2017, Vol. 38
2. 江苏省水处理技术与材料协同创新中心, 苏州 215009;
3. 江苏省环境科学与工程重点实验室, 苏州 215009
2. Jiangsu Collaborative Innovation Center of Technology and Material of Water Treatment, Suzhou 215009, China;
3. Jiangsu Key Laboratory of Environmental Science and Engineering, Suzhou 215009, China
厌氧氨氧化的启动过程实质上是反应器内厌氧氨氧化菌活化、 扩增、 功能增强的过程.但是厌氧氨氧化菌生长速率低、 对外界环境变化极其敏感[1]，使得厌氧氨氧化工艺的启动需要一个相当长的周期，已成为该工艺工业化应用的重要瓶颈[2]，探寻一种合适的厌氧氨氧化生物反应器将有助于推动厌氧氨氧化工艺的工业化进程.理想的生物反应器既能满足厌氧氨氧化菌的生长条件，促进细胞增殖，又能有效地持留菌体.据报道，多种类型反应器如序批式反应器(SBR)[3, 4]、 上流式厌氧污泥床反应器(UASB)[5, 6]、 膨胀颗粒污泥床反应器(EGSB)[7]等均能成功启动厌氧氨氧化.膜生物反应器(MBR)被认为是一项新型高效的厌氧氨氧化反应器，能实现完全的生物截留[8, 9]，从根本上防止了厌氧氨氧化菌的流失； 厌氧折流板反应器(ABR)是一种厌氧生物反应器，具有结构简单、 生物截留能力强、 运行效果稳定可靠等特点[10, 11]，适合于生长缓慢菌种的培养.上述两种反应器既能很好地满足了厌氧氨氧化菌的生长条件，又有高效的污泥截留性能，可作为快速启动厌氧氨氧化的理想反应器.
本研究分别在MBR和ABR中接种同种硝化污泥启动厌氧氨氧化，对比两个反应器厌氧氨氧化启动过程中启动时间、 脱氮性能、 污泥性状等方面的差异，以期为快速启动厌氧氨氧化反应器的选型提供依据，促进厌氧氨氧化工艺的实际应用.
1 材料与方法 1.1 实验装置实验所采用的MBR(图 1)与ABR(图 2)反应器均由有机玻璃制成.MBR反应器长20 cm，宽15 cm，有效高度16 cm，有效容积4.8 L.采用恒流泵连续进水，恒流泵经中空纤维微滤膜抽吸连续出水.反应器中设置搅拌机，控制转速100r·min-1，使污泥与基质充分接触混匀.ABR反应器长26 cm，宽9 cm，有效高度20 cm，有效容积4.8 L.分为3个隔室，每个隔室升降流区宽度比为4：1，折流板导向角为45°，采用恒流泵连续进水，溢流出水.
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图 1 MBR反应器装置示意 Fig. 1 Schematic of membrane bio-reactor |
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图 2 ABR反应器装置示意 Fig. 2 Schematic of anaerobic baffled reactor |
本实验中两个反应器接种同种活性污泥，污泥取自苏州市某污水厂A2/O工艺的好氧硝化污泥.接种初期ABR各隔室和MBR污泥指标如表 1所示.
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表 1 接种污泥性质 Table 1 Characteristics of inoculums |
1.3 反应器运行条件
MBR与ABR反应器运行条件相同.两个反应器整体密封保证厌氧，采用遮阳塑料膜遮住避光，置于恒温水浴缸中，控制水浴温度33℃±2℃,HRT设置为24 h，控制进水pH为7.5±0.5,采用人工配水，其成分主要包括(NH4)2SO4 50mg·L-1，NaNO2 50mg·L-1，KHCO3 500mg·L-1，KH2PO427.2mg·L-1，MgSO4·7H2O 300mg·L-1,CaCl2·2H2O 180mg·L-1，微量元素Ⅰ和微量元素Ⅱ按照1 mL·L-1添加.微量元素Ⅰ组分(g·L-1): EDTA 5，FeSO4 5； 微量元素Ⅱ组分(g·L-1): EDTA 15，ZnSO4·7H2O 0.43，CoCl2·6H2O 0.24，MnCl2·4H2O 0.99，CuSO4·5H2O 0.25，NaMoO4·2H2O 0.22，NiCl2·6H2O 0.19，NaSeO4·10H2O 0.21，H3BO4 0.014.
1.4 测定项目与方法启动过程中每隔2 d分别采集两个反应器进出水水样及ABR反应器各隔室水样.测定项目主要包括NH4+-N、 NO2--N、 NO3--N、 MLSS、 MLVSS、 污泥粒径.NH4+-N: 纳氏试剂分光光度法； NO2--N: N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法； NO3--N: 紫外分光光度法； MLSS、 MLVSS采用重量法[12]； 污泥粒径: 从反应器中取一定量污泥，用水冲洗后依次通过 1.6、 1.25、 0.8、 0.5、 0.2 mm的分样筛，然后将各个分样筛中截留的颗粒污泥收集，在 105℃烘干、 称重，计算不同粒径范围的污泥所占质量分数.
2 结果与讨论 2.1 厌氧氨氧化反应器快速启动 2.1.1 MBR反应器启动特征控制进水NH4+-N和NO2--N负荷在0.05 kg·(m3·d)-1左右，在此负荷下连续运行90 d成功启动厌氧氨氧化.Wang等[13]在MBR中接种两种好氧活性污泥的混合物连续培养60 d成功启动厌氧氨氧化，比本实验缩短了1/3个周期，不同污泥源厌氧氨氧化的启动时间会产生明显差异，其所接种混合污泥源中一部分含有同步硝化反硝化功能，可能加快了厌氧氨氧化的启动，但具有同步硝化反硝化的污泥源不易获取，不利于厌氧氨氧化快速启动工艺的工程化应用.根据NH4+-N的去除规律(图 3)可将该启动过程分为3个阶段[14]，分别为活性停滞期(1～13 d)、 活性提高期(14～90 d)和稳定运行期(91～121 d).
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图 3 MBR启动过程中NH4+-N、 NO2--N和NO3--N变化 Fig. 3 Variation of NH4+-N,NO2--N,NO3--N concentration during start-up in the MBR |
在阶段Ⅰ(1～13 d)中，出水NH4+-N浓度明显高于进水浓度，出水NO2--N和NO3--N浓度基本为零.路青等[15]分别接种好氧污泥、 厌氧颗粒污泥和厌氧消化污泥均成功启动厌氧氨氧化，在启动初期，出水NH4+-N浓度大于进水，这与本研究结果一致.这是由于微生物所在环境的改变，使得接种好氧硝化污泥因不能适应厌氧环境而发生细胞自溶[16]，从而释放出大量的NH4+-N，导致出水NH4+-N浓度升高.与此同时，细菌自溶产生大量的有机物为反硝化菌提供了电子供体和碳源，反硝化成为该阶段的主反应，进水NO2--N和NO3--N因反硝化作用而得到去除[16].
在阶段Ⅱ(14～90 d)中，出水NH4+-N浓度不断降低，而出水NO2--N浓度先升后降.由于阶段Ⅰ中的细菌自溶产生的有机物被消耗，使得反硝化菌失去电子供体而活性减弱，导致NO2--N去除率降低，出水NO2--N浓度升高[17]； 在适宜的进水基质和环境下，厌氧氨氧化菌活性逐渐增大，NO2--N去除率增大，出水NO2--N浓度不断降低.值得说明的是，出水NO2--N浓度由高到低的变化过程正是厌氧氨氧化菌活性由弱到强的过程，即厌氧氨氧化菌逐渐淘汰反硝化菌成为系统主要菌种的过程.第70～90 d期间，NH4+-N和NO2--N去除率显著提高，表明厌氧氨氧化菌已成为本阶段的优势菌[18].
在阶段Ⅲ(91～121 d)中，出水NH4+-N、 NO2--N和NO3--N浓度基本稳定，NH4+-N和NO2--N平均去除率均达到98%以上，平均去除负荷为0.049 kg·(m3·d)-1，且NH4+-N、 NO2--N去除量和NO3--N的生成量呈现一定的比例关系，标志着厌氧氨氧化成功启动[19].
2.1.2 ABR反应器启动特征ABR与MBR反应器进水条件相同，两个反应器平行运行.在NH4+-N和NO2--N负荷均为0.05 kg·(m3·d)-1的条件下，连续运行111 d成功启动厌氧氨氧化.张海芹等[20]在ABR中接种厌氧絮状/颗粒污泥的混合污泥经过120 d成功启动厌氧氨氧化，与本研究启动周期基本一致.根据氮素的去除规律(图 4)，ABR反应器启动特征与MBR基本相似，都经历了上述3个阶段.
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图 4 ABR启动过程中NH4+-N、 NO2--N和NO3--N变化 Fig. 4 Variation of NH4+-N,NO2--N,NO3--N concentration during start-up in the ABR |
ABR反应器活性停滞期所持续的时间较MBR多18 d，且前10 d出水NH4+-N浓度明显低于MBR.推测这与两种反应器的水力流态有关，MBR中机械搅拌会对污泥产生扰动，加速了细菌自溶速率，导致活性停滞期内MBR出水NH4+-N浓度较高.两者在活性提高期所持续的时间大致相同.ABR反应器在第111d运行进入稳定期.NH4+-N和NO2--N平均去除率分别达到77%和99%左右，平均去除负荷分别为0.039 kg·(m3·d)-1和0.05 kg·(m3·d)-1.ABR中NH4+-N去除负荷明显低于MBR，MBR完全截留作用使得反应器中含有更多的厌氧氨氧化菌，提高了NH4+-N的去除负荷.朱月琪等[21]在ABR中接种厌氧污泥与河涌底泥的混合污泥，在4个月内成功启动厌氧氨氧化，稳定运行时，NH4+-N和NO2--N容积负荷分别为65.53 g·(m3·d)-1和68.46 g·(m3·d)-1时，平均去除率为76.3%和91.3%.这与本实验的研究结果较为相似，然而张海芹等[20]在相同的进水NH4+-N和NO2--N负荷下，NH4+-N和NO2--N的平均去除率都在90%以上，这可能与接种污泥、 运行条件等不可复制的环境因素有关.
值得一提的是，稳定运行期内，ABR第1隔室对NH4+-N和NO2--N去除贡献率分别达到90%和99%左右，其余两个隔室对NH4+-N平均去除贡献率分别为7%和3%左右.NO3--N基本在第1隔室生成，随后NO3--N在另外两个隔室被逐渐去除小部分.本研究ABR在厌氧氨氧化的启动过程中，主要由第1隔室承担了脱氮功能，其余各隔室作用不大.这与张海芹等[20]取得的结果基本一致； 然而朱月琪等[21]和曾国驱等[22]的研究结果显示ABR各隔室的厌氧氨氧化功能菌呈现进水隔室少，后段隔室多的特点.也就是说ABR各隔室脱氮功能顺着水流方向是逐步增强的，这与本实验的结果差异较大.作为一种推流式反应器，ABR第1隔室底物充足，营养丰富，利于该隔室内厌氧氨氧化菌的生长与富集.其余沿程各隔室出现底物匮乏的状况，不适合厌氧氨氧化菌的生长.本实验中进水基质负荷较低，推测适当提高进水基质负荷，可在ABR其余各隔室内培养出厌氧氨氧化优势菌种，充分利用ABR各隔室脱氮功能.
MBR与ABR反应器均能成功启动厌氧氨氧化.从启动时间来看，MBR比ABR节省了20%的启动时间； 从氨氮去除负荷来看，MBR较ABR去除负荷更高.由此可知: 相对于ABR而言，MBR更适合厌氧氨氧化的快速启动.这为快速启动厌氧氨氧化工艺反应器的选型提供了理论依据.
2.2 污泥性状 2.2.1 污泥质量浓度稳定运行期内，ABR各隔室和MBR内污泥浓度如表 2所示.与接种初期相比，总固体质量浓度(MLSS)、 挥发性固体质量浓度(MLVSS)以及MLVSS/MLSS比值都有所下降.由于好氧厌氧环境的改变，导致大量硝化污泥死亡分解，造成污泥浓度降低.
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表 2 稳定期内污泥性质 Table 2 Characteristics of sludge during stable operation |
2.2.2 污泥颜色
稳定运行期内，两个反应器中污泥颜色与接种污泥相比较，污泥颜色没有显著变化，皆为棕黄色(图 5).朱静平等[23]在ASBR反应器中接种硝化污泥成功启动厌氧氨氧化，稳定期内污泥颜色与接种污泥相比较基本没有变化，这与本研究的现象较为一致.路青等[15]在MBR中接种厌氧颗粒污泥启动厌氧氨氧化，经过长期驯化后颗粒污泥颜色由黑色转变为红褐色.说明接种污泥源的不同导致了厌氧氨氧化污泥颜色的差异.
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图 5 稳定期污泥形态 Fig. 5 Photos of the sludge during stable operation |
稳定运行期内，ABR第1隔室形成大小不一的厌氧氨氧化颗粒污泥，颗粒污泥粒径主要集中在0.2~1.25 mm之间(图 6)，其余各隔室污泥呈絮状.MBR中未形成颗粒污泥，依旧为絮状.ABR第1隔室基质充足，由于下向流室中较高的水流速度及上向流室中较低的上升流速，使得絮体污泥在运行过程中形成的污泥床集中在上流隔室中，且混合充分，利于污泥的颗粒化作用[24, 25]，其余各隔室由于基质浓度较低，营养匮乏，形成颗粒污泥的速率较慢.MBR属于完全混合式反应器，污泥与基质混合均匀，脱氮效果佳，但是不利于厌氧氨氧化颗粒污泥的快速形成.
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图 6 ABR第1隔室污泥粒径分布 Fig. 6 Diameter distribution of the sludge in the first compartment of the ABR |
目前，学术界普遍接受的厌氧氨氧化反应方程式如式(1)所示[3].从中可知，厌氧氨氧化稳定运行期内，NH4+-N/NO2--N消耗量和NO3--N生成量/NH4+-N消耗量理论值分别为1.32和0.26，这也是厌氧氨氧化成功启动的标志之一.
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(1) |
本实验中，MBR和ABR稳定运行时，NH4+-N和NO2--N的消耗量与NO3--N生成量比值分别为1：1.03：0.28和1：1.32：0.33，ABR与Strous等[3]所提出的理论值吻合较好，而MBR与理论值差异较大.有研究表明，厌氧氨氧化反应器中，少量的好氧氨氧化菌(AOB)能利用泄漏进入反应器的氧而存活下来从而能够氧化更多的NH4+-N[26].本实验进水未进行有效除氧，进水中含有少量溶解氧，反应器中会有部分AOB存活下来.反应器中还存在着部分反硝化菌[27]，菌体由于生长过程中死亡或外层组织脱落而使反应环境中存在少量有机物，这有利于反硝化菌的生长，它们能利用有机物进行反硝化作用去除一部分NO2--N和NO3--N.由于MBR对微生物的完全截留作用使得该反应器内有较多的脱氮功能菌，如AOB和反硝化菌[13].厌氧氨氧化菌与AOB、 反硝化菌之间存在着协同关系[28]，AOB能为厌氧氨氧化菌提供缺氧环境和亚硝酸盐基质； 反硝化菌能将有机碳转化为CO2，为厌氧氨氧化提供碳源，从而有利于厌氧氨氧化的进行[29].MBR中多种功能菌协同脱氮，有利于总氮的去除，这也是MBR中三氮比与理论值差异较大的重要原因之一.
3 结论(1) MBR和ABR分别经过90 d和111 d均成功启动厌氧氨氧化.稳定运行期内，MBR与ABR中NH4+-N和NO2--N平均去除负荷分别达到0.048 kg·(m3·d)-1、 0.049 kg·(m3·d)-1和0.039 kg·(m3·d)-1、 0.05 kg·(m3·d)-1.MBR启动时间短，NH4+-N去除负荷高，更加适合厌氧氨氧化的快速启动.
(2) 经过111 d的运行，ABR第1隔室以厌氧氨氧化颗粒污泥为主，对NH4+-N和NO2--N去除贡献率分别为90%和99%左右，该反应器利于厌氧氨氧化颗粒污泥的快速形成.
(3) 稳定运行时，ABR中三氮变化比与理论值吻合较好，而MBR与理论值差异明显.由于MBR完全的生物截留能力使得该反应器内有更多种类的脱氮功能菌，从而有利于总氮的去除.
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