不同接种物启动Anammox反应器的性能研究唐崇俭

中国环境科学2008,28(8)：683~688ChinaEnvironmentalScience不同接种物启动Anammox反应器的性能研究唐崇俭,郑平*,陈建伟,胡宝兰(浙江大学环境工程系,浙江杭州310029)摘要：采用上流式生物膜滤器(UBF)研究了以厌氧颗粒污泥和反硝化污泥作为接种物启动厌氧氨氧化(Anammox)反应器的性能.结果表明,2种接种物均能成功启动Anammox反应器.启动过程可分为菌体自溶阶段、活性迟滞阶段、活性提高阶段和活性稳定阶段.这种启动过程的阶段性特征符合Logistic方程.以厌氧颗粒污泥启动Anammox反应器,菌体自溶阶段较长(49d),活性迟滞阶段较短(8d),基质去除速率最高可达2090mg/(L⋅d);以反硝化污泥启动Anammox反应器,菌体自溶阶段较短(3d),而活性迟滞阶段较长(36d),基质去除速率最高可达1030mg/(L⋅d).分别以负荷提升前后的基质去除速率、基质去除率以及出水基质浓度的变化情况作为效能指标评价2个反应器运行的稳定性,以厌氧颗粒污泥作为接种物启动Anammox反应器的稳定性能明显占优势.在高负荷率下运行,以反硝化污泥作为接种物启动的Anammox反应器较易失稳.根据启动过程的阶段性和反应器运行的稳定性,对Anammox反应器采取相应的调控对策可促进启动过程的顺利进行.关键词：厌氧氨氧化；厌氧颗粒污泥；反硝化污泥；启动过程中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2008)08-0683-06PerformanceofAnammoxbioreactorsstartedupwithdifferentseedingsludges.TANGChong-jian,ZHENGPing*,CHENJian-wei,HUBao-lan(DepartmentofEnvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310029,China).ChinaEnvironmentalScience,2008,28(8)：683~688Abstract：Twosetsofupflowbiofilmfilter(UBF)wereusedforanaerobicammoniaoxidation(Anammox)enrichmentfromconventionalsludges,whichincludinganaerobicgranularsludgeanddenitrificationsludge.Anammoxactivityoccurredinbothreactorswithcontinuousremovalofammoniumandnitrite.Thestart-upcourseofAnammoxbioreactorscouldbedividedintofourdifferentphasesthatincludingautolysisphase,lagphase,activityelevationphaseandstationaryphase.ThischaracteristicwasinaccordancewithLogisticequation.Whentransitedfromanaerobicgranularsludge,theautolysisphaselastedfor49days,andlagphaseonlyperformedfor8days.ThecorrespondingphasesofAnammoxbioreactorstartedupwithdenitrificationsludgelastedfor3and36days,respectively.ThemaximumsubstrateremovalrateoftheAnammoxbioreactorstartedupwithanaerobicgranularsludgewas2090mg/(L·d),whichwashigherthanthebioreactorstartedupwithdenitrificationsludge,i.e.1030mg/(L·d).Theperformancestabilityofbothreactorswasevaluatedusingthesubstrateremovalrate,substrateremovalefficiencyandeffluentsubstrateconcentrationaseffectivenessindexes.Uponcomparison,theperformancestabilityofAnammoxbioreactorstartedupwithanaerobicgranularsludgewasfoundsuperiortothereactorstartedupwithdenitrificationsludge,whichoccurredeasilyunderhightotalnitrogen(TN)loadingrates.Basedonthecharacteristicsofthefourphasesandstabilityperformance,controlstrategieswereproposedtoacceleratethestart-upofAnammoxbioreactors.Keywords：Anammox；anaerobicgranularsludge；denitrificationsludge；start-upcourse厌氧氨氧化(Anammox)工艺是近年来开发成功的新型生物脱氮技术[1-4].在缺氧条件下,Anammox菌以亚硝酸盐为电子受体氧化氨而生成氮气[2-3].由于该工艺高效价廉,引起研究者的广泛关注[3-8].但Anammox菌的细胞产率低,倍增时间长[2],Anammox反应器的启动缓慢[3-11].要启动和运行Anammox反应器,必须获得优质菌种并辅以精心培育.研究证明,厌氧颗粒污泥和反硝化污泥都具有厌氧氨氧化活性[11-15],并且来源广泛,因此成为收稿日期：2008-02-12基金项目：国家自然科学基金资助项目(30770039);国家“863”项目(2006AA06Z332);浙江省自然科学基金资助项目(Y507227)*责任作者,教授,[e-mail]684中国环境科学28卷Anammox反应器的潜在菌源.本研究拟通过比较上述2种接种物启动Anammox反应器的性能,验证其作为厌氧氨氧化种源的有效性,并从中获得菌种扩增的关键技术.1材料与方法1.1试验废水试验采用模拟废水,其组成(g/L):KH2PO40.01,CaCl2·2H2O0.0056,MgSO4·7H2O0.3,KHCO31.25;微量元素浓缩液I和II各1.25mL/L.NH4+-N和NO2--N以(NH4)2SO4和NaNO2提供,浓度按需配制.微量元素浓缩液I的组成(g/L):EDTA5,FeSO45.微量元素浓缩液II的组成(g/L):EDTA15,H3BO40.014,MnCl2·4H2O0.99,CuSO4·5H2O0.25,ZnSO4·7H2O0.43,NiCl2·6H2O0.19,NaSeO4·10H2O0.21,NaMoO4·2H2O0.22.1.2试验装置试验采用上流式生物膜滤器(UBF),由有机玻璃制成,总容积1.5L,有效容积1.1L(图1).污泥接种量为73%,内置软质弹性填料,外裹黑布,以防光的负面影响.废水通过蠕动泵连续泵至UBF底部,在上升运动中由Anammox菌转化成氮气,氮气从反应器顶部的气室引出,净化水从反应器上部的溢流堰排放.进水pH值控制在6.8~7.0,操作温度控制在(30±1).℃561243图1试验装置示意Fig.1Schematicdiagramofexperimentalequipment1.进水瓶2.进水泵3.UBF4.气固液分离器5.出水瓶6.水封瓶1.3接种污泥试验采用2个相同的UBF,分别记为UBF1和UBF2.接种污泥分别取自某造纸厂废水处理站IC反应器(厌氧颗粒污泥)与某味精厂的废水生物脱氮装置(反硝化絮体污泥),其主要理化性能见表1.表1接种污泥的理化性状Table1characteristicsofthetwoseedingsludge接种污泥SS(g/L)VSS(g/L)VSS/SS粒径(mm)厌氧颗粒污泥51.243.50.851~4反硝化絮体污泥30.219.30.64未测1.4测定项目与方法按文献[16]中的方法测定:NH4+-N采用水杨酸-次氯酸盐光度法测定;NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定;NO3--N采用紫外分光光度法测定;SS和VSS采用重量法测定;pH值采用pHS-9V型酸度计测定.2结果与讨论2.1Anammox反应器的启动过程2.1.1UBF1启动过程UBF1接种厌氧颗粒污泥,控制HRT为10.1h,其启动性能如图2所示.其启动过程可分成4个阶段:菌体自溶阶段、活性迟滞阶段、活性提高阶段和活性稳定阶段.1~49d为菌体自溶阶段.前29d出水NH4+-N浓度高于进水NH4+-N浓度(70mg/L),表明有菌体溶解所致的NH4+-N释放,因为进水中不含有机氮化物[3,14].30~49d,出水NH4+-N浓度与进水NH4+-N浓度基本持平(NH4+-N去除率基本为0,图2B),这标志着菌体自溶阶段结束.50~57d为活性迟滞阶段.在该阶段,NH4+-N去除率为6.0%±2.6%.第57d,NH4+-N去除率突跃至31.0%,此后NH4+-N去除率稳步增加(图2B),标志着活性迟滞阶段结束.在活性迟滞阶段,反应器进水口附近的部分颗粒污泥由黑色转变为黄色.58~98d为活性提高阶段.进水NH4+-N与NO2--N浓度分别由第58d的70mg/L和70mg/L逐步升高至第98d的318mg/L和410mg/L,总氮(TN)容积负荷率由333mg/(L·d)(第58d)升高至1733mg/(L·d)(第98d)时,反应器的基质去除率上升8期唐崇俭等：不同接种物启动Anammox反应器的性能研究685为100%(图2B),基质去除速率达1730mg/(L·d)(图2A),高于其他研究者采用的厌氧颗粒污泥启动Anammox反应器所得到的基质去除速率[21mg/(L·d)][14].观测发现,反应器内的黄色污泥区逐渐扩大,同时出现少量红色颗粒.反应器去除的NH4+-N和NO2--N及产生的NO3--N之比为(1.32±0.15)/(0.002±0.004)(图2C).NO2--N氧化成NO3--N被认为是Anammox菌生长的能量来源[3,5],检测到NO3--N表明有Anammox菌的生长.25002000150010005000[mg/(L⋅d)]020406080100120A(d)140020406080100120140120600-60(%)NH4+-NNO2--NB(d)60708010090110120130(d)2.01.51.00.500.261.32CNO2--N/NH4+-NNO3--N/NH4+-N图2UBF1的启动性能Fig.2PerformanceofUBF1duringstart-up99~122d为活性稳定阶段.进水NH4+-N与NO2--N浓度分别由338和432mg/L逐步升高至400和500mg/L,TN容积负荷率升高至2140mg/(L·d),该阶段的基质去除速率为(1790±230)mg/(L·d),获得的最大基质去除速率为2090mg/(L·d),反应器去除的NH4+-N和NO2--N及产生的NO3--N之比为1/(1.26±0.07)/(0.04±0.04)(图2C).NO3--N与NH4+-N之比仍远低于理论值0.26[2],原因有待于进一步深入研究.生物反应器的启动过程实