Anammox反应器的高效运行及有机物抑制效应佘健

佘健，李刚，杨琴，等.Anammox反应器的高效运行及有机物抑制效应[J].环境科学与技术，2018，41（4）：127-133.SheJian,LiGang,YangQin，etal.EfficientoperationofAnammoxreactorandorganicsinhibitoryeffect[J].EnvironmentalScience&Technology，2018，41（4）：127-133.Anammox反应器的高效运行及有机物抑制效应佘健1，李刚1，杨琴2，杨丹丹2，李晔2，李柏林2*（1.中南安全环境技术研究院有限公司，湖北武汉430051；2.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉430070）摘要：为实现Anammox反应器的稳定高效运行，进一步揭示COD对Anammox反应的抑制效应，以低活性的Anammox颗粒污泥为接种泥源，采用低负荷协同N2H4强化的方式启动反应器，随后逐步增加进水氮素浓度提高反应器的容积负荷，并研究不同时期Anammox反应体系的脱氮性能。通过向反应体系投加有机物，考察基质浓度和COD对反应体系的协同影响，并探讨COD对AAOB的抑制特性。结果表明：经15d运行可实现AAOB活性的快速恢复，TN去除率提升至85%；运行150d后污泥活性迅速提高，反应体系TN负荷增至1.002kg/(m3·d)，TN去除率稳定在89%左右。低浓度的COD对Anammox反应的影响较小；当COD浓度由100mg/L增加到150mg/L时，AAOB活性受到一定抑制，Anammox反应的脱氮贡献比例下降至50%左右；当COD浓度增至200mg/L时，AAOB活性受到显著抑制，此时Anammox反应的脱氮贡献比例仅为22%左右。AAOB具有较强的低基质亲和力，COD对Anammox反应的抑制效应依赖于基质浓度，体系中NO2--N和TN度增加都会加剧COD对Anammox反应的抑制效应，且COD对Anammox反应的抑制效应随COD浓度升高而愈发显著，抑制特性可用用非竞争性抑制模型较好地拟合。关键词：厌氧氨氧化；脱氮；有机物；抑制中图分类号：X703文献标志码：Adoi：10.19672/j.cnki.1003-6504.2018.04.022文章编号：1003-6504(2018)04-0127-07EfficientOperationofAnammoxReactorandOrganicsInhibitoryEffectSHEJian1,LIGang1,YANGQin2,YANGDandan2,LIYe2,LIBolin2*(1.Central-SouthernChinaSafety&EnvironmentTechnologyInstituteCo.,Ltd,Wuhan430051,China;2.SchoolofResourceandEnvironmentalEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China）Abstract:InordertorealizethestableandefficientoperationofAnammoxreactor,andfurtherrevealtheinhibitoryeffectofCODonAnammoxreaction,AnammoxreactorwasstartedbyusinglowactivityAnammoxgranularsludgeasinoculationsourceandlowloadcombinedwithN2H4enhancement,thengraduallyincreasedwaternitrogenconcentrationtoincreasethevolumetricloadingofthereactor.AlsothedenitrificationperformanceofAnammoxreactionsystemindifferentperiodswasstudied.Byaddingorganicstothereactionsystem,thesynergisticeffectofsubstrateconcentrationandCODonthereactionsystemwasinvestigated,andtheinhibitorycharacteristicsofCODonAnammoxgranularsludgewerediscussed.TheresultsshowedthattherapidrecoveryofAnammoxgranularsludgeactivitycouldbeachievedafter15daysoperation,theremovalrateofTNincreasedto85%.After150daysoperation,thesludgeactivityincreasedrapidly,TNloadofthereactionsystemincreasedto1.002kg/(m3·d),andTNremovalratestabilizedatabout89%.LowconcentrationofCODhadlittleeffectonAnammoxreaction.WhentheconcentrationofCODwasincreasedfrom100mg/Lto150mg/L,AAOBactivitywasinhibit⁃edtoacertainextent,thecontributionofAnammoxtonitrogenremovaldecreasedtoabout50%.However,whentheconcen⁃trationofCODwasincreasedto200mg/L,theactivityofAAOBwassignificantlyinhibited.Atthistime,thecontributionofAnammoxtonitrogenremovalwasonlyabout22%.AAOBhadastronglowmatrixaffinity.TheinhibitoryeffectofCODonAnammoxreactiondependedonsubstrateconcentration,andthisinhibitoryeffectaggravatedbyincreasingofNO2--NandTNinthesystemaggravates,it’smorepronouncedwithincreasingCODconcentration,theinhibitorypropertiescouldbebet⁃terfittedwithanon-competitiveinhibitionmodel.Keywords:Anammox;nitrogenremoval;organics;inhibition《环境科学与技术》编辑部：（网址）（电话）027-87643502（电子信箱）[e-mail]收稿日期：2017-11-27；修回2018-01-26基金项目：国家自然科学基金项目资助（51708431）作者简介：佘健(1982-)，男，工程师，硕士，主要从事环境技术咨询及研究工作，（电子信箱）[e-mail]；*通讯作者，男，副教授，博士，主要从事废水脱氮除磷新技术研究，（电子信箱）[e-mail]。EnvironmentalScience&Technology第41卷第4期2018年4月Vol.41No.4Apr.2018第41卷氨氮是水中氮素的主要存在形式，水环境中氨氮含量超标不仅会引起水体富营养化、毒害水生生物，甚至会危害人体健康，对水体水质及生态环境造成严重破坏，已成为生态系统失衡的主要原因之一[1]，如何合理、高效地处理高氨氮废水已成为水污染控制研究的热点问题。相比于传统的生物脱氮工艺，基于厌氧氨氧化（anaerobicammoniumoxidation，Anammox）技术的新型工艺被认为是最具有前景的脱氮工艺，引起了国内外研究学者的广泛关注[2]。该工艺主要是在厌氧或缺氧条件下，利用厌氧氨氧化菌（anaerobicam⁃moniaoxidizingbacteria,AAOB），以NO2--N为电子受体，将NH4+-N氧化为N2，从而实现水环境中氮素去除。整个工艺过程不需要有机碳源，且具有污泥产量少、处理成本低、无二次污染等技术优势，已成为处理高氨氮废水的首选工艺[3，4]。但AAOB生长速率缓慢、倍增时间长、难以富集，导致Anammox反应启动时间长，极大地影响了整个Anammox反应体系的运行效率，限制了其大规模工程应用[5]，如何实现Anammox反应器的稳定高效运行一直是国内外研究的热点。近年来，为实现Anammox反应体系的高效运行，国内外学者对Anammox反应器的快速启动、活性提高等相关领域进行了大量研究，主要涉及反应器类型对启动时间的影响研究[6]、接种污泥种类与数量[7]、启动方式[8]等因素对反应体系运行效果的影响研究等方面。此外，由于实际废水中一般含有有机物，而AAOB在有机物存在的条件下活性会受到严重的影响，进而影响Anammox系统的整体脱氮效率。已有的研究也已经表明COD是影响Anammox反应脱氮性能的重要控制参数[9，10]，但上述相关研究主要集中在不同进水COD条件下，通过Anammox反应协同反硝化反应强化总氮的去除效果，关于COD对体系内Anammox反应抑制效应的相关研究较少。因此，开展不同基质浓度进水条件下Anammox反应器的运行效果和COD对Anammox反应的抑制效应研究，对促进Anammox脱氮技术的实际应用拓展具有重要意义[11]。本研究采用模拟废水进行实验研究，考察添加微量联氨时，不同基质进水条件下活性恢复期、活性提高期及COD投加后Anammox反应器的运行性能，在此基础上探讨基质及有机物对AAOB脱氮性能的协同作用效应，并研究了COD对AAOB的抑制动力学特性及其菌群特点，以期为Anammox脱氮工艺的实际运用提供理论参考和依据。1材料及方法1.1实验装置设计本研究采用实验室规模的SBR反应器培养Anammox颗粒污泥。SBR反应器是内径为17cm的双筒圆柱体，整体采用有机玻璃制成，总体积为9L，有效体积可达6L。顶部安装电动机，采用磁力联动结构带动搅拌桨，转速设为100r/min。磁力联动结构可确保反应器处于密闭状态，为Anammox反应提供厌氧环境。反应器双筒之间是3cm宽的水浴夹层，通过循环泵入水浴桶内,加热后的液体来维持反应器的温度在（33±1）℃之间。实验装置如图1所示。1.2试验用水和接种污泥采用人工配制的模拟废水进行试验研究，其组成及浓度为：KH2PO450mg/L、MgSO4·7H2O300mg/L、CaCl2·2H2O100mg/L、NaHCO3/KHCO3（1∶1）500mg/L。微量元素Ⅰ、Ⅱ[12]各1mL/L。NH4+-N和NO2--N分别由NH4Cl和NaNO2提供，浓度按需配置。换水周期为12h。实验接种的Anammox颗粒污泥为本实验室40L的SBR种泥反应器中的颗粒污泥，接种时期AAOB活性较低，污泥颜色为黄棕色。1.3Anammox反应器的运行参数设定根据各监测指标的变化趋势，Anammox反应器的运行大体可分为3个阶段，分别为活性恢复期（第1~15天）、活性提高期（第16~150天）和有机物影响期（第151~175天），各阶段运行参数见表1。整个实验过程加入4mg/L的N2H4，反应体系pH维持在7.5~8.5范围内，温度恒定在（33±1）℃。有机物影响期Anammox和反硝化反应式如（1）、（2）及（3）所示。NH4++1.32NO2-+