推流式固定化絮体生物反应器培养ANAMMOX菌试验

推流式固定化絮体生物反应器培养ANAMMOX菌试验研究摘要：对ANAMMOX菌的培养及恰当的反应器形式进行了讨论和试验研究。采用推流式固定化絮体生物反应器在4个月时间内成功地获得了ANAMMOX活性，并培养出了红色颗粒污泥。在稳定运行期间(HRT2.58d，温度30℃)，平均进水氨氮、亚硝酸盐氮浓度分别为333.7mg/L、317.4mg/L，出水氨氮、亚硝酸盐氮平均浓度为5.2mg/L、6.4mg/l，氨氮、亚硝酸盐氮、总氮的平均去除率分别为98.4%、97.9%、81.1%。关键字：厌氧氨氧化推流脱氮1

ANNANMMOOX工艺研究状状况厌氧氨氧化技术术的研究从荷荷兰KLUYVVER试验室发现现这一实验现现象（1），到2002年6月世界上第第一座生产性性装置在DOKHAAVEN投入运行（2），至今已持持续近十年。国国内的一些研研究者在这一一领域也取得得了一定的研研究成果（3）。目前国内内一大批研究究机构正积极极地在这一领领域开展研究究工作（4）。综观目前前的研究成果果，对ANAMMMOX的基础理论论研究已经相相当深入，但但对如何快速速培养和富集集ANAMMMOX菌公开报道道，较为鲜见见。众多研究究者缺乏研究究材料的问题题相当普遍，这这已成为在这这一领域开展展大量研究工工作的重要瓶瓶颈。2

ANNAMMOXX菌培养反应应器选择目前已知的培养养ANANMMMOX菌方法的有有两类，一类类是采用ANAMMMOX菌接种物，在在反应器中进进行增殖培养养；另一种是是采用活性污污泥进行富集集培养。荷兰兰代尔夫特工工业大学（TUDeelft）关于ANAMMMOX的研究主要要利用第一种种方法，种泥泥来自于最早早发现ANAMMMOX现象的脱氮氮流化床反应应器。在国内内开展的研究究只能依靠从从活性污泥中中富集培养的的方法。浙江江大学郑平、胡胡宝兰等采用用UASB反应器成功功地富集到了了高活性的ANAMMMOX污泥（5）。上海交通通大学的杨虹虹等采用悬浮浮填料床反应应器，成功地地进行了OLAND工艺的研究究，该工艺中中同样有ANAMMMOX菌参与反应应（6）。荷兰研究究者认为SBR是适合ANAMMMOX菌培养的反反应器，并且且在该反应器器中培养出了了颗粒化的ANAMMMOX污泥（7），但是该反反应器全套购购置费用昂贵贵，国内一般般研究机构难难以承受，不不便于推广使使用。分析目目前关于ANAMMMOX菌的研究成成果可知，培培养该菌应该该满足其如下下一些基本要要求：（1）该菌菌广泛地存在在于自然界中中，在具有硝硝化、脱氮能能力的生物膜膜、长污泥龄龄低负荷活性性污泥中数量量较多。（2）该菌菌在有氨氮、亚亚硝酸盐氮的的环境中，可可以进行ANAMMMOX反应，并能能够增殖。（3）氧对对该菌完成ANAMMMOX反应有抑制制作用（8）。（4）该菌菌的合适生存存环境是：温温度20-43℃，pH6.77~8.3（9）。（5）亚硝硝酸盐氮抑制制浓度为100mgg/L（9）。（6）该菌菌的倍增时间间是4-11天，合成系系数是0.0544gVSS//gNH4+-N，污泥衰减减系数为0.01dd-1。比增长速率率为0.0655d-1（10）。目前研究中使用用的反应器，如UASB，流化床，填料床等，基本属于完全混合类反应器。采用推流式的反应器，并且将启动污泥均匀地固定在反应器中，同样适合于ANAMMOX菌的富集培养。理由如下：（1）接种种污泥中含有有少量ANAMMMOX菌，这些分分散于污泥絮絮体中的菌体体通过填料的的支撑作用，均均匀地固定在在反应器中，可可以获得相对对稳定、相互互依存的生长长环境。（2）培养养基质低速穿穿过污泥絮体体，可以为该该菌提供营养养，传递中间间产物。（3）反应应器中基质浓浓度沿推流沿沿程上是递减减分布的，为为污泥在各种种负荷下生长长提供了可能能性，在进水水口附近是高高负荷区，在在出水附近是是低负荷区。负负荷的不同，微微生物的生长长状况也呈现现出差异，特特别是对于复复合菌而言，不不同种类的菌菌在反应器中中可能有相应应的生长区段段。（4）对于于氧、高基质质浓度等抑制制因素，推流流式反应器的的前段可以起起到保护后段段的作用。（5）从推推流沿程上取取样，可以方方便观察不同同区段微生物物的生长和基基质浓度变化化所带来的差差异性情况。（6）从设设备要求上讲讲，该反应器器只需要一个个进水泵，最最大限度低减减少了转动部部件，从而对对保证系统的的密闭性非常常有利。整个个系统造价低低廉。基于上述设想，本本研究设计了了一个2.4L的推流式固固定化生物絮絮体反应器，在4个月内成功地完成了启动过程。随后启动的另一组12L反应器也已获得了稳定的ANAMMOX活性。3

试验验装置及方法法3.1

试试验装置试验用ANAMMMOX反应器及试试验流程图见见图1.反应器有效效容积为2.4L。该装置运运行在30℃的恒温试验验室中。进水水流量范围0.8~11.13L//d，平均流量量为0.9233L，平均水力力停留时间为为2.6天。1．进水贮瓶2.水蠕动泵3.流式固定化化絮体反应器器4.出水贮瓶

5.出水贮瓶图1

ANNAMMOXX反应器及试试验流程图3.2

接接种污泥接种污泥取自某某污水厂的好好氧消化污泥泥和中水处理理厂的好氧污污泥，经过短短暂的硝化培培养后，作为为接种污泥使使用。其部分分理化性状为为：TS133.3g/LL;VS7.25gg/L;VVS/TS54.655%;

ppH8.00~8.33。3.3

培培养基质含氮污水采用在在自来水中配配入工业碳酸酸氢铵和亚硝硝酸钠的方法法配制，同时时按照一定比比例加入无机机盐和微量元元素(3)。每次配配制基质后，用用氩气置换20-~330分钟，在进进料过程中也也连续通入该该气体，以消消除氧的影响响。3.4

分分析方法氨氮：纳氏试剂剂光度法；亚硝酸盐：N--(1-萘基)乙二胺光度度法；硝酸盐：紫外分分光光度法；；总氮：过硫酸钾钾氧化-紫外分光光光度法；PH：玻璃电极极法；碱度：电位滴定定法；每批次分析化验验时，每个项项目均选取一一个样品进行行加标回收测测定，回收率率在90%以上为有效效数据。4推流流式固定化絮絮体生物反应应器的启动与与运行结果试验期间氨氮、亚亚硝酸盐氮、硝硝酸盐氮、总总氮和反应器器负荷的历时时变化曲线见见图2~6。4.1污泥泥适应及转换换期污泥接种完毕后后，开始连续续进水培养ANAMMMOX菌。根据郑郑平等的经验验，起始浓度度设定为70mg//L(NH44+-N和NO2--N)。试验开始始的一个半月月可以看作是是污泥的适应应和转换期。接接种污泥均是是好氧污泥，并并且含有一定定的有机物，在在转为厌氧状状态下运行，有有一个转变过过程。从图1-5中可以看出出，出水中NH4+-N、NO2--N、TN变化非常不不稳定。根据据碱度变化和和各种氮形态态之间转化分分析，这一时时期首先发生生的是氨氧化化和反硝化反反应，然后才才开始ANAMMMOX反应。从第30天以后后，氨氨氮浓度持续续降低，亚硝硝酸盐氮浓度度持续上升浓浓度，但是氨氨氮转化量高高于亚硝酸盐盐氮增加量，总总氮去除率均均小于20%。到第45天后，亚硝硝酸盐氮浓度度开始逐步下下降，并低于于进水浓度，同同时总氮去除除率上升，达达到30%以上。出水水中的硝酸盐盐氮含量和产产气量开始上上升。至此反反应器已经具具备一定的ANAMMMOX反应特征。4.2

负负荷提高期从第45天后开开始提高负荷荷，考虑到反反应器中要发发生一部分氨氨氧化反应，有有一部分氨氮氮要转化为亚亚硝酸盐氮，因因此在配水时时，有意提高高氨氮浓度（一一般按氨氮与与亚硝酸盐氮氮1.2~11.5:1的比例配置置，根据出水水中残余的氨氨氮和亚硝酸酸盐氮浓度进进行调整）。从从图1-4中可以看出出，到第80天后，总氮氮的去除率达达到80%，出水中的的氨氮和亚硝硝酸盐氮均接接近0mg/l。反应器此此时已基本稳稳定，第80天以后按照7-10天提高进水TN60--80mg//l的速度提高高负荷，控制制出水中氨氮氮和亚硝酸盐盐氮均接近0mg/l。到120天左右，在在反应器中观观察到了红色色的颗粒状污污泥，此污泥泥可能就是ANAMMMOX菌的聚集体体。试验结果果表明，虽然然进水浓度在在不但提高，氨氨氮和亚硝酸酸盐氮的去除除率均接近100%，但总氮的的去除率因为为有硝酸盐氮氮的生成，而而始终维持在在80%左右。当负负荷降低时，硝硝酸盐氮的浓浓度可以降低低，总氮去除除率也随着上上升，但为了了加快培养细细菌，未在这这方面进行进进一步试验。在在本试验第135~1147天的12天稳定运行行期内（平均均流量0.9299L/d），平均进进水氨氮、亚亚硝酸盐氮、硝硝酸盐氮、总总氮浓度分别别为337.00mg/l、317.44mg/l，27.3mmg/l，684.88mg/l，出水中氨氨氮、亚硝酸酸盐氮、硝酸酸盐氮、总氮氮的浓度分别别为5.2mgg/l,6..4mg/ll,1111.4mg//l、128.22mg/l。反应器平平均进水氨氮氮、亚硝酸盐盐氮、总氮负负荷分别为0.1311Kg-N//m3.d，0.1233Kg-N//m3.d，0.2655Kg-N//m3.d，反应器平平均氨氮、亚亚硝酸盐氮，总总氮去除负荷荷分别为0.1299Kg-N//m3.d，0.1200Kg-N//m3.d，0.2155Kg-N//m3.d，平均去除除率分别为98.4%，97.9%，81.1%。目前反应应器运行负荷荷仍在不断提提高之中。5

污泥性状状观察5.1

反应应器沿程污泥泥分布经过连续培养，反反应器中污泥泥颜色变化不不大，从原来来的黄褐色变变为较暗的土土黄色。反应应器前半部分分的污泥变少少，反应器后后半部分的污污泥从外观观观察未见减少少。试验过程程中未观察到到明显的污泥泥流动和流失失现象。5.2

污污泥颗粒化从第120天观观察到反应器器前半部分出出现红色污泥泥后，红色污污泥颗粒在填填料支架上成成片生长，污污泥的数量和和尺寸在不断断增加。并且且与黄色絮状状污泥混杂在在一起。颗粒粒尺寸从0.2mm到3-4mm不等。污泥泥颗粒周围有有较多气泡。反反应器的后半半部分未发现现红色污泥。这这表明高负荷荷有利于该污污泥的生长和和颗粒化。由由于反应器是是推流式运行行，到末端可可供微生物利利用的基质较较少，不利于于微生物的大大量生长。6

问题题讨论6.1

氨氨氮与亚硝酸酸氮反应比例例问题本试验中观察到到的氨氮和亚亚硝酸盐氮反反应比例与目目前普遍认同同的反应方程程式（式1）(10)有较大大差异。根据上述反应式式，氨氮、亚亚硝酸盐氮、硝硝酸盐氮的反反应比例为1:1.332:0.226左右，胡宝宝兰等的试验验结果是1:1.1123（氨氮：亚亚硝酸盐氮）。本本试验期间反反应器累积的的氨氮与亚硝硝酸盐氮反应应比例为1.37::1:0.0056（或1:0.773:0.004）。初步探探索性试验表表明，硝酸盐盐氮的比例可可以通过降低低负荷进一步步降低，但如如果将进水氨氨氮与亚硝酸酸盐氮浓度改改为1:1，对反应器器的运行将造造成重大冲击击。本反应器器中氨氮、亚亚硝酸盐氮、硝硝酸盐氮反应应比例的差异异是否是由于于存在硝化反反应或存在其其他微生物反反应所造成，仍仍有待于以后后的试验深入入研究确认。6.2

负负荷提高速度度问题负荷提高速度受受污泥增长的的速度的限制制。本试验期期间，按照7~10天增加总氮氮浓度60-800mg/L的速度提高高负荷，基本本上与反应器器中微生物的的增长相适应应。当负荷提提高过快或提提高幅度过大大后，会导致致出水中有残残余的氨氮和和亚硝酸盐氮氮。虽然维持持一定出水基基质浓度对反反应器末端微微生物的生长长有利，但由由于对ANAMMMOX反应器的控控制条件不甚甚明了，为了了保证反应器器的稳定运行行，只好按控控制出水亚硝硝酸盐氮和氨氨氮浓度均为为0mg/L的方式运行行。7氧气气的影响反应器氧非常敏敏感，少量的的氧进入反应应器就会造成成ANAMMMOX反应效率的的急速降低，出出水pH也较原先的的值低。可以以通过观察出出水pH的变化，判判断反应器是是否受到氧的的影响。氧对对反应器的影影响是可逆的的，并且可以以通入氩气驱驱赶氧气，消消除氧对ANAMMMOX反应的抑制制。8运行行控制方法本试验运行结果果表明，控制制出水氨氮、亚亚硝酸盐氮浓浓度在一定的的范围内，稳稳定运行7-10天作为一个个周期，再提提高负荷；利利用出水pH、碱度的变变化判断反应应器日常的运运行情况，就就可以顺利地地运行该反应应器，并获得得ANAMMMOX活性和颗粒粒化的ANAMMMOX污泥。由于于试验装置一一般较小，产产气计量较为为困难，不便便于作为运行行控制手段。9结论论（1）

采采用推流式固固定化絮体生生物反应器培培养ANAMMMOX菌，有其独独特的优势，是是一种廉价并并且易于控制制的试验手段段。（2）

本本试验利用该该反应器成功功地在一个半半月后获得了了稳定的ANAMMMOX活性，并且且在120天左右培养养出了红色的的颗粒化污泥泥（可能是ANAMMMOX菌的聚集体体）。（3）本试验验运行后期的的稳定运行期期间，反应器器平均HRT为2.58天，温度为30度时获得如如下结果：平平均进水氨氮氮、亚硝酸盐盐氮浓度分别别为337.00mg/l、317.44mg/l，平均出水水氨氮、亚硝硝酸盐氮浓度度为5.2mgg/l、6.4mgg/l，平均出水水硝酸盐氮浓浓度111.44mg/l；氨氮、亚亚硝酸盐氮、总总氮去除率分分别为98.4、97.9%、81.1%；氨氮、亚亚硝酸盐氮