周亞 張新穎 張健 陳益明 劉文貴

（1 福州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院 福建福州 350108 2 福建省環(huán)境科學(xué)研究院 福建福州 350013）

傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)是由嚴(yán)格好氧的氨氧化菌（AOB）和亞硝酸鹽氧化菌（NOB）先將氨氮（NH4+-N）氧化為亞硝態(tài)氮（NO2--N）和硝態(tài)氮（NO3--N），然后由厭氧異養(yǎng)菌將NO3--N 還原為氮氣（N2）的工藝。該技術(shù)不僅因曝氣需消耗大量的能量，而且需要額外添加有機物來保證反硝化過程的進行［1］。而自養(yǎng)型ANAMMOX 工藝則被認(rèn)為是一種更高效節(jié)能的綠色低碳可持續(xù)廢水生物脫氮處理方法，已被廣泛用于處理工業(yè)廢水、垃圾滲濾液、沼液等高氨氮廢水，是廢水生物脫氮的研究熱點［2］。ANAMMOX 工藝是指在厭氧或缺氧條件下，AnAOB 以NO2--N為電子受體，以NH4+-N 為電子供體，將NO2--N 和NH4+-N 轉(zhuǎn)化為N2的一種新型脫氮工藝［3］。與傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比，ANAMMOX工藝具有無需曝氣供氧、無需外加碳源、污泥產(chǎn)量少等優(yōu)勢［4］。

然而ANAMMOX 工藝存在自養(yǎng)型AnAOB 生長緩慢、難富集、工藝運行不穩(wěn)定和對生長環(huán)境要求苛刻等問題［5］，導(dǎo)致其啟動時間長達幾個月至幾年不等。AnAOB 的富集和有效截留是實現(xiàn)ANAMMOX 成功啟動的關(guān)鍵［6］。SBBR 由于具有污泥濃度高、污泥齡長、生物截留能力強、抗沖擊負(fù)荷強、操作靈活、可穩(wěn)定運行等優(yōu)勢［7］，是ANAMMOX 工藝的理想反應(yīng)器之一。ANAMMOX 工藝污泥接種策略對ANAMMOX 的啟動有顯著影響，目前ANAMMOX 的主要接種污泥包括有厭氧污泥（如反硝化污泥、河底泥等）、厭氧顆粒污泥、好氧污泥（如硝化污泥、傳統(tǒng)活性污泥等）、好氧顆粒污泥、ANAMMOX 混合污泥等［8］，其中ANAMMOX 混合污泥由于富含AnAOB，可大大縮短工藝啟動時間［9］。剩余污泥是城市污水處理廠產(chǎn)生的固體廢棄物，其含水率高、富含重金屬、病原菌等有毒有害物質(zhì)，對環(huán)境易造成二次污染，需要進行后續(xù)的處理處置［10］，若能作為ANAMMOX 啟動的接種污泥，不僅能踐行固體廢物環(huán)境防治資源化原則，而且能使ANAMMOX 工藝具有更易獲得的污泥來源。

本論文以92%的剩余污泥和8%的ANAMMOX 顆粒污泥為混合接種污泥，以辮帶式纖維作為填料，建立SBBR，通過調(diào)控優(yōu)化工藝運行參數(shù)，實現(xiàn)ANAMMOX 的快速啟動，研究工藝對ANAMMOX 的富集效能與脫氮性能。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與運行策略

試驗裝置如圖1 所示，SBBR 反應(yīng)器為圓柱形，由聚乙烯塑料組成，內(nèi)徑為560 mm，高度為700 mm，總?cè)莘e172 L，有效容積為150 L，試驗填料為纖維辮帶式填料，具有空隙率高、比表面積大、掛膜快、膜易更新等優(yōu)點，填料固定于反應(yīng)器內(nèi)不銹鋼架上。攪拌裝置采用機械調(diào)速攪拌器，反應(yīng)器在環(huán)境溫度（26℃～30℃）下進行，排水率為50%，pH 值控制在7.5～8.0 之間。反應(yīng)器用黑色遮光材料包裹，避光運行。

圖1 SBBR 反應(yīng)器示意圖

ANAMMOX 啟動過程中的運行參數(shù)如表1 所示。

表1 厭氧氨氧化反應(yīng)器運行參數(shù)

1.2 接種污泥

剩余污泥取自福州市洋里污水處理有限公司的剩余污泥。污泥悶曝24 h 后，用自來水洗滌3 次后接種到反應(yīng)器中。污泥濃度（MLSS）為11 034 mg/L，揮發(fā)性固體濃度（MLVSS）為6 510 mg/L，f（f=MLVSS/MLSS）為59%。ANAMMOX 顆粒污泥為實驗室小試培養(yǎng)的顆粒污泥，MLSS 為3 625 mg/L，MLVSS為1 486 mg/L，f 為41%。

本試驗先接種剩余混合污泥進行馴化，待微生物適應(yīng)環(huán)境后再加入ANAMMOX 顆粒污泥，接種ANAMMOX 顆粒污泥后混合污泥MLSS 為6 103 mg/L，MLVSS 為2 458 mg/L，f 為40%，混合污泥中剩余污泥與ANAMMOX 顆粒污泥的占比分別為92%和8%。

1.3 試驗用水

采取人工配水方式，試驗?zāi)M廢水成分如表2 和表3 所示，模擬廢水中的NH4+-N 和NO2--N 分別由NH4Cl、NaNO2提供，NH4+-N 和NO2--N 濃度按ANAMMOX 理論值配比，進水pH 用NaHCO3和HCl 進行調(diào)節(jié)，整個過程不添加有機碳源。

表2 厭氧氨氧化反應(yīng)器進水組分

表3 微量元素組分

1.4 測試項目與方法

常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)均按照國家環(huán)境保護發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)方法 《水和廢水監(jiān)測分析方法》［11］進行監(jiān)測，見表4。

表4 測試項目與分析方法

2 結(jié)果與討論

ANAMMOX SBBR 反應(yīng)器總共歷時132 d 啟動成功并穩(wěn)定運行。整個啟動過程期間，根據(jù)進出水氮素濃度轉(zhuǎn)化規(guī)律可分為4 個階段，分別是菌體水解階段（0 d～29 d）、污泥馴化階段（30 d～64 d）、活性提高階段（65 d～91 d）和活性穩(wěn)定階段（92 d～131 d）。

2.1 菌體水解階段

菌體水解階段（階段I）從接種剩余污泥開始，共歷時29 d。從圖2 可以看出，在第1 天至第15 天出水NH4+-N 濃度明顯高于進水NH4+-N 濃度，出水NO2--N 和NO3--N 含量低，說明該階段存在微生物細胞解體死亡，釋放了大量的NH4+-N 和有機物，為反硝化菌提供了電子供體和碳源，使反硝化成為該階段的主反應(yīng)；系統(tǒng)的MLSS 和MLVSS 也出現(xiàn)大幅度下降，分別由11 034 mg/L 和6 510 mg/L 下降為5 822 mg/L 和2 370 mg/L。由于ANAMMOX 反應(yīng)器接種污泥為剩余污泥，含有大量的好氧微生物（如硝化細菌），當(dāng)長期處于厭氧的環(huán)境時失活，菌體解體死亡。隨著運行周期數(shù)的增加，反應(yīng)器出水中NH4+-N 含量逐漸降低，在運行第16 天后出水NH4+-N 含量首次接近于進水NH4+-N，出水NO2--N 含量也在第7 天后逐漸上升，說明好氧菌的菌體水解情況正在減弱，已被淘汰或不占優(yōu)勢，反硝化作用也因缺少足夠的有機物而減弱，故出水NO2--N 又逐漸升高。為了加速ANAMMOX 的啟動，從第16 天起將停留時間（HRT）從24 h 縮短為12 h。由于好氧菌的淘汰以及反硝化作用的逐漸減弱，從第16 天起出水NH4+-N 和NO2--N 開始低于進水NH4+-N 和NO2--N，NH4+-N 和NO2--N 出現(xiàn)同步去除，說明ANAMMOX 作用開始顯現(xiàn)。故在第30天加入20LANAMMOX顆粒污泥，此時混合污泥MLSS為6103mg/L，MLVSS為2458mg/L，f為40%，混合污泥中剩余污泥與ANAMMOX顆粒污泥的占比分別為92%和8%。

圖2 啟動初期菌體水解階段進出水氮素變化情況

2.2 污泥馴化階段

階段Ⅱ（30 d～64 d）為污泥馴化階段。第30 天至第47 天維持階段I 的運行條件不變，進水NH4+-N 和NO2--N 濃度分別為（68±3）mg/L 和（75±3）mg/L，HRT 為12 h。從圖3 和圖4中可以看出NH4+-N 和NO2--N 去除率隨著運行時間的增加呈現(xiàn)小幅度增加，NO3--N 也有少量的生成，ΔNO2--N/ΔNH4+-N、ΔNO3--N/ΔNH4+-N 也逐漸接近于理論值1.32、0.26，說明在第30 天接種少量ANAMMOX 顆粒污泥后，反應(yīng)器ANAMMOX作用正在逐漸增強，由于進水不添加有機物，反應(yīng)系統(tǒng)中幾乎已不存在反硝化作用。故從第48 天起逐漸提高進水NH4+-N和NO2--N 濃度，第64 天進水NH4+-N 和NO2--N 濃度分別為99.24 mg/L、109.12 mg/L，縮短HRT 為8 h。從圖3 和圖4 中可以看出，提高進水負(fù)荷以及縮短HRT 使得NH4+-N 和NO2--N去除量較之前增加了近1 倍，NH4+-N 和總氮去除率分別由26.03%、28.64%增加到58.63%、49.42%，并且ΔNO2--N/ΔNH4+-N、ΔNO3--N/ΔNH4+-N 仍接近于理論值1.32、0.26，說明該階段ANAMMOX 作用正在持續(xù)增強，ANAMMOX 菌已成為優(yōu)勢菌群，ANAMMOX 已成功啟動，也表明接種ANAMMOX 顆粒污泥能夠?qū)崿F(xiàn)ANAMMOX 的快速啟動和富集。

圖3 污泥馴化階段進出水氮素變化情況

圖4 運行過程中去除率和系統(tǒng)化學(xué)計量比關(guān)系

2.3 活性提高階段

階段Ⅲ（65 d～91 d）為活性提高階段，為進一步增強ANAMMOX 活性，繼續(xù)提高了進水基質(zhì)負(fù)荷，縮短了HRT；進水NH4+-N、NO2--N 分別由99.24 mg/L、109.12 mg/L 逐漸提高至168.46 mg/L、185.34 mg/L，HRT 由8 h 縮短為6 h。從圖5 中可以看出，剛開始第65 天至第75 天NH4+-N 和NO2--N 去除量并沒有隨著運行時間的增加而明顯增加，這可能是因為進水基質(zhì)的提升給微生物帶來了一定的沖擊，微生物需要一定時間適應(yīng)；第76 天至第91 天，NH4+-N 和NO2--N 出水濃度持續(xù)大幅度降低，NH4+-N 和NO2--N 同步去除顯著，在第91 天NH4+-N 和NO2--N 去除率分別高達80%、92%，總氮容積去除負(fù)荷高達0.88 kg/（m3·d），ANAMMOX 活性得到了顯著提升。并且觀察到反應(yīng)器的載體上附著了大量紅色AnAOB 顆粒污泥，AnAOB 顆粒污泥的含量出現(xiàn)了明顯的增加，說明在含有少量AnAOB 顆粒污泥的混合污泥生物膜系統(tǒng)中，提高進水負(fù)荷和縮短HRT 能有效實現(xiàn)AnAOB 的快速富集和活性提升，如Li 等［12］將活性污泥和厭氧氨氧化污泥混合接種，歷時91 d 成功啟動ANAMMOX。

圖5 活性提高階段進出水氮素變化情況

2.4 穩(wěn)定運行階段

階段Ⅳ（92 d～131 d）為穩(wěn)定運行階段，該階段維持進水NH4+-N 和NO2--N 分別為（200±5）mg/L、（230±5）mg/L，維持HRT 為6 h。從圖4 可以看到這期間系統(tǒng)ΔNO2--N/ΔNH4+-N、ΔNO3--N/ΔNH4+-N 已穩(wěn)定于理論值1.32、0.26 附近，說明已實現(xiàn)了ANAMMOX 的穩(wěn)定運行。并且該階段TN 的去除率仍在不斷地增加，說明ANAMMOX 活性仍有提升的空間，最終NH4+-N、NO2--N 和TN 去除率分別達到87%、99%和85.6%，TN 去除負(fù)荷高達1.49 kg/（m3·d）。

2.5 溶解氧（DO）的影響

DO 對ANAMMOX 工藝有顯著影響，當(dāng)空氣飽和度＜2%時，DO 可逆地抑制ANAMMOX 的性能，當(dāng)空氣飽和度＞18%時，ANAMMOX 出現(xiàn)不可逆抑制［13］。故大多數(shù)ANAMMOX 的啟動研究均對系統(tǒng)進行了除氧處理，但本試驗整個反應(yīng)器啟動和運行期間并未進行除氧處理，仍能實現(xiàn)ANAMMOX 的成功啟動并穩(wěn)定運行。因為以剩余污泥為接種污泥使系統(tǒng)中含有好氧菌，能夠消耗進水中的溶解氧，故在進水一段時間后，系統(tǒng)DO 逐漸降至0.15 mg/L 及以下；其次，載體的存在和顆粒態(tài)的AnAOB 都使系統(tǒng)對DO 有更強的耐受力［14］。

圖6 穩(wěn)定運行階段進出水氮素變化情況

3 結(jié)論

采用SBBR 反應(yīng)器，以92%的剩余污泥和8%的ANAMMOX 顆粒污泥為混合接種污泥，維持pH 為7.5～8.0，溫度為環(huán)境溫度（25 ℃～29 ℃），不對系統(tǒng)進行除氧處理，通過逐漸增加進水基質(zhì)負(fù)荷和縮短HRT 等手段，歷時64 d 實現(xiàn)ANAMMOX的快速啟動。穩(wěn)定運行期間，NH4+-N、NO2--N 和TN 去除率分別達到87%、99%和85.6%，總氮去除負(fù)荷高達1.49 kg/（m3·d），并且活性仍有提升的空間。研究發(fā)現(xiàn)，接種含有少量AnAOB顆粒污泥的混合污泥能實現(xiàn)AnAOB 的快速富集和ANAMMOX 的快速啟動。