升流式厭氧氨氧化流化床反應器脫氮效能研究
相比于傳統的硝化反硝化技術，厭氧氨氧化技術在處理低碳氮比、高氨氮廢水時，具有無需外加碳源、節能等優勢，日益受到關注。目前，厭氧氨氧化技術主要用于污泥消化液和含高氨氮工業廢水的處理，且技術發展已較為成熟，在美國、德國、瑞士等有成功的應用案例。
根據厭氧氨氧化污泥形態的不同，可分為以絮體為主、以生物膜為主和以顆粒為主3種工藝形式；其中，以生物膜為主的厭氧氨氧化工藝因穩定、高效的脫氮性能而備受關注，其核心技術是借助填料富集、長期持有厭氧氨氧化細菌，有效提升反應器內厭氧氨氧化菌的豐度和反應器的脫氮效能。
基于移動床生物膜反應器（MBBR）開發的厭氧氨氧化技術已有成功的應用案例。厭氧氨氧化MBBR工藝的總氮去除負荷高達8 kg/（m³·d），脫氮優勢顯著。
填料是厭氧氨氧化菌生長的載體，厭氧氨氧化反應器的脫氮效能也與填料的種類緊密相關。高大文等以組合填料、聚氨酯泡綿、立體彈性纖維為載體，啟動上流式固定床厭氧氨氧化反應器，結果顯示組合填料具有較高的比表面積和較好的親水性能，微生物易于附著生長且不易脫落，總氮去除負荷可達1.32 kg/（m³·d），抗負荷沖擊能力顯著優于以聚氨酯泡綿和立體彈性填料啟動的反應器。
此外，亞硝酸鹽和游離氨對厭氧氨氧化菌活性有一定抑制，高濃度進水基質引發的高負荷沖擊也是影響厭氧氨氧化反應器運行穩定性和脫氮效能的重要因素，如何規避基質對厭氧氨氧化菌的抑制已成為研究重點。
本研究以懸浮生物填料為載體，啟動、構建了升流式厭氧氨氧化流化床反應器（UAFB-anammox），以人工配水為研究對象，研究進水基質濃度和回流對UAFB-anammox脫氮效能的影響，為厭氧氨氧化工藝效能提升提供一定理論基礎。
01 試驗材料和方法
1.1 試驗裝置
試驗裝置采用升流式厭氧流化床反應器（UAFB），如圖 1所示。
UAFB反應器工作體積為5 L，高度為1 m，內徑0.08 m，有機玻璃材質；使用市售流化床填料（直徑25 mm，厚度12 mm，容重100 kg/m³，比表面積500 ㎡/m³）作為掛膜載體，填料在反應區的填充率為30%。通過加熱帶將反應器溫度控制在（30±1）℃。原水未經脫氣處理，經過蠕動泵從反應器底部連續進入UAFB反應器，通過回流泵從反應器上端抽出回流到反應器底部，出水從反應器溢流堰排出，產生的氣體從三相分離器排至空氣中。
1.2 接種污泥和模擬廢水
接種污泥為普通好氧活性污泥，取自深圳市鹽田污水處理廠序批式生化池，污泥整體呈黃褐色，懸浮固體質量濃度（MLSS）為4 500 mg/L，揮發性懸浮固體質量濃度（MLVSS）為3 500 mg/L。
反應器進水采用人工模擬廢水，不添加有機碳源，模擬廢水組成：NH4Cl（按需配制），NaNO2（按需配制），NaHCO3 0.6 g/L，維氏鹽0.2 mL/L，微量元素Ⅰ和微量元素Ⅱ各1 mL/L，用NaOH或HCl調節進水pH約7.7。維氏鹽溶液組成：KH2PO4 5 g/L，MgSO4·7H2O 2.5 g/L，NaCl 2.5 g/L，FeSO4·7H2O 0.05 g/L，MnSO4·7H2O 0.05 g/L。微量元素Ⅰ：EDTA 5 g/L，FeSO4·7H2O 5 g/L。微量元素Ⅱ：MnCl2·4H2O 0.99 g/L，CuSO4·5H2O 0.25 g/L，EDTA 15 g/L，H3BO4 0.014 g/L，ZnSO4·7H2O 0.43 g/L，NiCl2·6H2O 0.19 g/L，Na2MoO4·2H2O 0.22 g/L，Na2SeO4·10H2O 0.21 g/L。
1.3 試驗方法
反應器啟動階段，污泥馴化期采用低基質濃度進水的方式運行，馴化第一階段（0~130 d）進水NH4+-N和NO2--N分別為60 mg/L和50 mg/L，馴化第二階段（131~208 d）進水NH4+-N和NO2--N分別調整為100、140 mg/L，待NH4+-N和NO2--N去除率高于85%、反應器穩定后，開始考察負荷沖擊和回流對反應器脫氮效能的影響。
負荷沖擊研究中，進水量控制在19.2 L/d，水力停留時間為6.25 h，初始進水NH4+-N和NO2--N分別為60、90 mg/L，逐步提升至400、450 mg/L。待反應器脫氮效能開始降低時，開啟回流，采用150%回流比運行，研究回流對UAFB-anammox反應器運行效能的影響。
1.4 分析方法
各項指標參照《水和廢水監測分析方法》進行測定：NH4+-N采用納氏分光光度法測定；NO2--N采用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法測定；NO3--N采用酚二磺酸分光光度法測定；pH使用Sartorius Y31-038酸度計測定。定期取進、出水，測定水樣的pH、NH4+-N、NO2--N和NO3--N。
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02 結果與分析
2.1 厭氧氨氧化菌馴化與反應器啟動
UAFB-anammox反應器啟動過程中，進出水NH4+-N和NO2--N的變化趨勢及去除率見圖 2。
UAFB-anammox反應器啟動歷時150 d，啟動過程經歷了溶胞遲滯、活性提升和活性穩定3個階段。0~35 d為溶胞遲滯階段，出水NH4+-N高于進水NH4+-N，出水NO2--N低于進水NO2--N，去除率約為15%；污泥馴化初期，由于反應器中的微生物對厭氧和無機營養條件的不適應，菌體發生溶胞現象，釋放出氨氮和有機物，內源反硝化作用以有機物為碳源將亞硝酸鹽轉化為氮氣，因此出水NH4+-N高于進水NH4+-N、出水NO2--N低于進水NO2--N。
36~150 d為活性提升階段，氨氮和亞硝酸鹽氮同步穩定去除，活性提升后期，NH4+-N和NO2--N去除率約為60%，化學計量比NO2--N/NH4+-N穩定在1.2~1.5（見圖 3），反應器底部污泥顏色從棕黃色轉變為磚紅色，填料上開始出現磚紅色絮體。
151~208 d為活性穩定階段，提高進水氨氮和亞硝酸鹽濃度，UAFB-anammox反應器穩定運行，NH4+-N和NO2--N去除率約為80%~100%，NO2--N/NH4+-N穩定在1.2~1.5，NO3--N/NH4+-N穩定在0.3~0.5。
經150 d的培養馴化，UAFB-anammox反應器成功啟動。在UAFB-anammox反應器啟動、穩定階段，反應器內出現明顯的氣泡，將底部污泥托起，部分污泥隨水流從反應器堰口流出，部分污泥附著于反應區的填料上，懸浮填料的磚紅色逐步加深，填料表面和內部形成致密的生物膜。
2.2 進水負荷沖擊和回流影響研究
通過逐步提升進水氨氮和亞硝酸鹽氮濃度的方式，提升進水負荷，研究負荷沖擊對UAFB-anammox反應器運行效能的影響。
在低基質濃度范圍內（NH4+-N61.54~297.35 mg/L，NO2--N 96.01~355.70 mg/L），總氮容積負荷從0.61升至2.52 kg/（m³·d），總氮去除負荷從0.39 kg/（m³·d）穩步提升至1.29 kg/（m³·d），NH4+-N和NO2--N去除率最高約90%；當進水NH4+-N和NO2--N分別提升至390、446 mg/L，總氮容積負荷提升至3.22 kg/（m³·d）時，總氮去除負荷降低至1.08 kg/（m³·d），NH4+-N和NO2--N去除率降至31.91%、44.51%（見圖 4），說明此時反應器脫氮性能開始惡化。
在低基質濃度范圍內，隨著進水基質濃度和容積負荷的增加，UAFB-anammox反應器的總氮去除負荷穩步提升，NH4+-N和NO2--N去除率保持穩定，說明反應器內厭氧氨氧化菌具有較高活性，能快速適應基質濃度適當升高帶來的環境變化，UAFB-anammox反應器具備一定耐負荷沖擊能力。NH4+-N和NO2--N是厭氧氨氧化菌的主要營養物質，但當反應器內NO2--N達到100 mg/L、游離氨達到13~90 mg/L時，會對厭氧氨氧化菌的活性產生抑制。
試驗結果顯示，進水NH4+-N和NO2--N分別為297.35、355.7 mg/L時，反應器內的NO2--N達到147.55 mg/L、游離氨達到21.37 mg/L（見圖 5），已超出NO2--N和游離氨對厭氧氨氧化菌的抑制濃度，反應器的總氮容積去除負荷仍保持在1.29 kg/（m³·d），NH4+-N和NO2--N的去除率已降至約60%；隨著進水NH4+-N和NO2--N分別提升至390.18、446.23 mg/L，反應器內的NO2--N達到247.49 mg/L、游離氨為26.45 mg/L，此時厭氧氨氧化菌的活性受到比較強烈的抑制。因此，NO2--N和游離氨的雙重抑制是反應器總氮去除負荷降低、脫氮效能降低的主要原因。
進水基質對厭氧氨氧化菌的活性抑制已成為限制反應器效能提升的主要原因。因此，目前眾多厭氧氨氧化反應器在啟動及脫氮效能提高的研究過程中，將進水NH4+-N和NO2--N控制在200~300 mg/L，一定程度上限制了厭氧氨氧化工藝處理高氨氮廢水的獨特優勢。
本研究在UAFB-anammox反應器高基質濃度進水（NH4+-N 390 mg/L，NO2--N 446 mg/L）運行20 d后開啟回流，按150%回流比運行，經過約10 d的恢復期，反應器出水NH4+-N和NO2--N去除率開始穩步升高，平均去除率分別約62.49%、60.50%，同時反應器的總氮去除容積負荷提升至1.76 kg/（m³·d），相比于回流前提升了60%。
150%回流有效降低了反應器內NO2--N和游離氨的濃度，NO2--N從247.49 mg/L降至175.43 mg/L、游離氨從26.45 mg/L降至10.57 mg/L（見圖 5）。
NO2--N和游離氨的濃度雖仍高于抑制濃度，但已有效緩解了對厭氧氨氧化菌活性的抑制，使UAFB-anammox反應器的脫氮效能提升63%，回流取得的效果顯著。
03 結 論
（1）以懸浮填料作為升流式厭氧流化床反應器的掛膜載體培養厭氧氨氧化菌，經36 d的馴化，可同步去除NH4+-N和NO2--N。經150 d的培養，NH4+-N和NO2--N同步去除率穩定在80%以上，升流式厭氧氨氧化流化床反應器成功啟動，懸浮填料表面及內部空隙均附著致密的磚紅色生物膜。
（2）低基質濃度進水運行時，升流式厭氧氨氧化流化床反應器具備一定的抗負荷沖擊能力，總氮容積負荷在0.61~2.52 kg/（m³·d）范圍內升高時，總氮去除負荷從0.39 kg/（m³·d）提升至1.29 kg/（m³·d）；當總氮容積負荷增加到3.2 kg/（m³·d）時，總氮去除負荷降至1.08 kg/（m³·d）。
（3）150%的回流比可有效緩解基質對厭氧氨氧化菌的活性抑制，提升反應器的脫氮效能，總氮去除負荷可提升至1.76 kg/（m³·d），脫氮效能提高63%。
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