董宇，李小進(jìn)，李曉彤(河北翰尼環(huán)境科技有限公司，河北 承德 067000)

1 研究背景

1.1 厭氧氨氧化菌的特點(diǎn)

厭氧氨氧化菌自從1988年被發(fā)現(xiàn)可用于污水脫氮流程之后，這一氮循環(huán)中曾經(jīng)被人類(lèi)忽視的一環(huán)，才逐漸走進(jìn)科研界、工業(yè)界的視野之中。厭氧氨氧化菌已被發(fā)現(xiàn)的五個(gè)屬分別為：Kuenenia、Brocadia、Anammoxoglobus、Jettenia 和 Scalindua，其聚集的生物膜顏色表現(xiàn)為鮮紅色或橘紅色，其能在溫度為30～35 ℃左右，pH在7.0～7.6之間達(dá)到最高活性，厭氧氨氧化菌雖然是厭氧細(xì)菌，但是其在缺氧的條件下也能保持較高活性，其生長(zhǎng)速率較低，細(xì)胞周期為7～11天左右(在最適宜的生長(zhǎng)環(huán)境下)，其生長(zhǎng)繁殖需要充足的亞硝氮、氨氮以及碳源[1]。

1.2 厭氧氨氧化菌相關(guān)工藝

在這幾十年中，厭氧氨氧化菌流程逐漸從科研尖端走向污水處理廠支流脫氮實(shí)際應(yīng)用，并形成了各種厭氧氨氧化組合工藝，如：?jiǎn)畏磻?yīng)器短程硝化-厭氧氨氧化工藝(SHARON-ANAMMOX)、自養(yǎng)短程硝化-厭氧氨氧化耦合脫氮工藝(CANON)、單級(jí)短程硝化-厭氧氨氧化耦合脫氮工藝(SNAP)、自養(yǎng)反硝化-厭氧氨氧化耦合脫氮工藝(DEAMOX)、同反應(yīng)異養(yǎng)反硝化-厭氧氨氧化耦合脫氮工藝(SAD)、限氧亞硝化-厭氧氨氧化耦合脫氮工藝(OLAND)等。

2 厭氧氨氧化菌與粒狀生物膜的特性

2.1 厭氧氨氧化菌的特性

厭氧氨氧化菌的反應(yīng)特性：

由于以上反應(yīng)特性決定了厭氧氨氧化菌脫氮需要有充足的亞硝態(tài)氮以進(jìn)行正向反應(yīng)，所以短程硝化反應(yīng)是厭氧氨氧化菌高效脫氮的必要條件。短程硝化反應(yīng)即氨氧化菌半程氧化銨態(tài)氮為亞硝態(tài)氮并盡量阻止后半程亞硝酸鹽氧化菌進(jìn)行氨氧化，即氧化亞硝態(tài)氮為硝態(tài)氮由于在低溶解氧水體中，氨氧化菌的活性與繁殖速度要高于亞硝酸鹽氧化菌，所以控制水體溶解氧在一個(gè)穩(wěn)定且較低范圍內(nèi)至關(guān)重要，也是短程硝化-厭氧氨氧化工藝的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)[2]。

2.2 粒狀生物膜的特性

顆粒狀生物膜、流化床生物膜的大規(guī)模應(yīng)用，給予了厭氧氨氧化菌與氨氧化菌相互結(jié)合的思路與啟示。其中粒狀生物膜具有諸多優(yōu)點(diǎn)：首先粒狀生物膜較為穩(wěn)定，不會(huì)像懸浮污泥隨水體移動(dòng)，可以使用過(guò)濾網(wǎng)將厭氧氨氧化菌粒狀生物膜固定在反應(yīng)器內(nèi)，以使附著在生物膜上的厭氧氨氧化菌接觸到濃度更高的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；其次粒狀生物膜具有較強(qiáng)的抗沖擊性，散狀或懸浮狀厭氧氨氧化菌本身抗沖擊性較弱，極易因pH或溶解氧等因素的變化而死亡，所以當(dāng)厭氧氨氧化菌形成粒狀生物膜后可以應(yīng)對(duì)各個(gè)種類(lèi)的污水沖擊；最后粒狀生物膜可以聚集厭氧氨氧化菌和氨氧化菌成為一個(gè)互養(yǎng)代謝循環(huán)，使氨氧化菌所生產(chǎn)的亞硝態(tài)氮直接被厭氧氨氧化菌作為養(yǎng)分吸收[3]。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置以及小試流程

3.1 實(shí)驗(yàn)所用的菌種培養(yǎng)過(guò)程

本小試所使用的混合粒狀生物膜培育過(guò)程為：在取樣自實(shí)驗(yàn)室，顆粒顏色呈紅色，以厭氧氨氧化菌為主的粒狀污泥基礎(chǔ)上，加入一定量的分選好氧脫氮污泥，并控制曝氣量，在特定的環(huán)境中培養(yǎng)混合污泥，經(jīng)過(guò)3～6個(gè)月的培育，使之混合成為厭氧氨氧化菌與氨氧化菌為主的粒狀生物膜，培育流程類(lèi)似單級(jí)短程硝化-厭氧氨氧化耦合脫氮工藝(SNAP)中的粒狀生物膜，其氨氧化細(xì)菌在培育過(guò)程中逐漸附著在原厭氧氨氧化菌為主的顆粒污泥之上，并將厭氧的厭氧氨氧化菌包裹在粒狀生物膜之內(nèi)，為厭氧氨氧化菌創(chuàng)造更好的厭氧條件[4]。在此期間，判斷厭氧氨氧化菌與氨氧化菌耦合的重要依據(jù)是粒裝污泥逐漸由鮮紅色逐漸變?yōu)槌燃t色，并繼續(xù)淡化。

圖1 短程硝化-厭氧氨氧化耦合粒狀生物膜在連續(xù)上流式管膜曝氣反應(yīng)器中的示意圖

圖2 反應(yīng)器實(shí)際小試運(yùn)行圖

3.2 實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器構(gòu)型

在本小試所設(shè)置的反應(yīng)器中，反應(yīng)器主體為內(nèi)徑10 cm的柱狀管，為了便于觀察柱狀主體材質(zhì)選用了透明玻璃，并且制作了遮光罩避光以防止藻類(lèi)生物在反應(yīng)器中繁殖。在反應(yīng)器的上端，作為分離液體和氣體并具有收集上浮氣體作用的三相分離器，緊密地貼合在柱狀反應(yīng)器內(nèi)壁中，并使水體淹沒(méi)大部分三相分離器，三相分離器的上端連接著氣體收集袋，用來(lái)收集脫氮所產(chǎn)生的氣體，以備對(duì)其進(jìn)行定量、定性分析，以佐證脫氮流程的有效性。

本小試的水體環(huán)流方式為上流式，由于大部分粒狀生物膜都沉淀在反應(yīng)器底部，所以使生物膜充分接觸進(jìn)水與循環(huán)水體是反應(yīng)器設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)，如圖所示，進(jìn)水口與環(huán)流進(jìn)水口都在反應(yīng)器主體結(jié)構(gòu)的下端，出水口在三相分離器之上，環(huán)流出水口在三相分離器之下。

本反應(yīng)器還帶有簡(jiǎn)易的自控裝置，在環(huán)流結(jié)構(gòu)中連接著一個(gè)緩沖加藥裝置，在裝置的上半部分是溫度、溶解氧以及pH探頭的檢測(cè)區(qū)，下半部分是連接加熱與自動(dòng)加藥泵的加藥區(qū)，反應(yīng)器介由此自控系統(tǒng)來(lái)控制溫度、溶解氧和酸堿度，以滿(mǎn)足粒狀生物膜可以一直保持綜合高活性的狀態(tài)。

管膜曝氣系統(tǒng)是本小試的關(guān)鍵所在，管膜曝氣系統(tǒng)由內(nèi)徑為0.5 mm，管壁為1 mm的無(wú)孔硅膠管為曝氣主體，無(wú)孔硅膠管連接在氣壓控制閥上，氣壓控制閥的另一端連接高壓空氣瓶，由氣壓控制閥來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)孔硅膠管中的氣壓，以達(dá)到精準(zhǔn)控制管膜的曝氣速率。

小試反應(yīng)器在溫度28 ℃，pH 7.1～7.2，溶解氧濃度0.4～0.7 mg/L的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，在水利停留時(shí)間為48 h，進(jìn)水為模擬污水，其中氨氮濃度為140.0 mg/L，同時(shí)進(jìn)水中也加入了適量的醋酸鈉作為碳源，以及一定量的微量元素來(lái)滿(mǎn)足菌群營(yíng)養(yǎng)平衡。在4 d后，出水穩(wěn)定后，根據(jù)出水的氨氮濃度10.3 mg/L計(jì)算可得氨氮去除率為92.68%，去除率較高。

4 問(wèn)題以及思考

本實(shí)驗(yàn)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，即超過(guò)14 d以上，反應(yīng)器中會(huì)發(fā)生硝態(tài)氮積累，導(dǎo)致正向反應(yīng)被抑制、氨氮去除率變低，在本實(shí)驗(yàn)中所用的反應(yīng)器未考慮水體更換，除放置濾網(wǎng)后放空所有水體外無(wú)其他有效去除硝態(tài)氮積累的辦法，在中試、實(shí)際污水廠處理流程中應(yīng)設(shè)置換水、環(huán)流優(yōu)化裝置，以消除硝態(tài)氮積累。

5 結(jié)語(yǔ)

在本小試中，利用連續(xù)上流式管膜曝氣生物膜反應(yīng)器，可以在較穩(wěn)定的低溶解氧環(huán)境中，利用厭氧氨氧化菌-氨氧化菌混合粒狀生物膜合理地、高效地去除高濃度含氨氮廢水，完成脫氮處理流程，本實(shí)驗(yàn)為以后的中試以及實(shí)際污水處理廠中的脫氮處理流程提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)與反應(yīng)器理論模型。