作者：张毅
目前，人们对ANAMMOX废水脱氮工艺进行了有效的改进和组合，相继开发了两级联合的ANAMMOX工艺，如半硝化一厌氧氨氧化(PN -ANAMMOX)工艺和短程脱氮一厌氧氨氧化( SHARON -ANAMMOX)工艺，并已在废水脱氮中得以初步应用。但由于两级组合工艺的设备成本、占地空间、能源消耗等均较高，因此，越来越多的研究者致力于单级反应器内实现脱氮联合工艺的研究，如荷兰学者提出的CANON工艺和日本学者提出的SNAP工艺。这2种工艺都是在单一的反应器内接种厌氧氨氧化菌和好氧氨氧化菌，形成内层厌氧、外层好氧的生物膜结构，2个菌种在反应器内协同作用，从而实现废水脱氮的效果。这些组合工艺虽然取得了较高的脱氮性能，但在不同程度上仍然存在菌体易流失、反应条件难控制等问题。
为了在单一反应器内实现PN -ANAMMOX同步联合工艺，解决生物菌体流失和工艺参数可控的问题，本文中设计使用特殊的气升式内循环反应器结构，在反应器的中央循环管内装填可悬浮的生物填料，AOB菌在填料上附着生长；在中央循环管外的环筒间隙装填固定化的网状纤维填料，以便ANAMMOX菌附着生长，并实现有效截留。通过控制内筒的曝气量和曝气方式实现内、外筒间的水力循环，并控制内外筒的溶解氧浓度，为半硝化和厌氧氨氧化提供各自适宜的反应条件，实现AOB菌与ANAMMOX菌一体化同步联合脱氮工艺。
1 实验装置与测试方法
1.1反应器设计
图1为气升式反应器实验流程图。反应器内筒为AOB菌适宜生长的限氧区，实现入水氨氮的部分亚硝化反应；反应器外筒为ANAMMOX菌适宜生长的厌氧区，进水口设置在内筒底板以上10 mm位置处，保证氨氮废水首先进入内筒进行半硝化反应，其产物亚硝氮和水体中剩余的部分氨氮会随水力循环进入外筒，为ANAMMOX反应提供营养来源。
反应器的进水为人工合成废水，从进水槽经蠕动泵进入反应器的内筒中，通过控制蠕动进水泵的转速从而调节废水在反应器内的水力停留时间。在反应器的外层设置了水夹套，夹套内通人热水，通过恒温控制器保证反应器内的温度维持在( 35±2)℃。反应器内通过加入NaHC03溶液使废水的pH保持在7.5~8.0。反应器底部的曝气装置通过外部连接的曝气泵进行间歇曝气。
反应器采用壁厚为5 mm的有机玻璃管加工而成。为了实现限氧区和厌氧区的有效分隔，采用内外双层筒壁的结构，如图2所示。对反应器各部分结构尺寸进行了优化设计，为获得内、外筒液体容积比约为1：1的效果，内、外简直径之比为0.7；当反应器的高径比大于4时，内筒上升气体会直接从出口或液面处排出，一般不会随环流向下返人外筒内，因此反应器的高径比取为4。为了便于在实验室内操作和测试，反应器的有效容积控制在4L以下。
反应器的各部分尺寸参数确定为：外筒内径110 mm，内筒内径70 mm，高400 mm，有效容积3.6 L。为避免水力循环流动过程出现死区，内筒底部与外筒底部间隙应不小于内外筒的间隙，本研究中取为15 mm。反应器操作时，为避免内筒中好氧颗粒载体掉落，在内筒的底部装设了多孔底板，并预留高度为15 mm的溢流堰。在内筒底板下表面设置了曝气软管，软管与曝气泵相连。通过间歇曝气为内筒好氧反应供氧，同时也实现了内层与外层之间的水体产生密度差，从而实现内外筒的水力循环。
1.2菌体及挂膜载体
好氧活性污泥取自大连某污水处理厂的普通硝化污泥，挂膜载体采用与水密度接近的生物填料[型号为Kl，见图3(a)]，在有效容积为4 L的SBR中进行驯化和挂膜培养。驯化时，以氨氮NH4+ -N作为氮源，通过温度和pH控制其反应过程，使其维持在半硝化的状态。测试结果表明，当SBR的进水氮负荷达到2.0 kg/( m3．d)时，氨氮转化率可达50%左右，出水的亚硝氮N02 -N浓度和氨氮浓度近似相等，硝氮N03 -N浓度低于20 mg/L。经过60 d的挂膜培养，Kl载体内部挂膜生长了厚度约1mm的淡黄色生物膜。在电镜下可以清晰地观测到AOB菌落[见图3(b)]。
厌氧氨氧化活性污泥取自实验室中正在运行的ANAMMOX生物膜反应器。该反应器已经连续稳定运行400 d以上，总氮负荷为2.0 kg/( m3．d)，总氮去除率在85 010以上[10]。ANAMMOX生物膜载体为多孔树脂纤维，接种后填料表面附着了红色的生物膜[见图3(c)]。在电镜下观察生物膜层，可以看出填料上所挂的ANAMMOX生物膜比较致密[见图3(d)]。
反应器启动前，在内筒添加挂膜培养后的Kl载体，填料的体积填充率为40 010；在内筒和外筒之间的环隙通道内放置挂膜培养后的ANAMMOX网状纤维载体，纤维载体经拉抻后，可减小流动阻力，也为生物膜继续生长提供了足够空间。
1.3人工合成废水
采用人工合成废水进行实验研究，废水的主要成分如见表1。
1.4测定项目与方法
检测方法按照《水和废水监测分析方法》。NH4+ -N采用纳氏分光光度计法；N02 -N采用Ⅳ一（1一萘基）一乙二胺分光光度法；N03 -N采用离子色谱法；DO采用雷磁溶解氧分析仪；pH采用梅特勒pH计检测。
2结果与讨论
2.1 反应器的启动
反应器操作运行时，根据进水浓度将反应器分为启动和运行2个阶段，各段的工艺参数见表2。反应器进出水的氨氮(NH4+ -N)、亚硝氮（N02 -N）和硝氮(N03 -N)质量浓度变化见图4。
启动初期(0~7 d)，进水氨氮质量浓度为50 mg/L，曝气量为100 mL/min，采取连续曝气方式，经测试，出水中硝氮质量浓度达到35 mg/L，说明厌氧氨氧化反应受到抑制，而发生了完全硝化反应。为了提高厌氧氨氧化菌的活性，在进水中配加30 mg/L的N02 -N，经过7d左右的适应期，出水的NH4+ -N、N02 -N浓度均小于2 mg/L，说明AOB菌和ANAMMOX菌已基本适应反应器内的环境，菌群活性逐步恢复。
为了进一步提高2类不同菌种的活性，逐步提高基质浓度。从第16 d开始，将进水氨氮浓度提高至100 mg/L，亚硝氮浓度提高至50 mg/L，反应器运行至30 d时，出水NH4+ -N浓度降低至8 mg/L，表明反应器内AOB菌与ANAMMOX菌活性基本恢复。在之后的10 d内，进一步将进水NH4+ -N和N02 -N浓度分别提高至200 mg/L和100 mg/L时，尽管出水N02 -N保持较低的浓度，但是出水NH4+ -N质量浓度一直较高，达到70 mg/L，表明氮负荷超出了反应器内微生物的处理能力。在之后10 d内，将进水NH4+ -N和N02 -N浓度调低至以前的水平，系统脱氮性能逐步恢复，出水NH4+ -N质量浓度降低至10 mg/L。
2.2 反应器氮去除效果
在反应器运行的第二阶段( 51~120 d)，在进水中停止投加NaN02，只加入NH4+ -N的情况下，逐步启动半硝化一厌氧氨氧化联合工艺，并采用降低HRT的方法提高总氮负荷。在反应初期，HRT为55 h，在52 d后，将HRT降低至33 h，出水NH4+ -N和N02 -N浓度分别为5.89 mg/L和12. 24 mg/L。在69 d后，将HRT进一步调低至17 h，出水NH4+ -N浓度、N02 -N浓度分别为6.93、14. 29 mg/L。在之后120 d的运行过程中，HRT保持在17 h不变的基础上，逐步提高进水NH4+ -N浓度至200 mg/L，反应器出水NH4+ -N浓度、N02 -N浓度分别为18. 98、10. 43 mg/L，半硝化一厌氧氨氧化联合工艺得以稳定运行，标志着ALR反应器内半硝化一厌氧氨氧化联合脱氮效果良好。
2.3 总氮负荷和总氮去除率
反应初期，总氮容积载荷为21g/( d.m3)，此时AOB菌和ANAMMOX菌尚未适应反应器内的环境，总氮去除率较低，只有30%左右。随着反应的进行，通过提高进水NH4+ -N浓度的方式逐步提高氮负荷，在第52 d时，氨氮载荷达到71 g/( d.m3)。在反应器运行的第一阶段，由于不断调整改变进水浓度，对反应器内AOB菌和ANAMMOX菌造成一定的影响，致使微生物不能完全适应反应器内的环境变化，造成总氮去除率波动幅度较大。在反应器运行的第二阶段，进一步调节进水配比，在进水中只有NH4+ -N的情况下，逐步降低HRT，总氮容积负荷由84g/(d．m3)逐步升高至130 g/(d．m3)，在第120 d时，总氮容积负荷达到280 g/( d.m3)。在此期间，总氮去除率也保持平稳上升的状态，在120 d时，总氮去除率达到75%。总氮负荷和总氮去除率的实验结果见图5。
20 d后，将反应器内AOB菌挂膜生长的Kl填料和ANAMMOX菌挂膜生长的多孔树脂纤维填料取出，分别对填料上挂膜生长的微生物进行称量。反应器内60个Kl填料上AOB菌泥的总质量为26.4 g；多孔树脂纤维填料上ANAMMOX菌泥的总质量为71.0 g，单位质量菌泥的平均氮去除率为2. 16 g/( g.d.m3)，表明AOB -ANAMMOX联合工艺具有较好的综合脱氮性能。
2.4反应器内溶解氧浓度分布
为了实现反应器内内外筒的水力循环，并为反应器内筒的AOB菌供氧，需要对反应器内筒进行曝气。但在反应器外筒的ANAMMOX菌是极度厌氧的，对氧浓度的变化非常敏感。反应器运行时，在反应器内筒的底部进行间歇曝气，间歇曝气周期为4h，每次曝气时间为0.5 h，曝气流量为100 mL/L，静止3.5 h。
经溶氧仪测量，反应器内、外筒溶解氧浓度随时间的变化曲线见图6。内层溶解氧浓度在曝气期间急剧上升，最高可达3.5 mg/L，曝气结束后逐步下降，在60 min时溶解氧浓度达到最低值1.5 mg/L，之后基本维持恒定。在反应器的外筒，由于水力循环和溶解氧的扩散作用，DO值也与内筒呈现出相同的变化规律，但峰谷值均偏低。在曝气阶段DO最高达到2.2 mg/L左右，随着曝气结束平稳下降，最后基本恒定在0.8 mg/L以下，直至逐渐趋于0。反应器内、外筒溶解氧浓度的分布为AOB菌和ANAMMOX菌分别提供了适宜的生长环境。
3结论
在气升式内环流反应器中实现了半硝化一厌氧氨氧化同步联合废水脱氮工艺。反应器成功启动并运行120 d以上，反应器进水NH4+ -N质量浓度为200 mg/L时，出水NH4+ -N质量浓度、出水N02 -N质量浓度分别低于20、10 mg/L。反应器进水氮负荷为280 g/(d.m3)情况下，总氮去除率达到75%。单位质量污泥平均除氮性能为2. 16 g/( g.d.m3)。
气升式反应器的内外筒可很好地实现限氧区和厌氧区的分隔，为AOB好氧菌和ANAMMOX厌氧菌分别提供适宜的生长环境，可提高不同菌种的活性，从而实现部分硝化和厌氧氨氧化的不同功效，通过控制曝气方式、曝气量、曝气时间等参数，可调控半硝化一厌氧氨氧化同步联合工艺性能，实现废水在一体化反应器中较好的脱氮效果。
4摘要：在内循环气升式反应器中，研究开发了一套半硝化( PN)和厌氧氨氧化(ANAMMOX)单级一体化同步处理高浓度含氮废水工艺。反应器的内筒为限氧区，借助于富集的好氧氨氧化菌( AOB)活性污泥实现废水的半硝化反应，内筒底部进行间歇式曝气，提供半硝化反应所需氧气和水力环流所需动力；反应器的外环筒为厌氧区，借助于富集的厌氧氨氧化菌( ANAMMOX)活性污泥实现厌氧氨氧化反应。反应温度为(35±2)℃，pH维持在7.5~8.0。反应器成功启动并稳定运行120 d，考察反应器内、外筒溶解氧浓度(DO)的变化和系统的脱氮性能。结果表明，反应器内、外筒有效地分隔了限氧区和厌氧区，内筒平均DO值为2.5 mg/L，外筒平均DO值为1.5 mg/L，可满足半硝化和厌氧氨氧化的反应条件。合成废水的氨氮浓度最高达200 mg/L，氮负荷为280 g／(d.m3)，反应器运行120 d后，总氮去除率达到75%．表明反应器内AOB菌和ANAMMOX菌能够协同作用，从而实现了组合脱氮的工艺。
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