新型生物脱氮技术的工艺研究
胡宝兰 郑平 冯孝善
摘 要 以上流式厌氧污泥床反应器（UASB）作为厌氧氨氧化(anammox)反应器，用无机盐培养液完成了反应器的启动，并稳态运行的anammox反应器.以无机盐培养液进行反应器的启动.将硝化反应器和anammox反应器组合在一起构成新型生物脱氮系统，以硝化反应器的出水作为anammox反应器的进水，同时补充相应数量的NH4+(N当进水NH4+-N和NO2并且对高浓度的NH4+(N去除具有较大的潜力.((N浓度分别为392mgN/L和420mgN/L时；二者去除率分别可达96.4%和99.2%，NH4+(N容积去除率为774mgN/L(d，NO2((N容积去除率为854mgN/L(d，容积产气率为1231ml/L(d.NH4+(N∶NO2((N去除摩尔比为1∶1.123.采用生物膜反应器作为生物硝化反应器，稳态运行反应器，平均NOX((N产生与NH4+(N利用摩尔比为1∶1.05.反应器最高NH4+(N容积去除率可达501mgN/L(d，平均NH4+(N去除率为90.3%，平均出水NOX((N浓度保持在293mgN/L左右..整个系统的总氮容积去除率可达1577mgN/L(d.该新型生物脱氮系统能同时去除NH4+(N和NOX((N，关键词：厌氧氨氧化，生物硝化，反应器，新型生物脱氮.
Fundamental study on novel biological nitrogen removal process
Hu Bao Lan，Zheng Ping，Feng Xiao Shan
(Department of Environmental Protection，Zhengjiang University，Hangzhou 310029)
Abstract Denitrification with ammonium as direct electron donor is a new biological reaction，and it has been given the name "anaerobic ammonium oxidation"(anammox)．Which can remove ammonium and nitrite simultaneously．A upflow anaerobic sludge bed reactor as anammox reactor was started up with synthetic medium which contained ammonium and nitrite．The steady-state performance were when the reactor operated at ammonium concentration 392mgN/L and nitrite concentration 420mgN/L,the removal of ammonium and nitrite achieved 96.4 % and 99.2%，ammonium and nitrite volumetric removal rates was 774 mgN/L(d and 854 mgN/L(d respectively，resulting in 1231 ml/ L(d of the volumetric biogas rate．The ratio of ammonium conversion to nitrite conversion (mol : mol) was 1:1.123.The experiment of nitrification was studied in contact bioreactor with synthetic medium as influent，the ammonium concentration gradually increased from 70mgN/L to 350 mgN/L．The performances of reactor were: the ammonium volumetric removal rate could reach 501mgN/ L(d，average ammonium removal rate was 90.4%，and average effluent nitrate concentration was about 293.2mgN/ L(d．The novel biological nitrogen removal system was combined by the nitrification process and the anammox process．In this system，average ammonium and nitrite volumetric removal rate were 474mgN/ L(d and 505mgN/ L(d，respectively．The total nitrogen loading removal rate could reach 1577mgN/ L(d．The present results indicated that this novel nitrogen removal system exhibited a great application in treatment containing high concentration ammonium wastewater.
Key words: anaerobic ammonium oxidation，nitrification，bioteactor，novel biological dinitrification
随着氮素污染的加剧，脱氮技术的研究和应用引起了人们的关注.对于氮素污染的控制，目前主要是采用生物脱氮技术，即通过联合的硝化和反硝化工艺，将废水中各种形态的氮转化为气态氮（N2O、N2等）逸出水体而得到净化[1].硝化和反硝化是两个相互对立的生化反应.硝化反应借助硝化细菌的作用，将氨氧化为亚硝酸、硝酸，需要氧的有效供给，要在有氧环境下进行；而反硝化反应则借助于反硝化菌的作用，把硝酸还原为亚硝酸，进一步还原为氮气，只有在无氧条件下，该反应才能顺利进行[2].此外，当环境中存在有机物时，自养型硝化细菌对氧和营养物质的竞争能力劣于异养型微生物[3]，其生长速度很容易被异养型微生物超过，并因而难以在硝化反应中发挥应有的作用；但要使反硝化反应顺利进行，则必须为反硝化菌提供合适的电子供体（通常为有机物如甲醇等）[4].最近发现，氧可直接作为电子供体进行反硝化反应，并称之为厌氧氨氧化（anammox）[5].随后进一步证实，anammox过程是一个微生物学的过程[6].在anammox过程中，以NO2-、NO3-作为电子受体，从而氨被转化为氮气.由于anammox过程是自养的，因此不需要另加的COD来支持反硝化作用，免去了反硝化反应所需的外源电子供体.而且，如果把anammox过程与一个前置的硝化过程结合在一起，那么硝化过程只需将部分的NH4＋氧化为NO2-，anammox过程会把剩余的NH4＋与NO2-结合而产生N2，这将减少硝化反应器中氧气的需求而降低充氧能耗；而且还可改善硝化反应产酸、反硝化反应产碱而均需中和的情况，这对控制化学试剂消耗、防止可能出现的二次污染具有重要意义.anammox过程的生物量是极低的，通常仅产生少量的污泥，低的污泥产量使anammox过程比传统硝化系统的运行费用明显要低得多[7].所有的这些特性使anammox过程成为有效去除高浓度含氨废水的理想工艺选择.
鉴于理论上anammox的潜在优点，作者用培养液研究了anammox反应器的启动和运行性能；并将生物硝化反应器与anammox反应器组合成新型生物脱氮系统，评估该脱氮系统的可行性.
1．材料与方法
1.1 试验装置 采用上流式厌氧污泥床（UASB）作为anammox反应器（R2），如图1所示，反应器采用玻璃管制成，高47cm，内径6.5cm，总容积1.26L，有效容积0.98L.装置中添加少量活性氧化铝颗粒（直径1－3mm）作为微生物附着的载体.整个反应器用黑布包裹，以防光对anammox混培物的损害.以好氧生物膜反应器作为生物硝化反应器（R1），如图2所示，反应器用玻璃管制成，高60cm，内径6.0cm，总容积1.46L，有效容积1.26L.采用软性填料作为微生物附着的载体.
图1．Anammox反应器装置
Fig1 Anammox fluidized reactor
1．进水贮瓶；2．进水蠕动泵；3．回流蠕动泵；4．anammox反应器；5.气、液、固三相分离器；6．出水贮瓶；7．气体流量计；8．取样口
图2．固定生物膜硝化反应器
Fig 2 Fixed biofilm nitrification reactor
1．进水贮瓶；2．进水蠕动泵；3．静劲泵；4．曝气头；5．软性填料；6．生物膜反应器；7．沉淀池；8．出水贮瓶；9．取样口
1.2 anammox反应器的启动和运试
在anammox反应器中投加600ml取自钱江啤酒厂氧化沟反应器的好氧污泥作为接种污泥，并于30℃的恒温条件下，用合成培养基（70mgN/L-1 NH4+，70mgN/L-1NO2-，pH7.5）进行连续培养，借助回流缓和基质的抑制作用.启动所用的水力停留时间（HRT）为2d.通过增加基质浓度来提高反应器负荷，直至完成启动．启动完成后，维持基质浓度（420mgN/L-1NH4+，420mgN/L-1NO2-）不变，逐步加大进水量，缩短HRT，试验anammox反应器能承受的负荷.
1.3 anammox反应器污泥结构性状
随机从anammox反应器中取污泥样品，污泥用清水冲洗后，经固定，冲洗，脱水后，用HCP-2临界点干燥仪进行临界点干燥.干燥好的样品用IB-5离子溅射仪进行金属镀膜，样品制备完毕后，在KYKY-1000B扫描电镜上观察.
1.4 生物硝化反应器的启动和运试
用700ml取自钱江啤酒厂氧化沟反应器的好氧污泥作为硝化反应器的接种污泥，以含70mgN/L-1NH4+-N的基本无机盐培养基作基质，在30℃，pH7.5的条件下连续运行反应器，用静劲泵连续供氧，以保证有充足的溶解氧.通过增加进水NH4+-N浓度驯化硝化菌，启动生物硝化反应器.启动所用的水力停留时间（HRT）为2d.完成启动后，保持进水NH4+-N浓度（350mgN/L-1）不变，降低HRT，增加反应器的负荷，使其能满足构建新型生物脱氮系统的需要.
1.5 新型生物脱氮系统
将生物硝化反应器与anammox反应器组合在一起，构成新型生物脱氮系统.在该系统中，以生物硝化反应器出水中的硝酸盐作为anammox反应的电子受体，并添加相应数量的NH4+-N，进行NH4+-N的厌氧氧化.
1.6 测定项目与方法
氨氮：苯酚-次氯酸显色法[8]；亚硝酸盐：N-（1-萘基）乙二胺光度法[8]；硝酸盐：紫外吸收法，7500型紫外分光光度计[8]；pH：采用pHS-9V型酸度计；总固体（TS），挥发性固体（VS）浓度：重量法；凯氏氮（KN），总氮（T-N），总磷（T-P）：氮磷联合测定[9]；溶解氧（DO）：采用溶解氧仪测定；产气量用湿式流量计计量.
2.结果
2.1 anammox反应器连续运试
2.1.1 anammox反应器的启动
反应器的启动是生物量逐渐富集，生物活性不断提高，工艺性能日趋改善并最终达到设计要求的运行过程.据报道，在厌氧条件下，Nitrosomonas europaea的纯培养物能够用氢和NH4+作为电子供体进行反硝化反应[10]；而anammox菌的混合培养物中存在大量硝化细菌[11].因此推测，anammox菌可能与硝化细菌（特别是氨氧化菌）有某种内在的联系，后者可能在anammox过程中起作用.为此，在本反应器的启动中，首先接种好氧生物污泥，并用含有70mg N/L-1NH4+-N和HCO3-的无机培养基对其进行好氧培养，以使接种污泥中的硝化细菌得到逐渐富集，硝化活性不断提高，以期在随后的anammox反应中发挥作用.由于anammox反应本身为厌氧反应，再加之在厌氧活性污泥中也检出了硝化活性，为了丰富反应器的菌源，在好氧富集培养硝化细菌一个月后，又向反应器投加了一定量的厌氧污泥，然后反应器以厌氧状态运行.考虑到anammox反应是一个反硝化反应，常见的反硝化细菌也有可能在anammox反应中起作用，为此，在用anammox基质（70mgN/L-1NH4+-N和420mgN/L-1NO2--N）富集培养anammox细菌的同时，也添加了有机模拟废水，以富集培养反硝化细菌.运行两周后，停止添加有机模拟废水，直接以含有70mgN-1/LNH4+-N和70mgN/L-1NO2--N的无机培养基进样，正式启动anammox反应器.运行时，控制水力停留时间（HRT）为2d，采用增加基质浓度方式来提高反应器负荷.当出水NH4+-N浓度接近于零时，即增加进水NH4+-N和NO2--N的浓度，直至进水NH4+-N浓度达到420mgN/L-1.启动期间反应器的性能变化见图3、图4.启动初期（一周内），anammox反应器运行效率较低，NH4+-N和NO2--N去除率分别为45.8%和76.8%（图4）.随后（第二周），NH4+-N和NO2--N去除性能迅速改善，去除率分别增至83.4%和93.2% .经过三个多月的运行，进水NH4+-N和NO2--N浓度由70 mgN/L提高到420 mgN/L-1（图3）NH4+-N和NO2--N去除率分别稳定在90%和99%以上（图4）.NH4+-N容积负荷由35.4mgN/L-1d-1提高到238.6mgN/L-1d-1，NO2--N容积负荷由88.8mgN/L-1d-1提高到784.9mgN/L-1d-1，总氮容积负荷由77.6mgN/L-1d-1提高到471.4mgN/L-1d-1.
图3 anammox反应器启动历程
Fig 3 Start up operation of anammox reactor
图4 反应器去除效率
Fig 4 Removal in anammox reactor
根据理论化学计量式，NH4+与NO2-的摩尔比r=1.本试验的测定值为r=1/1.123，接近理论值.表明运行的反应器具有良好的基质转化关系.
由图3结果可以看出，在反应器运行过程中，气体的产生与NH4+-N和NO2--N的消失相一致.运行初期（0-10d），反应器的产气量较低，只有41.6ml/L-1d-1左右.随着NH4+-N和NO2--N负荷的增加，气体的产量也增加；在最高负荷时，产气率可达到16l0ml/L-1d-1左右.
2.1.2 负荷变化对anammox反应器性能的影响
将进水NH4+-N浓度稳定在420mgN/L-1，通过增加进水量，缩短tHR来继续提高反应器的氮负荷.在90d运行过程中，tHR由2d逐渐缩短至0.34d，反应器的NH4+-N容积负荷从210mgN/L-1d-1提高至1310 mgN/L-1d-1.随着水力负荷的增加，NH4+-N去除率逐渐从99.2%下降至51.1%（图5）.表明反应器的负荷增加过快，微生物生长和代谢能力的提高难以赶上反应器负荷的增加，其中，水力负荷的加大，造成anammox混培物流失，这可能是引起NH4+-N去除率下降的重要原因.为了恢复NH4+-N的去除率，先补加anammox混培物，将出水中收集的生物体返回反应器，同时将反应器的NH4+-N浓度降至350 mgN/L-1，tHR控制为0.7d左右，使NH4+-N负荷降至500mgN/L-1d-1左右.待NH4+-N去除率恢复至90%以后，再次通过提高NH4+-N浓度及缩短tHR，将NH4+-N负荷增至800mgN/L-1d-1左右．经过150d的运行，反应器的性能趋于稳定.用NH4+-N和NO2--N浓度分别为392 mgN/L-1和420 mgN/L-1的基质作进水，进行反应器的稳态运行.在tHR为0.5d的条件下，平均NH4+-N和NO2--N负荷分别达800和850mgN/L-1d-1，平均NH4+-N和NO2--N容积去除率分别为752和834mgN/L-1d-1，NH4+-N和NO2--N去除率保持在92%和97%以上，平均容积产气率为1199.8ml/L-1d-1.
图5 Anammox反应器负荷运行性能
Fig.5 Loading operation of the anammox reactor
2.1.3 anammox反应器污泥结构性状
为了解anammox反应器污泥的生物结构性状，对其作了扫描电镜观察（图6）.发现由于参与anammox反应的微生物能分泌大量的多糖物质，反应器污泥以菌胶团的形式存在.在菌胶团的外面包着厚厚的一层“外衣”，形成一个个小球，在小球的外面看不见菌体，但在小球的内部存在大量的菌体，菌体明显以球菌为主.
图6 anammox反应器污泥结构扫描电镜观察
Fig.6 Scanning eletron microscope observation of the anammox reactor sludge
2.2 生物硝化反应器的运试
生物硝化反应器的运试条件：30℃，pH7.5，用含有70mgN/L-1NH4+-N的基本无机盐培养基作进料.据报道，硝化反应所需要的溶解氧ρ（DO）值为0.5-2.5mg/L-1[11]，为了使硝化作用的进行完全，则要求保证ρ(DO)值在2mg/L-1以上[12].为此，本试验采用静动泵连续充氧，始终将DO控制在2mg/L-1以上.
在运试初期，先对接种污泥进行驯化，使其适应反应器的环境，并得以增殖.此时，反应器的生物硝化能力较弱，NH4+-N的转化率较低，只有40%～60%.经过为期两周的驯化，生物硝化能力增强，NH4+-N的转化率逐渐上升.驯化至21d时，反应器出水中的NH4+-N浓度接近于零.此后，以每3d递增28mgN/L-1的幅度提高进水NH4+-N浓度，直至进水NH4+-N浓度达350mgN/L-1.在整个驯化过程中，反应器的平均出水NH4+-N浓度维持在7mgN/L-1左右，多许情况下均未检出.随着驯化的进行，出水中N0x--N（NO2--N＋NO3--N）的浓度也随着进水NH4+-N浓度的增加而逐渐升高.这说明随基质浓度增加和时间延长，反应器中硝化菌的数量稳步增长，对NH4+-N的氧化能力也逐步加强，驯化50d后，硝化菌已在反应器中建立并成熟.硝化菌驯化阶段反应器的运行性能见图7,图8.
图7 硝化菌驯化过程氨氮变化
Fig 7 Ammonium change during nitrifier acclimation
图8 硝化菌驯化过程NO2--N、NO3--N、NOx--N变化
Fig 8 Changes NO2--N、NO3--N、NOx--N during nitrifer acclimation
驯化完成后，为了满足随后的anammox反应器对NOx--N的需求，进水NH4+-N浓度为350mgN/L-1条件下，逐步增加进水量，缩短tHR，以增加反应器的负荷.经过一个多月的运试，tHR由2d缩短为0.5d，反应器的容积负荷从130mgN/L-1.d增至620mgN/L-1d-1，NH4+-N的去除率则仍能维持在85.3%～95.6%.在这以后，保持NH4+-N负荷相对恒定，即进水浓度350mgN/L-1左右，tHR=0.5d，对反应器进行稳态运行20d.结果表明反应器的性能相当稳定，NH4+-N的去除率继续保持上述水平，并有所提高（图9）.效率指标为：平均NH4+-N容积去除率为501mgN/L-1d-1，平均NH4+-N去除率为90.4%，平均出水NOx--N浓度保持在293.16mgN/L-1左右，基本上能满足随后的anammox反应器运行的需要.至此完成了对硝化反应器的运试，将其与anammox反应器组合成新型生物脱氮系统.
图9 硝化反应器负荷运行试验
Fig 9 Loading operation of nitrification reactor
2.3 新型生物脱氮系统的性能评估
在实验室将硝化工艺和anammox工艺组合，构成新型生物脱氮系统.为评估系统的运行性能，试验时硝化反应器以约为550mgN/L-1d-1的负荷进行操作，其出水为NH4+-NOx--N的混合物，其中NH4+-N与NOx--N摩尔比r≈1：5.25.该出水被用作anammox反应器的进水，同时以1mol/L-1的（NH4）2SO4稀释进样以补足进水NH4+-N的含量，使NH4+-N与NOx--N摩尔比r≈1：1；两个反应器的tHR都控制在0.5d左右.为期一个月的运行试验发现，在硝化反应器中，NH4+-N的去除率达到89.7～92.4%；在anammox反应器中，NH4+-N和NOx--N去除率分别可达89.9～94.1%和96.1～99.3%；硝化反应器的平均NH4+-N容积去除率为510mgN/L-1d-1，anammox反应器的平均NH4+-N容积去除率为474mgN/L-1d-1，平均NOx--N容积去除率为505mgN/L-1d-1.整个系统总氮容积去除率可达1433～1577 mgN/L-1d-1 (图10).以上结果表明,相对于单个反应工艺而言，组合工艺有明显高的氮去除能力，与传统的硝化、反硝化脱氮系统相比，新型生物脱氮系统对高浓度的NH4+-N去除具有很好的应用前景.
图10 新型生物脱氮系统运试结果
Fig 13 Operation of novel biological nitrogen removal system
A1为生物硝化反应器进水NH4+-N浓度；
The influent NH4+-N concentration of nitrfication reactor
A2为生物硝化反应器出水NH4+-N浓度；
The effluent NH4+-N concentration of nitrfication reactor
A3为anammox反应器进水NH4+-N浓度；
The influent NH4+-N concentration of the anammox reactor
A4为anammox反应器出水NH4+-N浓度；
The effluent NH4+-N concentration of the anammox reactor
N1为生物硝化反应器出水NOx--N浓度；
The effluent NHx--N concentration of nitrfication reactor
N2为anammox反应器出水NOx--N浓度.
The effluent NHx--N concentration of anammox reactor
3.讨论
试验用好氧和厌氧污泥混合接种，以无机盐培养液顺利地完成了anammox反应器的启动，证明这种启动方式是行之有效的．
具体参与anammox反应的微生物目前尚未有报道，但已知anammox混培物对光十分敏感，整个反应要在黑暗中进行.anammox反应对氧也十分敏感，当反应器操作不当，有空气进入时，出水的NO2--N浓度急剧升高，甚至超过进水NO2--N的浓度（见图3），这表明anammox混培物与硝化菌有密切的关系．
anammox混培物的产率很低，在反应器运行的一年多时间里，污泥的增长量很少.所以当tHR缩短时，污泥的流失增加.在特定的污泥停留时间里，氨去除率高且稳定，但当污泥停留时间低于一定下限后，氨去除率明显下降.因此有必要深入研究anammox混培物的生长条件，以保证anammox反应器长期稳定运行．
新型生物脱氮系统能同时去除两种氮素污染物，其运行结果明显优于传统的生物脱氮系统[13],对于高浓度含氨废水的氮去除具有很好的应用前景，值得进一步的开发利用.
*国家自然科学基金（No:59678024）和浙江省自然科学基金(No:596043)资助项目
作者单位：浙江大学环保系 杭州 310029
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