低温胁迫下包埋厌氧氨氧化污泥颗粒的脱氮性能

许祥祥， 周 鹏， 王国建

(沈阳建筑大学 市政与环境工程学院， 辽宁 沈阳 110168)

厌氧氨氧化(ANAMMOX)是指氨氧化细菌在缺氧的情况下，将氨态氮和硝态氮转化为氮气的生物过程，具有高效、经济、不产生二次污染等优点，是一种重要的脱氮工艺[1]。

厌氧氨氧化细菌适宜的生长温度是32～37 ℃，属于中温细菌。因此，大多数研究者在UASB反应器运行期间将温度保持在中温，以实现装置的快速启动。但实际工业污水一般为常温(25 ℃)，在某些地区甚至更低。当温度不足20 ℃时，氮的去除率会随着温度的下降迅速降低。当温度不足15 ℃时，会发生亚硝酸盐的积累，影响ANAMMOX反应的稳定性。

包埋固定化微生物法利用不溶于水的凝胶聚合物，将微生物细菌包裹在其网格的空隙中。凝胶网格可以防止缓慢生长的厌氧氨氧化细菌泄漏，同时减小氨氮负荷和有毒污染。天然合成的包埋载体材料对微生物无毒，但机械强度和耐久性差;人工合成的载体材料聚合物具有高机械强度和耐久性，但大多对微生物有毒。聚乙烯醇材料是一种很好的合成聚合物，成本低廉且对微生物没有毒性、化学稳定性好、物理机械强度高，但其缺点是传质性能差。

国内外针对包埋厌氧氨氧化菌也展开了大量研究。Furukawa等用聚乙二醇包埋厌氧氨氧化细菌完成厌氧氨氧化过程，总氮去除率提高，总氮去除负荷达到4.0 kg N/(m3·d)，进水中高浓度的BOD和SS未对厌氧氨氧化活性产生抑制[2]。王莹等采用PVA-SA复合材料包埋同步脱硫除氮菌 B16，处理天然橡胶加工废水，14 d 后包埋菌株对实际废水中氨氮、总氮和硫酸盐的去除率分别为 44.05%，46.29%和 26.06%[2]。陈光辉等以包埋厌氧氨氧化菌颗粒作为流加菌启动厌氧氨氧化反应器，在 49 d 内成功实现了厌氧氨氧化反应器的加速启动，对氨氮和亚硝态氮的去除率分别为 80.7%和 83.1%，总氮去除负荷为 0.505 kg N/(m3·d)[3]。Hsia等采用聚乙烯醇-海藻酸钠包埋厌氧氨氧化细菌厌氧脱氮，总氮去除率达到80%[4]。

目前，对于厌氧氨氧化菌抗低温能力的试验较少，笔者采用聚乙烯醇-海藻酸钠复合材料包埋厌氧氨氧化细菌，使用上流式厌氧污泥床(UASB)装置作为反应器，探究了低温环境对ANAMMOX反应进程的影响。

1 装置与方法

1.1 试验装置

UASB 厌氧氨氧化反应装置及流程见图 1。

图1 UASB厌氧氨氧化反应装置Fig.1 Device of UASB anaerobic ammonium oxidation reaction

UASB反应器装置由有机玻璃制成，总有效体积为6.2 L，其中沉淀区有效体积为4.3 L，反应区容积为1.9 L。反应区内径为6.5 cm、外径1.5 cm厚的套管用于实现水浴循环，控制反应区的温度。投加体积分数为15%的包埋颗粒。反应器包裹在黑色塑料中以防止光照，采用蠕动泵调节流入的废水。控制进水pH值在6.7～7.2，通氮气以去除水中溶解氧，确保溶解氧浓度低于0.5 mg/L。

1.2 试验材料

1.2.1 接种污泥

1.2.2 试验载体

为了改善凝胶载体的性能，添加海藻酸钠(SA)以增加载体的比表面积，提高载体的传质效率和载体材料包埋菌对污染物的处理能力。SA会与CaCl2反应生成海藻酸钙不溶物，促使PVA分子中形成氢键，产生互穿网络结构。此外，随着反应的进一步进行，海藻酸钙会在凝胶网络中扩散，使载体结构更加完善，以促进微生物的生长，加大载体内底物和产物的传递。因此，试验中使用聚乙烯醇-海藻酸钠混合载体。

混合载体由8%聚乙烯醇(PVA)、0.15%海藻酸钠、2%Fe粉、0.3%碳酸钙、4%二氧化硅粉末和0.5%活性炭组成。交联剂由10%氯化钙、4%硼酸组成。

1.2.3 试验进水

采用人工配水，通过提高进水中和NaNO2的浓度或缩短水力停留时间(HRT)来提高进水氮负荷。进水NH4Cl和NaNO2浓度控制在40～75 mg/L，采用2 mol/L HCl或者2 mol/L NaOH调节进水pH值为7.2。

其他物质及质量浓度分别为：NaHCO3，1 g/L；KH2PO4，27.2 mg/L；MgSO4·7H2O，200 mg/L；CaCl2，300 mg/L。微量元素I及其质量浓度：EDTA，5 g/L；FeSO4·7H2O，5 g/L；微量元素II及其质量浓度：EDTA，5 g/L；ZnSO4·7H2O，430 mg/L；NiCl2·6H2O，190 mg/L,COCl2，240 mg/L；MnCl2·4H2O，990 mg/L；CuSO4·5H2O，250 mg/L；Na2SeO4·2H2O，210 mg/L；Na2MoO4·2H2O，220 mg/L；H3BO4，14 mg/L。微量元素Ⅰ和Ⅱ各1 mL/L。

1.3 试验方法

1.3.1 试验方案

① 包埋固定化厌氧氨氧化菌的前期驯化

将包埋细菌以15%的投配率加入到UASB反应器中，连续性试验的进水采用氨氮质量浓度为50 mg/L的人工模拟废水，控制反应器温度在30 ℃，水力停留时间为10 h，连续运行20 d。逐渐缩短HRT，对包埋颗粒进行驯化直至氨氮去除率在80%以上。

② 阶段降温进程

采用提前驯化好的ANAMMOX和驯化期最佳水力停留时间(HRT)，通过加热棒和制冷器控制UASB反应器的温度。根据整个试验中温度的变化规律，反应分为5个阶段进行：阶段Ⅰ(第1～9 d)，30 ℃；阶段Ⅱ(第10～19 d)，25 ℃；阶段Ⅲ(第20～34 d)，20 ℃；阶段IV(第35～46 d)，15 ℃；阶段V(第47～60 d)，14 ℃。

1.3.2 化学分析方法

2 结果与讨论

2.1 驯化期间反应器的脱氮效能

图2 HRT对包埋菌去除氨氮效果的影响Fig.2 Effect of HRT on the removal of ammonia nitrogen by embedded bacteria

图3 HRT对包埋菌去除亚硝态氮效果的影响Fig.3 Effect of HRT on the removal of nitrite nitrogen by embedded bacteria

2.2 阶梯降温条件下反应器的脱氮效能

图去除率随阶梯降温的变化Fig.4 Variation of removal rate of with stepped temperature drop

图去除率随阶梯降温的变化Fig.5 Variation of removal rate of with stepped temperature drop

2.3 14 ℃下反应器的脱氮效能

调整14 ℃运行时的HRT分别为7，8，9，10和11 h，当HRT为11 h时，脱氮效果有了大幅度提高，氨氮和亚硝态氮去除率分别为85%和79%，如图6、图7所示。

图6 14 ℃下HRT对包埋菌去除氨氮效果的影响Fig.6 Effect of HRT on the removal of ammonia nitrogen by embedded bacteria at 14 ℃

图7 14 ℃下HRT对包埋菌去除亚硝态氮效果的影响Fig.7 Effect of HRT on the removal of ammonia nitrogen by embedded bacteria at 14 ℃

3 结论