傳統(tǒng)的廢水生物脫氮工藝可以通過(guò)硝化反硝化作用去除廢水中的氨氮，但在處理高氨氮或低碳氮比的廢水時(shí)存在運(yùn)行成本高、效率低等問(wèn)題。厭氧氨氧化(Anammox)是指厭氧氨氧化細(xì)菌(AnAOB)以水中的氨氮為電子供體，亞硝酸鹽氮為電子受體，生成氮?dú)夂蜕倭肯跛猁}氮的生物反應(yīng)。與傳統(tǒng)反硝化工藝相比，厭氧氨氧化工藝不需要氧氣和外加有機(jī)碳源，剩余污泥產(chǎn)生量少，運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)省90%?；趨捬醢毖趸男滦蛷U水脫氮工藝受到研究者的廣泛關(guān)注。然而，AnAOB的生長(zhǎng)代謝極其緩慢，世代時(shí)間長(zhǎng)達(dá)11天，對(duì)環(huán)境的敏感性高，使得Anammox工藝的啟動(dòng)周期冗長(zhǎng)。此外，AnAOB缺乏，培養(yǎng)困難，制約了厭氧氨氧化工藝的大規(guī)模應(yīng)用。

研究表明，儲(chǔ)存后的活性污泥可以快速啟動(dòng)厭氧氨氧化過(guò)程。厭氧氨氧化污泥貯存可以有效地保留厭氧氨氧化菌。接種貯存污泥不僅有助于厭氧氨氧化工藝的快速啟動(dòng)，而且避免了厭氧氨氧化培養(yǎng)的困難。因此，貯存的厭氧氨氧化污泥可以作為厭氧氨氧化工藝菌種的可靠來(lái)源之一。

厭氧氨氧化污泥在常溫下儲(chǔ)存可以大大降低儲(chǔ)存過(guò)程中的能耗。儲(chǔ)存污泥的活化還可以縮短厭氧氨氧化工藝的啟動(dòng)時(shí)間，提高工藝啟動(dòng)的有效性?？紤]到低溫或超低溫貯存的高能耗，本研究在常溫(20℃)下貯存厭氧氨氧化污泥并對(duì)其進(jìn)行活化，以期為厭氧氨氧化工藝的工程應(yīng)用和技術(shù)推廣提供理論依據(jù)。

一.材料和方法

1.1污泥儲(chǔ)存方法

厭氧氨氧化污泥取自已經(jīng)運(yùn)行9個(gè)月的厭氧氨氧化固定床反應(yīng)器(FBR)。用蒸餾水沖洗厭氧氨氧化污泥，沉淀后撇去上清液，重復(fù)操作3次。然后，將700mL污泥轉(zhuǎn)移到填充有蜂窩狀填料的2L罐中，厭氧氨氧化污泥通過(guò)填料分散以降低污泥堆積密度。填充率(體積比)為50%。廣口瓶通入氮?dú)?5分鐘，去除溶解氧，用膠塞密封，保證厭氧環(huán)境，置于恒溫控制室。厭氧氨氧化污泥在室溫(20℃)下避光貯存一個(gè)月，貯存期間不添加營(yíng)養(yǎng)液。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

厭氧氨氧化被連續(xù)流FBR激活，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

厭氧氨氧化反應(yīng)器為圓柱形，由有機(jī)鋼化玻璃制成，有效容積為2.6L，有水浴夾層。恒溫水箱中的熱水通過(guò)水浴夾層循環(huán)，使反應(yīng)器溫度保持在35℃。進(jìn)料容器與反應(yīng)器密封在一起，以保持厭氧條件。反應(yīng)器用黑布包裹，保護(hù)厭氧氨氧化菌生長(zhǎng)不受光線(xiàn)干擾。

將罐中的厭氧氨氧化貯存污泥與蜂窩狀聚乙烯填料一起加入反應(yīng)器中。該填料的平均密度為1100克/升，近似圓柱形，內(nèi)徑為25毫米，高為12毫米，由中心向外呈三層圓形，周邊呈鋸齒狀，內(nèi)部有19個(gè)相似的孔結(jié)構(gòu)。它具有高的比表面積，并且在每單位體積的填料表面上具有高的微生物粘附性。同時(shí)，其多孔結(jié)構(gòu)也有利于厭氧氨氧化產(chǎn)生的氮?dú)獾呐懦?。生長(zhǎng)在附著填料表面的厭氧氨氧化細(xì)菌以生物膜的形式存在，產(chǎn)氣的沖刷過(guò)程可以避免生物膜生長(zhǎng)過(guò)厚，有利于底物傳質(zhì)，使微生物處于高活性生長(zhǎng)階段。

根據(jù)厭氧氨氧化培養(yǎng)基配制模擬廢水，主要成分為(NH4)2SO4和NaNO2，其余成分按表1和表2配比。定期更換模擬廢水，避免因生物活動(dòng)或其他因素改變配水成分。在污泥貯存活化模式下，反應(yīng)器溫度控制在32℃，pH保持在7.8~8.0，DO控制在0.05mg/L以下，模擬廢水中NH4+-N和NO2-N的初始質(zhì)量濃度為50mg/L，水力停留時(shí)間為1 d，根據(jù)反應(yīng)器的反硝化性能，將進(jìn)水NH4+-N和NO2-N逐步提高到200mg/L，從而逐步提高貯存污泥的厭氧氨氧化活性。

1.3分析方法

采用實(shí)時(shí)定量聚合酶鏈反應(yīng)(RT-PCR)技術(shù)測(cè)定厭氧氨氧化污泥中細(xì)菌和厭氧氨氧化菌的細(xì)胞密度，并表征厭氧氨氧化貯存污泥中厭氧氨氧化菌的存活情況。RT-PCR采用AnAOB特征引物AMX809FAMX1066R和細(xì)菌通用特征引物Eub341F-Eub534R。根據(jù)A.Dapena-Mora等人的研究，厭氧氨氧化的活性是通過(guò)指令測(cè)試來(lái)確定的。氨氮納氏分光光度法(Spectrum722E可見(jiàn)分光光度計(jì))測(cè)定亞硝酸鹽氮，N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法(Spectrum722E可見(jiàn)分光光度計(jì))測(cè)定硝酸鹽氮，UV-1700紫外分光光度計(jì)測(cè)定硝酸鹽氮。pH和DO分別用便攜式pH測(cè)試儀(德國(guó)SartoriusAG)和Model55溶解氧測(cè)定儀(美國(guó)YSI)測(cè)定。通過(guò)稱(chēng)重法測(cè)量混合溶液中懸浮固體(MLSS)和揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)的質(zhì)量濃度。

二。結(jié)果和分析

2.1污泥儲(chǔ)存前后細(xì)胞數(shù)量的變化

將污泥在室溫(20℃)下儲(chǔ)存一個(gè)月。蜂窩填料用于分散和儲(chǔ)存污泥，可以降低污泥的堆密度，減緩細(xì)胞自溶和自溶過(guò)程對(duì)污泥儲(chǔ)存的不利影響。儲(chǔ)存過(guò)程中，不添加任何營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，只保持溫度平衡。分別在貯存前(貯存第1天)和貯存后(貯存第30天)從厭氧氨氧化污泥中取0.5g樣品，通過(guò)RTPCR測(cè)量污泥樣品的細(xì)菌細(xì)胞密度和厭氧氨氧化細(xì)胞密度。結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，細(xì)菌的細(xì)胞密度從3.635×10 11mL-1下降到3.012×1011mL-1，細(xì)菌總數(shù)沒(méi)有明顯下降。為了減少它們的能量消耗，大多數(shù)細(xì)菌都處于休眠狀態(tài)以生存。然而，ANAOB細(xì)胞的密度從2.338×10 11mL-1下降到1.223×10 11mL-1，ANAOB細(xì)胞的數(shù)量減少了近1/2，AnAOB細(xì)胞占細(xì)菌總數(shù)的比例從64.32%下降到40.60%，這可能是由于部分AnAOB細(xì)胞的自溶作用。但仍保留了相當(dāng)一部分AnAOB，存放污泥黑臭現(xiàn)象不明顯。結(jié)果表明，在貯存過(guò)程中，蜂窩狀填料分散了厭氧氨氧化污泥，降低了污泥的堆密度，在一定程度上減緩了自溶過(guò)程，自溶僅影響部分污泥，對(duì)整體污泥影響不大。AnAOB占貯存污泥中細(xì)菌總數(shù)的40.60%，雖有所下降，但仍高于普通活性污泥。貯存污泥中土著AnAOB含量高，有利于A(yíng)nammox貯存污泥的活化和Anammox工藝的啟動(dòng)。

2.2厭氧氨氧化貯存污泥的活化

厭氧氨氧化污泥在室溫(20℃)下儲(chǔ)存一個(gè)月，然后作為接種污泥的啟動(dòng)劑進(jìn)行活化。試驗(yàn)分為兩個(gè)階段:啟動(dòng)階段和負(fù)荷增加階段，以進(jìn)水NH4+-N和NO2 - N N的濃度來(lái)區(qū)分，前15天為啟動(dòng)階段。貯存的污泥用恒定的低濃度底物(NH4+-N和NO2-N均為50mg/L)活化，出水NH4+-N和NO2-N逐漸降低，并產(chǎn)生NO3--N，表明厭氧氨氧化成功啟動(dòng)的第16 ~ 55天為負(fù)荷增加階段，開(kāi)始提高進(jìn)水濃度，增加濃度梯度。該階段貯存污泥活化過(guò)程中氮的變化見(jiàn)圖2。

啟動(dòng)階段

在活化過(guò)程中，初始進(jìn)水NH4+-N和NO2-N恒定為50mg/L，水力停留時(shí)間為1d，溫度控制在35℃，反應(yīng)器pH保持在7.8~8。厭氧氨氧化工藝在運(yùn)行15天后成功啟動(dòng)，隨后厭氧氨氧化細(xì)菌活性持續(xù)上升。

吳凱采用普通污泥啟動(dòng)厭氧氨氧化工藝，經(jīng)過(guò)122天穩(wěn)定運(yùn)行。NH4+-N和NO2-N的平均去除率分別為86.67%和91.65%。金仁存等以反硝化污泥為接種污泥啟動(dòng)厭氧氨氧化固定床反應(yīng)器，86天后成功啟動(dòng)?？梢钥闯觯A存污泥作為接種污泥大大縮短了反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間，這是由于貯存污泥中含有一定量的厭氧氨氧化菌，避免了污泥轉(zhuǎn)化和活性滯后期，加速了啟動(dòng)過(guò)程。

啟動(dòng)階段NH4+-N、NO2-N和總氮隨時(shí)間的變化如圖3所示。

從圖3(a)中可以看出，NH4+-N的去除率從18.73mg/(L.d)提高到40.68mg/(L.d)，NO2-n的去除率從39.62mg/(L.d)提高到49.67mg/(L.d)從圖3(b)可以看出，進(jìn)水總氮負(fù)荷保持在100mg/(L.d)，總氮去除率和去除率的變化趨勢(shì)相似，第5天略有波動(dòng)，可能是由于初始階段厭氧氨氧化活性不穩(wěn)定，但總體上呈上升趨勢(shì)。總氮去除率從最初的58.32 mg/(L.D .)提高到83.37 mg/(L.D .)，總氮去除率從58.32%提高到83.37%。

G/(L.D .)，總氮去除率從58.32%提高到83.37%。亞硝酸鹽消耗(NO2-n)與氨氮消耗(NH4+-N)之比(R1)和硝酸鹽生成(NO3--N)與氨氮消耗(NH4+-N)之比(R2)隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖4。

A.A.vandeGraff等人得出R1和R2的理論值分別為1.32和0.26。從圖4可以看出，實(shí)際R1從2.12逐漸變?yōu)?.22，第9天達(dá)到1.33，與理論值1.32非常接近。但隨著生物活性的逐漸恢復(fù)，當(dāng)活性完全恢復(fù)時(shí)，其比值為1.22，略低于理論值，近似接近。I.Tsushima等人發(fā)現(xiàn)為0.8~0.7時(shí)反應(yīng)器的去除效率較高，而R.C.Jin等人認(rèn)為為1.2時(shí)處理效果較好。其他學(xué)者也發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)比值在不同條件下從1.32波動(dòng)到1.32，大多不等于1.32。從圖4中還可以看出，R2從0緩慢上升到大約0.17，這也低于理論值。R1和R2低于理論值，這可能與反應(yīng)裝置的類(lèi)型、不同的環(huán)境條件以及反應(yīng)裝置中細(xì)菌的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)有關(guān)。

2.2.2負(fù)荷增加階段

在負(fù)荷增加階段，進(jìn)水NH4+-N和NO2-N從50mg/L逐漸增加，70、100和150mg/L后最終增加到200mg/L，該階段NH4+-N、NO2-N和總氮隨時(shí)間的變化如圖5所示。

從圖5(a)可以看出，在負(fù)荷提升階段，NH4+-N的去除率在小范圍內(nèi)波動(dòng)。每次進(jìn)水濃度變化，其去除效果都比同期差，然后逐漸恢復(fù)，最后趨于穩(wěn)定，去除率穩(wěn)定在83%左右。NO2-N的去除率相似，在小范圍內(nèi)波動(dòng)。但與前者相比，NO2-N波動(dòng)較小，穩(wěn)定時(shí)去除率可達(dá)99.99%。NH4+-N和NO2-N的平均去除率分別為121.97和145.47mg/(l·d)，平均去除率分別為82.17%和98.36%。在圖5(b)中，總氮去除率隨著總氮負(fù)荷的逐步增加而呈階梯狀變化，去除率較大，為341.43mg/(L.d)，總氮去除率上下波動(dòng)，但總體變化不顯著，平均為83.90%。

負(fù)荷R1和R2隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖6。

從圖6中可以看出，負(fù)載增加階段R1有輕微波動(dòng)，較大值和較小值分別為1.35和1.13，平均值為1.21，大致等于激活階段的比值。在本實(shí)驗(yàn)條件下，厭氧氨氧化反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量比R1約為1.21，與理論值非常接近，但仍有一定差異。在進(jìn)水從50mg/L增加到70mg/L的初期，R2呈下降趨勢(shì)，第21天出現(xiàn)0.07的小值。隨著污泥活性的恢復(fù)，R2趨于穩(wěn)定，平均值約為0.16，低于理論值0.26。R1和R2的實(shí)際值與理論值存在差異，可能是由于反應(yīng)器中以AnAOB為優(yōu)勢(shì)菌株，少量以NO3-N為電子受體的反硝化菌協(xié)同脫氮，除了反應(yīng)裝置的類(lèi)型和環(huán)境條件外。

有學(xué)者認(rèn)為，在污泥儲(chǔ)存過(guò)程中加入培養(yǎng)基，會(huì)使儲(chǔ)存后的活化效果更好。室溫(25℃)下，在吳凱儲(chǔ)存30d，活化15d，NH4+-N和NO2-N的去除率分別為76.7%和95.8%。在本研究中，常溫(20℃)下貯存的厭氧氨氧化污泥在無(wú)營(yíng)養(yǎng)液條件下活化15d，NH4+-N和NO2-N的去除率分別可達(dá)81.36%和99.34%。無(wú)條件培養(yǎng)基在室溫下短期保存影響不大，保存后激活效果可能更好。間歇添加營(yíng)養(yǎng)液或緩沖液可能會(huì)對(duì)儲(chǔ)存過(guò)程產(chǎn)生不利影響。

厭氧氨氧化污泥無(wú)基質(zhì)貯存時(shí)，應(yīng)考慮溫度的影響。高溫保存時(shí)，厭氧氨氧化菌活性更高，代謝更快，導(dǎo)致生物量迅速下降，增加了回收難度。而且恢復(fù)后的活性不容易達(dá)到保存前的水平，即使短時(shí)間保存也很難恢復(fù)。過(guò)低的溫度可能會(huì)造成細(xì)胞的不可逆凍傷或破裂，還會(huì)使污泥儲(chǔ)存后的細(xì)胞活性難以恢復(fù)。但在合適的溫度下短期貯存可以減緩厭氧氨氧化菌的衰減，有利于貯存后厭氧氨氧化污泥活性的恢復(fù)。進(jìn)行了間歇實(shí)驗(yàn)來(lái)研究貯存污泥的活化。發(fā)現(xiàn)-20℃冷凍45天的厭氧氨氧化污泥仍呈鮮紅色，但對(duì)NH4+-N無(wú)去除作用，其出水呈淺紅色。這表明在太低的溫度下冷凍儲(chǔ)存將導(dǎo)致厭氧氨氧化細(xì)菌的一些細(xì)胞破裂，細(xì)胞色素將進(jìn)入流出物并失去活性。考察了常溫、中溫、低溫存放一個(gè)月的厭氧氨氧化污泥的活性，發(fā)現(xiàn)常溫存放的污泥總氮去除率較高。這表明常溫條件可能更有利于厭氧氨氧化污泥短期貯存一個(gè)月。本研究表明，常溫(20℃)無(wú)底物短時(shí)間(1個(gè)月)貯存能有效保留相當(dāng)數(shù)量的AnAOB，避免了低溫貯存的污泥難以活化的問(wèn)題，且常溫貯存的能耗較低溫貯存大大降低。因此，常溫?zé)o底物短時(shí)間貯存的厭氧氨氧化污泥可以作為厭氧氨氧化菌的來(lái)源，可以快速啟動(dòng)厭氧氨氧化工藝。

三。結(jié)論

(1)厭氧氨氧化污泥在室溫(20℃)下儲(chǔ)存在裝有蜂窩填料的廣口瓶中一個(gè)月。在儲(chǔ)存期間，不添加任何外部營(yíng)養(yǎng)物。細(xì)菌密度從3.635×10 11mL-1下降到3.012×10 11mL-1，嗜酸性粒細(xì)胞密度從2.338×10 11mL-1下降到1.223× 11 ml-1。貯存前后細(xì)菌總數(shù)下降不多，而厭氧氨氧化菌數(shù)量下降了近一半，但厭氧氨氧化菌仍占細(xì)菌總數(shù)的40.60%。

(2)在FBR用貯存一個(gè)月的厭氧氨氧化污泥作為接種污泥來(lái)活化厭氧氨氧化反應(yīng)，可以縮短厭氧氨氧化的啟動(dòng)時(shí)間。與普通活性污泥啟動(dòng)的厭氧氨氧化相比，沒(méi)有停滯期，啟動(dòng)時(shí)間明顯縮短。接種的厭氧氨氧化污泥可以實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化工藝的快速啟動(dòng)。

(3)經(jīng)過(guò)15天的活化，進(jìn)水NH4+-N和NO2-N的去除率分別達(dá)到81.36%和99.34%，表明厭氧氨氧化啟動(dòng)成功。然后，通過(guò)增加進(jìn)水NH4+-N和NO2-N，使進(jìn)水NH4+-N和NO2-N在第55天達(dá)到200mg/L，去除率分別達(dá)到83.52%和99.99%?；瘜W(xué)計(jì)量比R1和R2的平均值分別為1.21和0.16。厭氧氨氧化菌是反應(yīng)器中的優(yōu)勢(shì)菌種，少量反硝化細(xì)菌的存在有助于總氮的去除。(來(lái)源:河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院:中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院)

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