常温低基质厌氧氨氧化ASBR反应器的快速启动张永辉

常温低基质厌氧氨氧化ASBR反应器的快速启动张永辉1，彭永臻2，曾立云1，胡树超3，崔鹏1，马娟1，陈永志1（1.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州730070；2.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；3.兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州730000）［摘要］采用低基质模拟废水〔NH4+-N、NO2--N分别为（25±0.4）、（33±0.6）mg/L〕，在温度为（23±0.5）℃的条件下，研究了厌氧氨氧化ASBR反应器的快速启动。第Ⅰ阶段HRT为24h，pH不控制，菌体自溶期出水NH4+-N为69mg/L，活性停滞期出水NH4+-N与进水几乎相等；第Ⅱ~Ⅲ阶段，菌体处于活性提高期，HRT分别为12、8h，pH控制为8.0~8.2，出水NH4+-N降低到1.6mg/L，NO2--N均先升高后降低；第Ⅳ阶段HRT为4h，pH控制为8.0~8.2，出水NH4+-N和NO2--N均低于1mg/L，TN去除负荷为352.3mg/（L·d），△m（NH4+-N）∶△m（NO2--N）∶△m（NO3--N）=1∶（1.33±0.02）∶（0.26±0.02），反应器启动成功。［关键词］低基质；厌氧氨氧化；厌氧序批式反应器；快速启动［中图分类号］X703［文献标识码］A［文章编号］1005-829X（2017）02-0043-05Quickstart⁃upoflow⁃substrateAnammoxASBRreactoratnormaltemperatureZhangYonghui1，PengYongzhen2，ZengLiyun1，HuShuchao3，CuiPeng1，MaJuan1，ChenYongzhi1（1.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering，LanzhouJiaotongUniversity，Lanzhou730070，China；2.KeyLaboratoryofBeijingWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering，BeijingUniversityofTechnology，Beijing100124，China；3.LanzhouRailwayDesignInstituteCo.，Ltd.，Lanzhou730000，China）Abstract：Usinglowsubstratesimulatedwastewater（NH4+-NandNO2--Nare（25±0.4）mg/Land（33±0.6）mg/Lrespectively），attemperature（23±0.5）℃，therapidstart⁃upofanaerobicammoniumoxidation（Anammox）processanaerobicsequencingbatchreactor（ASBR）hasbeenstudied.InStageⅠ，HRTis24handpHuncontrolled，inthalliautolysisphaseeffluentNH4+-Nis69mg/L，inactivitystagnatephasetheeffluentandinfluentNH4+-Narealmostthesame.InStageⅡ-Ⅲ，thethalliisinup⁃goingperiod，theirHRTare12hand8h，respectively，andpHiscontrolledat8.0-8.2，theeffluentNH4+-Ndecreasesto1.6mg/L，whileNO2--Nincreasesfirst，thendecreases.InStageⅣ，HRTis4h，andpHcontrolledat8.0-8.2，theeffluentNH4+-NandNO2--Nbotharelowerthan1mg/L，andtheTNremovingloadis352.3mg/（L·d），△m（NH4+-N）∶△m（NO2--N）∶△m（NO3--N）＝1∶（1.33±0.02）∶（0.26±0.02），indicatingthattheAnammoxASBRreactorissuccessfullystartedup.Keywords：lowsubstrate；Anammox；anaerobicsequencingbatchreactor（ASBR）；quickstart⁃up［基金项目］国家自然科学基金项目（51668033，51168027）；甘肃省财政厅基本科研业务费（213065）第37卷第2期2017年2月工业水处理IndustrialWaterTreatmentVol.37No.2Feb.，2017城市污水处理普遍应用的生物脱氮工艺是在好氧条件下利用硝化细菌将氨氮氧化为硝态氮，然后在缺氧条件下利用反硝化细菌将硝态氮还原为氮气〔1〕。该工艺消耗的曝气量大，而城市污水碳氮比较低，难以满足反硝化过程所需碳源，外碳源的投加使脱氮系统的运行费用进一步提高〔2〕。厌氧氨氧化（anaerobicammoniaoxidation，Anammox）是指在厌氧或缺氧条件下，厌氧氨氧化菌以NH4+-N为电子供体，以NO2--N为电子受体，将两者转化为N2的过程，具有可减少有机碳源投加、无需曝气以及污泥产量低等优点〔3〕。但其应用主要集中在高温下对污泥消化上清液和垃圾渗滤液等高氨氮废水的处理〔4-5〕，对常温低基质条件下的厌氧氨氧化反应研究较少〔6〕，且存在反应器启动时间过长等弊--43工业水处理2017-02，37（2）端〔7〕。因此，在常温低基质条件下快速启动厌氧氨氧化反应成为目前研究的热点〔8〕。本研究采用模拟低基质废水，在常温条件下研究了厌氧氨氧化ASBR反应器的快速启动，以期为厌氧氨氧化工艺处理低氨氮城市污水提供参考。1材料与方法1.1实验装置本实验采用由圆柱形有机玻璃制成的ASBR反应器，如图1所示。该反应器直径14cm，高45cm，有效容积5L。在反应器壁的垂直方向设置取样口，底部设有排泥口，上部设有通气口，反应产生的气体经水封瓶后排出。反应器外侧用黑色塑料布覆盖，以防止光对厌氧氨氧化菌活性的影响。1.2实验方法ASBR反应器的运行分为5个阶段，各阶段运行工况见表1。进水采用氮气脱氧，防止DO的抑制作用。有研究表明〔9〕，通过逐渐提高进水氮素浓度的方法来提高进水基质负荷，可以促进厌氧氨氧化菌的增长。本实验期间，进水基质浓度保持不变，通过逐渐缩短HRT的方法提高进水氮素负荷，以期加速厌氧氨氧化ASBR反应器的快速启动。表1ASBR反应器的运行工况运行阶段第Ⅰ阶段第Ⅱ阶段第Ⅲ阶段第Ⅳ阶段第Ⅴ阶段时间段/d1~4748~5960~6970~8384~90温度/℃23±0.523±0.523±0.523±0.523±0.5进水pH7.2±0.27.2±0.27.2±0.27.2±0.27.2±0.2运行过程pH不控制自动调控至8.0~8.2自动调控至8.0~8.2自动调控至8.0~8.2自动调控至8.0~8.2HRT/h24128431.3实验用水与接种污泥实验采用模拟废水，其组成如下：NH4Cl（以NH4+-N计）（25±0.4）mg/L，NaNO2（以NO2--N计）（33±0.6）mg/L，KH2PO42mg/L，KHCO3110mg/L，MgSO4·7H2O20mg/L，CaCl2·2H2O20mg/L；微量元素Ⅰ和微量元素Ⅱ各1.5mL/L。微量元素浓缩液Ⅰ组成：EDTA5mg/L，FeSO45000mg/L；微量元素浓缩液Ⅱ组成：EDTA5×103mg/L，CoCl2·6H2O240mg/L，ZnSO4·7H2O430mg/L，MnCl2·4H2O990mg/L，CuSO4·5H2O250mg/L，NiCl2·6H2O190mg/L，Na2MoO4·2H2O220mg/L，H3BO314mg/L，Na2SeO4·10H2O210mg/L。接种污泥取自兰州市某污水厂厌氧消化污泥，MLSS为8500mg/L，VSS为6630mg/L。1.4分析项目与方法水样经过0.45μm滤纸过滤后进行水质测定〔10〕。NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定，NO2--N采用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法测定，NO3--N采用麝香草酚分光光度法测定。2结果与讨论ASBR反应器启动的第Ⅰ阶段不控制pH，在第Ⅱ~Ⅴ阶段，由于厌氧氨氧化不断消耗H+而使pH逐渐升高，所以控制pH为8.0~8.2。因为厌氧氨氧化菌生长速度缓慢、世代周期长，所以排泥次数很少。2.1厌氧氨氧化反应器的启动及稳定运行ASBR反应器的启动和稳定运行情况如图2所示。第Ⅰ阶段的菌体自溶期（1~21d），HRT为24h，进水NH4+-N和NO2--N分别为（25±0.4）、（33±0.6）mg/L，由于菌体自溶使出水NH4+-N由第1天的69mg/L逐渐降低至第21天的25.3mg/L，NH4+-N去除率由-176%逐渐增加至0，出水NO2--N几乎为0；由于不存在硝化作用，出水NO3--N也几乎为0，总氮容积负荷保持在58mg/（L·d），总氮去除负荷由-10mg/（L·d）逐渐升高为33.6mg/（L·d）。由于菌体自溶导致出水NH4+-N不仅没有去除反而出现大幅波动，且出水NO2--N和NO3--N几乎为0，由此可推断反应器存在较强的反硝化作用，这与细胞解体而产生的COD有关。鲍林林等〔8〕在启动常温低基质厌氧氨氧化反应器时也同样发现，第Ⅰ阶段（33~106d）出水NO2--N低于进水，而出水NH4+-N不减反增。123451112139681071—氮气瓶；2—进水箱；3—蠕动泵；4—ASBR反应器；5—搅拌器；6—取样口；7—排泥口；8—排水水箱；9—水封瓶；10—温控仪；11—pH探头；12—PLC控制系统；13—缓冲液。图1实验装置试验研究--44工业水处理2017-02，37（2）第Ⅰ阶段的活性停滞期（22~47d），进水条件与自溶期相同，出水NH4+-N由进水的25mg/L缓慢降低至23.6mg/L左右，出水NO2--N与NO3--N仍几乎为0，而且出水pH从自溶期的8.3逐渐降低至7.9，总氮去除负荷从33.6mg/（L·d）逐渐缓慢上升至36mg/（L·d）。于德爽等〔11〕在研究厌氧氨氧化反应器的启动时发现，在活性停滞期（17~45d），NH4+-N有少量去除，而出水NO2--N与NO3--N仍为0，表明此时期已形成无机自养环境，产生了微弱的厌氧氨氧化作用。第Ⅱ~Ⅲ阶段（48~69d）为厌氧氨氧化过程菌体活性的提高期。继续保持进水pH为7.2±0.2，进水NH4+-N、NO2--N分别为（25±0.4）、（33±0.6）mg/L。运行过程中由PLC自动控制系统将ASBR反应器pH调控至8.0~8.2。48~59d，HRT为12h时，出水NH4+-N从20.1mg/L逐渐降低至14.9mg/L，NH4+-N去除率开始明显上升，第59天时已达到41.8%；出水NO2--N则从0.2mg/L逐渐增加至3.3mg/L，NO2--N去除率由第48天的99.2%下降至第59天的90.3%；出水NO3--N也逐渐增加，但低于1.2mg/L。48~59d，总氮容积负荷一直维持在117.6mg/（L·d），总氮去除负荷由74.1mg/（L·d）增至84.3mg/（L·d），表明此阶段的反硝化作用处于劣势，而厌氧氨氧化作用已占主导。随着厌氧氨氧化作用逐渐增强，NO2--N作为电子受体被厌氧氨氧化菌利用，出水NO2--N开始持续降低；经过不断驯化，NH4+-N和NO2--N去除率持续上升，反硝化作用减弱，厌氧氨氧化作用占据主导位置。同时发现，此阶段内ASBR反应器内的污泥逐渐变成浅红褐色，这是由于厌氧氨氧化菌所含的大量的细胞色素C所致〔12〕。第Ⅳ阶段（70~83d）为活性稳定期。HRT继续