吕振，钱玉兰，李燕，李亮

(1.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州，221116；2.徐州市水利建筑设计研究院，江苏徐州，221000)

厌氧氨氧化(ANAMMOX)是一种新型生物脱氮技术，因其污泥产率低、运行费用低，受到了广泛的关注[1]，ANAMMOX 是以为电子受体，为电子供体的生物反应[2]。根据STROUS等[3]提出的反应式可知和的反应化学理论计量比为1.00:1.32，反应产物是氮气。然而在实际运行ANAMMOX工艺时存在以下问题：不稳定的供应影响ANAMMOX菌脱氮活性[4]；有机物对ANAMMOX 菌的活性影响以及反应后的产物提升了出水总氮的质量浓度，这都阻碍了该技术在工程中的应用。全程自养脱氮工艺是通过ANAMMOX菌和好氧氨氧化菌(AOB)协同作用来实现[5]，AOB一般分布在颗粒污泥外表面[6]。邵和东等[7]通过在SBBR 中接种ANAMMOX 生物膜和短程硝化污泥启动自养脱氮工艺。在没有接种其他污泥的情况下，吕振等[8]在低质量浓度和0.3～1.0 mg/L溶解氧(DO)条件下运行厌氧氨氧化AUASB 反应器， 从ANAMMOX 颗粒污泥中培养出ANAMMOX 菌和AOB，运行AUASB反应器后期发现无机碳的质量浓度直接影响去除率。JI 等[9−10]发现短程反硝化菌和ANAMMOX 菌可协同脱氮。王维奇等[11]在包埋的ANAMMOX 反应器中接种部分反硝化菌，启动运行94 d 后，最高积累率可达63.5%，并发现耦合反应最佳的COD 与质量浓度比范围为2.3～2.7，吕振等[8]在没有接种短程反硝化菌的情况下，通过在ASBR 中阶段性投加COD 后成功培养了ANAMMOX耦合短程反硝化菌，短程反硝化过程中最高积累率可达84.0%。本文作者通过在ASBR 中逐步将COD 质量浓度提升到400 mg/L 以上，优化ASBR的运行参数，考察ANAMMOX耦合短程反硝化脱氮过程中自养菌的耐受有机物负荷以及的积累和利用情况，然后研究葡萄糖为电子供体时短程反硝化过程中氮转化情况。

1 材料与方法

1.1 试验装置

ANAMMOX 序批式反应器(ASBR)：内径为220 mm，有效容积为6.5 L，装置外层包裹黑色的保温棉。反应器内设有DO测定仪，装置底放置N2曝气饼，其顶上设有搅拌器。

1.2 试验水质和污泥

试验用水为人工模拟废水，主要组分如下：KH2PO4， 0.01 g/L； MgSO4·7H2O， 0.30 g/L；KHCO3，COD，NH4Cl，NaNO2和KNO3质量浓度按需配置，COD由乙酸钠和葡萄糖提供。

不同无机碳质量浓度试验接种污泥取自稳定运行的厌氧氨氧化AUASB 反应器中污泥(进水和质量浓度比为1.0:0.6)。采用高通量测序发现颗粒污泥中AOB 菌属Nitrosomonas相对丰度为1.48%，ANAMMOX 菌属Candidatus kuenenia相对丰度为8.85%，短程反硝化菌属Thauera相对丰度为0.66%[8]。

乙酸钠作用下有机负荷试验接种污泥取自ANAMMOX耦合短程反硝化菌在和质量浓度为(25±5)mg/L、COD 质量浓度为(100±10)mg/L的反应器中稳定运行10 d以上的污泥。

葡萄糖为碳源试验所接种的污泥来源如下：以乙酸钠为碳源培养8 d的ANAMMOX耦合短程反硝化污泥；在以乙酸钠为碳源，连续运行40 d反应器中的污泥；经过7 d葡萄糖驯化后的污泥。

1.3 试验方法

1)不同无机碳质量浓度试验。将ANAMMOX污泥混匀后分成4份，每份质量为2 g，分别置于4个100 mL 血清瓶，其中KHCO3质量浓度依次为1.25，2.00，2.50和3.00 g/L，进水质量浓度为(80±2)mg/L，与质量浓度比为1.0:0.6，用高纯氮气曝气饼控制瓶中DO 质量浓度，温度为(32±0.5)℃，在120 r/min恒温摇床中稳定运行6 d，并分析每天反应10 h 后的和降解情况。第7 天定时测量出水4和的质量浓度，绘制降解曲线。

2)乙酸钠作用下有机负荷试验。在ASBR 中反应，混合污泥体积为400 mL，温度为(31±2)℃，pH控制为7.7±0.1，质量浓度分别为27.8，46.7和75.0 mg/L；和质量浓度比依次为1:1，1:3和1:2；乙酸钠质量浓度分别为108.0，318.0和405.1 mg/L。

3)葡萄糖为碳源的试验。温度为(32±0.5)℃，pH控制为7.7±0.1，在不同时间段每次混匀取泥60 mL，COD质量浓度控制为(300±10)mg/L。

式中：和分别为反应开始(t=0)和t时刻的NO-2-N 质量浓度，mg/L；和分别为反应开始(t=0)和t时刻质量浓度，mg/L。

1.4 分析项目与方法

2 结果与讨论

2.1 不同无机碳质量浓度下ANAMMOX 菌耦合AOB脱氮过程

ANAMMOX菌和AOB是自养菌且其生理生化过程中需要无机碳源[12]。第7天时不同无机碳质量浓度下ANAMMOX 耦合AOB 脱氮过程如图1所示。由图1 可见：在4 h，当KHCO3质量浓度分别为1.25和2.50 g/L时，出水质量浓度分别为63.1 mg/L和43.7 mg/L，出水质量浓度分别为39.3和30.5 mg/L。在14 h，当KHCO3质量浓度分别为2.00和2.50 g/L时，出水质量浓度分别为3.6 mg/L和未检出，出水质量浓度分别为13.7和14.4 mg/L，反应结束出水反而积累了，可见是好氧氨氧化过程将转化为。

如图1所示，从4 h 开始复氧，在运行过程中每10 min 读取DO。在4～6 h，DO 质量浓度小于0.5 mg/L，前6 h，当KHCO3质量浓度为2.50 g/L时，和去除率最高，分别为57.5%和57.0%；当KHCO3质量浓度为3.00 g/L 时，NH+4-N去除率最低，为43.6%；当KHCO3质量浓度为1.25 g/L，去除率最低，为40.8%。

在复氧段(6～10 h)，测得DO 质量浓度为0.6～1.0 mg/L，当KHCO3质量浓度从1.25 g/L 升高到3.00 g/L时，出水质量浓度最高降低27.3 mg/L，具体表现为随着KHCO3质量浓度的增加，去除率越明显，但由前面分析已知，当KHCO3质量浓度为2.50 g/L时，降解速率最快，在6～10 h，KHCO3质量浓度为3.00 g/L 时，去除率反而最高，这可能是因为反应瓶中DO质量浓度的变化促使AOB高效转化。

试验发现，当KHCO3质量浓度分别为2.00和2.50 g/L，且被完全去除后，仍能积累12.0 mg/L 以上的。由以上分析可见，通过控制DO和无机碳质量浓度，能有效地引导AOB和ANAMMOX菌协同脱氮。

KHCO3的质量浓度影响pH，不同的pH影响自养菌活性[13]。本文采用1 mol/L的NaOH 溶液来调整质量浓度分别为2.00 与2.50 g/L KHCO3的pH为8.25，在DO 质量浓度为0.8～1.0 mg/L 条件下进行试验，结果如图2所示。

从图2 可见：当KHCO3质量浓度为2.50 g/L时，前6 h 反应瓶中pH较快地从8.25 上升到8.58，在此KHCO3质量浓度下，第4 h 检测到出水的与质量浓度相同，特别是3～6 h 时，的去除能力较前3 h 提升了1.13 倍。在第12 h，去除率为95.1%，出水质量浓度为34.0 mg/L。

图1 不同KHCO3质量浓度下出水和质量浓度变化Fig.1 Variation of mass concentrations of effluent and at different mass concentrations of KHCO3

当KHCO3质量浓度为2.00 g/L 时，第6 h 检测到出水和质量浓度相同，比KHCO3质量浓度为2.50 g/L时延迟了2 h；在12 h，去除率为76.5%， 出水质量浓度为31.0 mg/L。

从图2 可知：在相同的pH下反应，当KHCO3质量浓度从2.00 g/L 提高到2.50 g/L 时，并没有因为pH的激烈变化而影响去除率，可见不同KHCO3质量浓度下引起的pH变化并不会导致自养菌活性差异。

图2 不同KHCO3质量浓度下出水和质量浓度变化Fig.2 Change of mass concentrations of effluent and at different mass concentrations of KHCO3

2.2 不同有机物下ANAMMOX耦合短程反硝化脱氮过程

2.2.1 乙酸钠作用下ANAMMOX耦合短程反硝化脱氮过程

图3 不同和质量浓度比下基质氮和COD质量浓度随时间的变化Fig.3 Variation of substrate nitrogen and COD mass concentrations with time under different mass concentration ratios of and

相较于图3(d)，图3(c)的反应过程中ρ(COD)增加了87.1 mg/L，最高WNTR提前到第20 min，可见ASBR 在和COD 质量浓度大幅度升高时，并没有影响ANAMMOX菌和短程反硝化菌的协同脱氮，分析认为ASBR 还能承受更高的有机负荷。表1所示为ASBR在反应前60 min不同和质量浓度比下的反硝化参数。

由式(1)计算可知：至少需要1 460 mg乙酸钠，才将完全还原为1 g，折合COD 为1 140 mg。

随着反应过程中进水COD质量浓度逐渐增大，出水COD呈现出不同的未被利用率(见图3(a)，(d)和(c))，经分析认为没有用来转化的COD被用于合成微生物胞内储存物质或被其他异养菌利用。当COD质量浓度较低时，大部分的COD可能会被用于微生物增殖。污泥的SEM 图和污泥形态如图4所示。

由图4(a)可见：ANAMMOX 颗粒污泥上大量球形或椭圆形微生物与丝状菌交织黏附于颗粒污泥表面，同时还可观察到污泥表面分散着一些短杆状微生物，分析椭圆形微生物是ANAMMOX菌，短杆状微生物是反硝化菌。由图4(b)可见：颗粒表面粗糙且有些裂缝，但整体上依旧保持完整形态。图4(c)所示为自稳定运行10 d 以上的ASBR中的污泥图片，可见底层颗粒污泥与漂浮着大量的灰白色絮状污泥(为不断增殖的异养反硝化菌)共存。颗粒状污泥有利于抵抗外界不利因素的干扰[18]，短程反硝化菌和ANAMMOX 菌抱团协同生长，形成了稳定的微生物凝聚体，生化功能得到优化。

2.2.2 葡萄糖作用下ANAMMOX耦合短程反硝化脱氮过程

SUN 等[19]发现乙酸钠、甲醇等有机碳源可作为短程反硝化过程中的电子供体来实现积累，然而当葡萄糖作为有机碳源时，没有被降解。不同的有机物在短程反硝化菌体内代谢途径不同，长期的驯化甚至会对反硝化菌的种类产生选择作用。葡萄糖为电子供体时不同时间段的基质氮降解曲线如图5所示。

表1 不同和 质量浓度比下反应60 min时ASBR的反硝化参数Table 1 Denitrification parameters of ASBR under different mass concentration ratios of and after 60 min of reaction

表1 不同和 质量浓度比下反应60 min时ASBR的反硝化参数Table 1 Denitrification parameters of ASBR under different mass concentration ratios of and after 60 min of reaction

注：本文的最高WNTR比实际WNTR要低，因为积累的部分被ANAMMOX菌利用。

ρ(NH+4-N):ρ(NO-3-N)1:1 1:2 1:3 NO-3最高去除率/%93.7质量82.2 66.2 NO-2最高积累浓度/(mg∙L−1)16.7 82.8 52.5 NO-2积累时间/min 20 20 40最高WNTR/%71.8 72.7 53.2 COD去除率/%85.0 71.5 67.3

图4 污泥的SEM图和污泥形态Fig.4 SEM images and morphology of sludge

图5 葡萄糖为碳源时不同时间段基质氮的转化情况Fig.5 Transformations of substrate nitrogen with glucose as the carbon source in different time periods

由此可见：ANAMMOX耦合短程反硝化菌可利用葡萄糖作为电子供体，污泥被葡萄糖驯化后，更有利于特定短程反硝化菌的富集，产生，最后ANAMMOX菌实现脱氮。

3 结论

2)当ASBR 中COD 质量浓度分别为108.0和405.1 mg/L 时，ANAMMOX 菌对的去除率分别在第80 min和120 min 时达到100%。当COD质量浓度为108.0 mg/L 时，在前60 min，大部分COD 没有用于转化；当COD 质量浓度为405.1 mg/L 时，最高质量浓度为82.2 mg/L；当ASBR 通入过量时，可使的积累时间延长，此时，颗粒污泥形态较完整。

3)ANAMMOX耦合短程反硝化菌可利用葡萄糖作为电子供体发生短程反硝化，经过葡萄糖驯化后，去除率从5.7%提高到43.8%，最高质量浓度为5.6 mg/L。