杨洋，左剑恶^*，沈平，顾夏声
( 清华大学环境科学与工程系，北京 100084 )

　　摘要：采用小试UASB反应器，接种河底污泥，以自配含NH₄⁺和NO₂^-的废水为进水，成功实现了厌氧氨氧化过程，氨氮和总氮容积负荷分别达到0.83 和1.72kgN/(m³·d)，氨氮和总氮的去除率均可达到86%；由反应所去除的氨氮和亚硝酸氮的比例为1.1:1；温度和pH值对厌氧氨氧化过程均有明显影响，其最适温度为30～35℃，最适pH值为7.5～8.5。
　　关键词：厌氧氨氧化；河底污泥；UASB反应器；厌氧氨氧化速率

Study on Operation of ANAMMOX Reactor Inoculated with River sedi- ments and the Influence of Temperature and pH Value

YANG Yang, ZUO Jian-e^*, SHEN Ping, GU Xia-sheng
(Dept. of Environ. Sci. & Eng., Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract: Inoculated with river sediments, feeding with synthetic wastewater containing ammonia and nitrite, ANAMMOX process was set-up in a lab-scale UASB reactor. The ammonia and total nitrogen volumetric loading rates were 0.83 and 1.72 kgN/(m³·d) respectively. The ammonium and total nitrogen removal efficiency both reached 86%. The ratio of NH₄⁺-N removed to NO₂^¯-N removed through anaerobic ammonia oxidation was about 1.1:1. Temperature and pH value influenced the ANAMMOX process. The results showed that the optimal temperature was between 30～35℃, and the optimal pH value was between 7.5～8.5.
Key words: anaerobic ammonia oxidation; river sediments; UASB reactor; anaerobic ammonia oxidation rate

　　厌氧氨氧化工艺是指在厌氧或缺氧条件下，厌氧氨氧化细菌以NO₂^¯为电子受体，将NH₄⁺直接氧化为N₂的过程^[1]。厌氧氨氧化工艺是目前已知的最经济的生物脱氮途径^[1～3]，与传统的硝化反硝化脱氮工艺相比具有需氧量低、运行费用低和不需外加碳源等优点，在国外特别是在荷兰Delft大学已有多位研究者对该工艺的运行条件及其中新发现的厌氧氨氧化细菌进行了多方面的研究^[1～3]。结果表明，厌氧氨氧化细菌属于浮霉状菌（Planctomycete）的深层分支，浮霉状菌在自然界中分布较广，但厌氧氨氧化细菌对生长环境要求严格，例如当溶解氧浓度大于0.5%饱和溶解氧时，其活性就会被完全抑制；厌氧氨氧化工艺具有较强的适应性：温度在6～43°C之间，pH值在6.7～8.3之间，厌氧氨氧化污泥均表现出一定的活性；在最适条件下，厌氧氨氧化速率最大可达55µmol NH₄⁺-N/(g protein^.min) (约0.86mgNH₄⁺-N/(mgVSS·d))^[4]。本文根据上述厌氧氨氧化细菌的特点，利用接种河底污泥的UASB反应器，对厌氧氨氧化工艺的启动和运行进行了研究，并对温度和pH值对厌氧氨氧化过程的影响进行了探讨。

1  材料与方法

1.1  试验装置及流程
　　采用如图1所示的试验装置和工艺流程，其中UASB反应器由有机玻璃制成，总体积为3.05L，反应区体积为1.60L，沉淀区体积为1.45L。利用水浴夹套将反应区内的温度维持在30℃左右。
1.2  接种污泥与试验用水
　　接种污泥为清华大学校河底泥，通过简单筛分去除粗大杂物后直接接种到UASB反应器中，接种污泥浓度为9.3 g VSS /L，接种污泥的VSS/SS为0.26。
　　试验用水为含NH₄⁺和NO₂^¯的自配水（第1～99d，NH₄⁺-N : NO₂^¯-N=0.76；第100d起，NH₄⁺-N : NO₂^¯-N=1.0），同时还加入了适量的KH₂PO₄、酵母膏和微量元素（KH₂PO₄: 50mg/L、酵母膏: 10mg/L、 EDTA:10mg/L、ZnSO₄^.7H₂O: 4.4mg/L、CoCl₂^.6H₂O: 3.2mg/L、MnCl₂^.4H₂O: 10.2mg/L、CuSO₄^.5H₂O: 3.2mg/L、CaCl₂^.2H₂O: 11mg/L、FeSO₄^.7H₂O: 10mg/L和(NH₄)₆Mo₇O₂₄^.4H₂O: 2.2mg/L）^[5]。
1.3  分析项目及测试方法
　　氨氮：纳氏试剂比色法^[6]；
　　亚硝酸盐：N-(1-萘基)-乙二胺光度法^[6]；
　　硝酸盐：DX-100型离子色谱 (DX-100型, Dionex)；
　　溶解氧：溶解氧仪（Orion 810A+型, Thermo）；
　　悬浮固体（SS）和挥发性悬浮固体（VSS）：标准重量法^[6]；
　　气体产量：湿式气体流量计(LML-2型，长春仪器设备厂)；
　　气体组分：气相色谱（1490GC-TCD型，惠普上海分析仪器有限公司）；
　　扫描电镜照片：扫描电镜 (QUANTA 200型, FEI)；
　　厌氧氨氧化速率：厌氧氨氧化速率测定方法^[7]。

1 进水箱 2. 进水泵 3. 热水循环泵 4. 恒温水 5. 回流泵 6. UASB反应器 7. 三相分离器 8. 出水 9. 水封瓶 10. 气体流量计 11. 取样口

图1  试验装置及工艺流程示意图
Fig. 1  Schematic process chart for ANAMMOX system

2  结果与讨论

2.1 厌氧氨氧化UASB反应器的运行
　　厌氧氨氧化UASB反应器共连续运行了366天，运行过程中其氨氮容积负荷和去除率以及总氮容积负荷和相应的总氮去除率随时间的变化情况分别如图2和图3所示。

图2  NH₄⁺-N的去除率和容积负荷
Fig. 2  Profiles of NH₄⁺-N removal efficiencies and loading rates

　　由于接种污泥取自天然环境，其具有一定的厌氧氨氧化活性，因此在反应器的启动初期，就具有较明显的同时去除NH₄⁺-N和NO₂^¯-N的能力。从图2和图3可知，在运行的前30d内，反应器的氨氮去除率平均为31%，总氮去除率平均为32%。但在随后100d（即第31～ 130 d）的运行中，反应器的去除率没有明显升高，基本在30%至50%之间波动。从第131d起，逐渐提高反应器进水负荷，到第210 d时，反应器的氨氮去除率达到70%左右。在第211～235d期间，反应器运行稳定，氨氮容积负荷平均为0.36 kgNH₄⁺-N/(m³·d)，氨氮去除率稳定在75～80%之间。从第236d起，维持进水氨氮浓度在100mg/L左右，逐渐增加进水流量，到第264d时，

图3  总氮的去除率和容积负荷
Fig. 3  Profiles of TN removal efficiencies and loading rates

　　反应器进水氨氮容积负荷增加到0.8kg NH₄⁺-N/(m³·d)，氨氮去除率达76%。由于在第265d时从反应器中取出一部分污泥进行工艺和微生物方面的研究，造成反应器内污泥量的大幅度降低，因此在第266d时把反应器的进水负荷降低到0.4kg NH₄⁺-N/(m³·d)，而后再逐渐增加进水氨氮浓度，到第366d时，氨氮进水负荷达到了0.83kg NH₄⁺-N/(m³·d)，氨氮去除率达到86%。
　　从图3可知，厌氧氨氧化反应器的总氮容积负荷和去除率的变化趋势与图2中所示的氨氮的变化趋势基本一致。最高的总氮容积负荷达到1.72 kgN/(m³.d)，总氮去除率也达到86%。

图4  反应去除的NH₄⁺-N 和NO₂^―-N的比例
Fig. 4  Ratios of NH₄⁺-N removed to NO₂^―-N removed

　　根据Strous等人的研究结果，在厌氧氨氧化过程中，所去除的NH₄⁺-N与NO₂^¯-N之比约为0.76^[1]，因此，在试验初期，反应器进水中NH₄⁺-N与NO₂^¯-N的比值也基本保持在0.76左右。但由图4可知，在第50d之前，UASB反应器所去除的NH₄⁺-N与NO₂^¯-N的比值从0.25迅速提高到1.97，在随后的50d中，该比值逐渐下降，但仍在1.12～1.88之间波动，即本研究中的该比值明显高于0.76^[1]，因此，从第100d开始，进水中NH₄⁺-N与NO₂^¯-N的比值也相应提高到1.0左右。此后，反应器所去除的NH₄⁺-N与NO₂^¯-N的比值逐渐从1.45下降并稳定在在1.10左右。此值明显高于Strous等人报道的0.76^[1]，其原因可能是由于在试验过程中，没有刻意去除进水中的溶解氧，导致反应器内有少部分NH₄⁺-N首先被氧化为NO₂^¯-N，而生成的NO₂^¯-N又进一步将进水中的少部分NH₄⁺-N氧化成N₂，最终导致该反应器所去除的NH₄⁺-N明显多于所去除NO₂^¯-N。
　　在反应器运行相对稳定的第355～366d期间，对其所产生的气体的产量进行了计量，并对其组分进行了测试。结果表明，当反应器的总氮负荷为1.65 kgN/(m³·d)，总氮去除率为82%时，反应器的气体产量约为0.48L/(L·d)，其中N₂的百分含量为96%以上，其余气体组分还有少量的CO₂和N₂O等。所计量得到的气体产量0.48L/(L·d)，比理论计算的气体产量要低，这可能是由于反应器的集气系统设计不当造成的。
　　以上试验结果表明，经过366天的连续运行，在以河底污泥接种的UASB反应器中已经成功实现了稳定的厌氧氨氧化过程，进水中的NH₄⁺-N和NO₂^¯-N同时得以去除，所产气体96%以上是N₂。为了优化厌氧氨氧化反应器的运行条件，从该反应器中取出一定量的污泥，研究了温度和pH值对该污泥的厌氧氨氧化活性的影响。
2.2  温度对厌氧氨氧化过程的影响
　　为了测定污泥的厌氧氨氧化活性，我们建立了一种专门的测试方法，其基本原理、测试系统和步骤已另文发表^[7]。利用该方法，测试了2.1中所述反应器中的污泥在5个不同温度（20、25、30、35和40℃）下的厌氧氨氧化活性。试验中除温度外的其他主要试验条件为：污泥浓度约为1.6gVSS/L，起始pH值8.2，起始NH₄⁺和起始NO₂^¯浓度均为200mgN/L。试验结果如图5所示。

图5  厌氧氨氧化速率随温度的变化
Fig. 5  Effect of temperature on anaerobic ammonia oxidation rates

　　由图5可知，对于本研究中获得的厌氧氨氧化污泥，当反应温度在30～35℃时，其厌氧氨氧化速率最高，为0.171～0.174mgNH₄⁺-N/(mgVSS·d)；当温度升至40℃时，其活性明显下降，仅为0.091 mg NH₄⁺-N/(mgVSS·d)；而当温度低于30℃时，其活性也明显下降，25℃和20℃时分别为0.132 mg NH₄⁺-N /(mgVSS·d)和0.064 mg NH₄⁺-N/ (mgVSS·d)。
　　随后，利用一个总体积为1.37L，结构和工艺流程与图1类似的UASB系统考察和研究了温度对连续运行的厌氧氨氧化反应器的影响效果。该反应器的接种污泥取自2.1中所述的UASB反应器，其进水负荷在整个试验中始终维持在0.12kg NH₄⁺-N/(m³·d)左右。该反应器首先在30℃下运行，当其对进水中的NH₄⁺-N去除率达到80%左右后，再开始调整温度，进行试验。试验的做法基本如下：当反应器在30℃下稳定运行时，在较短时间（1～2h）内升高或降低其温度，并在调整后的温度下连续运行10d左右，考察其对进水中NH₄⁺-N的去除情况；随后再将反应器的温度调回到30℃，并连续运行5～7d，待反应器的运行恢复稳定后，再开始进行另一个温度的试验。试验过程与结果如图6所示。

图6  连续厌氧氨氧化反应器在不同温度下的运行效果
Fig. 6  Effect of temperature on the performance of a continuously operated ANAMMOX reactor

　　从图6可知，相对于反应器在30℃下的运行效果，温度的突然升高或降低都会导致反应器运行效果的下降，主要表现在其对NH₄⁺-N去除率的下降，但随着运行时间的延长，其运行效果略有恢复，35℃时，效果恢复最好，26℃时，效果恢复较好，而40℃时，反应器的运行效果恢复最差。
　　综合上述间歇试验和连续试验的结果，可见，温度对厌氧氨氧化污泥的活性或连续运行的厌氧氨氧化过程均有类似的明显影响，其最适温度在30～35℃之间，温度高于35℃或低于30℃，都会导致厌氧氨氧化污泥活性下降，以及厌氧氨氧化工艺的氨氮去除率和去除负荷的下降。
2.3  pH值对厌氧氨氧化过程的影响
　　利用与2.2中同样的测试方法^[7]，测定了2.1中UASB反应器的污泥在7个不同pH值（7.0、7.5、7.8、8.0、8.3、8.5和9.0）下的厌氧氨氧化活性。测试过程中其他主要条件为：污泥浓度约为1.6gVSS/L，温度30℃，起始NH₄⁺和NO₂^¯浓度均为200mgN/L。试验结果如图7所示。
　　从图7可知，pH值对污泥的厌氧氨氧化活性有较明显的影响，当pH值为8.3时，污泥的厌氧氨氧化活性最大，为0.184mgNH₄⁺-N/(mgVSS·d)；当pH值小于8.3时，污泥的活性略有下降，而当pH值大于8.3时，其活性下降幅度较大。

图7  厌氧氨氧化速率随pH值的变化
Fig.7  Effect of pH value on anaerobic ammonia oxidation rates

　　在水溶液中氨氮的存在形态为离子态NH₄⁺和游离态NH₃，亚硝酸氮的存在形态为离子态NO₂^¯和游离态的HNO₂。对厌氧氨氧化过程来说，废水中的NH₄⁺和NO₂^¯既是反应的基质，同时也是抑制剂^{[8, 9]}。对于底物自身又是抑制剂的生化反应过程，通常可以采用Haldane模型来进行模拟^[10]，由此建立双底物双抑制剂厌氧氨氧化反应速率方程，如式（1）所示。

　　  　　　　　　　　　　　　(1)

　　式中，v：反应速率；v_max：最大反应速率；K_m ：半速率常数；K_i ：基质抑制常数；S：底物浓度。

　　有研究表明^[8]，在厌氧氨氧化反应过程中，氨氮的半速率常数K_m-NH4和基质抑制常数K_i-NH4分别为48.4mgN/L和1123.2mgN/L，亚硝酸盐的半速率常数K_m-NO2和基质抑制常数K_i-NO2分别为6.6mgN/L和720.6mgN/L，厌氧氨氧化污泥的最大反应速率为0.856mg NH₄⁺-N/(mgVSS·d)^[4]。而在本研究中所获得的最大厌氧氨氧化速率为0.184mg NH₄⁺-N/(mgVSS·d)，这可能是由于污泥中厌氧氨氧化细菌含量的多少造成的。在Strous等人^[4]的研究中，其污泥中厌氧氨氧化细菌的含量达80%，根据结果比较可假定本试验中厌氧氨氧化细菌的含量不超过50%，据此可计算出不同pH值条件下的厌氧氨氧化反应速率。计算结果与本研究的实测结果比较如图8所示。

图8  厌氧氨氧化速率的计算值和实测值比较
Fig. 8 The predicted and real values of Anaerobic Ammonia Oxidation rates at different pH

　　由图8可知，计算值与实测值在pH值为7.5～9.0之间时有相同的变化趋势：当pH值为7.5～8.3时，厌氧氨氧化活性处于较高水平，当pH值从8.3升高为9.0时，厌氧氨氧化活性降低。而pH<7.5时，计算值与实测值的变化趋势不一致，实测结果显示厌氧氨氧化速率开始降低，但计算值仍维持较高水平。这是由于式（1）仅考虑了pH值对于基质的影响，未考虑较低pH值会直接影响细菌细胞内的电解质平衡，从而导致其活性的降低。图8中的计算值与实测值较为接近，表明在计算过程中假设污泥中厌氧氨氧化细菌的含量不超过50%是合理的，但还需进一步对此假设进行验证。

3  结论

　　(1) 采用小试UASB反应器，接种河底污泥，以自配含NH₄⁺-N和NO₂^¯-N的废水为进水，成功实现了厌氧氨氧化过程，氨氮和总氮容积负荷分别达到0.83 和1.72kgN/(m³·d)，氨氮和总氮的去除率均可达到86%；由反应所去除的氨氮和亚硝酸氮的比例约为1.1:1。
　　(2) 温度对厌氧氨氧化过程有明显影响，最适温度为30～35℃，温度为20℃和40℃时的厌氧氨氧化速率分别仅为30℃时的37%和52%。
　　(3) pH值对厌氧氨氧化过程有明显影响，最适pH值为7.5～8.5，pH值为7.0和9.0时的厌氧氨氧化速率仅为pH值8.3时的77%和66%。

参考文献：

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[2] Schmid M, Twachtmann U, Klein M, et al. Molecular evidence for genus level diversity of bacteria capable of catalyzing anaerobic ammonium oxidation. Sys. Appl. Microbiol., 2000, 23(1): 93～ 106.

[3] Van de Graaf AA, de Bruijn, P, Robertson, LA, et al. Autotrophic growth of anaerobic ammonium-oxidizing micro-organisms in a fluidized bed reactor. Microbiology, 1996, 142(8): 2187～ 2196.

[4]  Strous M, Kuenen JG, Jetten MS M. Key Physiology of Anaerobic Ammonium Oxidation. Appl. Environ. Microbiol., 1999, 65(7): 3248～3250.

[5] Linping K, Willy V. Ammonium removal by the oxygen-limited autotrophic nitrification-denitrification system. Appl. Environ. Microbiol., 1998, 64(11): 4500～4506.

[6] 国家环境保护局. 水和废水监测分析方法. 第3版, 北京:中国环境科学出版社, 1997.

[7] 杨洋, 左剑恶, 沈平等. 一种厌氧氨氧化速率测试方法的建立及其应用. (投稿中)

[8] 郑平, 胡宝兰. 厌氧氨氧化菌混陪物生长及代谢动力学研究. 生物工程学报, 2001, 17(2): 193～ 198.

[9] Hao XD, Heijnen JJ, van Loosdrecht M C M. Model-based evaluation of temperature and inflow variations on a partial nitrification–ANAMMOX biofilm process. Wat. Res. 2002, 36 (19): 4839～4849.

[10]   顾夏声. 废水生物处理数学模式. 第2版, 北京:清华大学出版社, 1993.

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项目来源：国家“863”计划重大水专项课题（2002AA601190）
作者简介：杨洋（1979～），男，博士研究生，主要研究方向为废水厌氧生物处理技术。
*通讯作者：E-mail:jiane.zuo@tsinghua.edu.cn