硝化-厌氧氨氧化组合反应器的运行和评价

吴永华，王劲，崔力明
（同济大学环境科学与工程学院，上海 200092）

　　摘要：利用硝化-ANAMMOX组合反应器处理具有高无人低有机质特点的城市厌氧消化污泥滤液。反应器稳定运行后，进水氨氮和亚硝态氮的质量浓度分别达到约360和400 mg／L，水力停留时间为30h，总分容积负荷达到 493.4 mg／（L·d）时，出水天民和亚硝态氮的质量浓度分别为73.6和 69.2mg/L。实验中ANAMMOX 反应器的启动和运行基本取得了成功。
　　关键词：厌氧在氧化；废水处理；污泥；硝化；生物脱氮
　　中图分类号：X703.3 　文献标识码：A 　文章编号：1009－2455（2004）02－0010－03

The　Running of A Nitration-ANAMMOX Combined Reactor
and Evaluation Thereof
WU Yong-hua，WANG Jin，CUI Li-ming
（College of Environmental Science and Engineering Tongji Universisy, Shanghai 200092，China）

　　Abstract：A nitration—ANAMMOX combined reactor was used to treat the municipal anaerobic nitrated　sludge filtrate featuring high content of ammonia nitrogen and low content of organic matters. After a stable　operation of the reactor was achieved，the mass concentrations ammonia nitrogen and nitrite nitrogen in the influent water reached about 360 and 400 mg/L respectively and the hydraulic residence time was 30 h；when the　volumetric load of total nitrogen reached 493.4 mg/L，the mass concentrations of ammonia nitrogen and nitrite　nitrogen in the effluent water were 73.6 mglL and 69.2 mg／L respectively.The starting and operation of the　ANAMMOX reactor in the test were successful basically.
　　Key words：anaerobic ammonium oxidation （ANAMMOX）；Wwaste water treatment;sludge;nitration;biological denitrification

　　随着工农业生产的发展，水体富营养化日益严重，废水中氨氮的去除已经成为环境领域的一个重要课题。在研究常规脱氮生物反应过程中，研究人员发现，在硝化过程中，氨作为电子供体被氧气氧化，而在反硝化过程中，外界碳源作为电子供体与硝酸盐、亚硝酸盐共同参与反应，并且硝化过程释放的能量与反硝化过程所需的能量是等同的[1]。因此，从理论上讲，练完全可能作为电子供体直接参与反硝化过程。
　　1995年，Mulder等人在生物脱氮流化床反应器中发现了氨直接作为电子供体进行反硝化的反应，并称之为厌氧氨氧化（ANAMMOX）。后来，Van de Greaf等利用抑制剂进一步证实，ANAM－MOX是一个生物学过程；而且被氧化的氨的数量与所加的生物量成正比。从而，为这种以氨作为电子供体的反硝化反应奠定了理论依据。之后的大量研究证实，在厌氧环境，没有碳源的条件下，氨氮确实能够直接作为电子供体，被亚硝酸盐氧化成氮气，即ANAMMOX反应。如反应式（1）所示，参与ANAMMOX反应的氨氮和亚硝态氮的理论物质的量比应为1：1，但是根据相关文献报道实际反应中，亚硝态氮消耗量略高于氨氮，消耗氧氮和亚硝态氮的实际物质的量比约为1：1.1^[2]。
　　NH₄⁺+NO₂^-→N₂↑+2H₂O 　　 (1)
　　但是，硝酸盐不能直接参与ANAMMOX反应，只有经过短程反硝化过程，先转变成亚硝酸盐。另外，从能量角度看，ANAMMOX虽然比亚硝化（反应式（2））过程更容易进行，但是参与ANAM－MOX的细菌产率极低，亚硝化菌增殖1倍的时间为0.73d，而参与 ANAMMOX的细菌增殖 1倍需要10.4 d，这种情况也为 ANAMMOX反应的深人研究带来很多困难^[3]。
　　2NH₄⁺+3O₂→2NO₂^-+4H⁺+2H₂O (2)
　　因此，本实验在30℃的恒温实验条件下进行，采用某污水厂的污泥消化后的滤液作为硝化-ANAMMOX组合反应器的进水，通过实验室启动。运行所得的有关参数初步评价 ANAMMOX艺的运行效果。

l 反应器的组合和进水水质

　　生物硝化反应器采用好氧固定生物膜反应器，反应器用玻璃管制成，高 60 cm，内径 6 cm，总容积 1.46 L，有效容积为 1.26L，装置内充以软性填料作为微生物附着的载体（如图1）。ANAMMOX反应器采用上流式厌氧污泥床（UASB）反应器，反应器采用玻璃管制成，高 47 cm，内径 6.5 cm，总容积 1.26 L，有效容积0.98 L。整个装置隔绝外界空气进人，并用黑布包裹，以防光对ANAMMOX混培物的损害，装置中添加少量活性氧化铝颗粒（直径 l－3 mm）作为微生物附着的载体，并能起到分散污水的作用（如图2）。水再混合-定量的污泥滤液，作为ANAMMOX反应器的进水。

　　

表1 污泥滤液水质

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ρ（NH₄⁺-N）/
（mg·L^-1） ρ（NO₂^--N）/
（mg·L^-1） ρ（NO₃^－－N）/
（mg·L^-1） ρ（CODcr）／
（mg·L^-1） PH值

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350-400 ＜5 ＜5 100～120 7.5～8.5

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2 组合反应系统的启动及运行方式

　　在硝化反应器中加人 700 mL某污水处理厂好氧曝气池的好氧污泥，并以该污水处理厂厌氧消化后的污泥滤液（经适当稀释）作为进水启动硝化反应器，运行初期，将进水稀释至NH₄⁺－N的质量浓度为 65 mg／L，温度为 30 ℃，pH值控制在 7.5～8.5，停留时间约为 42 h。当反应器出水的 NH₄⁺-N去除率连续3 d在90％以上，即认为反应器稳定出水。进一步减少稀释倍数，从而增加进水NH4＋－N的质量浓度，使反应器逐步承受更高NH₄⁺－N的质量浓度。当进水NH比+-N的质量浓度达到400mg／L，出水NH₄⁺－N去除率连续多天稳定在90％以上，即可认为硝化反应器启动完成，进入稳定运行状态。
　　在 ANAMMOX反应器中加人700 mL反硝化段的污泥，用硝化反应器出水对污泥滤液进行适当稀释，作为ANAMMOX反应器的进水，一般ρ（COD）＜50 mg/L。实际运行中，硝化反应器出水的氮有一部分以NO₃^-－N的形式存在，不能直接参与ANAMMOX反应。因此，为了使ANAMMOX反应器进水NO2--N浓度满足反应需求，通过外加NaNO2 溶液补足，使得反应器进水NO2-－N和NH4+-N的质量浓度接近1.1：1。运行初期，调节进水NO₂^-－N的质量浓度为 50 mg／L，NH4+－N的质量浓度为45 myL，温度为30℃，pH值控制在7.5～8.5，停留时间约为 30 h。当反应器连续 3 d保持稳定出水后，逐步提高基质浓度来提高反应器进水负荷（NO2-－N的质量浓度从 50 mg／L上升到400 mg／L左右；NH4+－N的质量浓度从 45 mg／L上升到 360 mg／L左右），直至完成启动，反应器开始稳定运行。

3 结果与讨论

3.１　硝化反应器启动及运行
　　硝化反应器运行稳定，氨氮去除效果明显。实际运行中，反应器进水氨氮的质量浓度从最初的65 mg／L上升到最后的 400 mg／L左右，氨氮去除率基本都能维持在95％以上，每次提高氨氮的进水浓度，系统都能在3～5d时间内恢复正常。
3.2 硝化反应器亚硝态氮转化率的控制
　　硝化反应器虽然不是本次实验研究的重点，但是其出水的氮能否稳定的以亚硝态氮形式存在，关系到其与ANAMMOX反应器组合的运行效果。实验前半段，为了顺利启动反应器，对反应器没有作特殊控制；后半段，随着进水氨氮负荷的提高，并控制反应器内的pH值保持在7.5～8.5，DO保持在0.5～1.5mg／L，使反应器的出水中的亚硝态氮浓度明显升高，亚硝态氮转化率最高可达30％左右（如图3）。但是，这样的转化率，无法完全满足ANAMMOX 反应器对亚硝态氮的需求。因此，为了ANAMMOX反应器的顺利运行，本次实验中在硝化反应器出水添加适量NaNO₂ 溶液，再与污泥滤液混合，作为 ANAMMOX 反应器的进水。

3.3 ANAMMOX 反应器启动及运行
　　ANAMMOX 反应器运行良好，当氨氮的质量浓度低于300mg／L，亚硝态氮的质量浓度低于330 mg／L时，系统内的氨氮和亚硝态氮去除率在改变进水浓度期间虽有起伏，但经过调整适应后，均能稳定在90％以上。只是在最后再次提高进水氨氮和亚硝态氮的质量浓度时，去除率一度下跌至70％以下，最后经过一段时间调整，去除率稳定在80％左右（如图4）。说明在厌氧、避光、低碳源 p（COD＜50 mg／L）条件下，氨氮确实可以作为电子供体，直接被亚硝态氮氧化。

3.4 ANAMMOX反应器中硝态氮的变化情况
　　ANAMMOX反应器的进水中存在一定量的硝态氮，还有少量的 COD，但是实际运行结果表明，出水中的COD和硝态氮的质量浓度变化很小，这就进一步验证了氨氮不能直接被硝态氮氧化的事实。另外，也可以看出，参与ANAMMOX反应的细菌占主导地位，反硝化途径基本不存在。原因大概是，实验中所用的经厌氧消化后的污泥滤液中，可被微生物利用的有机质太少。
3.5 氨氮和亚硝态氮的去除情况
　　ANAMMOX 反应器中，实际去除的氨氮和亚硝态氮的物质的量比约为1：1.133（如图5），基本验证了有关文献报道的1：1.1的比例。

4 结论与总结

　　通过本次实验，初步验证了硝化-ANAMMOX组合反应器处理城市消化污泥滤液等高氨氮、低有机质的废水的可行性，既去除了高浓度的氨氮和总氮，又克服了碳源不足的矛盾。因而，针对类似的水处理方面，具有很好的应用前景。
　　ANAMMOX反应中，氨氮能作为电子供体直接被亚硝态氮氧化，生成氨气，但是不能直接被硝态氮氧化，因此提高硝化段的亚硝态氮转化率对于该工艺具有重要意义。本次实验中，硝化反应器的亚硝态氮转化率最高只达到30％左右，并不理想，这将是今后对ANAMMOX工艺进一步研究的重要内容之一。
　　本次实验中ANAMMOX反应器的启动和运行基本取得了成功，最后氨氮和亚硝态氮的进水质量浓度分别达到约 360和 400 mg／L，系统基本保持稳定，出水状况良好。只是由于采用的水力停留时间为 30 h，因此最高的总氮容积负荷仅为 493.4mg/（L·d），有关反应器的负荷将在今后实验中作进一步研究。

参考文献：
　　[1] M C M Van Loosdrecht，M S M Jetten.Microbiological conver－sions in nitrogen removal[J]. Wat Sci Tech，1998，38（l）：l－7.
　　[2] Van De Graaf，A A Mulder A，Bruijn P D.et al.Anaerobic oxi－dation of ammonlum is a blologically mediated process［J］.Appl　and Environ Microbiol，1996，61（4）：1246－1251.
　　[3] Mike SM Jetten，Michael Wagner，John Fuerst，et al.Microbiol-ogy and application of the anaerobic ammonium oxidation（‘anam－mox’）process [J].Current Opinion in biotechnology，2001，12（l）：283—288.

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作者简介：吴永华（1978－），男，浙江嘉兴人.现在同济大学环境科学与工程学院攻读硕士学位.主要研究方向为水污染控制，上海市密。路588号城市染控制国家工程研究中心606室.wyh46＠sina.com