温度对UASB厌氧氨氧化反应器运行性能的影响及其过程动力学特性

周蒙蒙，杨 婉，谭锡诚，何士龙，张彦隆

(1.中国矿业大学 环测学院，江苏 徐州 221116；2.厦门大学 环境与生态学院，福建 厦门 361005)

AnAOB作为嗜温型细菌，其最适生长温度为30～35 ℃[4].低温环境不利于细胞质的流动，而反应基质向细胞的扩散速度减慢，会使微生物无法获取足够的营养物质而活性降低[5]，因此大部分Anammox反应器温度维持在30 ℃以上。然而，市政污水与工业废水的水温随四季气候变化，一般为5～20 ℃，低于AnAOB的最适生长温度。因此，Anammox工艺在实际工程中需应对低温带来的严峻挑战。虽有研究[6-8]表明海洋AnAOB的最适温度较低，尤其是在北极海洋沉积污泥中AnAOB的最适温度低于15 ℃，甚至在-1.3 ℃的情况下也可以存活，但海洋AnAOB的富集与培养需要严格的生长条件。HE et al[9]发现淡水AnAOB中CandidatusKueneniasp.对温度和基质浓度的变化有着更广泛的适应性且易驯化。因此驯化淡水AnAOB使其适用于低温条件具有良好的研究价值。此外，为促使AnAOB更好的适应低温环境，获取可靠的动力学参数和建立合适的动力学模型能够提高生物反应过程的可预测性。目前，多以Stover-Kincannon模型和Arrhenius方程研究Anammox动力学特征，从而阐明Anammox反应器的脱氮性能，对低温Anammox工艺脱氮起到指导作用。

鉴于目前低温Anammox的研究相对较少，其影响因素和作用机制尚不明确，本研究采用本课题组驯化的Anammox污泥处理合成废水，探究不同温度对Anammox反应器脱氮效能的影响；采用Stover-Kincannon模型和Arrhenius方程分析不同温度情况下Anammox反应的动力学特性，为探索在低温条件下提升Anammox工艺脱氮效能的调控手段提供理论基础及数据支撑。

1 试验部分

1.1 试验用水及接种污泥

试验所用的成熟红色接种污泥取自于本课题组在(34±1)℃下稳定运行两年左右的UASB厌氧氨氧化反应器，具有良好的脱氮性能[10]。

1.2 试验装置

本试验采用的UASB厌氧氨氧化反应装置如图1所示。该反应器内径为70 mm，有效高度150 cm，总有效容积为2.5 L.通过循环水浴控制反应器温度，反应器上配置有温度计。

图1 UASB反应器装置图Fig.1 Schematic diagram of the UASB system setup

1.3 测定项目及方法

2 结果与讨论

2.1 温度对UASB厌氧氨氧化反应器运行稳定性的影响

温度对UASB厌氧氨氧化反应器运行稳定性影响的试验分为3个阶段：启动阶段(Ⅰ)、温度降低阶段(Ⅱ)和恢复阶段(Ⅲ)，该试验长达210 d，其反应器各阶段的运行条件及运行情况分别如表1和图2所示。

表1 UASB反应器运行操作条件Table 1 Operational conditions of the UASB

图2 不同温度下UASB反应器长期运行效果Fig.2 Long-term operation of UASB reactor at different temperatures

第三阶段(205～210 d)：将反应器温度重新恢复至13 ℃，逐渐提高进水NLR至5.16 kg/(m3·d)，经过约1周的时间，该反应器的脱氮性能逐渐恢复，其中NRE=84.19%、NRR=4.34 kg/(m3·d)，几乎能达到降温前的状态。因此，低温对Anammox反应器的抑制作用是可逆的。

2.2 温度对厌氧氨氧化活性(SAA)的影响

反应器中每个运行阶段的污泥厌氧氨氧化活性(SAA，每克有效活性污泥每天去除的氮元素的质量，g/(g(VSS)·d))均随温度的降低而降低(见图3).长期运行在低于33 ℃条件下的Anammox污泥均可重新应用于中温废水脱氮，且污泥活性优于或接近长期运行在33 ℃条件下的污泥的活性。这表明随着污泥逐渐适应低温环境，较长时间的驯化将有助于整体改善污泥在较大温度范围内的活性。在批量试验中，以反应器中18 ℃条件下稳定运行的厌氧污泥为研究对象发现，温度为33 ℃条件下的SAA为0.092 g/(g(VSS)·d)，略小于长期运行在33 ℃条件下的SAA(0.102 g/(g(VSS)·d))，但两者差值不大，可能是由于驯化时间较短。HENDRICKX et al[20]和TOMMASO et al[21]分别在10 ℃条件下驯化Anammox污泥70 d和152 d，SAA分别达到0.044 g/(g(VSS)·d)和0.080 g/(g(VSS)·d)，说明驯化时间的延长可以显著提高SAA值。

图3 反应器不同运行阶段的污泥在不同温度条件下的厌氧氨氧化活性Fig.3 Specific anammox activity in different operating stages of the reactor at different temperatures

为进一步研究温度对SAA的影响，以反应器分别在33 ℃和13 ℃稳定运行的污泥为研究对象，应用阿伦尼乌斯(Arrhenius)方程(式(1))对批量试验过程中不同温度下的SAA进行模拟(如图4).

Lnk=LnA-Ea/(RT) .

(1)

式中：k为速率常数，R为摩尔气体常量，T为热力学温度，Ea为表观活化能，A为阿伦尼乌斯常数。

图4 33 ℃(a)和13 ℃(b)反应器内污泥的阿伦尼乌斯拟合线Fig.4 Arrhenius plot for the anammox conversion by sludge from 33 ℃ and 13 ℃

在33 ℃→23 ℃和23 ℃→13 ℃范围内，直线相关系数R2均大于0.95，且斜率m33-23和m23-13基本上处于线性回归斜率m33-13的置信区间(斜率加上2倍的标准差)之外。根据公式，斜率越大，相应的活化能(Ea)也越大，而Ea越大，温度对SAA的影响就越大[22]。由图5可以看出，除稳定运行于23 ℃下反应器中的污泥，其他温度条件下的污泥在批量温度试验中的Ea均随温度的降低而增加，低温下的Ea更大。利用Arrhenius方程对长期温度变化下的污泥的SAA进行线性模拟，Ea也随着温度的降低而增大，这与批量试验下的现象相一致。此外，随反应器运行温度的降低，其中的污泥在批量试验中从高温区间到低温区间过程中Ea的变化越不显著。以上现象表明温度变化对长期处于最适温度条件下污泥的影响最大，而低温驯化有助于提高污泥对温度的适应性。

图5 反应器不同温度阶段的污泥在不同温度区间上的活化能Fig.5 Activation energy relative in different operating stages of the reactor at the different temperature intervals

2.3 过程动力学特性

采用改进的Stover-Kincannon模型(式(2))来描述长期运行的Anammox反应器在不同温度下的动力学行为[23]。

(2)

式中：dS/dt表示基质的去除负荷，kg/(m3·d)；Umax为最大基质利用率，kg/(m3·d)；KB为饱和常数，kg/(m3·d)；V为反应器容积，L；Q为进水流量，L/d；S0为进水总基质质量浓度，g/L；S为出水总基质质量浓度，g/L.

注：S0为进水总氮质量浓度；S为出水总氮质量浓度图6 不同温度下Stover-Kincannon模型拟合结果Fig.6 Fitting results of Stover-Kincannon model at different temperatures

不同温度范围下反应器的过程动力学参数列于表2. 33→23 ℃温度范围内的最大总底物利用率(Umax)高达100 kg/(m3·d)，然而实际的系统NRR却为6.63→6.58 kg/(m3·d)，仅占Umax的7.5%，可见在该温度范围内，反应器有着较大的脱氮潜力，其厌氧氨氧化功能有待进一步开发。然而，随着温度的降低，Umax的值明显下降，结果表明，低温(<18 ℃)提高了系统脱氮潜能，潜能开发率可达35.56%，这一变化与GUO et al[19]发现的一致。根据反应器的进水总基质质量浓度和HRT可预测出水总基质质量浓度，这对该Anammox反应器的高效、稳定运行具有指导作用。

表2 改进Stover-Kincannon模型中的各参数值Table 2 Parameters of the modified Stover-Kincannon model

3 结论

1) 23 ℃是UASB反应器脱氮效能的转折点，温度为33 ℃、28 ℃和23 ℃时UASB反应器可稳定高效运行，NRE维持在87%左右；温度小于23 ℃(18 ℃、13 ℃、8℃ )时，NRE大幅度下降，但适当延长污泥驯化时间及降低容积氮负荷(NLR)，NRE均缓慢回升且大致保持稳定在85%.温度由8 ℃恢复至13 ℃时，系统可实现良好的脱氮性能。因此，低温对Anammox反应器的抑制作用是可逆的，且有利于改善污泥对温度变化的适应性。

2) SAA始终随温度的降低而降低，而Ea基本随温度的降低而增加，说明低温对SAA的影响更大。长期试验中，随着污泥逐渐适应低温环境，较长时间的驯化将有助于整体改善污泥在较大温度范围内的活性，这为Anammox反应器在低温下的长期运行应用提供了理论的依据。

3) Anammox反应器中的总氮去除负荷与温度之间的关系可以用改进的Stover-Kincannon模型来描述。随着温度的降低，系统Umax的值明显下降，因此低温(<18 ℃)能够明显提高系统脱氮潜能，潜能开发率可达35.56%.