1        ANANMMOX工藝研究狀況

厭氧氨氧化技術(shù)的研究從荷蘭KLUYVER試驗室發(fā)現(xiàn)這一實驗現(xiàn)象（1），到2002年6月世界上第一座生產(chǎn)性裝置在DOKHAVEN投入運行（2），至今已持續(xù)近十年。國內(nèi)的一些研究者在這一領(lǐng)域也取得了一定的研究成果（3）。目前國內(nèi)一大批研究機構(gòu)正積極地在這一領(lǐng)域開展研究工作（4）。綜觀目前的研究成果，對ANAMMOX 的基礎(chǔ)理論研究已經(jīng)相當深入，但對如何快速培養(yǎng)和富集ANAMMOX菌公開報道，較為鮮見。眾多研究者缺乏研究材料的問題相當普遍，這已成為在這一領(lǐng)域開展大量研究工作的重要瓶頸。

2        ANAMMOX菌培養(yǎng)反應(yīng)器選擇

目前已知的培養(yǎng)ANANMMOX菌方法的有兩類，一類是采用ANAMMOX菌接種物，在反應(yīng)器中進行增殖培養(yǎng)；另一種是采用活性污泥進行富集培養(yǎng)。荷蘭代爾夫特工業(yè)大學（TU Delft）關(guān)于ANAMMOX的研究主要利用第一種方法，種泥來自于最早發(fā)現(xiàn)ANAMMOX現(xiàn)象的脫氮流化床反應(yīng)器。在國內(nèi)開展的研究只能依靠從活性污泥中富集培養(yǎng)的方法。浙江大學鄭平、胡寶蘭等采用UASB反應(yīng)器成功地富集到了高活性的ANAMMOX污泥（5）。上海交通大學的楊虹等采用懸浮填料床反應(yīng)器，成功地進行了OLAND工藝的研究，該工藝中同樣有ANAMMOX菌參與反應(yīng)（6）。荷蘭研究者認為SBR是適合ANAMMOX 菌培養(yǎng)的反應(yīng)器，并且在該反應(yīng)器中培養(yǎng)出了顆�；腁NAMMOX污泥（7），但是該反應(yīng)器全套購置費用昂貴，國內(nèi)一般研究機構(gòu)難以承受，不便于推廣使用。分析目前關(guān)于ANAMMOX菌的研究成果可知，培養(yǎng)該菌應(yīng)該滿足其如下一些基本要求：

（1）   該菌廣泛地存在于自然界中，在具有硝化、脫氮能力的生物膜、長污泥齡低負荷活性污泥中數(shù)量較多。

（2）   該菌在有氨氮、亞硝酸鹽氮的環(huán)境中，可以進行ANAMMOX反應(yīng)，并能夠增殖。

（3）   氧對該菌完成ANAMMOX反應(yīng)有抑制作用（8）。

（4）   該菌的合適生存環(huán)境是：溫度20-43℃，pH6.7~8.3（9）。

（5）   亞硝酸鹽氮抑制濃度為100mg/L（9）。

（6）   該菌的倍增時間是4-11天，合成系數(shù)是0.054gVSS/gNH4+-N，污泥衰減系數(shù)為0.01d-1。 比增長速率為0.065 d-1（10）。

目前研究中使用的反應(yīng)器，如UASB，流化床，填料床等，基本屬于完全混合類反應(yīng)器。采用推流式的反應(yīng)器，并且將啟動污泥均勻地固定在反應(yīng)器中，同樣適合于ANAMMOX 菌的富集培養(yǎng)。理由如下：

（1）   接種污泥中含有少量ANAMMOX菌，這些分散于污泥絮體中的菌體通過填料的支撐作用，均勻地固定在反應(yīng)器中，可以獲得相對穩(wěn)定、相互依存的生長環(huán)境。

（2）   培養(yǎng)基質(zhì)低速穿過污泥絮體，可以為該菌提供營養(yǎng)，傳遞中間產(chǎn)物。

（3）   反應(yīng)器中基質(zhì)濃度沿推流沿程上是遞減分布的，為污泥在各種負荷下生長提供了可能性，在進水口附近是高負荷區(qū)，在出水附近是低負荷區(qū)。負荷的不同，微生物的生長狀況也呈現(xiàn)出差異，特別是對于復合菌而言，不同種類的菌在反應(yīng)器中可能有相應(yīng)的生長區(qū)段。

（4）   對于氧、高基質(zhì)濃度等抑制因素，推流式反應(yīng)器的前段可以起到保護后段的作用。

（5）   從推流沿程上取樣，可以方便觀察不同區(qū)段微生物的生長和基質(zhì)濃度變化所帶來的差異性情況。

（6）   從設(shè)備要求上講，該反應(yīng)器只需要一個進水泵，最大限度低減少了轉(zhuǎn)動部件，從而對保證系統(tǒng)的密閉性非常有利。整個系統(tǒng)造價低廉。

基于上述設(shè)想，本研究設(shè)計了一個2.4L的推流式固定化生物絮體反應(yīng)器，在4個月內(nèi)成功地完成了啟動過程。隨后啟動的另一組12L反應(yīng)器也已獲得了穩(wěn)定的ANAMMOX活性。

3        試驗裝置及方法

3.1    試驗裝置

試驗用ANAMMOX反應(yīng)器及試驗流程圖見圖1.反應(yīng)器有效容積為2.4L。該裝置運行在30℃的恒溫試驗室中。進水流量范圍0.8~1.13L/d，平均流量為0.923L，平均水力停留時間為2.6天。

1．進水貯瓶   2. 水蠕動泵   3. 流式固定化絮體反應(yīng)器   4. 出水貯瓶    5. 出水貯瓶

圖1    ANAMMOX反應(yīng)器及試驗流程圖

3.2    接種污泥

接種污泥取自某污水廠的好氧消化污泥和中水處理廠的好氧污泥，經(jīng)過短暫的硝化培養(yǎng)后，作為接種污泥使用。其部分理化性狀為：TS 13.3g/L; VS 7.25g/L; VS/TS 54.65%;  pH 8.0~ 8.3。

3.3    培養(yǎng)基質(zhì)

含氮污水采用在自來水中配入工業(yè)碳酸氫銨和亞硝酸鈉的方法配制，同時按照一定比例加入無機鹽和微量元素(3)。每次配制基質(zhì)后，用氬氣置換20-~30分鐘，在進料過程中也連續(xù)通入該氣體，以消除氧的影響。

3.4    分析方法

氨氮：納氏試劑光度法；

亞硝酸鹽：N-( 1-萘基)乙二胺光度法；

硝酸鹽：紫外分光光度法；

總氮：過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法；

PH：玻璃電極法；

堿度：電位滴定法；

每批次分析化驗時，每個項目均選取一個樣品進行加標回收測定，回收率在90%以上為有效數(shù)據(jù)。

4         推流式固定化絮體生物反應(yīng)器的啟動與運行結(jié)果

試驗期間氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、總氮和反應(yīng)器負荷的歷時變化曲線見圖2~6。

4.1   污泥適應(yīng)及轉(zhuǎn)換期

污泥接種完畢后，開始連續(xù)進水培養(yǎng)ANAMMOX 菌。根據(jù)鄭平等的經(jīng)驗，起始濃度設(shè)定為70mg/L(NH4+-N和NO2--N)。試驗開始的一個半月可以看作是污泥的適應(yīng)和轉(zhuǎn)換期。接種污泥均是好氧污泥，并且含有一定的有機物，在轉(zhuǎn)為厭氧狀態(tài)下運行，有一個轉(zhuǎn)變過程。從圖1-5中可以看出，出水中NH4+-N、NO2--N、TN變化非常不穩(wěn)定。根據(jù)堿度變化和各種氮形態(tài)之間轉(zhuǎn)化分析，這一時期首先發(fā)生的是氨氧化和反硝化反應(yīng)，然后才開始ANAMMOX反應(yīng)。從第30天以后后，氨氮濃度持續(xù)降低，亞硝酸鹽氮濃度持續(xù)上升濃度，但是氨氮轉(zhuǎn)化量高于亞硝酸鹽氮增加量，總氮去除率均小于20%。到第45天后，亞硝酸鹽氮濃度開始逐步下降，并低于進水濃度，同時總氮去除率上升，達到30%以上。出水中的硝酸鹽氮含量和產(chǎn)氣量開始上升。至此反應(yīng)器已經(jīng)具備一定的ANAMMOX反應(yīng)特征。

4.2    負荷提高期

從第45天后開始提高負荷，考慮到反應(yīng)器中要發(fā)生一部分氨氧化反應(yīng)，有一部分氨氮要轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮，因此在配水時，有意提高氨氮濃度（一般按氨氮與亞硝酸鹽氮1.2~1.5:1的比例配置，根據(jù)出水中殘余的氨氮和亞硝酸鹽氮濃度進行調(diào)整）。從圖1-4中可以看出，到第80天后，總氮的去除率達到80%，出水中的氨氮和亞硝酸鹽氮均接近0mg/l。反應(yīng)器此時已基本穩(wěn)定，第80天以后按照7-10天提高進水TN60-80mg/l的速度提高負荷，控制出水中氨氮和亞硝酸鹽氮均接近0mg/l。到120天左右，在反應(yīng)器中觀察到了紅色的顆粒狀污泥，此污泥可能就是ANAMMOX菌的聚集體。試驗結(jié)果表明，雖然進水濃度在不但提高，氨氮和亞硝酸鹽氮的去除率均接近100%，但總氮的去除率因為有硝酸鹽氮的生成，而始終維持在80%左右。當負荷降低時，硝酸鹽氮的濃度可以降低，總氮去除率也隨著上升，但為了加快培養(yǎng)細菌，未在這方面進行進一步試驗。在本試驗第135~147天的12天穩(wěn)定運行期內(nèi)（平均流量0.929L/d），平均進水氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、總氮濃度分別為337.0mg/l、317.4mg/l，27.3mg/l，684.8mg/l，出水中氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、總氮的濃度分別為5.2mg/l, 6.4mg/l, 111.4mg/l、128.2mg/l。反應(yīng)器平均進水氨氮、亞硝酸鹽氮、總氮負荷分別為0.131Kg-N/m3.d，0.123Kg-N/m3.d，0.265Kg-N/m3.d，反應(yīng)器平均氨氮、亞硝酸鹽氮，總氮去除負荷分別為0.129Kg-N/m3.d，0.120Kg-N/m3.d，0.215Kg-N/m3.d，平均去除率分別為98.4%，97.9%，81.1%。目前反應(yīng)器運行負荷仍在不斷提高之中。

5  污泥性狀觀察

5.1  反應(yīng)器沿程污泥分布

經(jīng)過連續(xù)培養(yǎng)，反應(yīng)器中污泥顏色變化不大，從原來的黃褐色變?yōu)檩^暗的土黃色。反應(yīng)器前半部分的污泥變少，反應(yīng)器后半部分的污泥從外觀觀察未見減少。試驗過程中未觀察到明顯的污泥流動和流失現(xiàn)象。

5.2    污泥顆�；�

從第120天觀察到反應(yīng)器前半部分出現(xiàn)紅色污泥后，紅色污泥顆粒在填料支架上成片生長，污泥的數(shù)量和尺寸在不斷增加。并且與黃色絮狀污泥混雜在一起。顆粒尺寸從0.2mm到3-4mm不等。污泥顆粒周圍有較多氣泡。反應(yīng)器的后半部分未發(fā)現(xiàn)紅色污泥。這表明高負荷有利于該污泥的生長和顆�；Ｓ捎诜磻�(yīng)器是推流式運行，到末端可供微生物利用的基質(zhì)較少，不利于微生物的大量生長。

6        問題討論

6.1    氨氮與亞硝酸氮反應(yīng)比例問題

本試驗中觀察到的氨氮和亞硝酸鹽氮反應(yīng)比例與目前普遍認同的反應(yīng)方程式（式1）(10)有較大差異。

根據(jù)上述反應(yīng)式，氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮的反應(yīng)比例為1:1.32:0.26左右，胡寶蘭等的試驗結(jié)果是1:1.123（氨氮：亞硝酸鹽氮）。本試驗期間反應(yīng)器累積的氨氮與亞硝酸鹽氮反應(yīng)比例為1.37:1:0.056（或1:0.73:0.04）。初步探索性試驗表明，硝酸鹽氮的比例可以通過降低負荷進一步降低，但如果將進水氨氮與亞硝酸鹽氮濃度改為1:1，對反應(yīng)器的運行將造成重大沖擊。本反應(yīng)器中氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮反應(yīng)比例的差異是否是由于存在硝化反應(yīng)或存在其他微生物反應(yīng)所造成，仍有待于以后的試驗深入研究確認。

6.2    負荷提高速度問題

負荷提高速度受污泥增長的速度的限制。本試驗期間，按照7~10天增加總氮濃度60-80mg/L的速度提高負荷，基本上與反應(yīng)器中微生物的增長相適應(yīng)。當負荷提高過快或提高幅度過大后，會導致出水中有殘余的氨氮和亞硝酸鹽氮。雖然維持一定出水基質(zhì)濃度對反應(yīng)器末端微生物的生長有利，但由于對ANAMMOX 反應(yīng)器的控制條件不甚明了，為了保證反應(yīng)器的穩(wěn)定運行，只好按控制出水亞硝酸鹽氮和氨氮濃度均為0mg/L的方式運行。

7         氧氣的影響

反應(yīng)器氧非常敏感，少量的氧進入反應(yīng)器就會造成ANAMMOX反應(yīng)效率的急速降低，出水pH也較原先的值低�？梢酝ㄟ^觀察出水pH的變化，判斷反應(yīng)器是否受到氧的影響。氧對反應(yīng)器的影響是可逆的，并且可以通入氬氣驅(qū)趕氧氣，消除氧對ANAMMOX反應(yīng)的抑制。

8         運行控制方法

本試驗運行結(jié)果表明，控制出水氨氮、亞硝酸鹽氮濃度在一定的范圍內(nèi)，穩(wěn)定運行7-10天作為一個周期，再提高負荷；利用出水pH、堿度的變化判斷反應(yīng)器日常的運行情況，就可以順利地運行該反應(yīng)器，并獲得ANAMMOX活性和顆粒化的ANAMMOX污泥。由于試驗裝置一般較小，產(chǎn)氣計量較為困難，不便于作為運行控制手段。

9         結(jié)論

（1）      采用推流式固定化絮體生物反應(yīng)器培養(yǎng)ANAMMOX菌，有其獨特的優(yōu)勢，是一種廉價并且易于控制的試驗手段。

（2）      本試驗利用該反應(yīng)器成功地在一個半月后獲得了穩(wěn)定的ANAMMOX活性，并且在120天左右培養(yǎng)出了紅色的顆�；勰啵ǹ赡苁茿NAMMOX菌的聚集體）。

（3）   本試驗運行后期的穩(wěn)定運行期間，反應(yīng)器平均HRT為2.58天，溫度為30度時獲得如下結(jié)果：平均進水氨氮、亞硝酸鹽氮濃度分別為337.0mg/l、317.4mg/l，平均出水氨氮、亞硝酸鹽氮濃度為5.2mg/l、6.4mg/l，平均出水硝酸鹽氮濃度111.4mg/l；氨氮、亞硝酸鹽氮、總氮去除率分別為98.4、97.9%、81.1%；氨氮、亞硝酸鹽氮、總氮的去除負荷分別為0.129Kg/m3.d、0.120Kg/m3.d、0.215Kg/m3.d。

（4）      該反應(yīng)器可以通過控制出水氨氮、亞硝酸鹽氮濃度，日常監(jiān)控pH、堿度等指標的方式運行管理。

 

參考文獻

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