吳永華，王勁，崔力明
（同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092）

　　摘要：利用硝化-ANAMMOX組合反應器處理具有高無人低有機質特點的城市厭氧消化污泥濾液。反應器穩定運行后，進水氨氮和亞硝態氮的質量濃度分別達到約360和400 mg／L，水力停留時間為30h，總分容積負荷達到 493.4 mg／（L·d）時，出水天民和亞硝態氮的質量濃度分別為73.6和 69.2mg/L。實驗中ANAMMOX 反應器的啟動和運行基本取得了成功。
　　關鍵詞：厭氧在氧化；廢水處理；污泥；硝化；生物脫氮
　　中圖分類號：X703.3 　文獻標識碼：A 　文章編號：1009－2455（2004）02－0010－03

The　Running of A Nitration-ANAMMOX Combined Reactor
and Evaluation Thereof
WU Yong-hua，WANG Jin，CUI Li-ming
（College of Environmental Science and Engineering Tongji Universisy, Shanghai 200092，China）

　　Abstract：A nitration—ANAMMOX combined reactor was used to treat the municipal anaerobic nitrated　sludge filtrate featuring high content of ammonia nitrogen and low content of organic matters. After a stable　operation of the reactor was achieved，the mass concentrations ammonia nitrogen and nitrite nitrogen in the influent water reached about 360 and 400 mg/L respectively and the hydraulic residence time was 30 h；when the　volumetric load of total nitrogen reached 493.4 mg/L，the mass concentrations of ammonia nitrogen and nitrite　nitrogen in the effluent water were 73.6 mglL and 69.2 mg／L respectively.The starting and operation of the　ANAMMOX reactor in the test were successful basically.
　　Key words：anaerobic ammonium oxidation （ANAMMOX）；Wwaste water treatment;sludge;nitration;biological denitrification

　　隨著工農業生產的發展，水體富營養化日益嚴重，廢水中氨氮的去除已經成為環境領域的一個重要課題。在研究常規脫氮生物反應過程中，研究人員發現，在硝化過程中，氨作為電子供體被氧氣氧化，而在反硝化過程中，外界碳源作為電子供體與硝酸鹽、亞硝酸鹽共同參與反應，并且硝化過程釋放的能量與反硝化過程所需的能量是等同的[1]。因此，從理論上講，練完全可能作為電子供體直接參與反硝化過程。
　　1995年，Mulder等人在生物脫氮流化床反應器中發現了氨直接作為電子供體進行反硝化的反應，并稱之為厭氧氨氧化（ANAMMOX）。后來，Van de Greaf等利用抑制劑進一步證實，ANAM－MOX是一個生物學過程；而且被氧化的氨的數量與所加的生物量成正比。從而，為這種以氨作為電子供體的反硝化反應奠定了理論依據。之后的大量研究證實，在厭氧環境，沒有碳源的條件下，氨氮確實能夠直接作為電子供體，被亞硝酸鹽氧化成氮氣，即ANAMMOX反應。如反應式（1）所示，參與ANAMMOX反應的氨氮和亞硝態氮的理論物質的量比應為1：1，但是根據相關文獻報道實際反應中，亞硝態氮消耗量略高于氨氮，消耗氧氮和亞硝態氮的實際物質的量比約為1：1.1^[2]。
　　NH₄⁺+NO₂^-→N₂↑+2H₂O 　　 (1)
　　但是，硝酸鹽不能直接參與ANAMMOX反應，只有經過短程反硝化過程，先轉變成亞硝酸鹽。另外，從能量角度看，ANAMMOX雖然比亞硝化（反應式（2））過程更容易進行，但是參與ANAM－MOX的細菌產率極低，亞硝化菌增殖1倍的時間為0.73d，而參與 ANAMMOX的細菌增殖 1倍需要10.4 d，這種情況也為 ANAMMOX反應的深人研究帶來很多困難^[3]。
　　2NH₄⁺+3O₂→2NO₂^-+4H⁺+2H₂O (2)
　　因此，本實驗在30℃的恒溫實驗條件下進行，采用某污水廠的污泥消化后的濾液作為硝化-ANAMMOX組合反應器的進水，通過實驗室啟動。運行所得的有關參數初步評價 ANAMMOX藝的運行效果。

l 反應器的組合和進水水質

　　生物硝化反應器采用好氧固定生物膜反應器，反應器用玻璃管制成，高 60 cm，內徑 6 cm，總容積 1.46 L，有效容積為 1.26L，裝置內充以軟性填料作為微生物附著的載體（如圖1）。ANAMMOX反應器采用上流式厭氧污泥床（UASB）反應器，反應器采用玻璃管制成，高 47 cm，內徑 6.5 cm，總容積 1.26 L，有效容積0.98 L。整個裝置隔絕外界空氣進人，并用黑布包裹，以防光對ANAMMOX混培物的損害，裝置中添加少量活性氧化鋁顆粒（直徑 l－3 mm）作為微生物附著的載體，并能起到分散污水的作用（如圖2）。水再混合-定量的污泥濾液，作為ANAMMOX反應器的進水。

　　

表1 污泥濾液水質

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ρ（NH₄⁺-N）/
（mg·L^-1） ρ（NO₂^--N）/
（mg·L^-1） ρ（NO₃^－－N）/
（mg·L^-1） ρ（CODcr）／
（mg·L^-1） PH值

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350-400 ＜5 ＜5 100～120 7.5～8.5

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2 組合反應系統的啟動及運行方式

　　在硝化反應器中加人 700 mL某污水處理廠好氧曝氣池的好氧污泥，并以該污水處理廠厭氧消化后的污泥濾液（經適當稀釋）作為進水啟動硝化反應器，運行初期，將進水稀釋至NH₄⁺－N的質量濃度為 65 mg／L，溫度為 30 ℃，pH值控制在 7.5～8.5，停留時間約為 42 h。當反應器出水的 NH₄⁺-N去除率連續3 d在90％以上，即認為反應器穩定出水。進一步減少稀釋倍數，從而增加進水NH4＋－N的質量濃度，使反應器逐步承受更高NH₄⁺－N的質量濃度。當進水NH比+-N的質量濃度達到400mg／L，出水NH₄⁺－N去除率連續多天穩定在90％以上，即可認為硝化反應器啟動完成，進入穩定運行狀態。
　　在 ANAMMOX反應器中加人700 mL反硝化段的污泥，用硝化反應器出水對污泥濾液進行適當稀釋，作為ANAMMOX反應器的進水，一般ρ（COD）＜50 mg/L。實際運行中，硝化反應器出水的氮有一部分以NO₃^-－N的形式存在，不能直接參與ANAMMOX反應。因此，為了使ANAMMOX反應器進水NO2--N濃度滿足反應需求，通過外加NaNO2 溶液補足，使得反應器進水NO2-－N和NH4+-N的質量濃度接近1.1：1。運行初期，調節進水NO₂^-－N的質量濃度為 50 mg／L，NH4+－N的質量濃度為45 myL，溫度為30℃，pH值控制在7.5～8.5，停留時間約為 30 h。當反應器連續 3 d保持穩定出水后，逐步提高基質濃度來提高反應器進水負荷（NO2-－N的質量濃度從 50 mg／L上升到400 mg／L左右；NH4+－N的質量濃度從 45 mg／L上升到 360 mg／L左右），直至完成啟動，反應器開始穩定運行。

3 結果與討論

3.１　硝化反應器啟動及運行
　　硝化反應器運行穩定，氨氮去除效果明顯。實際運行中，反應器進水氨氮的質量濃度從最初的65 mg／L上升到最后的 400 mg／L左右，氨氮去除率基本都能維持在95％以上，每次提高氨氮的進水濃度，系統都能在3～5d時間內恢復正常。
3.2 硝化反應器亞硝態氮轉化率的控制
　　硝化反應器雖然不是本次實驗研究的重點，但是其出水的氮能否穩定的以亞硝態氮形式存在，關系到其與ANAMMOX反應器組合的運行效果。實驗前半段，為了順利啟動反應器，對反應器沒有作特殊控制；后半段，隨著進水氨氮負荷的提高，并控制反應器內的pH值保持在7.5～8.5，DO保持在0.5～1.5mg／L，使反應器的出水中的亞硝態氮濃度明顯升高，亞硝態氮轉化率最高可達30％左右（如圖3）。但是，這樣的轉化率，無法完全滿足ANAMMOX 反應器對亞硝態氮的需求。因此，為了ANAMMOX反應器的順利運行，本次實驗中在硝化反應器出水添加適量NaNO₂ 溶液，再與污泥濾液混合，作為 ANAMMOX 反應器的進水。

3.3 ANAMMOX 反應器啟動及運行
　　ANAMMOX 反應器運行良好，當氨氮的質量濃度低于300mg／L，亞硝態氮的質量濃度低于330 mg／L時，系統內的氨氮和亞硝態氮去除率在改變進水濃度期間雖有起伏，但經過調整適應后，均能穩定在90％以上。只是在最后再次提高進水氨氮和亞硝態氮的質量濃度時，去除率一度下跌至70％以下，最后經過一段時間調整，去除率穩定在80％左右（如圖4）。說明在厭氧、避光、低碳源 p（COD＜50 mg／L）條件下，氨氮確實可以作為電子供體，直接被亞硝態氮氧化。

3.4 ANAMMOX反應器中硝態氮的變化情況
　　ANAMMOX反應器的進水中存在一定量的硝態氮，還有少量的 COD，但是實際運行結果表明，出水中的COD和硝態氮的質量濃度變化很小，這就進一步驗證了氨氮不能直接被硝態氮氧化的事實。另外，也可以看出，參與ANAMMOX反應的細菌占主導地位，反硝化途徑基本不存在。原因大概是，實驗中所用的經厭氧消化后的污泥濾液中，可被微生物利用的有機質太少。
3.5 氨氮和亞硝態氮的去除情況
　　ANAMMOX 反應器中，實際去除的氨氮和亞硝態氮的物質的量比約為1：1.133（如圖5），基本驗證了有關文獻報道的1：1.1的比例。

4 結論與總結

　　通過本次實驗，初步驗證了硝化-ANAMMOX組合反應器處理城市消化污泥濾液等高氨氮、低有機質的廢水的可行性，既去除了高濃度的氨氮和總氮，又克服了碳源不足的矛盾。因而，針對類似的水處理方面，具有很好的應用前景。
　　ANAMMOX反應中，氨氮能作為電子供體直接被亞硝態氮氧化，生成氨氣，但是不能直接被硝態氮氧化，因此提高硝化段的亞硝態氮轉化率對于該工藝具有重要意義。本次實驗中，硝化反應器的亞硝態氮轉化率最高只達到30％左右，并不理想，這將是今后對ANAMMOX工藝進一步研究的重要內容之一。
　　本次實驗中ANAMMOX反應器的啟動和運行基本取得了成功，最后氨氮和亞硝態氮的進水質量濃度分別達到約 360和 400 mg／L，系統基本保持穩定，出水狀況良好。只是由于采用的水力停留時間為 30 h，因此最高的總氮容積負荷僅為 493.4mg/（L·d），有關反應器的負荷將在今后實驗中作進一步研究。

參考文獻：
　　[1] M C M Van Loosdrecht，M S M Jetten.Microbiological conver－sions in nitrogen removal[J]. Wat Sci Tech，1998，38（l）：l－7.
　　[2] Van De Graaf，A A Mulder A，Bruijn P D.et al.Anaerobic oxi－dation of ammonlum is a blologically mediated process［J］.Appl　and Environ Microbiol，1996，61（4）：1246－1251.
　　[3] Mike SM Jetten，Michael Wagner，John Fuerst，et al.Microbiol-ogy and application of the anaerobic ammonium oxidation（‘anam－mox’）process [J].Current Opinion in biotechnology，2001，12（l）：283—288.

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作者簡介：吳永華（1978－），男，浙江嘉興人.現在同濟大學環境科學與工程學院攻讀碩士學位.主要研究方向為水污染控制，上海市密。路588號城市染控制國家工程研究中心606室.wyh46＠sina.com