不同接種污泥ABR厭氧氨氧化的啟動(dòng)特征

　　厭氧氨氧化菌(anaerobic ammonium oxidation,ANAMMOX)生長(zhǎng)速度緩慢[1]，在選擇啟動(dòng)反應(yīng)器時(shí)需考慮其具有較好的生物截留能力，保證足夠的菌群. 而ABR反應(yīng)器具有可耐受較高的污染負(fù)荷、 良好的生物截留能力、 易于固液分離、 易形成顆粒污泥等特點(diǎn)，其對(duì)培養(yǎng)增殖速度緩慢的厭氧氨氧化菌具有優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)應(yīng)用于厭氧氨氧化反應(yīng)的啟動(dòng)和研究[2,3].

　　厭氧污泥如反硝化污泥，厭氧顆粒污泥等[4, 5, 6]均已成功應(yīng)用于厭氧氨氧化的啟動(dòng). 相較于絮狀污泥，顆粒污泥可有效減少微生物從反應(yīng)器中流失，以保證足夠的生物量. 但是顆粒污泥培養(yǎng)過(guò)程緩慢，嚴(yán)重阻礙了其應(yīng)用. 本文以ABR反應(yīng)器為厭氧氨氧化的啟動(dòng)反應(yīng)器，分別接種完全絮狀厭氧污泥、 厭氧顆粒/絮狀混合污泥，考察兩個(gè)厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動(dòng)過(guò)程的差異、 添加部分顆粒污泥對(duì)絮狀污泥形成顆粒污泥的誘導(dǎo)效應(yīng)，并初步明確啟動(dòng)過(guò)程中反應(yīng)器對(duì)污泥的截流率以及穩(wěn)定后各隔室對(duì)氮素去除的貢獻(xiàn)率，以期為厭氧氨氧化的啟動(dòng)提供參考. 1 材料與方法 1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

　　實(shí)驗(yàn)采用的ABR反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成. 反應(yīng)器長(zhǎng)37.5 cm，寬8 cm，高度33 cm，持水高度26.5 cm，有效容積6.36 L. 反應(yīng)器分為5個(gè)隔室，每隔室升流區(qū)降流區(qū)格間寬度比為4 ∶1，折流板導(dǎo)向角45°(見(jiàn)圖 1). 反應(yīng)器整體密封保證厭氧，每隔室的上部使用橡膠管來(lái)排除產(chǎn)生的氣體，橡膠管采用水封，反應(yīng)器整體用遮陽(yáng)塑料膜遮住避光. 采用恒流蠕動(dòng)泵控制進(jìn)水，反應(yīng)器放置于水浴中，利用溫度控制器維持反應(yīng)器溫度30~35℃.

　　圖 1 ABR反應(yīng)器裝置示意

　　1.2 接種污泥

　　本研究采用兩種污泥，污泥1：取自UASB反應(yīng)器的厭氧顆粒污泥，污泥濃度52.5 mg ·mL-1，污泥2：城市污水處理廠A2/O工藝的厭氧污泥，污泥濃度102mg ·g-1. 采用2個(gè)相同的ABR反應(yīng)器，第一個(gè)反應(yīng)器(R1反應(yīng)器)接種污泥1和污泥2的混合污泥，按照1 ∶3質(zhì)量比混合，分別為2 250 mL的絮狀厭氧污泥和386 g的厭氧顆粒污泥; 第二反應(yīng)器(R2反應(yīng)器)接種污泥2共3 000 mL的絮狀厭氧污泥. 污泥在ABR反應(yīng)器各隔室均勻接種，接種后R1、 R2反應(yīng)器中混合液的污泥濃度相同(以MLSS值表示)，均為24.8g ·L-1.

　　1.3 反應(yīng)器運(yùn)行條件

　　兩個(gè)ABR反應(yīng)器運(yùn)行條件相同. 反應(yīng)器HRT設(shè)置在26 h，采用人工配水，進(jìn)水的pH值為7.5±0.5，其組分包括(NH4)2SO4，NaNO2，以及KH2PO4 0.027g ·L-1，MgSO4 ·H2O 0.300g ·L-1，CaCl2 0.136g ·L-1，KHCO3 0.5g ·L-1，微量元素Ⅰ、 Ⅱ. 參照文獻(xiàn)[7]配制，按每1 L配水添加1 mL微量元素Ⅰ、 Ⅱ. NO2--N濃度過(guò)高會(huì)抑制厭氧氨氧化菌的活性[8]，逐漸提高進(jìn)水氮素的濃度提高進(jìn)水的基質(zhì)負(fù)荷，促進(jìn)厭氧氨氧化菌的增長(zhǎng)[9,10]. 1~68 d，NO2--N與NH4+-N濃度以1 ∶1配置，負(fù)荷控制在54.5 g ·(m3 ·d)-1(表 1); 69~114 d提高進(jìn)水負(fù)荷，兩者負(fù)荷控制在62.3 g ·(m3 ·d)-1; 在第3階段后期NO2--N基本全部去除，而NH4+-N還有部分未被去除，在114~170 d提高NO2--N負(fù)荷為68.0 g ·(m3 ·d)-1，�㎞H4+-N負(fù)荷維持在62.3 g ·(m3 ·d)-1，以期通過(guò)添加NO2--N負(fù)荷來(lái)去除NH4+-N，增強(qiáng)總氮的去除率.

　　表 1 啟動(dòng)過(guò)程中氮負(fù)荷的變化

　　1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

　　啟動(dòng)過(guò)程中每天采集進(jìn)出水水樣，成功啟動(dòng)后采集每個(gè)格室水樣，分析NH4+-N、 NO2--N和NO3--N. 同時(shí)，測(cè)定接種污泥及啟動(dòng)成功時(shí)每個(gè)格室污泥濃度(MLSS). NH4+-N:采用納氏試劑光度法，NO2--N:采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法，NO3--N:采用紫外分光光度法，MLSS采用重量法[11]. 2 結(jié)果與討論

　　R1和R2反應(yīng)器均成功啟動(dòng)了ANAMMOX反應(yīng)，啟動(dòng)耗時(shí)分別為120 d和125 d. R1和R2反應(yīng)器的啟動(dòng)規(guī)律相似，根據(jù)NH4+-N的去除規(guī)律可將兩個(gè)反應(yīng)器的啟動(dòng)過(guò)程分為4個(gè)階段，分別為菌體水解期(出水NH4+-N高于進(jìn)水，NO2--N基本被去除)、 活性停滯期(出水NH4+-N基本等于進(jìn)水，出水NO2--N升高)、 活性提高期(NH4+-N、 NO2--N大幅度且同比例降低)和穩(wěn)定運(yùn)行期(NH4+-N、 NO2--N的去除率穩(wěn)定，基本達(dá)到90%以上). 這與Yang等[12]對(duì)ANAMMOX啟動(dòng)過(guò)程的研究結(jié)果一致. 但是，有研究者將ANAMMOX啟動(dòng)過(guò)程分為3個(gè)階段[13, 14, 15]，為活性遲滯期，活性提高期以及穩(wěn)定運(yùn)行期，雖然比本研究少1個(gè)階段，但啟動(dòng)過(guò)程氮素的去除規(guī)律基本一致.

　　2.1 進(jìn)出水水質(zhì)

　　2.1.1 R1反應(yīng)器的啟動(dòng)特征

　　(1)菌體水解期(PhaseⅠ: 1~15 d)

　　運(yùn)行開(kāi)始前2 d，出水較渾濁，第1、 2 d出水的污泥濃度(以MLSS表示)為0.61、 0.35 g ·L-1. 但是，第3 d開(kāi)始出水澄清，未檢測(cè)到SS流失，表明ABR反應(yīng)器對(duì)污泥具有較好的持留作用. 從水質(zhì)來(lái)看，啟動(dòng)過(guò)程的前15 d出水NH4+-N明顯高于進(jìn)水，而出水NO2--N的含量基本為零(圖 2)，跟其他學(xué)者的研究結(jié)果基本一致. 孟凡能等[16]接種好氧顆粒污泥、 厭氧顆粒污泥、 氧化溝/短程硝化活性污泥組成的混合污泥啟動(dòng)厭氧氨氧化反應(yīng)，在前11 d，NH4+-N出水亦大于進(jìn)水，但NO2--N去除量可達(dá)0.02 kg ·(m3 ·d)-1，認(rèn)為主要是菌體的溶酶作用導(dǎo)致了出水NH4+-N高于進(jìn)水，溶酶作用產(chǎn)生的有機(jī)物以及接種污泥帶入的有機(jī)物可作為電子供體反硝化還原NO2--N，促進(jìn)NO2--N被高效去除[17].

　　圖 2 啟動(dòng)過(guò)程中水質(zhì)變化及氮去除率變化

　　(2)活性停滯期(PhaseⅡ: 15~74 d)

　　該階段出水NH4+-N濃度不斷下降，但依舊高于或基本等于進(jìn)水NH4+-N濃度. 從出水NO2--N濃度來(lái)看，前27 d依舊保持很低(低于0.1 mg ·L-1)，去除率均達(dá)99%以上，反硝化作用依舊很強(qiáng). 然而，從第28 d開(kāi)始，出水NO2--N濃度不斷升高，最高達(dá)31 mg ·L-1，去除率不斷降低，最低達(dá)到44.57%. 這是因?yàn)榈冖耠A段的溶酶作用產(chǎn)生的有機(jī)物以及污泥中含有的有機(jī)物不斷被消耗，反硝化作用降低造成出水NO2--N 濃度的升高[18].

　　(3)活性提高期(PhaseⅢ: 75~119 d)

　　從75 d開(kāi)始，出水NH4+-N不斷降低，去除率不斷升高，最高達(dá)86.2%; 出水NO2--N的濃度開(kāi)始降低，去除率持續(xù)升高，在第92 d恢復(fù)到99.4%. 在該階段，NH4+-N和NO2--N大幅度被消耗，表明ANAMMOX開(kāi)始顯現(xiàn)[19].

　　(4)穩(wěn)定運(yùn)行期(PhaseⅣ: 120~170 d)

　　反應(yīng)器運(yùn)行到120 d，NH4+-N、 NO2--N去除率都高達(dá)97%，此后出水基本穩(wěn)定，表明反應(yīng)器啟動(dòng)成功. 穩(wěn)定運(yùn)行期間，NH4+-N、 NO2--N負(fù)荷分別為62.3 g ·(m3 ·d)-1、 68 g ·(m3 ·d)-1，平均去除率分別高達(dá)97.4%、 99.7%，厭氧氨氧化反應(yīng)器的培養(yǎng)階段結(jié)束.

　　2.1.2 R2反應(yīng)器啟動(dòng)特征

　　R2反應(yīng)器的啟動(dòng)特征與R1基本相似，但也存在差異. 從污泥截流來(lái)看，R2反應(yīng)器前3 d的污泥濃度(以MLSS表示)2.74、 1.12、 0.56 g ·L-1,從第4 d開(kāi)始出水未檢測(cè)到SS，R1反應(yīng)器比R2具有更好的截流污泥能力，這也是接種顆粒污泥的優(yōu)勢(shì).

　　從啟動(dòng)的過(guò)程和污染物去除特征來(lái)看，R2反應(yīng)器的菌體水解期持續(xù)時(shí)間較R1多13 d，且在前3 d的出水NH4+-N濃度都高于R1，尤其第1 d出水NH4+-N高達(dá)94.5 mg ·L-1，推測(cè)是R1反應(yīng)器接種的顆粒污泥來(lái)自于工業(yè)廢水UASB反應(yīng)器，有機(jī)物和有機(jī)氮含量高所致. 但是，活性停滯期的持續(xù)時(shí)間相對(duì)R1較短，僅37 d，NO2--N濃度升高，最高達(dá)29.1 mg ·L-1，去除率僅為41.3%~66.4%. R2反應(yīng)器在第62 d進(jìn)入活性提高期，較R1提前12 d，該階段出水NH4+-N不斷減低，去除率不斷升高，最高達(dá)94.2%; 同時(shí)NO2--N去除率也大幅度升高，在82 d恢復(fù)到99.4%，此后維持在99%左右. 在第125 d，R2反應(yīng)器運(yùn)行進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行期，NH4+-N平均去除率92.0%，略低于R1; NO2--N平均去除率和R1相近，達(dá)99.9%. 同時(shí)，從污泥截流率看(該時(shí)段反應(yīng)器總污泥量除以接種污泥量)，R2反應(yīng)器居于劣勢(shì)，平均污泥截留率僅為33.6%，而R1反應(yīng)器的平均污泥截留率為41.9%，表明接種具有良好沉降性能的顆粒污泥可有效減少污泥的流失，截留ANAMMOX微生物，促進(jìn)其富集.

　　R1反應(yīng)器進(jìn)入活性提高期的時(shí)間較晚，而進(jìn)入穩(wěn)定期的時(shí)間較早，推測(cè)是R1反應(yīng)器接種的顆粒污泥來(lái)自于工業(yè)廢水UASB反應(yīng)器，以人工配水為底物進(jìn)行馴化，活性恢復(fù)較為困難，所需復(fù)活時(shí)間長(zhǎng). 但是由于顆粒污泥的沉降性能較好，流失較少，活性一旦恢復(fù)，微生物的基數(shù)大，增長(zhǎng)的也快，較于R2反應(yīng)器提前進(jìn)入穩(wěn)定期，穩(wěn)定運(yùn)行期R1對(duì)NH4+-N的去除率略高于R2. 總體來(lái)說(shuō)，即使R1污泥截留量明顯高于R2，兩者表現(xiàn)出厭氧氨氧化活性的時(shí)間相差不大，均取得良好的脫氮效果，說(shuō)明接種污泥的不同并未造成ABR厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動(dòng)規(guī)律和污染物去除特征有明顯差異.

　　不管是R1還是R2反應(yīng)器，啟動(dòng)耗時(shí)基本接近，在120 d左右，這與許多研究者的研究結(jié)果一致[20,21]. 如朱月琪等[2]在ABR反應(yīng)器內(nèi)接種厭氧河流底泥，在4個(gè)月內(nèi)成功啟動(dòng)厭氧氨氧化，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)NH4+-N和NO2--N的容積負(fù)荷分別為31.9 g ·(m3 ·d)-1和31.2 g ·(m3 ·d)-1，平均的去除率達(dá)85.2%和98.2%. 本研究中R1和R2反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間與其研究接近，但對(duì)底物的平均去除率均略高，這可能與接種的污泥、 容積負(fù)荷、 pH及其他不可復(fù)制的環(huán)境因素相關(guān).

　　2.2 3種氮素之間的定量關(guān)系

　　目前，學(xué)術(shù)界普遍接受的ANAMMOX菌分解合成的總計(jì)量化學(xué)式如式(1)所示[1].

　　由式(1)，厭氧氨氧化反應(yīng)中NH4+-N與NO2--N的消耗量，以及NO3--N的生成量理論比值為1 ∶1.32 ∶0.26. 然而，不同研究者得出的結(jié)論之間存在著差異，馮平等[22]研究結(jié)果表明，穩(wěn)定運(yùn)行階段三者之間的比值為1 ∶1.44 ∶0.26; 而彭緒亞等[23]采用兩套UASB反應(yīng)器啟動(dòng)ANAMMOX反應(yīng)，穩(wěn)定時(shí)三者比值分別為1 ∶(1.1～1.2) ∶ (0.25～0.45) 和 1 ∶(1.1～1.2) ∶(0.30～0.40)，可能是接種污泥的性質(zhì)、 pH等環(huán)境的不可復(fù)制性導(dǎo)致的差異.

　　本實(shí)驗(yàn)中，R1、 R2達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行后三者的比值分別為1 ∶1.16 ∶0.21和1 ∶1.27 ∶0.36，這與Strous等[1]的研究結(jié)果有一定差異. 兩個(gè)反應(yīng)器中NH4+-N與NO2--N消耗量的比值分別為1 ∶1.16和1 ∶1.27，均低于理論值，可能是反應(yīng)器進(jìn)水未進(jìn)行有效除氧，導(dǎo)致部分NH4+-N被亞硝化菌和硝化菌轉(zhuǎn)化為NO2--N和NO3--N，使得NO2--N與NH4+-N消耗量比值小于理論值. 但是在NO3--N生成量與NH4+-N生成量之間，兩個(gè)反應(yīng)器存在差異，R1反應(yīng)器略小于理論值，推測(cè)穩(wěn)定期R1反應(yīng)器中可能還存在反硝化作用，這主要是因?yàn)閁ASB顆粒污泥有機(jī)質(zhì)含量較高，且顆粒污泥菌體釋放有機(jī)物的速率較慢所致[24]; 但是，R2反應(yīng)器高于理論值，具體原因還有待分析.

　　2.3 格室間的氮素去除規(guī)律

　　對(duì)穩(wěn)定期間各格室氮素去除規(guī)律分析發(fā)現(xiàn)(圖 3)，R1反應(yīng)器中NH4+-N和NO2--N基本在第一格室已被去除，去除率均高達(dá)99%以上，其余4個(gè)隔室并未起到作用. R2反應(yīng)器的去除規(guī)律有所不同，第一格室雖然對(duì)NO2--N和NH4+-N具有較大的去除作用，NO2--N去除率高達(dá)99%，NH4+-N去除率85%，但其余4個(gè)格室對(duì)NH4+-N亦有去除作用，貢獻(xiàn)率為7%. 從NO3--N 的生成量及每個(gè)格室的變化情況看，均在第一格室生成NO3--N，且R1第一格室生成量比R2第一格室高8.3 mg ·L-1，隨后NO3--N均被逐漸消耗部分，且兩個(gè)反應(yīng)器的消耗量基本相同. 監(jiān)測(cè)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的各格室的污泥濃度發(fā)現(xiàn)(表 2)，R2反應(yīng)器污泥濃度總體低于R2反應(yīng)器，尤其第一格室的污泥濃度比R2反應(yīng)器的第一格室的污泥濃度低34%，兩個(gè)反應(yīng)器對(duì)氮的去除存在一定的差異，造成該結(jié)果的原因很多，如污泥的性質(zhì)及污泥量、 生物量等，但具體原因有待進(jìn)一步研究.

　　圖 3 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)水質(zhì)變化

　　表 2 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的各格室的污泥濃度

　　接種的厭氧顆粒污泥和厭氧絮狀污泥分別是黑色和灰黑色，啟動(dòng)成功時(shí)R1、 R2反應(yīng)器的相對(duì)應(yīng)格室的顏色相似，均是第一格室有少部分的紅棕色，隨著水流的方向顏色變化依次為少量紅棕色 黃褐色 黑色，該現(xiàn)象與鮑林林等[25]研究相似. 而典型的ANAMMOX細(xì)胞中含有大量的細(xì)胞色素C而呈現(xiàn)紅色[26]，結(jié)合第一格室對(duì)氮素的大部分的去除，可認(rèn)為該格室的紅色菌群為ANAMMOX，且高于其他格室. 其余格室由于基質(zhì)的濃度低導(dǎo)致ANAMMOX的富集度較低，顏色是黃褐色甚至最后格室仍保持原接種污泥顏色黑色，但對(duì)每個(gè)格室菌屬類別仍需進(jìn)一步的鑒定. 從污泥形態(tài)看，R2中污泥以不規(guī)則塊狀和絮狀存在，R2中污泥是不規(guī)則塊狀、 絮狀和部分顆粒污泥，可能由于水力負(fù)荷較低，沒(méi)有足夠的剪切力使得在ABR中誘導(dǎo)絮狀污泥形成顆粒污泥，可嘗試通過(guò)提高流速，增大剪切力來(lái)培養(yǎng)厭氧顆粒污泥.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

 　　3 結(jié)論

　　(1)接種厭氧絮狀/顆�；旌衔勰�、 厭氧絮狀污泥的ABR反應(yīng)器，分別經(jīng)過(guò)120 d和125 d均成功啟動(dòng)厭氧氨氧化反應(yīng)，都經(jīng)歷了菌體水解期、 活性停滯期、 活性提高期和穩(wěn)定運(yùn)行期等4個(gè)階段，穩(wěn)定運(yùn)行期間對(duì)NH4+-N和NO2--N的去除率均可達(dá)到90%以上，且NH4+-N、 NO2--N的平均去除負(fù)荷為57.3~67.9 g ·(m3 ·d)-1，R1在NH4+-N的去除負(fù)荷上略高于R2.

　　(2)啟動(dòng)成功后，兩個(gè)ABR反應(yīng)器的第一格室均已去除90%以上的NH4+-N、 NO2--N，其余格室對(duì)氮的去除貢獻(xiàn)率較小，這與污泥的顏色特征相一致，第一格室部分污泥呈少量紅棕色，隨著水流的方向顏色變化依次為少量紅棕色 黃褐色 黑色.

　　(3)以上表明，接種污泥的不同并未造成ABR厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動(dòng)規(guī)律和污染物去除特征有明顯差異.(來(lái)源及作者：蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 張海芹、王翻翻、李月寒、陳重軍、沈耀良)