厌氧氨氧化是指在厌氧的条件下，厌氧氨氧化菌利用NH₄⁺-N和NO₂^--N进行生化反应，最终将它们转化为氮气的生物脱氮过程. 厌氧氨氧化过程不仅无需溶解氧和有机物的参与，同时具有较高的脱氮速率，在高氨氮低碳废水的脱氮处理方面显示出独特的优势^[1,2,3]. 因此，近几十年来受到研究者的广泛青睐.

虽然厌氧氨氧化菌在不同的厌氧装置(UASB、 ASBR、 CSTR和MBR)中获得富集^[4,5,6,7]，但是研究者常常发现厌氧氨氧化污泥在富集培养过程中易流失. 同时厌氧氨氧化菌倍增时间较长，即使少量的流失，对于反应器脱氮速率提高而言也是巨大的挑战^[8,9]. 因此，如何改造传统的反应器，使厌氧氨氧化菌高效快速地富集，是目前厌氧氨氧化由实验向工程推广过程中面对的最大挑战.

目前的研究表明，通过外置回流泵将部分出水回流不仅可以缓解进水基质浓度对厌氧氨氧化菌的抑制，同时也可以提高反应器内上升流速，有利于厌氧氨氧化污泥颗粒化，防止微生物流失^[10,11]. 相比传统脱氮工艺，脱氮速率高是厌氧氨氧化过程一个重要特征，产生的氮气量也十分巨大. 同时，气升式环流反应器具有结构简单、 造价低、 能耗低和混合好的优势而被广泛运用于化工、 生物化工和环保工程^[12,13]. 因此在传统的厌氧氨氧化反应器中设置气升装置，利用厌氧氨氧化过程产生的氮气作为动力使部分出水回流，可能会达到于回流泵同样的效果，同时还减少购置回流泵的设备费和动力消耗.

为此，本研究在传统厌氧反应器中设置了气升装置，分析了利用厌氧氨氧化反应过程中产生的气体作为动力使部分出水回流至厌氧氨氧化反应器底部，探讨了气升装置产生的回流液增强反应器流化状态的可行性，以及观察气升装置对污泥形态及性能的影响.

1 材料与方法 1.1 实验装置

实验装置选用上流式厌氧反应器(专利申请号：201220057182.2)，由圆柱形有机玻璃制成，总体积70.65 L，有效容积为55 L. 反应器本体由污泥颗粒化区、 生物膜区(直径24 cm，高40 cm的圆柱形纤维膜)、 污泥沉淀区和气升室组成(如图 1). 在反应器中设置导气管将集气室与气升室相连. 同时气升室内的回流管与污泥沉淀区相连，气升室外回流管与反应器底部相连通. 在反应器的运行过程中，厌氧氨氧化反应产生的气体收集在集气室，然后通过气升将出水回流至反应器底部.

图 1

Fig. 1

图 1 厌氧氨氧化反应器示意 Fig. 1 Schematic of the ANAMMOX reactor

接种污泥为实验室长期运行的上流式生物膜反应器中生物膜表层块状污泥. 为了增强污泥与基质的接触面和良好的流化状态，所以在接种入反应器前通过40目筛网挤压，使其粉碎. 接种湿污泥量15 L，取5 mL污泥测定性状. 颗粒直径分布在0～0.9 mm，MLVSS/MLSS为0.73. 同时向反应器内投加1 kg CaSO₄固体，作为颗粒污泥重新凝聚的载体. 控制参数：温度30℃±1℃，通过进水加热维持； 进水pH值7.0±0.2，通过0.1 mol ·L^-1 HCl调节. 1.3 废水组成

采用人工配制废水，主要由NH₄Cl (按需配制)，NaNO₂(按需配制)，NaHCO₃ 1g ·L^-1，KHCO₃ 1 g ·L^-1，KH₂PO₄ 27mg ·L^-1，CaCl₂ ·2H₂O 136 mg ·L^-1，MgSO₄ ·7H₂O 20mg ·L^-1，微量元素Ⅰ1 mL ·L^-1和微量元素Ⅱ1.25 mL ·L^-1. 微量元素浓缩液组分为Ⅰ：EDTA 5000 mg ·L^-1，FeSO₄ 5000mg ·L^-1； 微量元素浓缩液Ⅱ组分为：EDTA 5000mg ·L^-1，ZnSO₄ ·7H₂O 430mg ·L^-1，CoCl₂ ·6H₂O 240mg ·L^-1，MnCl₂ ·4H₂O 990mg ·L^-1，CuSO₄ ·5H₂O 250mg ·L^-1，NaMoO₄ ·2H₂O 220mg ·L^-1，NiCl₂·6H₂O 190mg ·L^-1，NaSeO₄ ·10H₂O 210mg ·L^-1，H₃BO₄ 14mg ·L^-1. 废水进入反应器前未经过氮气除氧. 1.4 测定方法

水质指标测定方法均按照文献^[14]. NH₄⁺-N采用纳氏分光光度法； NO₂^--N采用N-(1萘基)-乙二胺分光光度法； NO₃^--N采用紫外分光光度法； pH值采用哈纳pH211型酸度计； MLSS/MLVSS采用重量法； 温度有水银温度计测定； 污泥图片采用索尼单反相机对污泥表面进行原倍拍摄.

颗粒污泥粒度分布采用水力分筛测定：即将含有不同粒径污泥样品放入一组具有孔径层的筛网组(孔径从下往上不断增加)中，为了避免干燥等因素影响微生物活性和颗粒尺寸，同时便于分离，将这组筛网放入水中不断振荡. 使得污泥通过重力在液体中分离进入不同筛网层.

产气速率计算：采用湿式气体流量计LMF-2累计日产气量，除以计量时间得到相应的产气速率，即产气速率(mL ·min^-1)=一段时间内收集的气体量(mL)/单位时间(min).

颗粒污泥微观SEM观察：首先按照Alphenaar的处理方法进行预处理^[15]. 污泥样品放置在2.5%的戊二醛和2％多聚甲醛溶液中进行48 h固定，然后利用0.1 mol ·L^-1的磷酸缓冲液进行3次清洗，每次时间15 min. 然后再利用10%锇酸固定. 利用不同梯度浓度的酒精溶液进行脱水. 然后样品通过临界点干燥仪进行干燥后，利用SEM(S-570，日本日立)扫描电镜进行观察.

厌氧氨氧化颗粒污泥活性测定：将2 g不同等级粒径的厌氧氨氧化颗粒污泥接种入带有螺旋盖密封的100 mL玻璃试管中，进入NH₄⁺-N、 NO₂^--N浓度分别为100mg ·L^-1和130 mg ·L^-1的营养液，放入恒温振荡器(32℃)中经过24 h培养后测定进出水氮素变化，通过计算氮去除速率表征其活性大小，计算如公式(1)所示.

2 结果与讨论 2.1 反应器内脱氮速率与产气速率变化

在反应器运行初期，设定进水氨氮和亚硝氮浓度分别为100 mg ·L^-1和120 mg ·L^-1，设定水力停留时间(HRT)为9.17 h，反应器脱氮速率仅0.2 kg ·(m³ ·d)^-1，产生的气体仅5 L ·d^-1左右，气体量少导致气升室回流的功能并不明显. 为了保证反应器内的污泥与基质很好地接触，所以设定机械搅拌速度为50 r ·min^-1，保证流化区污泥基本处于流化状态. 同时采用缩短HRT提高反应器内液体的上升流速. 经过47 d的运行，反应器进水流量由100 mL ·min^-1上升到750 mL ·min^-1，HRT缩短到1.2 h，脱氮速率上升到3.9 kg ·(m³ ·d)^-1，气体产生速率由最初的3.9 mL ·min^-1上升到107 mL ·min^-1(图 2). 同时气升室间歇气升回流频率逐渐增加. 从反应器运行的48 d开始以提高进水NH₄⁺-N、 NO₂^--N浓度的方式逐步提高反应氮容积负荷. 当反应器运行到183 d时，进水氨氮和亚硝氮浓度逐步提高至700 mg ·L^-1和840 mg ·L^-1，氮容积负荷增加到30.2 kg ·(m³ ·d)^-1. 相应出水氨氮和亚硝氮浓度分别为46.3 mg ·L^-1和53.2mg ·L^-1，脱氮速率达到28.3 kg ·(m³ ·d)^-1. 此时，反应器内气体产生速率增加到800 mL ·min^-1，气升室内的气升回流十分明显. 因气升回流间隙运行，其频率与回流量与产气量相关，是一个不断变化的过程，所以未能准确测定回流量.

图 2

Fig. 2

图 2 进水流量和产气速率随脱氮速率的变化 Fig. 2 Changes of the water flow rate and gas production rate with the nitrogen removal efficiency

污泥颗粒的粒径增大一般存在两方面的可能：一方面是微生物增长所致； 另一方面是由颗粒之间重新聚集形成新的颗粒污泥. 厌氧氨氧化污泥接种入反应器前经过40目筛子挤压粉碎，颗粒污泥当量直径均小于0.9 mm. 经过46 d的运行，反应器内颗粒污泥粒径分布变化如图 3所示. 经过46 d培养后，最大颗粒污泥直径未超过2 mm，粒径主要分布在小于0.9 mm和0.9~1.25 mm的区域，分别占到污泥总体积的35.3%和46.6%. 说明厌氧氨氧化污泥的粒径出现快速的增长. 但是通过MLVSS和MLSS含量测定后发现MLVSS/MLSS比随着污泥粒径增加而增加较小，基本处于50.2%~55.4%之间，这与启动初期厌氧氨氧化污泥的MLVSS/MLSS比值相一致. 最近众多研究者发现，厌氧氨氧化微生物不同于一般的自养微生物，其表面具有高浓度的胞外聚合物(extracellular polymeric substances，EPS)，并且随着脱氮速率的提高而增加^[16,17,18]. EPS的存在使颗粒污泥之间存在着较强的吸附能力，有再次聚合成新颗粒污泥的可能. 另一方面，厌氧氨氧化菌倍增时间较长^[19]. 因此，在反应器运行初期的46 d，出现厌氧氨氧化污泥粒径的快速增加可能是因为机械搅拌的强度低、 气升回流作用很小，不能使得反应器内污泥充分分散，增加了其相互凝聚的机会.

随着反应器脱氮速率的提高，产气速率也快速上升，气升装置产生的回流液逐渐增多(数据未显示，主要是因为反应器构造及气升室间歇运行导致流量无法准确测定)，流化区的上升流速也获得增强. 当反应器运行至183 d时，厌氧氨氧化颗粒污泥的泥量和粒径增速明显，最大颗粒污泥粒径达到3.2 mm，粒径分布主要集中在1.6~2.0 mm和2.0~2.5 mm，分别占污泥总体积的28.2%和25%(如图 3). 随着污泥颗粒粒径的增加，颗粒中MLVSS含量在不断的增加，MLVSS/MLSS比从60.4%增加到87%. 说明此阶段厌氧氨氧化污泥的粒径增大主要是由于微生物的生长所贡献.

图 3

Fig. 3

图 3 反应内污泥颗粒形态及性能随时间的变化 Fig. 3 Changes of particle morphology and performance of sludge with time

厌氧氨氧化污泥具有较高的EPS，随着污泥颗粒粒径的增加，细胞外的EPS含量增多. 若没有良好的流化状态，易使颗粒污泥孔隙不发达，导致基质不能够顺利地进入细胞，同时气泡也不能顺利排出，导致颗粒污泥上浮. Ni等^[20]的研究表明，厌氧氨氧化污泥颗粒的最佳粒径为1.0~1.3 mm； 当粒径大于1.5 mm时，基质难以输送至颗粒中心，脱氮速率将受到影响. Lu等^[21]研究表明厌氧氨氧化颗粒污泥粒径应控制在2.2 mm以内，以避免颗粒过大产生污泥上浮流失.

将经过183 d培养后的不同粒径厌氧氨氧化污泥进行批式实验测定其活性，结果如表 1所示. 当厌氧氨氧化污泥颗粒粒径增加到2.0 mm时，污泥的活性不断增加，最高达到1.53 kg ·(kg ·d)^-1. 当厌氧氨氧化污泥颗粒增大到2.5~3.2 mm时，厌氧氨氧化污泥的活性并未随着颗粒粒径的增大而减小，表明气升装置驯化出的厌氧氨氧化颗粒内部传质良好. 其脱氮速率远高于文献所报道的一般范围 0.1~0.5 kg ·(kg ·d)^{-1 [22].}

表 1(Table 1)

表 1 不同粒径的厌氧氨氧化颗粒污泥脱氮速率 Table 1 Nitrogen removal efficiency of ANAMMOX sludge with different particle size 粒径分布 氨去除量 /mg VSS /mg 脱氮速率 /kg·(kg·d)-1 ＜0.9 mm 203.3 141.3 1.40 0.9~1.25 mm 197.4 137.5 1.48 1.25~1.6 mm 215.7 141.1 1.53 1.6~2.0 mm 216 140.8 1.53 2.0~2.5 mm 220.6 146.6 1.50 2.5~3.2 mm 214.4 141.5 1.52

表 1 不同粒径的厌氧氨氧化颗粒污泥脱氮速率 Table 1 Nitrogen removal efficiency of ANAMMOX sludge with different particle size

厌氧氨氧化污泥在接种入反应器前经过筛网粉碎，粒径非常小，如图 4(a)所示，污泥外观具有厌氧氨氧化菌独特的红色. 经过183 d培养后污泥颗粒粒径增长十分明显，如图 4(b)所示. 进一步说明具有气升装置的厌氧氨氧化反应器非常适合厌氧氨氧化污泥颗粒化.

将运行183 d后的厌氧氨氧化颗粒污泥进行电镜扫描发现，颗粒污泥表面微生物主要是球状、 短杆状、 丝状微生物[如图 4(c)]，说明颗粒表面还出现其它菌种，这些丝状微生物可能为厌氧氨氧化污泥颗粒的形成提供重要的保障. 而厌氧氨氧化颗粒内部微生物排列十分致密，主要是以不规则的球状为主[如图 4(d)]，表面不平坦，符合厌氧氨氧化菌的外观特征，与文献^[23,24]发现的比较相符.

图 4

Fig. 4

图 4 厌氧氨氧化颗粒污泥外观及电镜扫描照片 Fig. 4 Appearance and SEM photos of ANAMMOX sludge

在厌氧系统中促使污泥颗粒化的主要因素包括：基质浓度和剪切力(HRT、 机械搅拌和气泡剪切)，其中剪切力是污泥颗粒化的最重要因素^[25]. Gao等^[26]研究表明机械搅拌的搅拌强度较难控制，并不利于厌氧氨氧化污泥颗粒化，有时甚至因强度较大导致颗粒破碎. 而缩短HRT可以使得上升流速逐渐增加，水流剪切力也逐渐增大，较大的水流剪切力使得污泥在反应器中更加分散以及处于良好流化状态，有利于颗粒污泥的形成，同时还可以提高污泥的EPS含量和细胞疏水性. 例如，丛岩等^[24]通过反应器外设回流泵控制反应器内上升流速，经过80d的培养快速驯化出成熟的厌氧氨氧化颗粒污泥，平均粒径0.556 mm. 但是外设回流泵不仅需要大量的动力消耗，而且上升流速不能随反应器内颗粒污泥的增加而自动调节，增加控制难度. 同时过高的上升流速反而使得较小的颗粒污泥和絮状污泥随出水流出，不利于污泥颗粒化初期的污泥截留.

本反应器通过设置气升装置利用厌氧氨氧化过程产生的氮气作为动力使出水自动回流，以提升反应器内的上升流速. 在启动初期接种污泥为颗粒污泥，因气升回流功能不强，仅通过机械搅拌使污泥刚好处于流化状态，导致部分颗粒污泥相互聚集. 随着反应器脱氮速率的提高，氮气产气量逐渐增多，气升室所产生的回流量也随之逐步增加，完全满足颗粒污泥增长过程中对上升流速的要求. 反应器内污泥一直处于流化状态，污泥粒径及生长量增长明显，但机械转速仍然维持在50 r ·min^-1. 进一步说明气升装置所产生的回流在污泥流化中起到了重要的作用，出水回流量的增加使得污泥在翻倍增长过程中也无需调高机械搅拌强度. 因此该装置不仅适应不同时期污泥颗粒化对回流量的需求，同时也省去外设回流泵的动力消耗.

3 结论

(1)依靠厌氧氨氧化过程产生的气体作为动力，利用气升装置使部分出水体外自循环可以促进污泥的颗粒化. 回流量随着反应器脱氮速率增长而增长，经过183 d的运行，脱氮速率达到28.3 kg ·(m³ ·d)^-1，气体产生速率增加到800 mL ·min^-1，颗粒污泥粒径主要分布在1.6~2.5 mm，占污泥总体积的53.2%，污泥处于良好的流化状态.

(2)经气升回流装置驯化的厌氧氨氧化颗粒污泥粒径在2 mm以内时，其活性随着粒径增大而增大； 颗粒粒径处于2~3.2 mm时，未见颗粒污泥活性随颗粒粒径增大而减小. 表明气升装置驯化出的厌氧氨氧化颗粒内部传质良好.