不同种源条件下厌氧氨氧化反应器的启动研究

　第６期２０１０年１１月华东师范大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥａｓｔＣｈｉｎａＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）Ｎｏ．６　Ｎｏｖ．２０１０文章编号：１０００５６４１（２０１０）０６００４５０９不同种源条件下厌氧氨氧化反应器的启动研究林剑波，　耿　亮，　陈玉霞，　黄民生，　何　岩，　朱　勇（华东师范大学环境科学系，上海　２０００６２）摘要：采用３组平行的ＳＢＲ系统，分别接种厌氧颗粒污泥与好氧活性污泥的混合污泥、河道底泥与好氧活性污泥的混合污泥以及厌氧消化污泥与好氧活性污泥的混合污泥，以典型城市污水为进水，在相同运行环境下同时运行１５０～１８０ｄ，成功启动厌氧氨氧化装置，氨氮去除率分别达到８８％，８０％和８５％，亚硝氮去除率均达到９６％以上．但厌氧消化污泥与好氧活性污泥的混合污泥的启动周期更短，是相对优化的接种污泥．关键词：种源；　颗粒污泥；　ＳＢＲ装置；　厌氧氨氧化；　启动中图分类号：Ｘ１７２　　文献标识码：Ａ　收稿日期：２００９０９　基金项目：国家科技重大专项（２００９ＺＸ０７３１７００６）；上海市建设交通委重大科技攻关项目（２００７００７）　第一作者：林剑波，男，硕士研究生．　通讯作者：黄民生，男，教授，研究方向为废水生化处理．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]．犛狋狌犱狔狅狀狊狋犪狉狋狌狆狅犳犪狀犪犲狉狅犫犻犮犪犿犿狅狀犻犪狅狓犻犱犪狋犻狅狀狉犲犪犮狋狅狉狊狑犻狋犺犱犻犳犳犲狉犲狀狋犻狀狅犮狌犾犪ＬＩＮＪｉａｎｂｏ，　ＧＥＮＧＬｉａｎｇ，　ＣＨＥＮＹｕｘｉａ，　ＨＵＡＮＧＭｉｎｓｈｅｎｇ，　ＨＥＹａｎ，　ＺＨＵＹｏｎｇ（犇犲狆犪狉狋犿犲狀狋狅犳犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犛犮犻犲狀犮犲，犈犪狊狋犆犺犻狀犪犖狅狉犿犪犾犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犛犺犪狀犵犺犪犻　２０００６２，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：　Ｔｈｒｅｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｉｘｅｄｓｌｕｄｇｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇａｎａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅａｎｄａｅｒｏｂｉｃａｃｔｉｖａｔｅｓｌｕｄｇｅ，ｒｉｖｅｒｓｅｄｉｍｅｎｔｓａｎｄａｅｒｏｂｉｃａｃｔｉｖａｔｅｓｌｕｄｇｅ，ａｎａｅｒｏｂｉｃｄｉｇｅｓｔｅｄｓｌｕｄｇｅａｎｄａｅｒｏｂｉｃａｃｔｉｖａｔｅｓｌｕｄｇｅ，ｗｅｒｅｕｓｅｄａｓｉｎｏｃｕｌａｉｎｔｈｒｅｅｐａｒａｌｌｅｌＳＢＲｓｙｓｔｅｍｓｔｒｅａｔｉｎｇｔｙｐｉｃａｌｍｕｎｉｃｉｐａｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｉｔｗａｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅａｎａｅｒｏｂｉｃａｍｍｏｎｉａｏｘｉｄａｔｉｏｎ（ＡＮＡＭＭＯＸ）ｒｅａｃｔｏｒｓｃｏｕｌｄｂｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｓｔａｒｔｅｄｕｐａｆｔｅｒ１５０～１８０ｄａｙｓ’ｏｐｅｒａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅＮＨ＋４Ｎｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｏｆ８８％，８０％ａｎｄ８５％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ａｌｌｔｈｅＮＯ－２Ｎｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｏｆｔｈｅｓｅｒｅａｃｔｏｒｓｗｅｒｅｍｏｒｅｔｈａｎ９６％．Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙ，ｔｈｅｓｔａｒｔｕｐｐｅｒｉｏｄｏｆｔｈｅｓｅｅｄｉｎｇｓｌｕｄｇｅｓ，ｎａｍｅｌｙｔｈｅｍｉｘｅｄａｎａｅｒｏｂｉｃｄｉｇｅｓｔｅｄｓｌｕｄｇｅａｎｄａｅｒｏｂｉｃａｃｔｉｖａｔｅｓｌｕｄｇｅ，ｗａｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｔｈｅｓｈｏｒｔｅｓｔ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅａｂｏｖｅｍｉｘｅｄｓｌｕｄｇｅｃａｎｂｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄａｐｒｏｍｉｓｉｎｇｉｎｏｃｕｌｕｍｆｏｒｔｈｅｓｔａｒｔｕｐｏｆＡＭＡＭＭＯＸｒｅａｃｔｏｒ．犓犲狔狑狅狉犱狊：　ｉｎｏｃｕｌａ；　ｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅ；　ＳＢＲｒｅａｃｔｏｒ；　ａｎａｅｒｏｂｉｃａｍｍｏｎｉａｏｘｉｄａｔｉｏｎ；　ｓｔａｒｔｕｐ华东师范大学学报（自然科学版）２０１０年０　引　　言近年来，我国城市污水量逐年增加．氮素污染物是城市污水的主要处理对象之一，其有效处理对控制水体富营养化具有十分重要的意义．对于氮素污染物的治理，生物脱氮是最为经济有效的治理技术，其中厌氧氨氧化是最具代表性的生物脱氮工艺之一［１，２］．厌氧氨氧化工艺是目前已知最简捷和最经济的生物脱氮途径［３５］，是指在厌氧或缺氧条件下，厌氧氨氧化细菌以ＮＯ－２为电子受体，将ＮＨ＋４直接氧化为Ｎ２的过程［３］．与传统的脱氮工艺相比，厌氧氨氧化可节省４０％的运行费用，在已有污水处理系统的升级改造中具有潜在应用价值．但是，当今的厌氧氨氧化研究主要是在进水氨氮浓度较高的条件下进行的，低浓度氨氮条件下对厌氧氨氧化工艺的研究尚少．Ｋｕｙｐｅｒｓ等人［６］在黑海中发现的厌氧氨氧化菌，可以在低氨氮条件下顺利进行厌氧氨氧化反应．周凌，操家顺等［７，８］在氨氮浓度为１２ｍｇ／Ｌ条件下成功启动厌氧氨氧化．基于这些可行性研究，笔者以典型城市污水为研究对象，重点研究几种混合污泥接种诱导启动ＳＢＲ厌氧氨氧化装置过程中各种氮浓度的变化，探讨几种污泥配比启动厌氧氨氧化反应器的优劣，为厌氧氨氧化启动研究的开发应用，以及此技术在我国城市污水生物脱氮中的应用积累基础资料．１　实验装置与方法１．１　实验装置实验装置与工艺流程见图１，共有３套相同装置．其中的ＳＢＲ装置采用具上下嘴过滤瓶，分别称为Ｒ１，Ｒ２和Ｒ３．装置总体积为１Ｌ，液相有效容积为０．４Ｌ，其运行参数为进水０．５ｈ，厌氧２１ｈ，沉淀２ｈ，排水０．５ｈ，进水与出水均在严格隔绝空气的条件下进行．ＳＢＲ装置放在同一摇床中，控制温度在（３４±１）℃．装置用黑色材料包裹，以防光对厌氧氨氧化菌混培物的损害．图１　实验装置图Ｆｉｇ．１　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｐｐａｒａｔｕｓａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｓｃｈｅｍｅｃｈａｒｔ１．２　接种污泥和实验用水Ｒ１装置接种的污泥为某啤酒废水处理厂的ＵＡＳＢ装置中的厌氧颗粒污泥与某城市污水处理厂曝气池中的好氧污泥的混合污泥，按４∶１的比例接种于ＳＢＲ内，接种后的污泥浓度为１７．４２ｇ／Ｌ．Ｒ２装置接种污泥为上海某黑臭河道底泥与某城市污水处理厂曝气池中的好氧污泥的６４第６期林剑波，等：不同种源条件下厌氧氨氧化反应器的启动研究混合污泥，按４∶１的比例接种于ＳＢＲ内，接种后的污泥浓度为１１．５５ｇ／Ｌ．Ｒ３装置接种污泥为某城市污水处理厂消化池的厌氧消化污泥与曝气池的好氧污泥的混合污泥，按４∶１的比例接种于ＳＢＲ内，接种后的污泥浓度为９．３ｇ／Ｌ．实验废水采用上海市天山污水厂初沉池生活污水，氨氮浓度约为２５ｍｇ／Ｌ，亚硝氮浓度经人工添加提高到２５ｍｇ／Ｌ左右．１．３　分析方法［９］氨氮含量采用纳氏试剂比色法测定，亚硝酸盐氮含量采用Ｎ（１萘基）乙二胺光度法测定，硝氮含量采用紫外分光光度法，ｐＨ值用ｐＨ３ＴＣ测定，其余常规分析项目均按标准法测试．２　结果与讨论生物装置的启动过程，实质上是装置内微生物在特定生境条件下的活化、选择和增殖过程．由于厌氧氨氧化菌生长缓慢的特点，减少装置内生物量的流失显得尤为重要．ＳＢＲ装置的运行特点决定了它更易于实现有效的生物截留［１０，１１］．２．１　Ｒ１装置的启动运行Ｒ１装置启动期间，进出水氨氮、亚硝氮及出水硝氮的历时变化见图２．Ｒ１，Ｒ２和Ｒ３进水中主要成分浓度均为：氨氮（２５±１）ｍｇ／Ｌ，亚硝氮（２５±１）ｍｇ／Ｌ，硝氮７．８ｍｇ／Ｌ，ＣＯＤＣｒ１６０ｍｇ／Ｌ左右．由图２可见，Ｒ１装置启动阶段的前一个半月出水水质变化波动较大，后一个半月内，各项出水指标趋于稳定．如图２可看出，在Ｒ１装置运行的前１５天内与普通厌氧装置相似，出水氨氮浓度高于进水浓度，而亚硝氮出水浓度很低，基本在１ｍｇ／Ｌ以下，出水硝氮浓度也较低且变化不明显．前１５天内Ｒ１装置出水氨氮浓度高于进水的原因可能在于［１２，１３］：原污泥中的异养反硝化菌对污泥中的有机物进行内源降解，有机氮发生氨化，产生大量氨氮，与此同时，异养反硝化菌利用污泥中的有机物作为碳源进行反硝化，使得出水的亚硝氮含量很低．随后在３９ｄ左右出现了另一个氨氮峰值，原因可能是污泥对氨氮的吸附达到饱和后释放氨氮造成的．随着运行时间的进一步延长，Ｒ１装置出水的氨氮浓度逐渐降低，到１００ｄ时为３ｍｇ／Ｌ左右．图２　Ｒ１反应器水质变化情况Ｆｉｇ．２　ＷａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｃｈａｎｇｅｓｏｆＲ１ｒｅａｃｔｏｒ７４华东师范大学学报（自然科学版）２０１０年如图３所示，在整个启动运行期间，Ｒ１装置的出水亚硝氮去除率总体上呈下降趋势，而氨氮去除率却分阶段逐渐提高．启动运行初期，反硝化菌可利用的碳源越来越少，致使反硝化作用逐渐减弱，厌氧氨氧化作用逐渐增强，故出水氨氮浓度有所减少，亚硝氮浓度相对升高．到运行中后期，随着厌氧氨氧化菌富集程度逐渐加大，装置出水亚硝氮去除率又慢慢上升，此时装置内的主导反应逐步由反硝化反应转变为厌氧氨氧化反应．到第９０天左右，氨氮与亚硝氮去除率基本稳定在８０％和９８％以上，并最终稳定在８８％左右．此时，污泥颗粒粒径、浓度、沉降性及颜色都发生了变化，污泥颜色逐渐由灰黑色转变成棕褐色（见图４），形成厌氧氨氧化颗粒污泥．由于微生物内源呼吸作用，反应器中颗粒污泥的粒径开始逐渐变小，沉降性能变差，表现为ＳＶＩ值变大．图３　Ｒ１反应器氨氮与亚硝氮的去除率Ｆｉｇ．３　ＮＨ＋４ＮａｎｄＮＯ－２ＮｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆＲ１ｒｅａｃｔｏｒ图４　污泥照片Ｆｉｇ．４　Ｐｈｏｔｏｓｏｆｓｌｕｄｇｅ在Ｒ１装置启动运行的后期（约１００ｄ），氨氮去除率可达８９％，亚硝氮去除率稳定在９８％以上，ＮＯ－２Ｎ／ＮＨ＋４Ｎ的比率为１．１０，与报道的１．３２接近［１４］．而硝氮最终浓度为４．６６ｍｇ／Ｌ，据报道［１５］，厌氧氨氧化反应会产生少量的硝氮（氨氮去除量的２６％），相当于５．７２ｍｇ／Ｌ硝氮，加上进水原有的７．８ｍｇ／Ｌ，理论上应有１３．５２ｍｇ／Ｌ的硝氮．但实际上只８４第６期林剑波，等：不同种源条件下厌氧氨氧化反应器的启动研究有４．６６ｍｇ／Ｌ，这可能是由于反硝化和厌氧氨氧化作用造成的．２．２　Ｒ２装置的启动运行Ｒ２装置与Ｒ１装置运行条件相同，也采用典型城市污水为进水，且加入亚硝酸盐以诱导厌氧氨氧化反应．Ｒ２装置启动运行期间，各水质指标变化及去除率如图５和图６所示．进水氨氮与亚硝氮浓度基本平均在２５ｍｇ／Ｌ左右．图５　Ｒ２反应器水质变化情况Ｆｉｇ．５　ＷａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｃｈａｎｇｅｓｏｆＲ２ｒｅａｃｔｏｒ图６　Ｒ２反应器氨氮与亚硝氮的去除率Ｆｉｇ．６　ＮＨ＋４ＮａｎｄＮＯ－２ＮｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆＲ２ｒｅａｃｔｏｒ在Ｒ２装置启动初期，氨氮浓度变化波动很大，有３次峰值，分别是３２．７５，２９．０５和３１．７９ｍｇ／Ｌ，但总体上波动幅度不大．而且，与Ｒ１相比，在Ｒ２启动运行初期氨氮的去除率较高，２１～３３ｄ期间去除率平均可达５０％，这可能是由于河泥中含有较多的无机成分，其中某些无机成分对氨氮具有吸附作用，使得Ｒ２装置在启动初期就获得了相对较高的氨氮去除率［１６］．但随着污泥的吸附达到饱和又出现了氨氮浓度的再次升高，而且在随后的３０ｄ中氨氮去除率没有明显的提高，基本维持在１５％左右；第６３天氨氮浓度开始大幅下降，６３～１０５ｄ期间氨氮去除率稳步上升，从３８％增加到６０％左右，此时反硝化作用逐渐减弱，厌氧氨氧化作用开始增强；在１０５～１５０ｄ期间，氨氮缓慢增长并基本稳定在９４华东师范大学学报（自然科学版）２０１０年８０％左右．同时，在Ｒ２运行初期，其亚硝氮浓度变化幅度比Ｒ１大，出现两次峰值，分别为７．１５ｍｇ／Ｌ和９．８３ｍｇ／Ｌ．在１～３０ｄ期间，亚硝氮的去除率平均只有８５％左右，第３９天之后，亚硝氮去除率才基本稳定，保持在９８％以上．与此同时，硝氮浓度由初期的０．５ｍｇ／Ｌ升高到最后的８．２ｍｇ／Ｌ，比进水的７．８ｍｇ／Ｌ要高０．５ｍｇ／Ｌ．厌氧氨氧化会产生一定量的硝氮，而反应器中存在的反硝化作用同时也会消耗一定的硝氮，这就导致了硝氮浓度存在０．５ｍｇ／Ｌ的升高．此时，