高负荷厌氧氨氧化反应器的研究进展姬玉欣

CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS2013年第32卷第8期·1914·化工进展高负荷厌氧氨氧化反应器的研究进展姬玉欣，诸美红，陈辉，倪伟敏，金仁村（杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江杭州310036）摘要：剖析了常见的高负荷厌氧氨氧化反应器的构型特点，归纳了颗粒污泥反应器（上流式厌氧污泥床、膨胀颗粒污泥床和气提式反应器）、生物膜反应器和复合式反应器的优缺点。系统总结了高负荷厌氧氨氧化反应器的调控要点，包括操作条件（负荷、回流等）调控、环境条件（pH值、温度、溶解氧等）调控、营养物质（基质比、钙离子浓度、无机碳源等）调控、抑制剂调控和微生物（接种源、优势种、聚集体、生物量和活性等）调控。最后指出，实现高负荷厌氧氨氧化反应器全面应用的关键是突破复杂水质障碍和在低温条件下进行有效调控。关键词：厌氧氨氧化；高负荷；调控；操作条件；环境因素中图分类号：X703文献标志码：A文章编号：1000–6613（2013）08–1914–08DOI：10.3969/j.issn.1000-6613.2013.08.034Researchprogressofhigh-loadedANAMMOXreactorsJIYuxin，ZHUMeihong，CHENHui，NIWeimin，JINRencun（CollegeofLifeandEnvironmentalSciences，HangzhouNormalUniversity，Hangzhou310036，Zhejiang，China）Abstract：Thisstudyanalyzedtheconfigurationofsomecommonhigh-loadedANAMMOXreactors，anddissectedmeritanddemeritofgranularsludgebedreactors，includingGranularsludgereactors(upflowanaerobicsludgebed，expandedgranularsludgebedandgas-liftreactor)，biofilmreactorsandhybridanammoxreactors.Thispaperalsosummarizeddetailedprocesscontrolregulations，includingoperatingconditions(load，reflux)，environmentalfactors(pH，temperature，dissolvedoxygenandsoon)，nutrients(theratioofsubstrate，theconcentrationofCa2+，inorganiccarbon)inhibitorsandmicroorganism(thesourceofsludge，dominantspecies，aggregation，biomassandtheactivity).Thekeyfactorofextensiveapplicationofthehigh-loadedANAMMOXreactorsisovercomingthebarrierofcomplexwastewaterandregulatingreactionconditionsatlowambienttemperature.Keywords：ANAMMOX；high-loaded；regulation；operatingconditions；environmentalfactors厌氧氨氧化是在缺氧条件下，以氨为电子供体，亚硝酸盐为电子受体，由一类自养型微生物催化完成的反应[1]。厌氧氨氧化工艺因其节约能耗、无需有机物、节省成本而备受众多学者青睐。目前，厌氧氨氧化工艺已成功用于处理垃圾渗滤液、味精废水、猪场废水、污泥消化液等高氨氮废水，效果显著[2-7]。高脱氮效率是厌氧氨氧化工艺的显著优势。世界上第一个工业化的厌氧氨氧化工艺的总氮去除速率（NRR）可达到9.5kg/(m3·d)[3]。尽管如此，现有的工业化和实验室规模的高负荷反应器仍存在反应器运行不稳定问题，需进一步优化。本文作者在对国内外文献进行分析的基础上，对高负荷厌氧氨氧化反应器（一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器除外）的构型进行了总结，对反应器的调控要点进行了分析，并对相关研究进行了展望，以期为高负荷反应器的应用提供理论依据。收稿日期：2013-01-24；修改稿日期：2013-03-11。基金项目：国家自然基金（51078121）、国家级大学生创新创业训练计划（201210346001）及杭州市科技发展计划（20091133B06）项目。第一作者：姬玉欣（1988—），女，主要从事水污染控制工程研究。[e-mail]。联系人：金仁村，副教授，博士，主要从事环境生物技术和水污染控制工程研究。[e-mail]。进展与述评第8期姬玉欣等：高负荷厌氧氨氧化反应器的研究进展·1915·1高负荷厌氧氨氧化反应器的种类及构型分析厌氧氨氧化反应器的种类及构型会影响厌氧氨氧化菌（AnAOB）的富集，厌氧氨氧化过程的启动，反应器的运行稳定性及处理效果[8]。理想的厌氧氨氧化反应器应满足：①维持足够的生物量；②稳定可靠运行；③严格厌氧、避光；④无死角区或局部高基质浓度区；⑤传质性能好。高效厌氧氨氧化反应器的构型本质上有颗粒污泥和生物膜两种形式，颗粒污泥会由于气泡围困在气室和气体隧道堵塞导致污泥上浮。生物膜载体则导致有效体积减少。常见的高负荷厌氧氨氧化反应器有上流式厌氧污泥床（UASB）、膨胀颗粒污泥床（EGSB）、上流式膜生物反应器（UBF）、内循环反应器（IC）等。许多学者利用不同的反应器获得了超过10kg/(m3·d)的NRR值。具体情况如表1、表2所示。1.1颗粒污泥反应器1.1.1UASBUASB因可形成沉降性能良好的高活性颗粒污泥、投资省、处理效果好等优势广受青睐。唐崇俭表1高负荷厌氧氨氧化反应器运行条件及工况参数（1）反应器类型有效容积/L接种污泥废水类型NLR/kg·(m3·d)-1NRR/kg·(m3·d)-1优势菌参考文献EGSB1.1实验室成熟的厌氧氨氧化污泥模拟废水60.750.8—[9]上流式固定床生物膜柱状反应器0.8反硝化污泥模拟废水58.526.0CandidatusBrocadiaanammoxidans[10]UASB1.1纸浆废水处理厂的厌氧颗粒污泥模拟废水137.176.7球菌[11]EGSB8实验室反应器的颗粒污泥模拟废水17.216.5—[12]上流式柱状反应器5.8—模拟废水20.517.5淡水型ANAMMOX菌KU2[13]UBF8味精废水处理厂污泥模拟废水34.5——[14]EGSB1实验室ANAMMOX反应器中的污泥模拟废水22.8718.65CandidatusKueneniastuttgartiensis[15]UASB1.1实验室ANAMMOX反应器中的污泥模拟废水—13.92球菌[16]上流式柱状反应器5.880%来自上流式固定床，20%来自上流式固定床柱状反应器的泥模拟废水14.811.8KU2[17]UASB1实验室ANAMMOX反应器出水污泥模拟废水2622.6球菌[18]表2高负荷厌氧氨氧化反应器运行条件及工况参数（2）pH值温度/℃Ca2+浓度/mg·L−1基质比（NO2−-N/NH4+-N）HRT/h回流比NO2−-N最高浓度/mg·L−1参考文献6.835±11.5—0.30.5360[9]7.0～7.537491.330.2—460[10]6.8～7.035±11.510.11—240[11]7.035±11.51.0421248[12]7.223±2—0.911.0—436[13]7.035±11.51.311.5441280[14]6.8～7.035±1491.161.56767[15]6.8～7.035±181.6—0.83—240[16]7.1±0.233±1——1.5—460[17]8.21±0.4135±11.512.7—210[18]化工进展2013年第32卷·1916·等[11]采用有效容积为1.1L的UASB处理模拟废水，接种厌氧颗粒污泥进行厌氧氨氧化反应，在水力停留时间（HRT）=0.11h的条件下，获得NRR为76.7kg/(m3·d)，污泥活性（SAA）为5.6kg/(kgVSS·d)。阳广凤等[18]利用有效容积为1L的UASB，接种实验室厌氧氨氧化反应器的出水污泥，处理模拟废水，获得NRR为22.6kg/(m3·d)，SAA为0.247kg/(kgVSS·d)。1.1.2EGSBEGSB是改良的UASB，在上升水流的作用下颗粒污泥床剧烈膨胀，形成较好的传质条件且不易堵塞。但颗粒污泥碰撞频繁而剧烈，易流失，所需能耗较高，需较高的运行和设计水平。唐崇俭等[9]利用有效容积为1.1L的EGSB接种实验室成熟的厌氧氨氧化污泥处理模拟废水时，当HRT=0.3h、亚硝氮浓度为360mg/L时，可获得NRR为50.75kg/(m3·d)，SAA为1.732kg/(kgVSS·d)。陈建伟等[12]利用有效容积为8L的EGSB接种实验室反应器的颗粒污泥处理模拟废水时，当进水亚硝氮浓度为247.7mg/L时，可获得NRR为16.5kg/(m3·d)。1.1.3气提式反应器气提式反应器具有优良的传质能力[19]。Sliekers等[20]利用气提式反应器接种厌氧氨氧化序批式反应器中的污泥处理模拟废水时，可获得NRR为8.9kg/(m3·d)。1.2生物膜反应器上流式膜生物滤池（UBF）属于第三代厌氧反应器。其污泥龄较长，能较好适应水质水量的变化，生物持流量大，传质条件好。但颗粒污泥不稳定，易流失。陈建伟等[14]利用有效体积为8L的UBF接种味精废水处理厂的污泥处理模拟废水时，当HRT=1.54h、亚硝氮浓度为1280mg/L时，可获得NLR为34.5kg/(m3·d)，SAA为1.012kg/(kgVSS·d)。1.3复合式反应器复合式反应器可结合流化床、固定床、颗粒污泥床等反应器的优势，并能有效控制污泥上浮。Ma等[21]利用固定床和流动床耦合的复合反应器，接种实验室成熟的厌氧氨氧化污泥，当总氮浓度为600mg/L、HRT为0.4h时，反应器可获得NRR为20.7kg/(m3·d)，通过搅拌，反应器内形成了具有良好沉降性能的颗粒污泥。但对于水力剪切力影响的研究仍不深入。2高负荷厌氧氨氧化反应器的调控要点2.1操作条件调控2.1.1负荷调控厌氧氨氧化反应器向高负荷趋势调控有3种途径：①保持HRT不变，逐步增大基质浓度；②保持基质浓度不变，逐步缩短HRT；③同时提高基质浓度和缩短HRT。在具体的操作中，在试验的不同阶段可根据实际情况采用针对性的方法。HRT变化会影响水力负荷、水力剪切力[22]、上升流速、厌氧氨氧化反应的化学计量关系[23-24]等。HRT越短，水力负荷增大，水力剪切力强度加大，容易导致污泥冲洗。基质浓度调节时，需注意基质的抑制效应。氨和亚硝酸盐都会抑制厌氧氨氧化活性。和氨相比，亚硝酸盐抑制更易发生[25-26]。亚硝氮浓度对于维持系统稳定性起着关键作用，且浓度高时会对微生物产生强烈抑制[27-28]。然而，亚硝氮影响的机理还不清楚，学者在不同的试验条件和操作模式下所报道的亚硝氮的抑制阈值也差异较大，在5～274mg/L之间[27，29]。Strous等[1]认为亚硝氮超过100mg/L时就会完全抑制厌氧氨氧化反应。Egli等[30]发现亚硝氮超过185mg/L时会导致AnAOB失活。此外，高浓度氨氮诱发的游离氨抑制也不可忽略，Waki等[31]通过试验推断出当游离氨浓度为13～90mg/L时可产生抑制作用，据Fernández等[32]观测，厌氧氨氧化反应器在游离氨浓度为35～40mg/L下长期运行会完全丧失功能。唐崇俭等[