厭氧氨氧化菌適合處理高溫、高氨氮污水, 而城市生活污水是典型的低溫、低氨氮水質(zhì), 如何將厭氧氨氧化工藝應(yīng)用于市政污水處理廠是長久以來的難點(diǎn).在國外, 厭氧氨氧化工藝已成功應(yīng)用于污水處理廠中, 以處理垃圾滲濾液、消化上清液、養(yǎng)殖業(yè)廢水等高氨氮廢水, 而市政污水處理廠厭氧氨氧化工藝的研究仍處于小試階段.國內(nèi), 厭氧氨氧化工藝主要局限于實(shí)驗(yàn)室研究, 在實(shí)際污水處理廠中長期運(yùn)行厭氧氨氧化工藝的報(bào)道鮮見.
常溫低氨氮環(huán)境中, 厭氧氨氧化工藝處理負(fù)荷低.通常認(rèn)為, 常溫馴化可以使厭氧氨氧化菌逐步適應(yīng)低溫環(huán)境.前人的研究在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行, 以人工配水為基質(zhì), 氨氮濃度為100~350 mg ?L-1, 運(yùn)行溫度為18~25℃, 且馴化時(shí)間較短.而實(shí)際生活污水成分復(fù)雜, 亞硝化后的生活污水氨氮濃度為10~25 mg ?L-1, 水溫為10~24℃.因此, 在市政污水處理廠中, 研究長期常低溫馴化對(duì)厭氧氨氧化菌的影響有著重大的意義.
基于此, 本研究在污水處理廠中, 將A/O除磷和亞硝化工藝串聯(lián)作為預(yù)處理工藝, 以預(yù)處理后的生活污水為基質(zhì), 啟動(dòng)并長期運(yùn)行厭氧氨氧化（oxidation)工藝的小試, 分析長期運(yùn)行過程中厭氧氨氧化菌的活性.
1 材料與方法 1.1 試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)采用上向流生物濾柱反應(yīng)器.裝置由有機(jī)玻璃制成, 內(nèi)徑20 cm, 承托層裝填5 cm, 濾料裝填45 cm, 反應(yīng)器有效容積為18 L.承托層采用粒徑為4~8 mm的礫石填料, 濾料為直徑5~10 mm的黑色火山巖.最下端取樣口距濾柱底部10 cm, 由下向上每隔25 cm設(shè)置一個(gè)取樣口.反應(yīng)器底部設(shè)曝氣裝置以進(jìn)行反沖洗, 外部纏繞黑色保溫棉以避光和保溫.
1.2 試驗(yàn)用水和接種污泥
將A/O除磷和亞硝化工藝串聯(lián)作為預(yù)處理工藝, 以預(yù)處理后的生活污水為厭氧氨氧化工藝的基質(zhì), 具體水質(zhì)指標(biāo)（target aim)如表 1所示.
反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)接種4 L厭氧氨氧化絮狀污泥, 污泥濃度為2 200 mg ?L-1.厭氧氨氧化絮狀污泥來自于穩(wěn)定運(yùn)行的厭氧氨氧化SBR反應(yīng)器, SBR反應(yīng)器總氮去除率穩(wěn)定在85%左右, 總氮去除負(fù)荷為0.5 kg ?-1.
1.3 運(yùn)行參數(shù)
整個(gè)運(yùn)行階段, 進(jìn)水基質(zhì)及濾速保持不變, 運(yùn)行所處的季節(jié)及進(jìn)水溫度如表 2所示.
1.4 化學(xué)分(credit)析方法及反應(yīng)速率的測(cè)定
水樣分析中NH4+-N測(cè)定采用納氏試劑光度法, NO2--N采用N-乙二胺光度法, NO3--N采用紫外分光光度法, COD采用快速測(cè)定儀, D
O、pH和水溫通過WTW便攜測(cè)定儀測(cè)定, 其余水質(zhì)指標(biāo)的分析方法均采用國標(biāo)方法.
反應(yīng)速率的測(cè)定：從反應(yīng)器中取濾料, 刮下生物膜, 放入2個(gè)燒杯中, 分別測(cè)定30℃和15℃時(shí)的厭氧氨氧化反應(yīng)速率, 代表高溫厭氧氨氧化速率和低溫厭氧氨氧化速率.燒杯設(shè)置機(jī)械攪拌, 氨氮和亞硝氮基質(zhì)濃度為50 mg ?L-1, 使堿度與氨氮之比為5, pH為7.6~8.0, 整個(gè)運(yùn)行過程中水中DO維持在0.3 mg ?L-1以下.
2 結(jié)果與分析 2.1 厭氧氨氧化濾柱的啟動(dòng)
春季進(jìn)行厭氧氨氧化工藝的啟動(dòng).反應(yīng)器裝填火山巖填料后, 接種3.5 L污泥濃度為2 200 mg ?L-1的厭氧氨氧化絮狀污泥進(jìn)行掛膜.掛膜階段, 采用較低的水力負(fù)荷以減小對(duì)濾料表面微生物的沖擊, 濾速定為0.10 m ?h-1.同時(shí), 反應(yīng)器出水進(jìn)行收集并循環(huán)進(jìn)水, 以減少厭氧氨氧化菌的流失.運(yùn)行5 d后, 出水SS濃度小于20 mg ?L-1, 表明厭氧氨氧化菌已基本被截留在反應(yīng)器中.此時(shí)反應(yīng)器改為連續(xù)進(jìn)水出水, 濾速提高到0.15 m ?h-1, HRT為3.3 h.
連續(xù)運(yùn)行階段反應(yīng)器氨氮, 亞硝氮和硝氮變化如圖 2所示, 進(jìn)水溫度及總氮篩除率如圖 3所示.為了研究脫氮途徑, 引入?yún)捬醢毖趸磻?yīng)方程式, 如式所示.厭氧氨氧化菌按1 :1.32的比例消耗氨氮和亞硝氮.厭氧氨氧化工藝生成的氮?dú)饬颗c硝氮量之比為8, 該值稱為特征比.試驗(yàn)亞硝氮氨氮消耗比和特征比如圖 4所示.
反應(yīng)器改為連續(xù)進(jìn)水出水的第1 d, 總氮去除率為13.8%.但亞硝氮氨（化學(xué)式：NH3） 氮消耗比為1.41, 特征比為28.17, 不滿足厭氧氨氧化方程式.分析其原因, 可能是由于火山巖填料對(duì)基質(zhì)的吸附作用.隨著吸附達(dá)到飽和, 總氮去除率明顯降低, 第4 d時(shí), 總氮去除率由13.8%降低到5.2%.反應(yīng)器繼續(xù)運(yùn)行, 氨氮和亞硝氮去除效果逐漸提高, 出水硝氮濃度逐步增加.第109 d時(shí), 連續(xù)15 d氨氮和亞硝氮去除率大于90%, 總氮去除率大于70%, 亞硝氮氨氮消耗比穩(wěn)定在1.17~1.26, 特征比穩(wěn)定在8.76~10.21, 符合厭氧氨氧化反應(yīng)方程式, 表明上向流厭氧氨氧化生物濾柱啟動(dòng)成功.
Zekker等在20℃條件下以發(fā)酵廠高氨氮污水為基質(zhì), 歷時(shí)186 d成功啟動(dòng)厭氧氨氧化（oxidation)工藝.進(jìn)水溫度20~25℃, 氨氮和亞硝氮基質(zhì)濃度為30~50 mg ?L-1, Bao等在224 d啟動(dòng)厭氧氨氧化生物濾柱. Zhang等以含25~35 mg ?L-1氨氮和亞硝氮的配水為基質(zhì), 23℃條件下90 d成功啟動(dòng)厭氧氨氧化SBR反應(yīng)器.與前人研究成果相比, 本試驗(yàn)以更低濃度的實(shí)際生活污水為基質(zhì), 在15.1~21.9℃的條件下, 成功啟動(dòng)厭氧氨氧化反應(yīng)器, 較前人的研究成果有所進(jìn)步.
2.2 厭氧氨氧化濾柱的低溫運(yùn)行
第153~244 d時(shí), 反應(yīng)器在秋季運(yùn)行, 進(jìn)水溫度（temperature)為12.6~18.9℃.溫度在14℃以上時(shí), 反應(yīng)器氨（化學(xué)式：NH3） 氮、亞硝氮去除率大于95%, 溫度小于14℃時(shí), 氨氮和亞氮去除率明顯降低.第245 d, 反應(yīng)器運(yùn)行進(jìn)入冬季, 進(jìn)水溫度為10.2~14.3℃.由圖 3可知, 反應(yīng)器總氮去除率與進(jìn)水溫度密切相關(guān).進(jìn)水溫度在10~12℃時(shí), 總氮去除率為25%~60%.進(jìn)水溫度為12~14℃時(shí), 總氮去除率為55%~75%.第245~334 d, 反應(yīng)器最大出水總氮濃度為30.1 mg ?L-1, 平均總氮去除率為54.3%.
為了避免生物膜過度增殖導(dǎo)致濾柱堵塞, 第461 d對(duì)濾柱進(jìn)行反沖洗.反沖洗時(shí), 采用較大的水力負(fù)荷以達(dá)到削減生物膜厚度的目的.以氣水聯(lián)合的方式進(jìn)行反沖洗, 氣水比為3, 水沖強(qiáng)度（strength)為2.0 L ?-1, 反沖洗時(shí)間為3 min.反沖洗后, 氨氮去除率從98.6%降低到59.7%, 亞硝氮去除率從97.3%降低為57.2%, 總氮去除率由78.4%降為48.1%.運(yùn)行8 d后, 氨氮去除率恢復(fù)至90%以上, 總氮去除率提高到71%.相比于其他生物膜, 本試驗(yàn)厭氧氨氧化生物膜反沖洗后恢復(fù)速度較快.有研究表明, 成熟的厭氧氨氧化菌生物膜結(jié)構(gòu)緊湊, 分泌較多的胞外多聚物, 對(duì)水力負(fù)荷沖擊的抵抗能力強(qiáng), 因此成熟厭氧氨氧化生物膜受反沖洗影響(influence)較小.
第510~604 d, 運(yùn)行季節(jié)為秋季, 進(jìn)水溫度為13.2~19.6℃, 反應(yīng)器氨（化學(xué)式：NH3） 氮和亞硝氮去除率大于90%, 總氮去除率大于75%.相比于去年同期水平, 進(jìn)水溫度在14℃以下時(shí), 依然有著良好的處理效果.第605 d, 運(yùn)行再次進(jìn)入冬季, 進(jìn)水溫度為10.1~14.7℃.進(jìn)水溫度在10~12℃時(shí), 總氮去除率為50%~65%.進(jìn)水溫度為12~14℃時(shí), 總氮去除率為70~80%.第605~695 d, 反應(yīng)器最大出水總氮濃度為19.7 mg ?L-1, 平均總氮去除率為69.7%.總氮去除率比去年同期相比增長了29%, 總氮去除負(fù)荷增長率為23%.
Guillén等通過1 048 d的低溫馴化, 提高了低溫厭氧氨氧化（oxidation)工藝的處理效果. Trojanowicz等從低溫馴化3 a的厭氧氨氧化反應(yīng)器中取泥, 在低溫時(shí)成功啟動(dòng)反應(yīng)器并取得了良好的處理效果.前人的研究主要表明, 長期的低溫馴化可以提高低溫厭氧氨氧化菌活性, 但對(duì)于長期馴化對(duì)厭氧氨氧化活性提高并未定量化.在本試驗(yàn)中, 從第245~334 d到第605~695 d, 歷時(shí)1 a, 總氮去除負(fù)荷增長率（Growth rates)為23%, 長期低溫馴化明顯地提高了反應(yīng)器低溫處理效果.
2.3 生物學(xué)特性研究
每個(gè)季節(jié)從反應(yīng)器中取出濾料, 測(cè)定濾料生物量及反應(yīng)速率, 結(jié)果如圖 5所示.生物量單位(unit)以VSS/濾料計(jì), 為mg ?g-1.
第55~148 d, 進(jìn)水溫度為16.5~21.9℃, 反應(yīng)器生物量從5.08 mg ?g-1增長到9.61 mg ?g-1, 增長幅度較大.第230~298 d, 進(jìn)水溫度為10.2~13.8℃, 生物量由10.20 mg ?g-1提高為11.38 mg ?g-1, 低溫環(huán)境中生物量增長速度較慢, 表明溫度對(duì)厭氧氨氧化菌生物膜的增長有較大影響.第461 d濾柱進(jìn)行反沖洗, 生物量從14.96 mg ?g-1降低至8.01 mg ?g-1, 反沖洗可以有效地剪切生物膜, 將濾料生物量維持在較低水平.第360 d, 運(yùn)行處于冬季, 生物量為12.24 mg ?g-1, 第649 d, 反應(yīng)器再次處于冬季, 生物量為10.41 mg ?g-1.與去年同期相比, 生物量處于較低水平, 但反應(yīng)器總氮去除率負(fù)荷提高了23%.其原因是經(jīng)過長期的常溫馴化, 低溫條件下厭氧氨氧化菌活性顯著提高.
反應(yīng)速率測(cè)定時(shí)的溫度、基質(zhì)濃度均相同, 因此高溫厭氧氨氧化反應(yīng)速率速率代表了不同階段污泥中厭氧氨氧化菌比例.由圖 5可知, 高溫厭氧氨氧化速率基本相同.進(jìn)水溫度幾乎不會(huì)影響生物膜中厭氧氨氧化菌所占比例.
低溫反應(yīng)速率與高溫反應(yīng)速率的比值（兩數(shù)相比所得的值)可以有效地反映低溫厭氧(Oxygen)氨氧化菌的活性.由圖 5可見, 第55 d時(shí), 低溫厭氧氨氧化反應(yīng)速率為1.5 kg ?-1, 與高溫反應(yīng)速率的比值為0.17.隨著反應(yīng)器的繼續(xù)運(yùn)行, 低溫厭氧氨氧化速率明顯提高, 第858 d時(shí), 低溫厭氧氨氧化速率達(dá)到了3.6 kg ?-1, 與30℃厭氧氨氧化速率比值為0.38.與第55 d相比, 第858 d時(shí)高溫厭氧氨氧化反應(yīng)速率基本相同, 低溫厭氧氨氧化速率增長140%, 低溫反應(yīng)速率與高溫反應(yīng)速率的比值增長率（Growth rates)達(dá)123%.結(jié)果表明, 長期低溫馴化有利于提高低溫厭氧氨氧化菌活性.
3 結(jié)論
試驗(yàn)以A/O除磷和亞硝化工藝處理(chǔ lǐ)后的生活污水為基質(zhì), 室外啟動(dòng)厭氧氨（化學(xué)式：NH3） 氧化生物濾柱.第109 d時(shí), 連續(xù)15 d氨氮和亞硝氮去除率大于90%, 總氮去除率大于70%, 厭氧氨氧化生物濾柱啟動(dòng)成功.
第245~333 d, 運(yùn)行進(jìn)入冬季, 濾料生物量為12.24 mg ?g-1, 平均總氮去除率為54.3%.第605~693 d, 運(yùn)行再次進(jìn)入冬季, 濾料生物量為10.41 mg ?g-1, 平均總氮去除率為69.7%.濾料生物膜厚度小于去年同期水平, 但總氮去除負(fù)荷提高了23%.
在整個(gè)運(yùn)行過程中, 高溫厭氧氨氧化速率基本保持不變, 低溫厭氧氨氧化速率從1.5 kg ?-1增長到3.6 kg ?-1, 增長率達(dá)140%.長期低溫馴化有利于提高厭氧氨氧化工藝低溫處理效果, 實(shí)現(xiàn)冬季厭氧氨氧化工藝高效（指效能高的）運(yùn)行.
