厌氧氨氧化菌活性的快速恢复及运行

杨开亮+占志强+王莹+时继东+廖德祥+逯焕波+许乐平

摘要：为研究厌氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidizing， ANAMMOX）菌的活性恢复，采用SBR工艺对长时间（100 d左右）停止运行的反应器中ANAMMOX菌进行活性培养。经过22 d的恢复试验，ANAMMOX菌活性基本恢复， 在第17 天，NH+4—N和NO-2—N的转化率均在90%以上，TN的去除率在80%以上。在培养过程中，载体的颜色由白色逐渐变成淡黄色。结果表明，在常温闲置较长时间的反应器中ANAMMOX菌的活性可恢复性强，恢复周期短，恢复后的脱氮性能良好；ANAMMOX反应器通过对生物膜载体的培养可以使ANAMMOX菌的活性快速恢复。

关键词： 厌氧氨氧化（ANAMMOX）； 活性恢复； SBR； 脱氮

中图分类号： X703.1 文献标志码： A

Abstract： To study the activity recovery of anaerobic ammonium oxidizing （ANAMMOX） bacteria， the SBR process is used to carry out the activity cultivation of ANAMMOX bacteria in the reactor that has stopped running for a long time （about 100 d）. After 22 d recovery test， the activity of ANAMMOX bacteria is almost recovered. At 17th day， the conversion rates of NH+4—N and NO-2—N are above 90%， and the removal rate of TN is above 80%. In the process of culture， the color of the carrier changes from white to light yellow. The results show that： ANAMMOX bacteria in SBR with a long idle time at the normal atmospheric temperature can be easily recovered， the recovery period is short， and the nitrogen removal performance is good after the recovery； through the cultivation of the biofilm carrier， ANAMMOX reactor can make the activity of ANAMMOX bacteria recover quickly.

Key words： anaerobic ammonium oxidizing （ ANAMMOX）； activity recovery； SBR； nitrogen removal

引 言

厌氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidizing， ANAMMOX）工藝无需外加有机碳源作为电子供体，可在节约成本的同时，防止投加碳源产生的二次污染，不会像传统硝化-反硝化工艺那样产生温室气体，同时ANAMMOX反应器占地空间也很小[1-3]。目前，ANAMMOX工艺及其应用已成为研究的热点，对ANAMMOX菌活性恢复的研究也已经展开。唐崇俭等[4]通过改变进水基质浓度研究了不同的恢复策略及反应器恢复性能；李祥等[5]通过接种污泥研究了ANAMMOX菌活性恢复及富集培养过程中氮负荷提高对厌氧序批式生物膜反应器（ASBBR）的影响；李晶[6]通过考察废水中两种抗生素对ANAMMOX菌活性的抑制作用，得出诺氟沙星对ANAMMOX污泥的抑制作用强于左氧氟沙星的结论；邹翔[7]通过短期抑制影响试验，发现不同浓度的Cr6+和V5+均会对ANAMMOX菌的活性产生不同的抑制作用，被Cr6+和V5+抑制的ANAMMOX菌的活性均可以恢复，其中被V5+抑制的活性可以完全恢复；张捍民等[8]通过对比试验研究电气石对ANAMMOX菌驯化过程的影响，发现电气石可以促进微生物生长代谢，提高ANAMMOX反应活性。

近年来对ANAMMOX的研究主要在其影响因素方面，如添加重金属、抗生素等，且均是在活性污泥的基础上进行的。本文的研究以彗星状纤维材料为载体（其特点是利用中间的小珠将纤维固定起来，两端呈放射状），采用SBR工艺对在已经长时间停止运行的反应器中ANAMMOX菌进行活性培养并研究恢复活性后ANAMMOX菌的脱氮效果。

1 材料与方法

1.1 试验设备

试验装置见图1。图中：ANAMMOX反应器为玻璃器皿，有效体积为10.0 L，水体体积为5.0 L；反应器内有1 000个左右彗星状纤维材料载体，换水比为0.2（即每次进、出水体积均为1.0 L）。整个试验装置接口均密封，以减少DO对ANAMMOX菌的影响。外接集气袋收集反应器内产生的气体。反应器被黑色塑料袋包裹，在恒温水浴振荡器上以120次/min的频率振荡，以此保证反应器内部水体分布均匀。通过恒温装置将温度设定在（35±1）℃，水力停留时间（HRT）为24 h，反应器内pH为7.5～8.6。

1.2 模拟废水

模拟废水进水配方[9]见表1。

2 试验结果

重新启动已停止运行100 d左右的ANAMMOX反应器，进行活性恢复培养。试验进水采用人工模拟配水，依据是STROUS等[11]得到的目前被认为最合理的计量化学反应式：

试验初始恢复阶段，进水的氨氮与亚硝态氮配比参考式（1），为1∶1.32，氨氮和亚硝态氮质量浓度分别为50.0 mg/L和66.0 mg/L。水力停留时间为24 h，pH控制在7.5～8.6。温度通过恒温振荡器控制在（35±1）℃。反应器启动后NH+4—N和NO-2—N的转化率都比较低。由图2可知：进水NH+4—N质量浓度维持在50.0 mg/L左右；出水NH+4—N质量浓度第1天为33.5 mg/L，第3天由35.9 mg/L下降到24.9 mg/L，随后的3 d基本维持在25.0 mg/L左右，第7天下降到15.7 mg/L，此时NH+4—N转化率达到69%，反应器内主要以ANAMMOX反应为主；从第8天起，出水NH+4—N质量浓度呈整体下降趋势，到第17天时只有3.9 mg/L，此时NH+4—N转化率达到90.0%；第23天，提高进水NH+4—N质量浓度至80.0 mg/L，此阶段出水NH+4—N质量浓度依旧较低；第31天继续提高进水NH+4—N质量浓度至200.0 mg/L，出水NH+4—N质量浓度仍然很低。endprint

由图3可知：由于反应器刚启动时ANAMMOX菌活性不高，硝化细菌在反应器内起主导作用，出水NO-2—N质量浓度最初前4 d呈局部上升的趋势，峰值为16.1 mg/L，随后3 d基本稳定，第8～12天逐渐下降，说明ANAMMOX菌活性逐渐恢复，NO-2—N转化率逐渐升高，在第12天已经高达99.0%；第13～22天，出水中几乎没有NO-2—N；第23天，随着进水NH+4—N质量浓度的提高，以及NO-2—N质量浓度提高至105.0 mg/L，出水NO-2—N质量浓度仍然很低；第31天，进水NO-2—N质量浓度提高至264.0 mg/L，出水NO-2—N质量浓度依旧很低，而反应器内载体由灰色逐渐变为淡黄色，表明ANAMMOX反应起主导作用。

出水NO-3—N的质量浓度也是判断ANAMMOX菌活性的重要指标。由图4可知：进水不添加NO-3—N，但出水却有NO-3—N的产生，这是进水基质中NH+4—N与NO-2—N发生反应所导致的；前期出水NO-3—N的质量浓度约为20.0 mg/L，其原因可能是反应器刚刚启动时，载体上的硝化细菌较多，也可能是启动反应器前未将多余的氧气去除干净，导致进水NO-2—N与氧气直接发生硝化反应生成NO-3—N，或者可能是好氧细菌将NH+4—N先氧化成NO-2—N，再进一步氧化生成NO-3—N；随着反应器的运行，多余的氧气被消耗殆尽，NO-3—N的浓度也逐渐下降，其原因是ANAMMOX菌活性增强，将进水中的NH+4—N和NO-2—N转变成氮气，生成部分NO-3—N（见式（1））；随着试验的继续进行，反应器中ANAMMOX反应开始慢慢占据主导地位，ANAMMOX菌活性也逐渐恢复，第7天出水NO-3—N质量浓度只有12.8 mg/L，NH+4—N消耗量、NO-2—N消耗量、NO-3—N生成量之比为1∶1.32∶0.256，这与STROUS等[11]得出的理論比值1∶1.32∶0.260接近。

TN的去除可更直观地表现出反应器的脱氮性能。由图5可知：反应器启动后，前期ANAMMOX反应不明显，但前5 d TN的去除率都能保持在50.0%左右，根据出水NH+4—N和NO-2—N的质量浓度可以推断，反硝化作用去除了大部分NO-2—N；第7天TN的去除率上升到60.6%，之后3 d去除率并未得到提高，第10天去除率升高至77.8%，说明ANAMMOX反应逐渐增强；第14天TN去除率达到去除率变化曲线83.1%，第18天达到89.0%，TN平均去除率为86.7%，比李亚峰等[12]试验得到的70.1%效果显著，ANAMMOX菌活性的恢复时间比李祥等[5]试验得到的更短（23 d）；随着反应器的运行，TN去除率始终维持在85%以上，且出水澄清，可判定ANAMMOX菌活性已恢复。使ANAMMOX菌的富集方法有很多种：van der STAR等[13]以ANAMMOX颗粒污泥为接种污泥，在膜生物反应器中成功富集出纯度约为97.6%的具有ANAMMOX活性的微生物，ANAMMOX菌在培养液中处于悬浮均匀分布的状态，倍增时间仅为5 d。TOH等[14]采用固定床反应器接种澳大利亚污水处理厂的市政污泥，经过一年的富集筛选，在载体上成功培养出大量桃红色的、ANAMMOX菌约占88%的生物膜。

本试验中ANAMMOX菌在17 d内快速恢复，恢复速度快的原因有：停止运行的ANAMMOX反应器内还存在具有一定活性的ANAMMOX菌；试验根据前人在ANAMMOX菌恢复方面的研究，采用了最佳条件（如最佳水温、pH、溶解氧），实验的填料相比于污泥具有比表面积较大等特点，更适合微生物的生长。

3 结 论

（1）通过一次性进水对长时间停止运行的反应器中厌氧氨氧化（ANAMMOX）菌的活性进行恢复，经过17 d后，ANAMMOX反应逐渐占据主导地位，ANAMMOX菌活性基本恢复；反应器稳定运行时，NH+4—N和NO-2—N平均去除率达90%以上，TN平均去除率达80%以上。

（2）在长时间停止运行的反应器中ANAMMOX菌的活性可恢复性强，恢复周期短，恢复后的脱氮性能良好；ANAMMOX反应器通过对生物膜载体的培养可以使ANAMMOX菌的活性快速恢复。

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（編辑 贾裙平）endprint