低基质条件下厌氧氨氧化生物膜和颗粒污泥脱氮性能对比研究

王俊敏，王淑莹，张树军，马斌 ，念东，甘一萍，彭永臻,

(1. 北京工业大学 北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京，100124；2. 北京城市排水集团有限责任公司，北京，100022;3. 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨，750090)

厌氧氨氧化是近年来发现的一种新型生物脱氮工艺[1]。厌氧氨氧化菌利用 NO2--N替代氧作为电子受体，将NH4+-N转化为N2[2]。与传统生物脱氮工艺相比，厌氧氨氧化具有节省能源、碳源，减少剩余污泥产量及减少温室气体排放等优点[2-4]。由于厌氧氨氧化菌生长缓慢(倍增时间为11 d)，细胞产率低[2]，这限制了厌氧氨氧化工艺在实际工程中的应用。因此，尽量减少反应器中厌氧氨氧化菌的流失成为关键性问题[5]。为了缩短厌氧氨氧化反应启动所需的时间并提高脱氮效率，应该改善污泥在反应器中的持留效果。Star等[6]在膜生物反应器中实现了厌氧氨氧化细菌的快速生长，其倍增时间小于10 d，并得到厌氧氨氧化菌的纯度为 97.6%。而颗粒污泥由于生物体间结构紧凑可以增加污泥的沉降性，同时还能够减少污泥流失，提高反应器中的生物持留率[7-8]，因此，生物膜和颗粒污泥目前被认为是实现厌氧氨氧化反应的较好形式[7,9]。本试验采用2个结构相同的柱状反应器：一个以海绵填料为载体，称为生物膜反应器；另一个以颗粒污泥的形式运行，称为颗粒污泥反应器。通过生物膜和颗粒化这2种形式考察厌氧氨氧化反应在低基质条件下的脱氮特性，并对两者的脱氮性能进行比较。

1 材料与方法

1.1 试验废水

试验用水采用北京某城市污水厂二沉池出水投加NaNO2和NH4Cl配制，进水主要指标如表1所示。

表1 厌氧氨氧化反应器进水水质(质量浓度)Table 1 Characteristics of influent in anammox reactor mg/L

1.2 试验装置

试验采用2个完全相同的柱状反应器，如图1所示。反应器由有机玻璃制成，高170 cm，内径8 cm，有效容积约 8 L，外裹黑色橡胶保温材料，以避免光对厌氧氨氧化菌的负面影响[6]并对柱体进行保温。通过对柱体进行水浴加热将反应器温度控制在(30±1)℃。反应器进水通过蠕动泵控制。1号反应器中装有海绵填料(长×宽×高为1.5 cm×1.5 cm×1.5 cm)，其填充比为80%；2号反应器装载的是厌氧氨氧化絮体污泥，在运行过程中实现颗粒化。

图1 厌氧氨氧化反应器装置图Fig.1 Schematic diagram of anammox reactor

1.3 试验污泥

在开始本试验前，2个反应器均已成功启动，其中生物膜反应器以城市污水A/O半短程硝化反应器出水为进水，在NH4+-N和NO2--N的进水质量浓度分别为(14.70±4.27) mg/L和(11.60±4.11) mg/L时，容积氮去除速率平均为0.19 kg·N/(m3·d)；颗粒污泥反应器以城市污水厂二沉池出水再投加 NaNO2和 NH4Cl为进水，在 NH4+-N和 NO2--N的进水质量浓度分别为(105.57±11.18) mg/L和(117.56±18.73) mg/L时，容积氮去除速率平均为1.15 kg·N/(m3·d)。通过DNA提取和基因测序，得知生物膜反应器内和颗粒污泥反应器内的厌氧氨氧化菌都主要为 Candidatus Kuenenia stuttgartiensis。

1.4 试验方法

生物膜反应器与颗粒污泥反应器采用相同的试验用水。试验期间，保持进水水质稳定，通过逐步增加进水流量来提高反应器的氮负荷。在负荷提高过程中，以出水NH4+-N或NO2--N质量浓度作为控制指标，当出水NH4+-N或NO2--N质量浓度小于1 mg/L时，证明反应器中基质基本被消耗完，可提高进水流量。

1.5 测定参数与方法

采用纳氏试剂分光光度法测定NH4+-N的质量浓度；采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定NO2--N质量浓度：采用麝香草酚分光光度法测定NO3--N质量浓度；采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法[10]测定 TN质量浓度：采用5B-3C型快速测定仪测定COD质量浓度。

2 结果与讨论

2.1 生物膜与颗粒污泥反应器的厌氧氨氧化脱氮性能

图2 生物膜与颗粒污泥反应器中与N进出水质量浓度变化Fig.2 Variation of concentrations in bio-film and granular reactor

图3 生物膜与颗粒污泥反应器中-N与去除率变化情况Fig.3 Variation ofmoval efficiency in bio-film and granular reactor

图2和图3所示为试验期间生物膜反应器与颗粒污泥反应器中NH4+-N与NO2--N的进出水质量浓度以及去除率变化图。从图 2和图 3可以看出：在进水N质量浓度分别为(17.03±2.16) mg/L和(19.17±2.33) mg/L时，生物膜反应器对的去除率分别为(69.69±14.10)%和(71.88±8.98)%，对应的出水质量浓度分别为(5.23±2.61) mg/L和(5.34±1.78) mg/L。而颗粒污泥反应器中的出水质量浓度较低，分别为(1.43±1.31) mg/L和(1.00±1.43) mg/L，对应的去除率也高达(92.09±6.78)%和(95.08±6.71)%。

在试验过程中，保持进水基质质量浓度基本稳定，通过增大进水流量来提高反应器的容积负荷。图4所示为运行期间生物膜与颗粒污泥反应器中容积氮去除速率与水乎停留时间(HRT)的变化图。从图 4可以看出：随着进水流量的增加，HRT逐渐缩短，反应器的容积氮去除速率逐渐增大；生物膜反应器中的HRT由2.34 h缩短到0.67 h，其中从第1 d到第26 d ，HRT是一个逐渐降低的过程；而从第27 d到第49 d，由于出水中N的质量浓度一直较高，不再提高进水流量，HRT就稳定在0.67 h左右；容积氮去除速率由起始的0.37 kg·N/(m3·d)增加到第40 d的0.94 kg·N/(m3·d)，在随后的运行中稍有下降，这说明该生物膜反应器的处理能力在此运行条件下已经达到最大。而颗粒污泥反应器中的HRT由起始的1.26 h逐步缩短到最后的0.21 h，在保持对N的平均去除率为90%以上的条件下，容积氮去除速率由0.57 kg·N/(m3·d)增加到最高的 3.55 kg·N/(m3·d)，并且从其变化趋势看，该反应器的容积氮去除速率还有较大的上升空间，这说明颗粒污泥反应器内厌氧氨氧化菌的数量较多，活性较高。

图4 生物膜与颗粒污泥反应器中容积氮去除速率与HRT的变化Fig.4 Variation of nitrogen removal rate and HRT in bio-film and granular reactor

2.2 生物膜与颗粒污泥反应器脱氮性能差异分析

由上述实验结果可以看出：在进水基质质量浓度相同的情况下，颗粒污泥反应器的容积氮去除速率是生物膜反应器的3.8倍，而HRT只有生物膜反应器的1/3。由此可知：在这种运行条件下，颗粒污泥反应器的脱氮性能优于生物膜反应器。其原因主要有以下几个方面。

(1) 生物膜反应器内海绵填充比过大，填料挤压在一起，导致传质作用减弱。本实验中的海绵填充比为80%，用肉眼观察发现反应器内海绵填料拥堵在一起，没有处于良好的分散状态。吕鑑等[11]在海绵填充比为37%的上流式固定床反应器中，利用人工配水为试验用水，HRT 为 3.1 h，容积氮负荷为 3.5 kg·N/(m3·d)时，TN去除率可达到 75%，可见合适的海绵填充比对于反应器的处理性能有较大的影响。海绵填料填充过多就不能在反应器中处于良好的分散状态，阻碍了生物膜与水的充分接触，在某些区域可能还会形成短流或死角，不利于传质的进行；若海绵填料过少，则没有足够的载体提供给厌氧氨氧化菌附着，游离的厌氧氨氧化菌会被冲出反应器，引起反应器性能降低。

此外，该生物膜反应器在运行过程中一直未进行反冲洗，导致填料上杂质过多，传质阻力增大，并且反应器中还会累积一些有害的抑制性物质，使厌氧氨氧化菌的活性降低。

(2) 颗粒污泥反应器中进水流量的增大与氮去除负荷的提高是一个相互促进的过程。对于颗粒污泥反应器，在进水基质质量浓度稳定的条件下，负荷提高的过程就是水力负荷增大的过程，当水力负荷提高到一定值时，可冲走大部分的絮状污泥，使密度较大的污泥积累在反应器底部，形成颗粒污泥。颗粒污泥沉降性能好，易于通过沉降而持留在反应器内，可增加反应器内生物量的质量浓度[12]，减少厌氧氨氧化菌的流失。同时，水力负荷的提高还能使反应器中的污泥处于流化状态，有利于泥水的充分混合，增强了传质，从而进一步提高反应器的容积氮去除负荷。

(3) 颗粒污泥具有更大的比表面积。在一般情况下，颗粒污泥的比表面积要高于填料的比表面积[9]。由于本实验中采用的海绵填料的长×宽×高为 1.5 cm×1.5 cm×1.5 cm，属于大填料；而培养出的厌氧氨氧化颗粒污泥的粒径范围为0.5～0.9 mm，属于微颗粒。由此可以推算出：单位容积内的颗粒污泥比海绵填料具有更大的表面积；比表面积越大，所提供的传质面积也就越大，传质作用越强。传质作用的增强有利于反应器的容积转换速率的提高，因此，颗粒污泥反应器具有较高的容积转换速率。

2.3 生物膜与颗粒污泥反应器中的化学计量学特性分析

图5所示为本次实验生物膜与颗粒污泥反应器中的化学计量关系，其中生物膜反应器的颗粒污泥反应器的，与理论值1.32相比都偏低。生物膜反应器与颗粒污泥反应器内部的结构不同，微生物的生长形式也不同，但反应过程中消耗的 n(NO2--N)与 n(NH4+-N)的比值却有相同的趋势，即比理论值偏低，这可能与进水中由于进水中低于反应所需的理论值1.32，即进水不足对过量。当进水中对过量时，反应除的绝对量和相对量都增加[15]，导致反应中n偏小。

图5 生物膜与颗粒污泥反应器中的化学计量学关系Fig.5 Stoichiometric ratio of Anammox in bio-film and granular reactor

3 结论

(1) 本实验中，颗粒污泥反应器的厌氧氨氧化脱氮性能优于生物膜反应器。在低基质质量浓N质量浓度为(17.03±2.16) mg/L质量浓度为(19.17±2.33)mg/L)条件下，保持对的平均去除率在90%以上；通过逐步增加进水流量，颗粒污泥厌氧氨氧化反应器的容积氮去除速率可达3.55 kg·N/(m3·d)，是生物膜反应器的 3.8 倍。

(2) 生物膜反应器中的海绵填充比过大、颗粒污泥反应器中泥水混合状态较好以及颗粒污泥具有更大的比表面积是导致颗粒污泥反应器厌氧氨氧化脱氮效果优于生物膜反应器的主要原因。

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