升流式厌氧氨氧化流化床反应器脱氮效能研究

相比于传统的硝化反硝化技术，厌氧氨氧化技术在处理低碳氮比、高氨氮废水时，具有无需外加碳源、节能等优势，日益受到关注。目前，厌氧氨氧化技术主要用于污泥消化液和含高氨氮工业废水的处理，且技术发展已较为成熟，在美国、德国、瑞士等有成功的应用案例。

根据厌氧氨氧化污泥形态的不同，可分为以絮体为主、以生物膜为主和以颗粒为主3种工艺形式；其中，以生物膜为主的厌氧氨氧化工艺因稳定、高效的脱氮性能而备受关注，其核心技术是借助填料富集、长期持有厌氧氨氧化细菌，有效提升反应器内厌氧氨氧化菌的丰度和反应器的脱氮效能。

基于移动床生物膜反应器（MBBR）开发的厌氧氨氧化技术已有成功的应用案例。厌氧氨氧化MBBR工艺的总氮去除负荷高达8 kg/（m³·d），脱氮优势显著。

填料是厌氧氨氧化菌生长的载体，厌氧氨氧化反应器的脱氮效能也与填料的种类紧密相关。高大文等以组合填料、聚氨酯泡绵、立体弹性纤维为载体，启动上流式固定床厌氧氨氧化反应器，结果显示组合填料具有较高的比表面积和较好的亲水性能，微生物易于附着生长且不易脱落，总氮去除负荷可达1.32 kg/（m³·d），抗负荷冲击能力显著优于以聚氨酯泡绵和立体弹性填料启动的反应器。

此外，亚硝酸盐和游离氨对厌氧氨氧化菌活性有一定抑制，高浓度进水基质引发的高负荷冲击也是影响厌氧氨氧化反应器运行稳定性和脱氮效能的重要因素，如何规避基质对厌氧氨氧化菌的抑制已成为研究重点。

本研究以悬浮生物填料为载体，启动、构建了升流式厌氧氨氧化流化床反应器（UAFB-anammox），以人工配水为研究对象，研究进水基质浓度和回流对UAFB-anammox脱氮效能的影响，为厌氧氨氧化工艺效能提升提供一定理论基础。

01 试验材料和方法

1.1 试验装置

试验装置采用升流式厌氧流化床反应器（UAFB），如图 1所示。

UAFB反应器工作体积为5 L，高度为1 m，内径0.08 m，有机玻璃材质；使用市售流化床填料（直径25 mm，厚度12 mm，容重100 kg/m³，比表面积500 ㎡/m³）作为挂膜载体，填料在反应区的填充率为30%。通过加热带将反应器温度控制在（30±1）℃。原水未经脱气处理，经过蠕动泵从反应器底部连续进入UAFB反应器，通过回流泵从反应器上端抽出回流到反应器底部，出水从反应器溢流堰排出，产生的气体从三相分离器排至空气中。

1.2 接种污泥和模拟废水

接种污泥为普通好氧活性污泥，取自深圳市盐田污水处理厂序批式生化池，污泥整体呈黄褐色，悬浮固体质量浓度（MLSS）为4 500 mg/L，挥发性悬浮固体质量浓度（MLVSS）为3 500 mg/L。

反应器进水采用人工模拟废水，不添加有机碳源，模拟废水组成：NH4Cl（按需配制），NaNO₂（按需配制），NaHCO₃ 0.6 g/L，维氏盐0.2 mL/L，微量元素Ⅰ和微量元素Ⅱ各1 mL/L，用NaOH或HCl调节进水pH约7.7。维氏盐溶液组成：KH₂PO₄ 5 g/L，MgSO₄·7H₂O 2.5 g/L，NaCl 2.5 g/L，FeSO₄·7H₂O 0.05 g/L，MnSO₄·7H₂O 0.05 g/L。微量元素Ⅰ：EDTA 5 g/L，FeSO₄·7H2O 5 g/L。微量元素Ⅱ：MnCl₂·4H₂O 0.99 g/L，CuSO4·5H₂O 0.25 g/L，EDTA 15 g/L，H₃BO₄ 0.014 g/L，ZnSO4·7H2O 0.43 g/L，NiCl₂·6H2O 0.19 g/L，Na2MoO₄·2H₂O 0.22 g/L，Na2SeO₄·10H₂O 0.21 g/L。

1.3 试验方法

反应器启动阶段，污泥驯化期采用低基质浓度进水的方式运行，驯化第一阶段（0~130 d）进水NH₄⁺-N和NO₂^--N分别为60 mg/L和50 mg/L，驯化第二阶段（131~208 d）进水NH4+-N和NO2--N分别调整为100、140 mg/L，待NH₄⁺-N和NO₂^--N去除率高于85%、反应器稳定后，开始考察负荷冲击和回流对反应器脱氮效能的影响。

负荷冲击研究中，进水量控制在19.2 L/d，水力停留时间为6.25 h，初始进水NH₄⁺-N和NO₂^--N分别为60、90 mg/L，逐步提升至400、450 mg/L。待反应器脱氮效能开始降低时，开启回流，采用150%回流比运行，研究回流对UAFB-anammox反应器运行效能的影响。

1.4 分析方法

各项指标参照《水和废水监测分析方法》进行测定：NH₄⁺-N采用纳氏分光光度法测定；NO₂^--N采用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法测定；NO₃^--N采用酚二磺酸分光光度法测定；pH使用Sartorius Y31-038酸度计测定。定期取进、出水，测定水样的pH、NH₄⁺-N、NO₂^--N和NO₃^--N。

02 结果与分析

2.1 厌氧氨氧化菌驯化与反应器启动

UAFB-anammox反应器启动过程中，进出水NH₄⁺-N和NO₂^--N的变化趋势及去除率见图 2。

UAFB-anammox反应器启动历时150 d，启动过程经历了溶胞迟滞、活性提升和活性稳定3个阶段。0~35 d为溶胞迟滞阶段，出水NH₄⁺-N高于进水NH₄⁺-N，出水NO₂^--N低于进水NO₂^--N，去除率约为15%；污泥驯化初期，由于反应器中的微生物对厌氧和无机营养条件的不适应，菌体发生溶胞现象，释放出氨氮和有机物，内源反硝化作用以有机物为碳源将亚硝酸盐转化为氮气，因此出水NH₄⁺-N高于进水NH₄⁺-N、出水NO₂^--N低于进水NO₂^--N。

36~150 d为活性提升阶段，氨氮和亚硝酸盐氮同步稳定去除，活性提升后期，NH₄⁺-N和NO₂^--N去除率约为60%，化学计量比NO₂^--N/NH₄⁺-N稳定在1.2~1.5（见图 3），反应器底部污泥颜色从棕黄色转变为砖红色，填料上开始出现砖红色絮体。

151~208 d为活性稳定阶段，提高进水氨氮和亚硝酸盐浓度，UAFB-anammox反应器稳定运行，NH₄⁺-N和NO₂^--N去除率约为80%~100%，NO₂^--N/NH₄⁺-N稳定在1.2~1.5，NO₃^--N/NH₄⁺-N稳定在0.3~0.5。

经150 d的培养驯化，UAFB-anammox反应器成功启动。在UAFB-anammox反应器启动、稳定阶段，反应器内出现明显的气泡，将底部污泥托起，部分污泥随水流从反应器堰口流出，部分污泥附着于反应区的填料上，悬浮填料的砖红色逐步加深，填料表面和内部形成致密的生物膜。

2.2 进水负荷冲击和回流影响研究

通过逐步提升进水氨氮和亚硝酸盐氮浓度的方式，提升进水负荷，研究负荷冲击对UAFB-anammox反应器运行效能的影响。

在低基质浓度范围内（NH₄⁺-N61.54~297.35 mg/L，NO₂^--N 96.01~355.70 mg/L），总氮容积负荷从0.61升至2.52 kg/（m³·d），总氮去除负荷从0.39 kg/（m³·d）稳步提升至1.29 kg/（m³·d），NH₄⁺-N和NO₂^--N去除率最高约90%；当进水NH₄⁺-N和NO₂^--N分别提升至390、446 mg/L，总氮容积负荷提升至3.22 kg/（m³·d）时，总氮去除负荷降低至1.08 kg/（m³·d），NH₄⁺-N和NO₂^--N去除率降至31.91%、44.51%（见图 4），说明此时反应器脱氮性能开始恶化。

在低基质浓度范围内，随着进水基质浓度和容积负荷的增加，UAFB-anammox反应器的总氮去除负荷稳步提升，NH₄⁺-N和NO₂^--N去除率保持稳定，说明反应器内厌氧氨氧化菌具有较高活性，能快速适应基质浓度适当升高带来的环境变化，UAFB-anammox反应器具备一定耐负荷冲击能力。NH₄⁺-N和NO₂^--N是厌氧氨氧化菌的主要营养物质，但当反应器内NO2--N达到100 mg/L、游离氨达到13~90 mg/L时，会对厌氧氨氧化菌的活性产生抑制。

试验结果显示，进水NH₄⁺-N和NO₂^--N分别为297.35、355.7 mg/L时，反应器内的NO₂^--N达到147.55 mg/L、游离氨达到21.37 mg/L（见图 5），已超出NO₂^--N和游离氨对厌氧氨氧化菌的抑制浓度，反应器的总氮容积去除负荷仍保持在1.29 kg/（m³·d），NH₄⁺-N和NO₂^--N的去除率已降至约60%；随着进水NH₄⁺-N和NO₂^--N分别提升至390.18、446.23 mg/L，反应器内的NO₂^--N达到247.49 mg/L、游离氨为26.45 mg/L，此时厌氧氨氧化菌的活性受到比较强烈的抑制。因此，NO₂^--N和游离氨的双重抑制是反应器总氮去除负荷降低、脱氮效能降低的主要原因。

进水基质对厌氧氨氧化菌的活性抑制已成为限制反应器效能提升的主要原因。因此，目前众多厌氧氨氧化反应器在启动及脱氮效能提高的研究过程中，将进水NH₄⁺-N和NO₂^--N控制在200~300 mg/L，一定程度上限制了厌氧氨氧化工艺处理高氨氮废水的独特优势。

本研究在UAFB-anammox反应器高基质浓度进水（NH₄⁺-N 390 mg/L，NO₂^--N 446 mg/L）运行20 d后开启回流，按150%回流比运行，经过约10 d的恢复期，反应器出水NH₄⁺-N和NO₂^--N去除率开始稳步升高，平均去除率分别约62.49%、60.50%，同时反应器的总氮去除容积负荷提升至1.76 kg/（m³·d），相比于回流前提升了60%。

150%回流有效降低了反应器内NO₂^--N和游离氨的浓度，NO₂^--N从247.49 mg/L降至175.43 mg/L、游离氨从26.45 mg/L降至10.57 mg/L（见图 5）。

NO₂^--N和游离氨的浓度虽仍高于抑制浓度，但已有效缓解了对厌氧氨氧化菌活性的抑制，使UAFB-anammox反应器的脱氮效能提升63%，回流取得的效果显著。

03 结 论

（1）以悬浮填料作为升流式厌氧流化床反应器的挂膜载体培养厌氧氨氧化菌，经36 d的驯化，可同步去除NH₄⁺-N和NO₂^--N。经150 d的培养，NH₄⁺-N和NO₂^--N同步去除率稳定在80%以上，升流式厌氧氨氧化流化床反应器成功启动，悬浮填料表面及内部空隙均附着致密的砖红色生物膜。

（2）低基质浓度进水运行时，升流式厌氧氨氧化流化床反应器具备一定的抗负荷冲击能力，总氮容积负荷在0.61~2.52 kg/（m³·d）范围内升高时，总氮去除负荷从0.39 kg/（m³·d）提升至1.29 kg/（m³·d）；当总氮容积负荷增加到3.2 kg/（m³·d）时，总氮去除负荷降至1.08 kg/（m³·d）。

（3）150%的回流比可有效缓解基质对厌氧氨氧化菌的活性抑制，提升反应器的脱氮效能，总氮去除负荷可提升至1.76 kg/（m³·d），脱氮效能提高63%。