活 15 d后，和去除率分別為76.7%、95.8%。而本研究在常溫（20℃）儲存Anammox污泥過程中不加營養(yǎng)液，儲存1個月的Anammox污泥經(jīng)15 d激活，去除率可達81.36%、99.34%。無培養(yǎng)基條件對常溫短時間儲存影響不大，且儲存后的激活效果可能更好。間歇添加營養(yǎng)液或緩沖液對儲存過程可能產(chǎn)生不利影響〔11〕。

Anammox污泥無基質(zhì)儲存時要考慮溫度的影響。較高溫度下儲存，Anammox菌活性較高，代謝較快，致使生物量很快衰減，增加了其恢復難度，且恢復后的活性不易達到儲存前水平，即使是短時間內(nèi)的儲存也很難恢復；過低的溫度則可能導致細胞不可逆的凍傷或破裂，也會使污泥儲存后的細胞活性難以恢復。而在適宜溫度下短時間儲存，可以減緩Anammox菌的衰減，有利于儲存后Anammox污泥活性恢復。通過批式實驗研究儲存污泥的激活，發(fā)現(xiàn)-20℃下冷凍儲存45 d的Anammox污泥雖然仍呈鮮亮的紅色，但對基本沒有去除作用，且其出水呈淺紅色〔12〕。這表明過低溫度的冷凍儲存會使一部分厭氧氨氧化菌的細胞破裂，細胞色素進入出水，喪失活性。有研究分別考察了常溫、中溫、低溫下儲存1個月后Anammox污泥的活性，發(fā)現(xiàn)常溫儲存污泥的總氮去除率最高〔13〕。這表明常溫條件對1個月的短時間Anammox污泥儲存可能更有利。本研究表明，常溫（20℃）無基質(zhì)短時間（1個月）儲存可以有效保留相當一部分AnAOB，又能避免低溫儲存污泥難以激活的問題，且常溫儲存與低溫儲存相比能耗大大降低。因此，常溫無基質(zhì)短時間儲存的Anammox污泥可作為一種Anammox菌種來源，快速啟動Anammox工藝。

3 結(jié)論

（1）常溫（20℃）下 Anammox污泥在填充蜂窩狀填料的廣口瓶中儲存1個月，儲存期間不添加任何外界營養(yǎng)物質(zhì)，細菌密度從3.635×1011mL-1減少到3.012×1011mL-1，AnAOB 細胞密度從 2.338×1011mL-1減少到1.223×1011mL-1，儲存前后細菌總數(shù)并未減少很多，而Anammox菌的數(shù)量減少了近一半，但Anammox菌在細菌中仍有40.60%的較高占比。

（2）在FBR中以儲存1個月的Anammox污泥作為接種污泥激活Anammox反應，可使Anammox啟動時間變短。與采用普通活性污泥啟動的Anammox相比，沒有停滯期，啟動時間顯著縮短。接種儲存的Anammox污泥可實現(xiàn)Anammox工藝的快速啟動。