朱清江，张大超，熊昌狮，代振鹏，王俊蔚，吴速英

（江西理工大学江西省矿冶环境污染控制重点实验室，江西赣州341000）

厌氧氨氧化反应器的启动及其脱氮性能研究

朱清江，张大超，熊昌狮，代振鹏，王俊蔚，吴速英

（江西理工大学江西省矿冶环境污染控制重点实验室，江西赣州341000）

采用添加多层多孔板的升流式厌氧污泥床接种混合污泥，于78 d内成功启动厌氧氨氧化反应器。第75天，反应器对NH4+-N和NO2--N的去除率达95%以上，容积氮去除负荷达0.525 kg/（m3·d）。启动后，快速提高进水基质浓度，反应器出现抑制现象，且抑制前后三氮之比具有显著变化。运行后期，底部出现红棕色污泥。与普通的升流式厌氧污泥床相比，其具有喷动床效应及水利筛分作用，有利于颗粒污泥的形成。

厌氧氨氧化；多孔板；基质抑制；颗粒污泥；喷动床效应

厌氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation，ANAMMOX）工艺是在缺氧条件下，利用厌氧氨氧化菌以氨（NH4+）和亚硝酸盐（NO2-）为基质转化生成氮气（N2）的新型生物脱氮技术。与传统生物脱氮技术相比，厌氧氨氧化工艺具有能耗低、效能高、无需外加有机碳源、运行成本低等优点〔1-3〕。但是，厌氧氨氧化菌对生存环境要求较严格，其倍增时间长（11 d）且个体较小（直径＜1μm），极易流失〔4-5〕，成为限制厌氧氨氧化技术应用和发展的重要因素。因此，如何实现反应装置中污泥的有效持留显得尤为重要。

为保持反应器内的微生物量，国内外学者利用微生物固定化技术来减少污泥的流失，如采用载体固定生物膜〔6〕、生物膜法截留〔7〕、培养沉降性能优良的颗粒污泥〔7-8〕等，均取得一定的成果。但是，针对厌氧氨氧化反应器结构本身的研究并不多，主要以SBR〔9-10〕、UASB〔11〕等为主。为此，开发一种新型高污泥持留能力的厌氧氨氧化反应器有利于厌氧氨氧化技术的工业应用。

多孔板厌氧反应器以UASB为原型，通过添加多层多孔板使整个反应区沿竖向被分割成多个反应区间，相当于多个UASB反应器串联而成，具有强大的污泥持留能力。其特点：（1）多孔板筛板流速大于空塔流速，只有当污泥沉降速度大于多孔板筛板流速时，颗粒污泥可穿过筛板，进入下一反应区间，具有喷动床效应及水利筛分作用。（2）通过控制多孔板的开孔率及空塔流速，可以将具有不同沉降速度的污泥分隔在不同区间内，形成分层现象。因此，可以认为多孔板厌氧反应器适合富集厌氧氨氧化菌。

本研究基于多孔板厌氧反应器，混合接种、富集厌氧氨氧化菌，以减少菌体流失，实现厌氧氨氧化反应器的快速启动。通过试验考察了反应器启动过程中的污泥脱氮性能及污泥生长情况，探讨了多孔板厌氧氨氧化反应器的运行特性。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置为有机玻璃制成的多孔板反应器，如图1所示。

图1 试验装置

反应器内径为100mm，有效高度900mm，有效容积7 L。通过水浴加热维持反应器内温度为（32± 1）℃。反应器表面用不透光贴纸包裹，避免光照对厌氧氨氧化菌的影响。模拟废水由蠕动泵泵入反应器底部，且前期进水曝氮气20 min，以驱赶水中DO。通过调节蠕动泵的转速控制反应器的空塔流速为1m/h，多孔板1、2、3的开孔率分别为2.5%、5%、10%，对应的多孔板筛板流速分别为40、20、10m/h。

1.2 试验用水与接种污泥

反应器进水为模拟废水。模拟废水成分：KH2PO40.010 g/L，MgSO4·7H2O 0.030 g/L，CaCl20.004 g/L，KHCO31.250 g/L；和由NH4Cl和NaNO2按需提供；微量元素Ⅰ、Ⅱ各1.25mL/L。其中，微量元素Ⅰ：EDTA 5 g/L，FeSO45 g/L；微量元素Ⅱ：EDTA 15 g/L，ZnSO4·7H2O 0.43 g/L，CuSO4·5H2O 0.25 g/L，NiCl2·6H2O 0.19 g/L，MnCl2·4H2O 0.99 g/L，CoCl2·6H2O 0.24 g/L，Na2MoO4·2H2O 0.22 g/L，H3BO30.014 g/L。

接种污泥为1 L好氧活性污泥、0.5 L未培养成功的厌氧氨氧化污泥和0.5 L粉碎的厌氧颗粒污泥的混合污泥。混合污泥MLSS为4.86 g/L，约占反应器有效容积的30%。其中，好氧活性污泥取自江西金达莱环保股份有限公司，未培养成功的厌氧氨氧化污泥为好氧活性污泥经富集厌氧氨氧化菌3个月未出现脱氮效能的污泥，粉碎的厌氧颗粒污泥取自湖南某污水处理厂。

1.3 操作条件

整个厌氧氨氧化反应器的启动过程可以分为5个阶段：A阶段（1～13 d）、B阶段（13～35 d）、C阶段（35～78 d）、D阶段（78～100 d）和E阶段（100～119 d），各阶段试验条件如表1所示。

表1 反应器试验条件

1.4 试验分析项目与方法

按照《水和废水监测分析方法》〔12〕，：纳氏试剂分光光度法；：N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法；：紫外分光光度法；pH：PXS-450精密离子计；MLSS：重量法。

2 结果与讨论

2.1 厌氧反应器的脱氮效果

反应器启动历时78 d，运行了119 d，其容积氮负荷、容积氮去除负荷和HRT随时间的变化情况如图2所示。

图2 反应器运行过程中容积氮负荷、容积氮去除负荷及HRT随时间的变化

根据运行期间脱氮情况可分为5个阶段：A阶段（1～13 d）为菌体自溶期，B阶段（13～35 d）为适应期，C阶段（35～78 d）为活性提高期，D阶段（78～100 d）为基质抑制与恢复期，E阶段（100～119 d）为脱氮稳定期。图3～图5分别为反应器启动过程各阶段进、出水浓度的变化情况。

图3 反应器运行过程中的变化

图4 反应器运行过程中的变化

图5 反应器运行过程中的变化

A阶段（1～13 d）为菌体自溶期，反应器HRT为 2 d，进水分别为50、65mg/L，出分别为（61.7±5.8）、（3.4±2.1） mg/L。该阶段由于部分菌体自溶〔13〕，导致出水浓度大于进水浓度。但是，经过几天的培养，出水浓度出现下降趋势；出水浓度很低，去除率为（94.7±3.2）%。可能是混合接种中未培养成功的厌氧氨氧化污泥中具有一定量的厌氧氨氧化菌，大大缩短了菌体自溶期。这与唐崇俭等〔14〕通过投加少量的厌氧氨氧化污泥成功启动中试厌氧氨氧化反应器的现象相似。

B阶段（13～35 d）为适应期，保持运行参数不变。随着菌体逐渐适应环境，逐步实现与去除率分别为95.7%和99.0%。

C阶段（35～78 d）为活性提高期，持续43 d。通过提高进水基质浓度和缩短HRT，使进水容积氮负荷由0.078 kg/（m3·d）提高至0.616 kg/（m3·d），反应器容积氮去除负荷由0.050 kg/（m3·d）提高至0.525 kg/（m3·d），反应器脱氮性能在该阶段提升了10.5氧氨氧化反应器启动成功，并且运行状况良好。

D阶段（78～100 d）为基质抑制与恢复期，考察快速提高进水基质浓度对反应器脱氮性能的影响。该阶段进水由280mg/L提高到330mg/L，进水由336mg/L提高到396mg/L。结果表明，快速提高进水基质浓度可导致厌氧氨氧化反应迅速出现抑制，第82天出水达101.57mg/L，出水达207.84mg/L，超过了稳定运行时的出水（＜70mg/L）〔15〕。通过降低进水和浓度与提高HRT，很快消除了基质抑制。然后通过降低HRT，容积氮去除负荷逐渐恢复到0.575 kg/（m3·d），和平均去除率分别保持在90%和85%以上。

E阶段（100～119 d）为脱氮稳定期，保持运行参数不变。进水和分别为（299.4± 5.1）、（347.9±18.2）mg/L，和平均去除率分别保持在95%和90%以上，出水水质较稳定。第109天，容积氮去除负荷为0.589 kg/（m3·d），该阶段的平均容积氮去除负荷为0.541 kg/（m3·d）。

2.2 启动过程中的基质及产物计量比的变化

厌氧氨氧化的化学计量关系式如下〔6〕：

理论上反应器消耗的NH4-N和NO2-N与增加的的物质的量比为1∶1.32∶0.26，其可作为反应器中出现厌氧氨氧化现象的依据。

2.3 污泥的性状

反应器启动前后污泥形态发生了较大的变化。接种前，混合污泥呈黄灰色。启动过程中，由于反应器内加入多孔板，使得多孔板筛板附近流速远大于空塔流速，污泥呈流化状态，密度较轻的污泥在上升水流与气泡的共同作用下进入上一反应区间，密度较大的污泥由于沉降速度大于多孔筛板流速而逐渐积累在反应器底部，并且由于反应器底部能提供充足的基质，有利于反应器底部厌氧氨氧化菌的富集及颗粒污泥的成长。观察发现，底部污泥出现较多细小颗粒污泥，呈厌氧氨氧化污泥经典的红棕色。说明基于多孔板厌氧反应器能在短期内启动厌氧氨氧化反应器，且可形成高脱氮活性的厌氧氨氧化颗粒污泥。

3 结论

（1）采用添加多层多孔板的升流式厌氧污泥床接种混合污泥，于78 d内成功启动厌氧氨氧化反应器，第75天，反应器对和的去除率达95%以上，容积氮去除负荷达0.525 kg/（m3·d），实现了厌氧氨氧化反应器的快速启动。

（2）通过快速提高进水基质浓度，考察了其对反应器脱氮性能的影响。结果表明，快速提高进水基质浓度可导致厌氧氨氧化反应迅速出现抑制，与抑制前相比，△n（）/△n（-N）下降，△n（-N）/△n（N）升高。通过降低进水基质浓度和提高HRT，可以在较短时间消除基质抑制的影响，厌氧氨氧化反应重新成为主导反应。

（3）由于反应器内多孔板筛板附近污泥处于流化状态，有利于颗粒污泥的形成，运行119 d后，反应器底部出现红棕色颗粒污泥。

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Study on the start-up of anaerobic ammonium oxidation reactorand its denitrification capacity

Zhu Qingjiang，Zhang Dachao，Xiong Changshi，DaiZhenpeng，Wang Junyu，Wu Suying
（JiangxiKey Laboratory ofMining&MetallurgicalPollution Control，JiangxiUniversity of Scienceand Technology，Ganzhou 341000，China）

Anaerobic ammonium oxidation（ANAMMOX）reactor hasbeen started up successfullywithin 78 days，by the up-flow anaerobic sludgeblanket（UASB）reactorwithmulti-layerandmulti-porousplate，inoculatedwithmixed sludge.On the75th day，the removing ratesofboth-N and-N by the reactor areabove 95%，the removing load of volume nitrogen is 0.525 kg/（m3·d）.After the successful start-up，through increasing influent substrate concentration rapidly，inhibition phenomenon occurs to the reactor，and before and after inhibition the ratio of the three-nitrogen has remarkable changes.In the late stage of the operation，typical red brown sludge appears at the bottom of the reactor.Compared with the ordinary UASB，ithas spouted bed effectand water conservancy screening effect，beingbeneficial to the formation ofgranular sludge.

anaerobic ammonium oxidation；multi-porous plate；substrate inhibition；granular sludge；spouted bed effect

X703

A

1005-829X（2016）06-0083-04

朱清江（1993—），硕士。电话：15216110236，E-mail：zqj0420@163.com。通讯联系人：张大超，E-mail：dachaozhang@sina.com。

2016-03-25（修改稿）