推流式固定化絮体生物反应器培养ANAMMOX菌试验研究.doc

推流式固定化絮体生物反应器培养ANAMMOX菌试验研究
1       ANANMMOX工艺研究情况
厌氧氨氧化技术研究从荷兰KLUYVER试验室发觉这一试验现象（1）, 到6月世界上第一座生产性装置在DOKHAVEN投入运行（2）, 至今已连续近十年。中国部分研究者在这一领域也取得了一定研究结果（3）。现在中国一大批研究机构正主动地在这一领域开展研究工作（4）。综观现在研究结果, 对ANAMMOX 基础理论研究已经相当深入, 但对怎样快速培养和富集ANAMMOX菌公开报道, 较为鲜见。众多研究者缺乏研究材料问题相当普遍, 这已成为在这一领域开展大量研究工作关键瓶颈。
2       ANAMMOX菌培养反应器选择
现在已知培养ANANMMOX菌方法有两类, 一类是采取ANAMMOX菌接种物, 在反应器中进行增殖培养; 另一个是采取活性污泥进行富集培养。荷兰代尔夫特工业大学（TU Delft）相关ANAMMOX研究关键利用第一个方法, 种泥来自于最早发觉ANAMMOX现象脱氮流化床反应器。在中国开展研究只能依靠从活性污泥中富集培养方法。浙江大学郑平、 胡宝兰等采取UASB反应器成功地富集到了高活性ANAMMOX污泥（5）。上海交通大学杨虹等采取悬浮填料床反应器, 成功地进行了OLAND工艺研究, 该工艺中一样有ANAMMOX菌参与反应（6）。荷兰研究者认为SBR是适合ANAMMOX菌培养反应器, 而且在该反应器中培养出了颗粒化ANAMMOX污泥（7）, 不过该反应器全套购置费用昂贵, 中国通常研究机构难以承受, 不便于推广使用。分析现在相关ANAMMOX菌研究结果可知, 培养该菌应该满足其以下部分基础要求:
（1）   该菌广泛地存在于自然界中, 在含有硝化、 脱氮能力生物膜、 长污泥龄低负荷活性污泥中数量较多。
（2）   该菌在有氨氮、 亚硝酸盐氮环境中, 能够进行ANAMMOX反应, 并能够增殖。
（3）   氧对该菌完成ANAMMOX反应有抑制作用（8）。
（4）   该菌适宜生存环境是: 温度20-43℃, pH6.7~8.3（9）。
（5）   亚硝酸盐氮抑制浓度为100mg/L（9）。
（6）   该菌倍增时间是4-11天, 合成系数是0.054gVSS/gNH4+-N, 污泥衰减系数为0.01d-1。 比增加速率为0.065 d-1（10）。
现在研究中使用反应器, 如UASB, 流化床, 填料床等, 基础属于完全混合类反应器。采取推流式反应器, 而且将开启污泥均匀地固定在反应器中, 一样适合于ANAMMOX 菌富集培养。理由以下:
（1）   接种污泥中含有少许ANAMMOX菌, 这些分散于污泥絮体中菌体经过填料支撑作用, 均匀地固定在反应器中, 能够取得相对稳定、 相互依存生长环境。
（2）   培养基质低速穿过污泥絮体, 能够为该菌提供营养, 传输中间产物。
（3）   反应器中基质浓度沿推流沿程上是递减分布, 为污泥在多种负荷下生长提供了可能性, 在进水口周围是高负荷区, 在出水周围是低负荷区。负荷不一样, 微生物生长情况也展现出差异, 尤其是对于复合菌而言, 不一样种类菌在反应器中可能有对应生长区段。
（4）   对于氧、 高基质浓度等抑制原因, 推流式反应器前段能够起到保护后段作用。
（5）   从推流沿程上取样, 能够方便观察不一样区段微生物生长和基质浓度改变所带来差异性情况。
（6）   从设备要求上讲, 该反应器只需要一个进水泵, 最大程度低降低了转动部件, 从而对确保系统密闭性非常有利。整个系统造价低廉。
基于上述设想, 本研究设计了一个2.4L推流式固定化生物絮体反应器, 在4个月内成功地完成了开启过程。随即开启另一组12L反应器也已取得了稳定ANAMMOX活性。
3       试验装置及方法
3.1    试验装置
试验用ANAMMOX反应器及试验步骤图见图1.反应器有效容积为2.4L。该装置运行在30℃恒温试验室中。进水流量范围0.8~1.13L/d, 平均流量为0.923L, 平均水力停留时间为2.6天。
1．进水贮瓶   2. 水蠕动泵   3. 流式固定化絮体反应器  4. 出水贮瓶    5. 出水贮瓶
图1    ANAMMOX反应器及试验步骤图
3.2    接种污泥
接种污泥取自某污水厂好氧消化污泥和中水处理厂好氧污泥, 经过短暂硝化培养后, 作为接种污泥使用。其部分理化性状为: TS 13.3g/L; VS 7.25g/L; VS/TS 54.65%;  pH 8.0~ 8.3。
3.3    培养基质
含氮污水采取在自来水中配入工业碳酸氢铵和亚硝酸钠方法配制, 同时根据一定百分比加入无机盐和微量元素(3)。每次配制基质后, 用氩气置换20-~30分钟, 在进料过程中也连续通入该气体, 以消除氧影响。
3.4    分析方法
氨氮: 纳氏试剂光度法;
亚硝酸盐: N-( 1-萘基)乙二胺光度法;
硝酸盐: 紫外分光光度法;
总氮: 过硫酸钾氧化-紫外分光光度法;
PH: 玻璃电极法;
碱度: 电位滴定法;
每批次分析化验时, 每个项目均选择一个样品进行加标回收测定, 回收率在90%以上为有效数据。
4        推流式固定化絮体生物反应器开启与运行结果
试验期间氨氮、 亚硝酸盐氮、 硝酸盐氮、 总氮和反应器负荷历时改变曲线见图2~6。

4.1   污泥适应及转换期
污泥接种完成后, 开始连续进水培养ANAMMOX 菌。依据郑平等经验, 起始浓度设定为70mg/L(NH4+-N和NO2--N)。试验开始一个半月能够看作是污泥适应和转换期。接种污泥均是好氧污泥, 而且含有一定有机物, 在转为厌氧状态下运行, 有一个转变过程。从图1-5中能够看出, 出水中NH4+-N、 NO2--N、 TN改变非常不稳定。依据碱度改变和多种氮形态之间转化分析, 这一时期首先发生是氨氧化和反硝化反应, 然后才开始ANAMMOX反应。从第30天以后后, 氨氮浓度连续降低, 亚硝酸盐氮浓度连续上升浓度, 不过氨氮转化量高于亚硝酸盐氮增加量, 总氮去除率均小于20%。到第45天后, 亚硝酸盐氮浓度开始逐步下降, 并低于进水浓度, 同时总氮去除率上升, 达成30%以上。出水中硝酸盐氮含量和产气量开始上升。至此反应器已经含有一定ANAMMOX反应特征。
4.2    负荷提升期
从第45天后开始提升负荷, 考虑到反应器中要发生一部分氨氧化反应, 有一部分氨氮要转化为亚硝酸盐氮, 所以在配水时, 有意提升氨氮浓度（通常按氨氮与亚硝酸盐氮1.2~1.5:1百分比配置, 依据出水中残余氨氮和亚硝酸盐氮浓度进行调整）。从图1-4中能够看出, 到第80天后, 总氮去除率达成80%, 出水中氨氮和亚硝酸盐氮均靠近0mg/l。反应器此时已基础稳定, 第80天以后根据7-10天提升进水TN60-80mg/l速度提升负荷, 控制出水中氨氮和亚硝酸盐氮均靠近0mg/l。到120天左右, 在反应器中观察到了红色颗粒状污泥, 此污泥可能就是ANAMMOX菌聚集体。试验结果表明, 即使进水浓度在不仅提升, 氨氮和亚硝酸盐氮去除率均靠近100%, 但总氮去除率因为有硝酸盐氮生成, 而一直维持在80%左右。当负荷降低时, 硝酸盐氮浓度能够降低, 总氮去除率也伴随上升, 但为了加紧培养细菌, 未在这方面进行深入试验。在本试验第135~147天12天稳定运行期内（平均流量0.929L/d）, 平均进水氨氮、 亚硝酸盐氮、 硝酸盐氮、 总氮浓度分别为337.0mg/l、 317.4mg/l, 27.3mg/l, 684.8mg/l, 出水中氨氮、 亚硝酸盐氮、 硝酸盐氮、 总氮浓度分别为5.2mg/l,6.4mg/l, 111.4mg/l、 128.2mg/l。反应器平均进水氨氮、 亚硝酸盐氮、 总氮负荷分别为0.131Kg-N/m3.d, 0.123Kg-N/m3.d, 0.265Kg-N/m3.d, 反应器平均氨氮、 亚硝酸盐氮, 总氮去除负荷分别为0.129Kg-N/m3.d, 0.120Kg-N/m3.d, 0.215Kg-N/m3.d, 平均去除率分别为98.4%, 97.9%, 81.1%。现在反应器运行负荷仍在不停提升之中。
5  污泥性状观察
5.1  反应器沿程污泥分布
经过连续培养, 反应器中污泥颜色改变不大, 从原来黄褐色变为较暗土黄色。反应器前半部分污泥变少, 反应器后半部分污泥从外观观察未见降低。试验过程中未观察到显著污泥流动和流失现象。
5.2    污泥颗粒化
从第120天观察到反应器前半部分出现红色污泥后, 红色污泥颗粒在填料支架上成片生长, 污泥数量和尺寸在不停增加。而且与黄色絮状污泥混杂在一起。颗粒尺寸从0.2mm到3-4mm不等。污泥颗粒周围有较多气泡。反应器后半部分未发觉红色污泥。这表明高负荷有利于该污泥生长和颗粒化。因为反应器是推流式运行, 到末端可供微生物利用基质较少, 不利于微生物大量生长。
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