不同种泥和运行方式对启动厌氧氨氧化反应器的影响

第 45 卷第 5 期中南大学学报(自然科学版) Vol.45 No.5 2014 年 5 月 Journal of Central South University (Science and Technology) May2014 不同种泥和运行方式对启动厌氧氨氧化反应器的影响董景，陈滢，文林，刘敏 (四川大学建筑与环境学院，四川成都，610065) 摘要：采用6个相同的序批式反应器(SBR)，以好氧硝化−厌氧氨氧化和直接厌氧氨氧化2种运行方式，分别以河岸带污泥、好氧污泥和厌氧污泥为接种污泥启动厌氧氨氧化反应器。研究结果表明，采用好氧硝化−厌氧氨氧化方式时，接种河岸带污泥和好氧污泥的反应器分别在第110天和165天实现了厌氧氨氧化反应；接种河岸带污泥的反应器启动更快，对氨氮和亚硝酸盐氮的去除率分别可达94%和99%，接种好氧污泥的反应器对氨氮和亚硝酸盐氮的去除率最高仅为53%和67%；接种厌氧污泥的反应器并未发生明显的厌氧氨氧化反应。直接以厌氧氨氧化方式运行的反应器，3类种泥都培养了190d，没有出现厌氧氨氧化现象。关键词：厌氧氨氧化；河岸带污泥；好氧污泥；厌氧污泥中图分类号：X703 文献标志码：A 文章编号：1672−7207(2014)05−1740−06 Effect of different kinds of seed sludge and operation modes on start­up of anaerobicammoniaoxidation reactors DONG Jing,CHEN Ying,WEN Lin,LIU Min (College of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu 610065, China) Abstract: Inoculated with riparian sediments, aerobic sludge and anaerobic sludge respectively, six sequencing batch reactors (SBR) were started­up with two operation modes, aerobic nitrification­anammox and direct anammox. The results show that using the way of aerobic nitrification­anammox, reactors inoculated with riparian sediments and aerobic sludge, respectively, achieve the anaerobic ammonia oxidation reaction after operation for 110 d and 165 d. The reactor inoculated with riparian sedimentsisstarted­up more rapidly than that for the aerobic sludge, and its NH4 + ­N and NO2 − ­N removal efficiencies reach 94% and 99%, respectively. The NH4 + ­N and NO2 − ­N removal efficiencies of aerobic sludge reactor are just 53% and 67% at most. However, the reactor inoculated with anaerobic sludge fails to start­up. Under the condition of direct anammox, three reactorsare not able to culture anammox bacteria after operation for 190 d. Keywords:anaerobic ammonia oxidation(Anammox);riparian sediments;aerobic sludge;anaerobic sludge 厌氧氨氧化技术是目前废水处理领域最经济、最简洁的生物脱氮技术 [1] 。与传统生物脱氮技术相比，厌氧氨氧化具有更好的经济效益和可持续性 [2] 。它在厌氧或缺氧条件下，微生物以CO2 或CO3 − 为碳源，以 NH4 + 为电子供体，以 NO2 − 或 NO3 − 为电子受体，将 NH4 + ，NO2 − 或 NO3 − 转变为氮气，无需供氧，也不需外加有机碳源，可以大幅度降低能耗成本，同时污泥量小，不会产生二次污染，独特的优势使其成为近年来国内外的研究热点。目前，已有一些厌氧氨氧化的实际工程投入运行，其主要用于处理生活污水、养猪废水、污泥消化液以及垃圾渗滤液等 [3] 。厌氧氨氧化反应最初是在污水处理工艺(反硝化流化床)中发现的 [4] ，而目前已被广泛发现于各种自然生态系统中，如人工湿地 [5] 、河口 [6−7] 、湖底 [8] 、海洋沉积物 [9−11] 等。收稿日期：2013−05−16；修回日期：2013−08−06 基金项目：国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目(2011AA060905)；国际科技合作与交流专项(2012DFG91520) 通信作者：刘敏(1972−)，男，四川峨眉山人，副教授，从事水污染控制工程等研究；电话：[phone]；E­mail: [e-mail]第 5 期董景，等：不同种泥和运行方式对启动厌氧氨氧化反应器的影响 1741 海洋中 33%~65%的氮气产生自大陆架和斜坡底泥中的厌氧氨氧化反应 [12] 。厌氧氨氧化菌属于严格自养菌，生长速度缓慢，倍增时间长，易受外界环境因子影响，富集培养较困难。厌氧氨氧化反应器一般启动较慢，第 1个生产性厌氧氨氧化反应器启动时间长达 1 250 d [13] ，唐崇俭等 [14] 经过 255 d 才成功启动中试 Anammox 反应器。李祥等 [15] 经研究发现：接种厌氧氨氧化污泥后，可以加速反应器的启动，在第72天启动成功。但是，厌氧氨氧化技术在实践中受到种泥来源的限制，获得经济、易得的种泥有助于厌氧氨氧化技术的推广和应用。本文作者采用不同种泥、不同运行方式启动厌氧氨氧化反应器，以便为厌氧氨氧化反应器的快速启动提供借鉴。 1 实验材料与方法 1.1 实验装置实验采用 6 个相同的 SBR 反应器(如图 1)，反应器由遮光纸包裹，有效容积为2.2L。运行周期为24h，其中进水10min，生化反应23h，静止40min，排水 10min，排水比为50%。 1—进水箱；2—恒温振荡箱；3—SBR反应器； 4—DO/pH测定仪；5—取样口；6—取样器； 7—遮光材料；8—出水泵；9—出水槽图1 实验装置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of experimental system 1.2 接种污泥与实验进水分别以河岸带污泥、好氧污泥和厌氧污泥作为接种污泥培养厌氧氨氧化菌。河岸带污泥取自成都市某河流的岸边带污泥，其混合液悬浮固体(MLSS)质量浓度为64.58 g/L，混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)质量浓度为 18.43 g/L，挥发份物质含量 w(VSS)/w(SS)为 0.13，该污泥无机物含量较高；好氧污泥取自成都某污水处理厂好氧曝气池，接种的污泥量MLSS为21.01 g/L，MLVSS为13.31 g/L，w(VSS)/w(SS)为0.63；厌氧污泥取于同一污水处理厂，接种的污泥量MLSS为 19.39g/L， MLVSS为12.23 g/L， w(VSS)/w(SS)为0.63。实验用水为人工配水，用NH4Cl模拟含氮废水，好氧阶段进水氨氮质量浓度为 70~140 mg/L；厌氧阶段进水氨氮质量浓度为70 mg/L，同时投加NaNO2 模拟亚硝酸盐，质量浓度为 70 mg/L。另外，还投加微量元素，如KH2PO4，KHCO3，MgSO4∙7H2O，CaCl2， CoC12∙6H2O，CuSO4∙5H2O，NiC12∙6H2O，Na2SeO4∙ 10H2O，H3BO3 和EDTA。 1.3 测定项目与方法氨氮采用纳氏试剂光度法，亚硝酸盐氮采用N­(1­ 萘基)­乙二胺光度法，硝酸盐氮采用麝香草酚分光光度法，COD 采用 5B­3(D)型 COD 快速测定仪测定， MLSS 和 MLVSS 采用标准重量法 [16] 。pH，DO 和氧化还原电位采用 WTW­pH/oxi340i 型便携式测量仪测定。微生物相采用Olympus Dp70型光学显微镜和四川大学分析测试中心的JSM­5900LV型电子显微镜观察。 1.4 实验方案实验采用6个完全一样的SBR反应器，分别记为 R1~R6。其中R1和 R4接种河岸带污泥，R2和R5接种好氧污泥，R3和R6接种厌氧污泥。R1，R2和 R3 采用好氧硝化−厌氧氨氧化的运行方式，其运行过程分为好氧硝化阶段、厌氧阶段Ⅰ和厌氧阶段Ⅱ 3个阶段；R4、R5和R6采用直接厌氧氨氧化的运行方式，运行过程分为厌氧阶段Ⅰ和厌氧阶段Ⅱ。好氧阶段反应器敞口，由恒温振荡器低速振荡供氧以维持溶解氧质量浓度(DO)在2~2.5mg/L之间，并保持污泥处于完全混合状态，温度控制为30℃；厌氧阶段反应器密闭，温度控制为35℃，厌氧阶段Ⅰ反应前用氮气(＞99.9%) 以0.2 L/min的流速对反应器充气排氧3 min；厌氧阶段Ⅱ不再开盖换水，当氨氮或亚硝酸盐氮质量浓度降低到20mg/L时，用进样器少量高浓度进药。 2 结果与讨论 2.1 以好氧硝化−厌氧氨氧化方式启动反应器 2.1.1 好氧硝化阶段好氧硝化阶段的运行情况如图 2 所示。从图 2可以看出，3 个反应器进水氨氮质量浓度均从 70 mg/L 逐渐提高至 140 mg/L。当进水氨氮质量浓度为 70 mg/L，运行14d后，3个反应器的氨氮去除率均可接近 100%。进一步提高氨氮质量浓度至 140 mg/L，氨氮去除率并未受到明显影响。与R2和R3反应器相比，中南大学学报(自然科学版) 第 45 卷 1742 R1达到高效脱氮的时间较短，第9天的氨氮去除率就已接近100%，而此时R2和R3的氨氮去除率只有60% 左右。接种河岸带污泥的反应器 R1 抗冲击能力较强。在第 12 天受到环境条件的冲击后，R2 和 R3 的氨氮去除率迅速降低到20%左右，至少需要3d才能恢复。 R1受到冲击后，氨氮去除率只降低到80%左右，而且在第2天即恢复至原来水平。在硝化培养初期，R2和R3反应器中便发生了硝 (a)R1反应器；(b) R2反应器；(c) R3反应器 1—NH4 + ­N进水；2—NH4 + ­N出水；3—NH4 + ­N去除率； 4—NO2 − ­N出水；5 NO3 − ­N出水图2 3个反应器好氧硝化阶段的运行情况 Fig. 2 Operation of three reactors during aerobic nitration phase 化反应，而 R1 中并未发现亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的积累，但氨氮却得到了去除，这可能是因为河岸带污泥中的某些自然物质，对其发生了物理吸附作用。 2.1.2 厌氧氨氧化阶段当反应器R1， R2和R3的氨氮去除率稳定在100% 左右时，在第29天对其进行厌氧阶段Ⅰ的培养，控制进水氨氮和亚硝酸盐氮质量浓度为 70 mg/L，并对进水进行脱氧处理。3 个反应器厌氧阶段氨氮和亚硝酸盐氮的去除率如图3所示。氨氮与亚硝酸盐氮同时得 (a) R1反应器；(b) R2反应器；(c) R3反应器 1—NH4 + ­N去除率；2—NO2 − ­N去除率图3 3个反应器厌氧阶段的运行情况 Fig. 3 Operation of