厭氧氨氧化(anaerobic ammonia oxidation，ANAMMOX)是目前公認的最簡(jiǎn)捷和最經(jīng)濟有效的新型廢水 生物脫氮技術(shù)之一，自20世紀90年代中期問(wèn)世以來(lái)便受到廣泛關(guān)注[1,2]. 與A2/O、 A/O、 氧化溝、 SBR法等傳統硝化-反硝化生物脫氮工藝相比，ANAMMOX在節能降耗方面表現出如下突出的優(yōu)勢[3, 4, 5]：①處理效率高，對實(shí)際低C/N比廢水的最大氮去除速率高達9.5kg ·(m3 ·d)-1，實(shí)驗室規模的ANAMMOX反應器的最高氮去除速率(以N計)可達76.5kg ·(m3 ·d)-1; ②無(wú)需額外投加有機碳源作電子供體，可以降低30%左右的運行費用，同時(shí)避免了二次污染問(wèn)題; ③每氧化1 mol NH+4-N只需消耗0.75 mol氧，動(dòng)力消耗可降低約62.5%; ④生物產(chǎn)酸量大為減少，產(chǎn)堿量降為0，節省了投加中和試劑的費用; ⑤污泥產(chǎn)率系數僅為0.08，污泥產(chǎn)量可減少90%以上，大量節約了污泥后續處理和處置的成本.
然而由于厭氧氨氧化菌生長(cháng)極其緩慢、 倍增時(shí)間較長(cháng)(比增殖速率僅為0.03 h-1，即世代時(shí)間長(cháng)達11 d)、 對環(huán)境條件的敏感度高(嚴格厭氧、 避光、 毒性物質(zhì)、 有機物等)、 體積小易流失，導致啟動(dòng)ANAMMOX過(guò)程的周期相當漫長(cháng)，直接制約了該技術(shù)的工程化應用進(jìn)程[6,7]. 近年來(lái)，國內外關(guān)于A(yíng)NAMMOX的影響因素的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但所得出的結論相差較大[8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]. 此外，試驗水樣多采用實(shí)驗室配水，而對于處理實(shí)際低C/N比廢水的研究還不夠深入[15, 16, 17, 18]. 針對這一現狀，筆者以污泥脫水液作為處理對象，采用升流式厭氧污泥床(UASB)反應器，并在反應區放置組合式雙環(huán)填料，將其改進(jìn)成升流式厭氧生物膜(UASBB)反應器，使活性污泥法與生物膜法相結合，提高了UASBB反應器的生物截留能力，研究了基質(zhì)質(zhì)量濃度、 HRT、 溫度、 pH值和C/N比對ANAMMOX脫氮性能的影響，以期為ANAMMOX工藝的穩定運行和實(shí)際工程應用提供參考依據和技術(shù)參數.
1 材料與方法
1.1 試驗用水與接種污泥
試驗用水為沈陽(yáng)北部污水處理廠(chǎng)污泥脫水液，并根據需要投加NH+4-N、 NO-2-N、 KH2PO4、 NaHCO3、 MgSO4 ·7HO2、 CaCl2 ·2HO2和自來(lái)水等進(jìn)行調節，按需配置，以保證各污染因子達到所需質(zhì)量濃度，試驗用水水質(zhì)見(jiàn)表 1. 且每L水樣中加微量元素營(yíng)養液①和②各1 mL. 兩種營(yíng)養液的成分分別為：① EDTA 5.000 g ·L-1，FeSO4 5.000 g ·L-1; ② EDTA 15.000 g ·L-1，MnCl2 ·4H2 O 0.990 g ·L-1，ZnSO4 ·7H2 O 0.430 g ·L-1，CoD2 ·6H2 O 0.240 g ·L-1，CuSO4 ·5H2 O 0.250 g ·L-1，NaMoO4 ·2H2 O 0.220 g ·L-1，NiCl2 ·6H2 O 0.190 g ·L-1，H3BO4 0.014 g ·L-1. 接種污泥取自沈陽(yáng)北部污水處理廠(chǎng)厭氧消化池，其部分理化特性見(jiàn)表 2.
表 1 試驗用水水質(zhì)
表 2 接種污泥的理化特性
1.2 試驗裝置
試驗裝置如圖 1所示，UASBB反應器由有機玻璃制成，呈圓柱形. 下部為反應區，內徑8 cm，高80 cm，總容積4 L，距底部25 cm以上部分掛有組合式雙環(huán)填料. 反應區外部設有水浴套管，由恒溫熱水 循環(huán)系統控制溫度. 上部為沉淀區，直徑15 cm，高45 cm，總容積8.1 L. 沿柱高方向均勻設有5個(gè)取樣口. 反應器下部用黑布包裹，使ANAMMOX菌避光生長(cháng). 進(jìn)水水箱每次配水后以高純氬氣脫氧30 min，控制DO在(0.2±1)mg ·L-1左右，并加蓋密封，為ANAMMOX菌創(chuàng )造良好的厭氧環(huán)境. 反應器底部設有均勻布水系統，試驗用水依靠蠕動(dòng)泵連續泵入，出水為重力流，反應產(chǎn)生的氣體經(jīng)三相分離器后排出.
圖 1 試驗裝置示意
1.水箱; 2.蠕動(dòng)泵; 3.反應區; 4.組合式雙環(huán)填料; 5.取樣口; 6.沉淀區; 7.三相分離器; 8.洗氣瓶; 9.氬氣罐; 10.熱水箱; 11.加熱及溫控系統; 12.熱水循環(huán)泵; 13.水浴套管
本試驗采用的組合式雙環(huán)填料由宜興市南泰水處理填料廠(chǎng)生產(chǎn)，如圖 2所示. 其基本結構是以雙圈大塑料環(huán)為骨架，負載著(zhù)緊固的滌綸絲，內圈是雪花狀塑料枝條. 填料單元直徑150 mm，纖維束長(cháng)度160 mm，片距80 mm，密度1.02，抗拉強度6.8~7.1 g ·單絲-1，伸長(cháng)率4%. 該組合填料具有疏水性，不但機械性能和化學(xué)性能優(yōu)良，抗生物降解，而且吸附能力和截留作用較強，可以有效地防止系統內菌種的大量流失，同時(shí) 降低出水中懸浮物的含量.
圖 2 組合式雙環(huán)填料
試驗前，該反應器在進(jìn)水NH+4-N質(zhì)量濃度為30~50mg ·L-1，ρ(NH+4-N)/ρ(NO-2-N)控制在1.32左右的條件下，經(jīng)過(guò)120 d的連續運行，成功啟動(dòng)了ANAMMOX過(guò)程并穩定運行半年，NH+4-N和NO-2-N平均去除率均維持在50%以上，去除的NH+4-N與NO-2-N及生成的NO-3-N三者之間的比值約為1 ∶1.54 ∶0.3，與Strous等[19]的報道接近. 在組合填料表面通過(guò)肉眼可以觀(guān)察到污泥附著(zhù)生長(cháng)，并形成一層致密的紅褐色生物膜. 通過(guò)2 000倍SEM掃描電鏡觀(guān)察發(fā)現，在馴化成熟的ANAMMOX顆粒污泥中，ANAMMOX菌多呈不規則的橢球狀和短桿狀，形態(tài)清晰可辨，結構密實(shí)緊湊，如圖 3所示. UASBB反應器中的生物量主要集中在反應區下部，上部組合填料掛膜量相對較少，從反應器下部取樣口取樣測定，其中SS為20.54g ·L-1，VSS為10.68g ·L-1，VSS/SS為0.52.
圖 3 微生物掃描電鏡照片
1.3 分析方法
本試驗的各項指標均按照文獻[20]中規定的方法進(jìn)行檢測分析，見(jiàn)表 3.
表 3 水質(zhì)檢測項目及分析方法
2 結果與分析
2.1 基質(zhì)質(zhì)量濃度的影響
控制溫度為(30±1)℃，HRT=24 h，pH值為7.5~8.5，初始進(jìn)水NH+4-N質(zhì)量濃度依次為60、 80、 100 mg ·L-1，之后以50 mg ·L-1的質(zhì)量濃度梯度逐步提高，同時(shí)保證ρ(NH+4-N)/ρ(NO-2-N)始終在1.32左右，每個(gè)工況穩定運行7 d后進(jìn)行下一濃度值的試驗，直至出水水質(zhì)明顯惡化后停止試驗. 試驗結果如圖 4和圖 5所示.
圖 4 基質(zhì)質(zhì)量濃度對NH+4-N和NO-2-N去除效果的影響
圖 5 基質(zhì)質(zhì)量濃度對TN負荷及TN去除率的影響
由圖 4和圖 5可以看出，在整個(gè)試驗階段，隨著(zhù)進(jìn)水基質(zhì)質(zhì)量濃度逐漸提高，TN平均容積負荷由0.069kg ·(m3 ·d)-1升高到0.290kg ·(m3 ·d)-1. 當進(jìn)水NH+4-N質(zhì)量濃度低于200mg ·L-1時(shí)，每次提高進(jìn)水基質(zhì)質(zhì)量濃度后，經(jīng)過(guò)短暫的適應期(3~6 d)，ANAMMOX反應器的脫氮效果基本能夠恢復到上一階段的水平，NH+4-N、 NO-2-N和TN平均去除率分別達到52.44%、 53.47%和49.82%. 這可能是由于高基質(zhì)質(zhì)量濃度促進(jìn)了ANAMMOX菌的大量富集，使得菌種的活性得到進(jìn)一步提高. 張樹(shù)德等[15]研究表明，適當提高NO-2-N質(zhì)量濃度在一定程度上有利于提高ANAMMOX的反應速率，這與本試驗結論基本一致.
當進(jìn)水NH+4-N質(zhì)量濃度超過(guò)200mg ·L-1時(shí)，NH+4-N、 NO-2-N和TN去除效果均大幅下降，平均去除率分別只有33.44%、 39.47%和35.74%，且在兩周的調試運行過(guò)程中未見(jiàn)明顯恢復. Dapena-Mora等[6]研究表明，ANAMMOX菌對NO-2-N的敏感度要高于NH+4-N. 由于NO-2-N本身就是生物毒性物質(zhì)，高質(zhì)量濃度的NO-2-N會(huì )對ANAMMOX菌產(chǎn)生較強的毒害作用，干擾其正常生理代謝. 據Strous等[16]的報道，當進(jìn)水NO-2-N質(zhì)量濃度超過(guò)280mg ·L-1時(shí)，ANAMMOX會(huì )受到明顯的抑制. 而在本試驗的最后一個(gè)階段，進(jìn)水NO-2-N質(zhì)量濃度已經(jīng)高達329mg ·L-1，早已超出了最適進(jìn)水基質(zhì)質(zhì)量濃度范圍，因此NO-2-N的抑制作用可能是導致ANAMMOX反應器的脫氮效果嚴重惡化的主要原因.
2.2 HRT的影響
控制進(jìn)水NH+4-N和NO-2-N質(zhì)量濃度分別在60mg ·L-1和80mg ·L-1左右，溫度為(30±1)℃，pH值為7.5~8.5. 依次調節HRT分別至48、 36、 24、 12和6 h，每個(gè)工況運行14 d. 試驗結果如圖 6和圖 7所示.
圖 6 HRT對NH+4-N和NO-2-N去除效果的影響
圖 7 HRT對TN負荷及TN去除率的影響
由圖 6和圖 7可以看出，在HRT從48 h減小到24 h的過(guò)程中，TN平均容積負荷由0.072kg ·(m3 ·d)-1升高到0.139kg ·(m3 ·d)-1，NH+4-N、 NO-2-N和TN平均去除率均穩定在50%左右. 當HRT小于24 h時(shí)，隨著(zhù)HRT的縮短，盡管TN平均容積負荷進(jìn)一步大幅提高，但ANAMMOX反應器的脫氮效果開(kāi)始明顯變差. 當HRT=6 h時(shí)，出水水質(zhì)嚴重惡化，且連續運行14 d并未得到改善，NH+4-N和NO-2-N平均出水質(zhì)量濃度分別高達40.95mg ·L-1和52.42mg ·L-1，TN平均去除率僅為30.72%.
隨著(zhù)HRT的縮短，ANAMMOX菌沒(méi)有足夠的時(shí)間對氮素進(jìn)行氧化降解. 同時(shí)，HRT過(guò)短會(huì )造成出水中菌種的流失量顯著(zhù)增加，由于A(yíng)NAMMOX菌細胞產(chǎn)率極低[m(VSS)/m(NH+4-N)=0.11 g ·g-1][17]，其增殖速率無(wú)法及時(shí)補充其流失量. 此外，在HRT過(guò)短的情況下，ANAMMOX反應器中出現短流現象，這也是導致ANAMMOX的脫氮效果大幅下降的重要原因之一[18]. 因此，為了保證ANAMMOX反應器高效運行，同時(shí)獲得盡量高的氮素去除率，應將HRT控制在24 h左右. 游少鴻等[4]研究發(fā)現，當溫度為(35±1)℃時(shí)，ASBR厭氧氨氧化反應器的最佳HRT為12 h，該結果較筆者的試驗結果略偏低，這可能是因為在較高溫度條件下，ANAMMOX的反應速率偏高，從而縮短了最佳HRT.
2.3 溫度的影響
控制進(jìn)水NH+4-N和NO-2-N質(zhì)量濃度分別在60mg ·L-1和80mg ·L-1左右，HRT=24 h，pH值為7.5~8.5. 依次調節溫度分別至15、 20、 25、 30、 35和40℃. 試驗結果如圖 8所示.
圖 8 溫度對ANAMMOX的影響
由圖 8可以看出，當溫度低于20℃時(shí)，NH+4-N和NO-2-N去除率均在30%以下. 當溫度在25~30℃范圍內時(shí)，隨著(zhù)溫度的升高，ANAMMOX反應器的脫氮效果顯著(zhù)提高. 當溫度為30℃時(shí)，NH+4-N和NO-2-N去除率分別可達47.94%和45.90%. 當溫度為35℃時(shí)，NH+4-N和NO-2-N去除率有所下降，但降幅不明顯. 而當溫度升高到40℃時(shí)，NH+4-N和NO-2-N去除率分別只有25.62%和23.71%.
ANAMMOX菌是一種嗜溫型細菌，當溫度低于30℃時(shí)，低溫使得菌種的細胞膜呈凝膠狀而阻礙了營(yíng)養物質(zhì)的跨膜運輸，最終細胞因“饑餓”而造成酶促反應的活性降低，ANAMMOX不能高效進(jìn)行[21]. 隨著(zhù)溫度升高，一方面酶促反應加速，另一方面生化反應酶活性的喪失也相應加速，當溫度為30~35℃時(shí)，兩種傾向趨于平衡，菌種的活性最大. 當溫度高于35℃時(shí)，高溫使得菌種細胞內的溫度敏感組分變性，甚至會(huì )導致細胞溶解，菌體失活. 相關(guān)文獻表明[16,22]，ANAMMOX的活化能約為70kJ ·mol-1，而普通廢水生物處理過(guò)程的活化能通常在8.4~83.7kJ ·mol-1范圍內，因此ANAMMOX能夠順利進(jìn)行的最適溫度要高于一般生物脫氮工藝. 綜上所述，ANAMMOX反應的最適溫度范圍為30~35℃.
2.4 pH值的影響
控制進(jìn)水NH+4-N和NO-2-N質(zhì)量濃度分別在60mg ·L-1和80mg ·L-1左右，溫度為(30±1)℃，HRT=24 h. 以鹽酸和氫氧化鈉溶液依次調節pH值分別為6.0、 6.5、 7.0、 7.5、 8.0、 8.5和9.0. 試驗結果如圖 9所示.
圖 9 pH值對ANAMMOX的影響
由圖 9可以看出，當pH值小于7.0時(shí)，NH+4-N和NO-2-N平均去除率僅為20%左右. 當pH值在7.5~8.0范圍內時(shí)，隨著(zhù)pH值的升高，ANAMMOX反應器的脫氮效果顯著(zhù)提高. 當pH值為8.0時(shí)，NH+4-N和NO-2-N去除率分別達到45.36%和46.54%. 當pH值為8.5時(shí)，ANAMMOX反應器的脫氮效果略有下降. 而當pH提高到9.0時(shí)，NH+4-N和NO-2-N去除率分別降低了12.93%和14.38%，降幅比較明顯.
van de Graaf等[23]研究認為，ANAMMOX的反應機制在于中間產(chǎn)物羥胺的生成與轉化，而pH值對羥胺的生成影響較大，因此pH值過(guò)高或過(guò)低均不利于A(yíng)NAMMOX的順利進(jìn)行. 一方面pH值通過(guò)破壞ANAMMOX菌細胞內的電解平衡，從而直接影響菌種的活性，甚至能否存活. 另一方面，pH值通過(guò)影響氨和亞硝酸鹽兩種反應基質(zhì)的存在形式，進(jìn)而影響其解離產(chǎn)物游離氨(FA)濃度和游離亞硝酸(FNA)濃度. 依據Mosquera-Corral等[24]的理論，FA和FNA對ANAMMOX菌的抑制作用分別是pH值過(guò)高和pH值過(guò)低條件下ANAMMOX反應器的脫氮性能降低的主要原因. 綜上所述，ANAMMOX反應的最適pH值范圍為7.5~8.5.
2.5 C/N比的影響
控制進(jìn)水NH+4-N和NO-2-N質(zhì)量濃度分別在60mg ·L-1和80mg ·L-1左右，溫度為(30±1)℃，HRT=24 h，pH值為7.5~8.5. 以葡萄糖作為有機碳源，控制m(COD)/m(NH+4-N)依次為0、 0.5、 1.0、 1.5和2.0. 試驗結果如圖 10和圖 11所示.
圖 10 C/N比對NH+4-N和NO-2-N去除效果的影響
圖 11 C/N比對COD去除效果的影響
由圖 10和圖 11可以看出，在未添加有機物的情況下，NH+4-N和NO-2-N去除率分別為64.60%和61.54%. 當C/N比為0.5時(shí)，NH+4-N和NO-2-N去除率分別有所提高. 但當C/N比為1.0時(shí)，NH+4-N和NO-2-N去除效果開(kāi)始明顯下降. 當C/N比大于1.5時(shí)，NO-2-N去除率呈升高趨勢，NH+4-N去除率則進(jìn)一步大幅下降. 當C/N比為2.0時(shí)，NO-2-N去除率達到60.08%，而NH+4-N去除率僅為48.39%. 整個(gè)試驗階段，隨著(zhù)C/N比的提高，COD去除率變化幅度較小，始終穩定在25%~27%之間.
當C/N比小于0.5時(shí)，低質(zhì)量濃度的有機物并未對ANAMMOX菌的活性產(chǎn)生影響. Guven等[14]研究認為，適量質(zhì)量濃度的葡萄糖可以促進(jìn)ANAMMOX菌的增殖，從而提高ANAMMOX的反應速率. 當C/N比大于1.0時(shí)，ANAMMOX反應器的脫氮性能顯著(zhù)降低，NH+4-N去除量/NO-2-N去除量之比偏離1 ∶1.32而減小，NH+4-N去除量/NO-3-N生成量之比偏離1 ∶0.26而增大. 分析氮素的轉化情況，認為此時(shí)由于有機物的大量存在發(fā)生了以NO-2-N和NO-3-N為電子受體的異養反硝化反應，COD去除量的增加和NO-3-N生成量的減少也充分證明了反硝化菌的大量增殖成為優(yōu)勢種群，反硝化作用明顯加強.
一方面，一定質(zhì)量濃度有機物的存在會(huì )引起自養ANAMMOX菌和異養反硝化菌之間對電子受體NO-2-N的競爭[25]. 由于A(yíng)NAMMOX和反硝化反應的吉布斯自由能分別為-335 kJ ·mol-1和-472 kJ ·mol-1，反硝化過(guò)程更容易發(fā)生，同時(shí)反硝化菌的生長(cháng)速率遠大于A(yíng)NAMMOX菌. 因此，隨著(zhù)C/N比的不斷升高，在爭奪反應基質(zhì)的過(guò)程中，反硝化菌的優(yōu)勢逐漸增強. 另一方面，反硝化過(guò)程因產(chǎn)堿引起反應體系的pH值升高，超出ANAMMOX菌生長(cháng)代謝的最適pH值范圍，菌種的活性受到明顯的抑制[26]. 綜上所述，為了獲得最佳脫氮效果，應將C/N比控制在0.5左右. 3 最優(yōu)工況下ANAMMOX反應器的穩定運行
控制進(jìn)水NH+4-N和NO-2-N質(zhì)量濃度分別在200mg ·L-1和264mg ·L-1左右，溫度為30~35℃，HRT=24 h，pH值為7.5~8.5. 以葡萄糖作為有機碳源，控制C/N比為0.5. ANAMMOX反應器在最優(yōu)工況下穩定運行14 d，試驗結果如圖 12所示.
圖 12 最優(yōu)工況下穩定運行的ANAMMOX效果
由圖 12可以看出，在最優(yōu)運行工況下，ANAMMOX反應器能夠實(shí)現高效穩定進(jìn)行，NH+4-N、 NO-2-N和TN平均去除率分別達到75.72%、 76.36%和70.19%，COD平均去除率在30%左右，TN平均容積負荷為0.464kg ·(m3 ·d)-1.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4 結論
(1)通過(guò)逐漸提高進(jìn)水基質(zhì)質(zhì)量濃度，可以顯著(zhù)提高ANAMMOX反應器的TN容積負荷，但NO-2-N質(zhì)量濃度過(guò)高會(huì )對ANAMMOX菌產(chǎn)生毒害作用，使其生理活性降低. 當進(jìn)水NH+4-N和NO-2-N質(zhì)量濃度分別為200mg ·L-1和264mg ·L-1時(shí)，ANAMMOX反應器的脫氮性能比較理想.
(2)HRT過(guò)短會(huì )導致ANAMMOX反應不能徹底進(jìn)行，對氮素的去除效果較差. HRT過(guò)高又會(huì )造成TN負荷較低. 當HRT為24 h左右時(shí)，ANAMMOX反應器的脫氮性能最佳.
(3)在較低的溫度范圍內，隨著(zhù)溫度的升高，ANAMMOX菌的活性提高. 但超過(guò)一定的溫度范圍，ANAMMOX菌的生長(cháng)繁殖受到嚴重抑制，ANAMMOX反應器的脫氮效果大幅降低. ANAMMOX反應的最適溫度范圍為30~35℃.
(4)pH值一方面通過(guò)對ANAMMOX菌活性的影響，另一方面通過(guò)對游離氨(FA)濃度和游離亞硝酸(FNA)濃度的影響，進(jìn)而影響ANAMMOX反應器的脫氮效果. ANAMMOX反應的最適pH值范圍為7.5~8.5.
(5)較低的C/N比不會(huì )對ANAMMOX菌的活性產(chǎn)生明顯的抑制作用. 但隨著(zhù)C/N比的升高，異養反硝化菌大量繁殖，對ANAMMOX菌產(chǎn)生基質(zhì)競爭優(yōu)勢，造成ANAMMOX反應的活性降低. 當C/N比為0.5左右時(shí)，ANAMMOX反應器可以獲得理想的脫氮效果.(來(lái)源及作者：沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院 李亞峰、馬晨曦、張馳)
