厌氧氨氧化反应器的快速启动和脱氮性能研究

厌氧氨氧化反应器的快速启动和脱氮性
能研究
摘要：为了实现厌氧氨氧化反应器快速启动，本研究以UASB反应器中厌氧污泥为接种污泥，设定进水NO2+-N、NH4+-N的质量浓度比为1.3，逐步提高进水负荷，在改进的升流式厌氧反应器上进行快速启动实验。

反应器运行后期，进水NH4+-N、NO2--N的质量浓度分别提升至230mg/L、300mg/L，NLR为2.12kgN/
（m3·d），TN去除率达到84.7%，∆NO3--N/∆NO4+-N维持在0.24-0.26之间，∆NO2--N/∆NO4+-N维持在1.31-1.33之间，均与厌氧氨氧化反应的理论值相符；厌氧氨氧化污泥由初期粒径0.3mm以下占比63.9%的小粒径污泥，提升为粒径大于
1.0mm占比67.1%的沉降性好的优质颗粒污泥，污泥颗粒的粒径与反应器的脱氮性能呈正向相关。

历经49d，系统具有稳定的脱氮性能，氧氨氧化反应器启动成功。

关键词：厌氧氨氧；快速启动；脱氮；颗粒污泥
厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation，Anammox)是一种新型的生物脱氮技术，该过程不需要额外添加碳源，也不需要曝气，而且在运行过程中污泥产量较少、脱碳效率高[1]。

厌氧氨氧化是利用厌氧氨氧化菌(AnAOB)在缺氧或厌氧的环境条件下，以CO2作为碳源，以NO2--N为电子受体，NH4+-N为电子供体，两者作用转化生成N2溢出的过程[2]。

反应器的快速启动成为了厌氧氨氧化工艺应用需要面对的重要挑战。

目前，已有一些文献报道了厌氧氨氧化反应器快速启动的实例。

季军远等[3]以絮状厌氧硝化污泥为接种污泥，经过25d成功启动Anammox-UASBA反应器。

李芸等[4]以厌氧氨氧化颗粒污泥和亚硝化絮状污泥的混合污泥为接种污泥，实验表明接种不同的污泥对厌氧氨氧化反应的启动会产生不同的影响。

基于此，本研究以改进的升流式厌氧反应器作为实验对象，以UASB厌氧反
应器中厌氧污泥为接种污泥，采用高分子材料作为填料。

通过逐步提高进水基质
浓度分析启动过程中各基质的变化规律、污泥特征和稳定运行时脱氮性能，探讨
厌氧氨氧化反应器快速启动的可能性。

1材料与方法
1.1接种污泥
从实验室的UASB厌氧反应器中取黑色的厌氧污泥，用自来水冲洗3次，去
除泥中所含的营养物质。

接种污泥的MLSS为5000mg/L，接种量为1.2L。

1.2实验废水
本研究采用模拟废水进行实验。

其成分和质量浓度分别为：KH2PO4为
9.4mg/L，MgSO4·7H20为310mg/L，CaCl2为5.1mg/L，KHCO3为500mg/L，微量元
素溶液2ml/L（微量元素溶液为：CoCl290mg/L，NiCl·6H2O 5mg/L，ZnCl270mg/L，CuSO·5H2O30mg/L，FeSO42000g/L，MnCl2·4H2O500mg/L，EDTA1000mg/L）pH调节至7.5±1。

NO2−-N和NH4+-N由NH4Cl和NaNO2提供。

1.3实验装置与运行条件
实验在改进的升流式厌氧反应器中进行，如图1所示。

厌氧氨氧化反应器由
有机玻璃制成，整体呈圆柱状，外部用避光保温垫密布式包裹。

反应区高度为
50cm，内径为8cm，有效容积为3.5L。

在反应区中部放有高分子填料，填充率
（体积比）为30%。

反应器外壁有恒温水加热套，温度控制在40℃，使得反应器
内温度维持在32℃±2℃。

整个运行过程设置为4个阶段，NO2+-N和NH4+-N的质量浓度比设定为1.3。

阶段Ⅰ进水的TN为115mg/L，待反应器适应后提高TN浓度至210mg/L。

阶段Ⅱ
进水的TN为345mg/L。

阶段Ⅲ和阶段Ⅳ进水的TN为530mg/L。

在运行过程中，
检测进出水指标，观察污泥状态调整运行指数。

水力停留时间设置为6h。

图1 反应器示意图
1.4样品采集及分析方法
每天取厌氧氨氧化反应器出水，根据《水和废水监测分析方法》第四版[5]中
的方法测定水质。

其中NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法；NO3--N采用紫外分光光
度法；NO2--N采用（1-萘基）-乙二胺分光光度法。

从反应器各取样口收集污泥，混合后采用重量法测定MLSS；不同目数的筛网测定污泥粒径，污泥状态采用光学
显微镜观察。

2结果与讨论
2.1厌氧氨氧化反应器的启动特征及脱氮性能
厌氧氨氧化反应器的启动时间共49d，整个过程经历了初始期（阶段Ⅰ）、
过渡期（阶段Ⅱ）、提升期（阶段Ⅲ）和稳定期（阶段Ⅳ）４个阶段，厌氧反应
器的脱氮情况如图2所示。

在阶段Ⅰ（1d-9d），因为相对于NH4+-N来说，AnAOB对NO2--N更为敏感，
高浓度的NO2--N会对AnAOB产生明显抑制，所以NO2+-N和NH4+-N的质量浓度比
设置为1.3[6-7]。

在阶段Ⅰ初期进水的NH4+-N和NO2--N的质量浓度分别为50mg/L、65mg/L，NLR为0.46kgN/（m3·d），NH4+-N去除率在35％以下，NO2--N去除率在30%以下，NO3--N浓度接近于零，则认为没有出现厌氧氨氧化反应[8-9]。

为了诱导
厌氧氨氧化反应的发生，继续提高NH4+-N和NO2--N的质量浓度为100mg/L、
103mg/L，此时的NLR为0.852kgN/（m3·d），第9d时NO3--N出现累积，NH4+-N
和NO2--N的去除率升高，分别为70.7%和65.5%，说明厌氧氨氧化反应开始出现。

阶段Ⅱ（10d-28d），提升NH4+-N和NO2--N的质量浓度分别至150mg/L、
195mg/L，NLR升至 1.38kgN/（m3·d）。

提升负荷初期，因为反应系统收到冲击，TN去除率急剧下降，继续运行4d，系统适应有机物的变化，去除性能逐渐好转。

至28d时，NH4+-N和NO2--N的去除率分别为78.6%、75.6%，出水NO2--N为
23mg/L，∆NO3--N/∆NH4+-N为0.23，趋近于厌氧氨氧化的理论值0.26，∆NO2--
N/∆NH4+-N为1.27，接近于理论值1.32，说明厌氧氨氧化已占据主导地位[10]。

阶段Ⅲ（29d-40d），继续提升NH4+-N和NO2--N的质量浓度分别至230mg/L、300mg/L，NLR升高至2.12kgN/（m3·d）。

此时系统的NH4+-N和NO2--N的去除性能迅速下降，NO2--N的去除率降低至46%，TN去除率降低至45.6%，出水NO3--N
累积减少至19mg/L。

分析原因是基质的高浓度对厌氧氨氧化反应产生了明显的抑制，系统恶化。

在本阶段反应器的抗冲击性能明显增强，经过短暂的波动后，脱
氮性能开始恢复。

此阶段的末期，NH4+-N的和NO2--N的去除率均达到90%以上，
∆NO3--N/∆NO4+-N达到0.25。

微生物逐渐适应了高负荷，厌氧氨氧化反应的效果明显开始提升。

阶段Ⅳ（29d-40d），为了获得稳定的脱氮性能，在此阶段保持进水NH4+-N
和NO2--N的质量浓度不变，进水负荷NLR仍然为2.12kgN/（m3·d）。

由图可见，NH4+-N的去除率达到94.0%，NO2--N的去除率达95.7%，出水NO3--N稳定在
53mg/L左右，∆NO3--N/∆NO4+-N维持在0.24-0.26之间，∆NO2--N/∆NO4+-N维持在
1.31-1.33之间，均与厌氧氨氧化反应的理论值相符。

在本阶段，系统具有稳定
的脱氮性能，表明厌氧氨氧化反应器启动成功并且具有较高的脱氮效率。

图2 反应器启动过程中的特征趋势
2.2反应器启动过程中污泥特性变化
在厌氧氨氧化反应器下部设置污泥区，占有效容积的60%。

控制上升水流速度，以形成沉降性能良好的颗粒污泥，污泥的颗粒对脱氮性能起着重要的作用。

中部的高分子填料区占有效容积的30%，既能防止污泥和微生物的流失，又能提高反应器的抗负荷能力。

对在厌氧氨氧化反应器启动期间的污泥进行观察和测定。

在阶段Ⅰ末期
（9d），粒径<0.3mm的污泥，占总污泥量的63.88%，可见厌氧氨氧化反应器处于启动的初期，污泥粒径较小。

在阶段Ⅱ末期（28d），粒径<0.3 mm的污泥占比降至46.32%，粒径在1.0 mm-1.7 mm的污泥占比由2.12%上升至15.63%，粒径>1.7的污泥占比3.42%，可见污泥粒径逐渐增大，厌氧氨氧化反应器的去除性能开始上升。

在阶段Ⅲ末期（40d），粒径在1.0mm-1.7mm之间的污泥量为
28.28%，首次超过粒径在0.3mm-1.0mm之间的污泥量，粒径>1.7的污泥占比增大至15.24%，而粒径<1.0的的污泥量相对于阶段Ⅱ来说减少了30%，可见随着厌氧氨氧化反应器的运行，污泥的粒径有了明显的增大。

在阶段Ⅳ末期（40d），粒径<0.3mm的污泥占比仅为13.22%，粒径在1.0mm-1.7mm之间的污泥量最大为
41.59%，粒径>1.7mm的污泥占比增大至25.49%，可见，随着厌氧氨氧化反应效果的提升，微生物污泥分泌的胞外物质将活性污泥聚集起来，小颗粒污泥逐渐增大，颗粒污泥稳定性增强，反应器高效运行。

3结论
本研究在改进的升流式厌氧反应器中接入厌氧污泥，进水NO2+-N和NH4+-N的质量浓度比设定为1.3，逐步提高进水负荷，考察了进出水指标数值变化、脱氮性能、污泥颗粒情况。

阶段Ⅰ的NLR为0.46kgN/（m3·d），TN去除率仅为32.2%。

经过40d的运行，在进水NLR为2.1kgN/（m3·d）时，TN去除率提高到81.7%，厌氧氨氧化反应的效果明显开始提升。

继续运行9d，TN去除率保持在84.5%左右。

历时49d，厌氧氨氧化反应器成功启动。

在阶段Ⅰ，污泥颗粒粒径<0.3mm的污泥，占总污泥量的63.88%。

在厌氧氨氧化反应器运行期间，小颗粒污泥逐渐增大，在阶段Ⅳ末期，粒径>1.0mm的污泥颗粒占比上升至总泥量的67.1%，而且该污泥具有良好的沉降性能。

可见，在粒径0.3-1.7mm之间，污泥颗粒的粒径与反应器的脱氮性能呈正向相关。

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河北省省级科技计划资助：天俱时工程科技集团有限公司河北省院士合作重点单位。