Anammox啟動過程中脫氮性能及污泥特性研究
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秦永麗，蔣永榮，劉成良，劉可慧，黎海清，郭丹妮，陸冬云，孫振舉，盧青青
（1．桂林電子科技大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院；
2．桂林電子科技大學(xué)后勤處，廣西桂林541004）
摘要：采用NH4+-N和N02- -N進水濃度分別為200 mg/L和300 mg/L不變，不斷縮短HRT以啟動厭氧氨氧化反應(yīng)器，研究了此過程中氮的去除情況、厭氧氨氧化反應(yīng)化學(xué)計量關(guān)系及顆粒污泥的特性。結(jié)果表明：歷時58 d成功啟動了厭氧氨氧化反應(yīng)器，NH4+-N和N02- -N的去除率分別為96.62%、76.37%，總氮去除速率達到1.71 kg/(m3.d)；NH4+-N的去除量、N02一-N的去除量及N03 -N的生成量三者之間的比值為1：1,29:0.26，表現(xiàn)出典型的厭氧氨氧化反應(yīng)特征；運行后期，反應(yīng)器內(nèi)的顆粒污泥呈紅棕色，結(jié)構(gòu)緊密，表面可見明顯的孔洞，其表面分布的球菌具有火山口狀的凹陷結(jié)構(gòu)，為典型的厭氧氨氧化菌。
關(guān)鍵詞：厭氧氨氧化；快速啟動；脫氮性能；顆粒污泥
厭氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation，Anammox)是20世紀90年代開發(fā)的一種新型生物脫氮工藝，在缺氧條件下，厭氧氨氧化菌能夠以NH4+-N為電子供體，N02- -N為電子受體，生成N2，將氮素從水中去除的過程。厭氧氨氧化工藝無需曝氣，無需補充有機物，可減少能耗，剩余污泥量少，運行費用較低。因此，厭氧氨氧化工藝自問世以來，就受到環(huán)境工程領(lǐng)域研究者的高度關(guān)注。
由于厭氧氨氧化菌生長緩慢，易受環(huán)境條件影響，工藝啟動時間長達100—200 d，制約了厭氧氨氧化工藝的實際應(yīng)用。其中唐崇儉等以硝化反硝化污泥、短程硝化污泥、厭氧絮體污泥和厭氧顆粒污泥混合后作為接種污泥，歷時255 d啟動中試厭氧氨氧化反應(yīng)器；宋雨夏等以某造紙廠的廢水處理站的厭氧顆粒污泥作為接種物，通過185 d的運行，成功啟動了上流式厭氧氨氧化污泥床反應(yīng)器；唐曉雪等㈣以實驗室的硝化反硝化污泥、厭氧硝化污泥和厭氧氨氧化顆粒污泥經(jīng)粉碎混合后作為接種污泥，歷時100 d啟動了上流式厭氧氨氧化污泥床反應(yīng)器。因此如何快速啟動厭氧氨氧化反應(yīng)器且達到較好的脫氮性能是迫切需要解決的問題。因此本實驗通過保持氨氮、亞氮的進水濃度不變，不斷縮短HRT啟動厭氧氨氧化，并研究啟動過程中氮的去除性能、厭氧氨氧化反應(yīng)的化學(xué)計量關(guān)系及厭氧氨氧化顆粒污泥的特性，以期為厭氧氨氧化工藝的理論研究及實際應(yīng)用提供參考。
1材料與方法
1.1 實驗裝置
實驗裝置采用方形結(jié)構(gòu)（如圖1所示），由UASB反應(yīng)器、預(yù)熱內(nèi)膽、熱水夾套、氣體收集與測量裝置、溫度傳感器和溫控儀組成；UASB反應(yīng)器及預(yù)熱內(nèi)膽和熱水夾套均采用厚8 mm的有機玻璃制成，高度150 cm，有效容積10 L；熱水夾套使UASB反應(yīng)區(qū)保溫(32+1)℃，內(nèi)膽出水管上部氣柱產(chǎn)生的壓差，使反應(yīng)器底部布水更加均勻。
1.2 接種污泥與實驗廢水
實驗接種污泥取自本實驗室長期低負荷運行的厭氧氨氧化反應(yīng)器，MLSS=78.47 g/L，MLVSS=60.95g/L，MLVSS/MLSS=0.78，
實驗進水為人工配制的模擬廢水，主要由NH4C1和NaN02按需配制，分別提供NH4+-N和N02．-N，KHC03 1 250 mg/L,MgS04-7H20 300 mg/L,KH2P0410 mg/L，CaCI2·2H20 5.6 mg/L，微量元素濃縮液1.0ml/L。微量元素濃縮液的組分見表1，進水pH在7.8~8.0之間。
1.3 實驗方法
在整個實驗期間，保持反應(yīng)器進水氨氮、亞氮濃度不變，通過逐步縮短水力停留時間(HRT)啟動厭氧氨氧化。在啟動過程中，進水亞氮濃度保持相對過量以提高氨氮的轉(zhuǎn)化效率。在整個實驗期間，反應(yīng)器的運行參數(shù)為：反應(yīng)器的運行溫度為33℃，進水pH調(diào)節(jié)在7.8—8.0之間，進水NH4+-N為200 mg/L，NO。--N為300 mg/L，其摩爾比為1:1.5，平均3d測1次指標。具體操作過程如表2所示。
1.4 測定項目及方法
NH4+-N：納氏試劑分光光度法；N02．_N：N一（1一萘基）一乙二胺分光光度法；N03一-N:紫外分光光度法； MLSS和MLVSS:重量法; pH:pHS_3B型酸度計測定。
2 實驗結(jié)果與分析
2.1 啟動過程中NH4+-N、N02．-N、N03 -N的變化情況
在整個啟動過程中厭氧氨氧化的NH4+-N、N02_ -N、N03一-N變化情況見圖2、3。
第Ⅰ階段（1～16 d），NH4+-N和N02- -N的理論進水濃度分別為200 mg/L和300 mg/L，水力停留時間為12 h，理論總氮負荷為1.0 kg/(m3.d)，反應(yīng)器經(jīng)過一段時間的適應(yīng)后，逐步穩(wěn)定，至16 d時，NH4+-N的出水濃度為3.18 mg/L，去除率達到98.40%，去除速率為393 mg/(L -d)；N02- -N的出水濃度為60.0 mg/L，去除率達到80.80%，去除速率為505 mg/(L．d)；N03 -N的出水濃度為45.68 mg/L，總氮去除速率達到0.90 kg/(m'3.d)。值得注意的是，由于此階段存在配水偏差，故實際NH4+-N和N02一-N進水濃度呈現(xiàn)逐漸增加的狀況（NH4+-N由234 mg/L增至312 mg/L，N02．。-N由163 mg/L增至206 mg/L）。
第Ⅱ階段(17～34 d)，保持NH4+-N和N02．-N的進水濃度分別為200 mg/L和300 mg/L不變，縮短水力停留時間至8h，理論總氮負荷為1.5 kg/(m3．d)，相比于第Ⅰ階段，該階段NH4+-N的去除量和N03一-N的生成量較穩(wěn)定，N02- -N的去除量則經(jīng)過一段時間的波動后趨于穩(wěn)定，至34 d時，NH4+-N的出水濃度為3.36 mg/L，去除率達到98.28%，去除速率升高至576 mg/(L -d)；N02_ -N的出水濃度為63.81 mg/L，去除率達到78.73%，去除速率升高至709 mg/(L．d);N03一-N的出水濃度為44.78 mg/L，總氮去除速率由第Ⅰ階段的0.90 kg/(m3．d)升高至1.28 kg/(m'3.d)。
第Ⅲ階段(35—58 d)，保持NH4+-N和N02- -N的進水濃度不變，縮短水力停留時間至6h，理論總氮負荷為2.0 kg/(m3.d)，該階段NH4+-N和NOz_ -N的去除量經(jīng)過一段時間的波動后趨于穩(wěn)定，N03- -N的生成量則一直保持穩(wěn)定。至58 d時，NH4+-N的出水濃度為6.51 mg/L，去除率為96.62%，去除速率升高至744mg/(L -d)，NO：--N的出水濃度為74.43 mg/L，去除率為76.37%，去除速率升高至962 mg/(L．d)，N03- -N的出水濃度為48.59 mg/L，總氮去除速率已由第Ⅱ階段的1.28 kg/(m3.d)升高至1.71 kg/(m3．d)。
綜上所述，本實驗總氮去除速率高于文獻已報道的厭氧氨氧化反應(yīng)啟動成功的標準0.5 kg/(m3.d)，并且脫氮性能顯著。因此初步推測歷時58 d成功啟動了厭氧氨氧化反應(yīng)。
值得注意的是，在整個啟動過程中，隨著HRT由12 h逐步縮短為6h，NH4+-N、N02--N的去除量及N03．-N的生成量未出現(xiàn)明顯波動，NH4+-N和N02- -N的去除率分別在96%和76%以上，總氮的去除速率則由0.90 kg/(m3.d)升高至1.71 kg/(m3.d)，因此HRT的縮短并未對反應(yīng)器的脫氮性能產(chǎn)生顯著不良影響。有研究表明縮短HRT反而容易獲得高的脫氮速率其原因主要有兩方面：一方面HRT縮短后，可使基質(zhì)加速混合，既能滿足厭氧氨氧化菌對基質(zhì)的需求，又能避免因基質(zhì)濃度過高抑制厭氧氨氧化菌；另一方面HRT縮短后，整個反應(yīng)體系中的水力剪切力變大，有利于厭氧氨氧化菌分泌胞外多聚物(ECP)，ECP的形成有助于厭氧氨氧化顆粒污泥的形成。也有研究提及HRT的過度縮短，會使反應(yīng)器過載，使整個系統(tǒng)的脫氮性能惡化。然而他們對厭氧氨氧化反應(yīng)所能承受的最短HRT有不同的研究結(jié)果。馬朝陽等認為厭氧氨氧化反應(yīng)的HRT以6h為宜，當HRT降低為4h時，系統(tǒng)的脫氮效能惡化。唐崇儉等則認為當HRT< 3.43 h時，反應(yīng)器的脫氮性能惡化。李祥等通過污泥回流的方式將HRT縮短為1.66 h時，出現(xiàn)了脫氮性能惡化的現(xiàn)象。因此厭氧氨氧化反應(yīng)所能承受的最短HRT還有待于進一步研究，這也是本課題組下一步將研究的內(nèi)容。
2.2 啟動過程中pH及化學(xué)計量關(guān)系變化
厭氧氨氧化菌為自養(yǎng)菌，可通過固定污水中的C02為其生長提供所需的無機碳源，使得系統(tǒng)的出水pH值升高，固定CO。的能量來自N02一-N轉(zhuǎn)化為NO。--N的過程，N03- -N生成量與N02．-N的去除量成正比。同時NH4+-N和N02 -N以一定的比例去除是厭氧氨氧化啟動成功的重要特征，NH4+-N的去除量、N02- -N的去除量及N03一-N的生成量三者之間的比例是表征厭氧氨氧化反應(yīng)氮素的去除情況，穩(wěn)定運行的厭氧氨氧化，NH4+-N和N02一-N的去除量之比為1:1.32，NH4+-N的去除量和N03- -N的生成量之比為1:0.26，其反應(yīng)式如下：lNH4++1.32N02-+0.066HC03-+0.13H+斗l.02N2 +0.26N03-+ 0.066CH200.5N0.5+2.03H20
在厭氧氨氧化的整個啟動期間，pH與厭氧氨氧化反應(yīng)的化學(xué)計量關(guān)系變化情況如圖4所示。由圖4可見：第1階段(1—16 d)，本實驗的進水pH值控制在7.8—8.0之間，至16 d時，出水pH值達到9.17，平均比進水pH值高1.1，同時N02- -N去除量／NH4+-N去除量的值波動相對較大，N03 -N生成量/NH4+-N去除量的值則波動相對較小，前7d，N02 --N去除量／NH4+-N去除量在1.4左右，大于理論值1.32，N03- -N生成量/NH4+-N去除量在0.2左右，小于理論值0.26，說明接種的污泥巾含有反硝化細菌，而N03 -N生成量低則與反硝化細菌利用污泥水解酸化作用產(chǎn)生的碳源進行反硝化相關(guān)。隨著反應(yīng)系統(tǒng)的逐步啟動，在7～16 d時，N02一-N去除量/NH。+-N去除量逐步降低至1.29，N03- -N生成量/NH4+-N去除量則逐步升高至0.23，同步接近理論值。
第Ⅱ階段(17—34 d)，pH值和N03--N生成量／NH4+-N去除量的變化趨于平穩(wěn)，N02一-N的去除量／NH4+-N去除量則波動相對較大。出水pH值達到9.0左右，平均比進水pH值高1.2，N03 -N生成量/NH4+-N去除量則穩(wěn)定在0.26左右，N02一-N的去除量/NH4+-N去除量在34 d時為1.23．低于理論值。
第Ⅲ階段(35—58 d)，pH值、N02 --N去除量／NH4+-N去除量和N03- -N生成量／NH4+-N去除量的變化在第Ⅲ階段相對較穩(wěn)定，至58 d時，出水pH值為8.98，比進水高1.2,N02一-N去除量/NH4+-N去除量穩(wěn)定至1.29，與其他研究者的研究結(jié)果相似，略低于理論值(1.32)，N03一-N生成量／NH。+_N去除量達到0.26，與理論值(1：0.26)相符。本實驗后期N02一-N去除量/NH4+-N去除量略低于理論值(1.32)，其主要原因是該反應(yīng)體系中存在其他反應(yīng)計量關(guān)系，可能是由于實驗進水未去除溶解氧，因此在厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)可能存在少量的氨氧化菌，該菌可以利用溶解氧，將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮，避免了溶解氧抑制厭氧氨氧化菌的生長，但積累了亞硝酸鹽氮，因此二者的比值偏低。同時也不排除體系中仍存在反硝化細菌，反硝化細菌以菌體分解所產(chǎn)生的有機物為碳源，將硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮，造成亞硝酸鹽氮的積累，使得比值偏低。
有研究結(jié)果表明，pH的變化可指示反應(yīng)器中厭氧氨氧化細菌的活性變化趨勢。本實驗后期出水pH明顯高于進水pH、NH。+-N和N02- -N去除情況穩(wěn)定、高脫氮性能和接近理論值的化學(xué)計量關(guān)系均證明歷時58 d成功啟動了厭氧氨氧化反應(yīng)，且厭氧氨氧化菌具有較高的活性。
2.3 厭氧氨氧化顆粒污泥性狀
運行后期從反應(yīng)器中取污泥進行觀察，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)形成大量紅棕色的顆粒污泥，粒徑約為1.0—2.0mm，形狀不規(guī)則，因厭氧氨氧化菌富含血紅素，本實驗運行58 d后的厭氧氨氧化顆粒污泥呈現(xiàn)典型的紅色特征（見圖5所示），與Mulder等報道的厭氧氨氧化顆粒污泥相似。
為了進一步地了解污泥的微生物形態(tài)，對污泥進行掃描電鏡觀察，見圖6(a)、(b)所示。從圖6(a)可以看出反應(yīng)器巾的顆粒污泥結(jié)構(gòu)較緊密，表面粗糙，凹凸不平，且表面可看到明顯的孔洞，有研究者認為由于底物限制導(dǎo)致顆粒污泥內(nèi)部的微生物衰亡，內(nèi)部氣體的釋放都有助于孔洞的形成，鄭照明等的研究則表明這些孔洞的形成并不是由于微生物受底物傳質(zhì)限制而衰亡所形成的，而是由于反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氮氣釋放形成的，孔洞的形成有助于提高污泥的傳質(zhì)效率，因此孔洞的形成對厭氧氨氧化是否有利還有待于進一步研究。
后期對污泥進一步放大發(fā)現(xiàn)，顆粒污泥表面以球菌為主(圖6(b))，推測主要為厭氧氨氧化菌。另外，從圖6(b)還可以看出，球菌單個或成對存在，且其表面存在火山口狀的凹陷結(jié)構(gòu)，與其他研究者觀察的結(jié)果相似，該凹陷結(jié)構(gòu)的具體功能，還需要在以后的研究中進一步確定。但許多研究者在研究厭氧氨氧化的過程中還觀察到絲狀菌，本實驗并未觀察到絲狀菌，充分說明本實驗馴化的厭氧氨氧化菌的菌種純度較高。
3 結(jié)論
(1)在整個啟動期間，保持反應(yīng)器進水氨氮濃度200 mg/L、亞氮濃度300 mg/L不變，通過逐步縮短水力停留時間，歷時58 d成功啟動了厭氧氨氧化反應(yīng)。
(2)反應(yīng)器運行后期，NH4+-N和N02一-N的去除率分別達到96.62%、76.37%，二者的去除速率分別升高至744 mg/(L-d)、962 mg/(L-d)，總氮負荷達到2.0kg/(m3.d)，總氮去除速率升高至1.71 kg/(m3.d)，達到較好的脫氮性能。
(3)實驗后期NH4+-N的去除量、N02_ -N的去除量及N03 --N的生成量三者之間的比值為1:1.29:0.26，表現(xiàn)出典型的厭氧氨氧化反應(yīng)特征。
(4)反應(yīng)器內(nèi)的厭氧氨氧化顆粒污泥紅棕色，結(jié)構(gòu)緊密，表面粗糙，凹凸不平，表面可見明顯的孔洞，且其表面分布著大量單個或成對生長的球菌，具有火山口狀的凹陷結(jié)構(gòu)，為典型的厭氧氨氧化菌。
