- 文献综述（或调研报告）：
厌氧氨氧化反应器快速启动的研究进展
摘要：厌氧氨氧化反应器的快速启动是厌氧氨氧化技术应用的关键，因此明确启动过程中的影响因素并确定最适运行方案对于厌氧氨氧化技术具有重要的意义。本文系统总结了影响厌氧氨氧化反应器启动的三个主要因素：反应器类型，种泥类型和运行条件。研究证明，不同的反应器形式（序批式反应器（SBR）、气升式反应器（Gas-lift reactor）、升流式厌氧污泥床（UASB）和膜生物反应器（MBR）等）、不同的种泥类型（浮霉状菌、硝化细菌、反硝化细菌等）和不同的运行条件（温度、pH、溶解氧、操作方式等）都会影响装置的启动时间和生物活性。本文通过比较和详细的分析，提出了快速启动厌氧氨氧化反应器的最适方案，为后续该技术的研究和应用提供参考。
关键词：厌氧氨氧化；快速启动；反应器形式；种泥类型；运行条件
引言
厌氧氨氧化过程是以亚硝酸盐为电子受体的氨氮的厌氧氧化[1]。早在1977年，Broda[2]就提出了厌氧氨氧化反应的存在。而直至1990年代初期才在荷兰的一个反硝化流化床中发现了厌氧氨氧化反应（ANAMMOX）[3]。此后，厌氧氨氧化的相关技术发展迅速[4]，并且已经成为一项有相当前景的治理高氮污染的生物处理技术。厌氧氨氧化反应的方程式如公式（1）：
NH4 1.32NO2- 0.066HCO3- 0.13H →1.02N2 0.26NO3- 0.066CH2O0.5N0.15 2.03H2O (1)
相比于传统的硝化反硝化过程，厌氧氨氧化工艺减少了64%的曝气、100%的外源电子供体和80%~90%的污泥产量[5]。因此，厌氧氨氧化工艺被认为是一种可持续的生物脱氮技术。
然而，厌氧氨氧菌（anaerobic ammonium-oxidizing bacteria，AAOB）的生长速度较慢，世代周期通常从2天到17天不等[6]。这使得ANAMMOX反应器的启动相对困难，首个ANAMMOX反应器的全面启动时间长达两年[7]。而大量的实验室乃至水厂规模的研究证明，厌氧氨氧化反应器启动时间的长短与反应器形式、种泥类型和运行条件都有关系[5, 6, 8]。表1总结了厌氧氨氧化反应器启动的相关特性，以期为厌氧氨氧化反应器的快速启动和运行提供更多借鉴和参考。
表1 厌氧氨氧化反应器启动特性
|
反应器类型 |
种泥 |
初始进水浓度NO2-(NH4 ) (mg/L) |
氮的容积负荷 (kg-N/m3/d) |
氮的去除率（%） |
启动时间（d） |
参考文献 |
|
SBR |
ANAMMOX污泥 |
60 |
0.40 |
99.9 |
95 |
[9] |
|
SBR |
硝化颗粒污泥 |
50 |
0.75 |
78 |
200 |
[10] |
|
SBR |
市政污水活性污泥 |
250 |
1.60 |
79.9~99.9 |
78 |
[11] |
|
Gas-lift |
硝化颗粒污泥 |
28(14) |
2.00 |
88 |
158 |
[10] |
|
Gas-lift |
80% ANAMMOX污泥 硝化污泥 |
14 |
8.90 |
93 |
107 |
[12] |
|
UASB |
产甲烷污泥 |
65(68) |
- |
86.5–92.3 |
173 |
[13] |
|
UASB |
硝化污泥 |
70(90) |
0.16 |
97 |
120 |
[14] |
|
UASB |
ANAMMOX污泥 |
100 |
1.00 |
99.3 |
14 |
[15] |
|
UASB |
市政污水活性污泥 |
380(357) |
- |
76 |
98 |
[16] |
|
MBR |
ANAMMOX污泥 |
1680(1680) |
- |
99 |
28 |
[17] |
|
MBR |
市政污水活性污泥 硝化污泥 |
50 |
- |
90 |
50 |
[18] |
注：表中“-”表示未得到该数据
反应器形式
自从厌氧氨氧化技术发展以来，各种不同的水处理反应器都进行了ANAMMOX启动性能的测试，其中包括序批式反应器（SBR）、气升式反应器（Gas-lift reactor）、升流式厌氧污泥床（UASB）和膜生物反应器（MBR）等。
序批式反应器（SBR）
富集AAOB的最大问题在于其世代周期较长，培养时间通常需要数月[19]，而SBR因为具有如下优点而备受研究者青睐：（1）足够的生物滞留量；（2）在反应器内，底物、产物和微生物的均匀分布；（3）可以稳定运行1年以上时间。所以SBR属于较早被用来富集AAOB的反应器，在1998年Strous[20]等就用SBR成功启动了厌氧氨氧化反应，其ANAMMOX活性达到45plusmn;5 nmol NH4 /mg protein/min，远高于此前Mulder[3]等在流化床中富集的AAOB的活性。而SBR启动ANAMMOX的时间一般都长达4个月或更久[21, 22]，同时复杂的数控设备也限制了这一技术的应用。
气升式反应器（Gas-lift reactor）
AAOB对于溶解氧非常敏感，早期研究证明0.04mg/L的DO就可以对AAOB产生抑制作用[5]。为了严格控制反应器中溶解氧的含量同时保证生物滞留量，研究者同样也使用气升式反应器对AAOB进行富集。Sliekers[12]等人用气升式反应器启动ANAMMOX反应的第107天，其氮去除效率就达到了8.9 kg N/(m3·d)，去除率达到93%。A. Dapena-Mora[10]等在气升式反应器成功运行了ANAMMOX反应207天，在氮的容积负荷达到2 kg-N/m3/d时，其总氮去除率达到了88%。而气升式反应器的控制条件相对较多，污泥不易聚集，关于其相应ANAMMOX的运行参数也较少，还有待进一步研究。
升流式厌氧污泥床（UASB）
上流式厌氧污泥床(UASB)反应器是荷兰教授 Lettinga 开发的一种新型高效污水厌氧处理方法，其特点主要体现在反应器对污泥有很好的截留能力，污泥浓度可以达到很高，水力停留时间大大缩短[23]。同时，UASB可以通过调节回流流速调整停留时间及升流速度，及时淘汰不适应的菌种，加快AAOB的富集。唐崇俭[24]等利用UASB成功在80天启动了ANAMMOX，其活性为26.5 nmol-N2/(min·mg-protein)。Li[5]等同样利用UASB在第91天启动了ANAMMOX，其氮去除效率可达到6.2 kg/m3/d。而由于进水参数的调整，UASB装置会不时出现污泥解体被冲出的现象。通过将反应器中被冲刷出的污泥回流可以维持反应器内的微生物总量，有效避免装置性能的大幅下降[5]。
膜生物反应器（MBR）
膜生物反应器是一种利用膜代替传统活性污泥法中重力沉降进行泥水分离的生物废水处理工艺[25]。由于微生物不能通过膜到出水中，所以MBR实现了水力停留时间与污泥停留时间的分离，有利于对世代周期较长的AAOB的富集。同时由于没有对污泥的沉降性进行选择，AAOB能够以单细胞的形式遍布反应器内的各个角落，这样均匀的分布也有利于ANAMMOX的快速启动[17]。Van der Star[17]和Wang[18]均在MBR中完成了ANAMMOX的快速启动，分别耗时28天和50天。而由于运行时间过长而反应器内需要时刻保持厌氧状态，MBR的膜污染及阻塞问题还有待解决[25]。
种泥类型
浮霉状菌
浮霉状菌目(Planctomycetales) 包括浮霉状菌科(Planctomycetaceae) 和厌氧氨氧化菌科(Anammoxaceae), 皆为厌氧化能自养菌并具有厌氧氨氧化功能[24]。对细胞进行超薄切片观察, 可见其细胞内存在分室；经负染观察, 可发现细胞表面均匀分布着火山口状结构[26]。具有厌氧氨氧化活性的浮霉状菌最早发现于流化床反应器中[3], 但迄今未获纯培养。由于浮霉状菌生长缓慢, 实验室培育厌氧氨氧化污泥需花费半年以上时间, 大规模培育所需花费的时间更长, 因此浮霉状菌丰度较高的常规污泥(如厌氧颗粒污泥, 市政污水厂污泥)即成了厌氧氨氧化反应器的大宗接种物[24]。
硝化细菌
亚硝酸菌被认为是典型的好氧自养菌，其生理特征是以氧为电子受体, 把氨氧化为亚硝酸盐, 从中获得能量, 同化二氧化碳合成细胞物质而生长。但近期研究发现, 一些亚硝酸菌除了能够利用氧作为电子受体外, 也能利用亚硝酸盐、NO 、NO2 作为电子受体, 将氨氧化为N2[27, 28]。换言之,这些亚硝酸菌具有厌氧氨氧化能力, 因而可用于厌氧氨氧化工艺的菌种。例如, N.europae含有亚硝酸盐还原酶和氧化亚氮还原酶, 在氧受限制或无氧条件下, 能将亚硝酸盐还原成N2O 和N2。同时，该菌也含有氨单加氧酶和羟胺氧化酶, 在有氧条件下, 能将氨氧化成为亚硝酸盐[27]。
反硝化细菌
反硝化菌种类繁多, 既有自养型细菌, 也有异养型细菌和兼营养型细菌。反硝化菌Pseudomonas mendocina为杆菌, 大小(0.4~0.6) mu;mtimes;(1.4~1.8) mu;m , 单极生鞭毛[29]。试验证明, Ps.mendocin在有机反硝化培养基中，最大硝酸盐氮还原速率是14.96 mg·L-1·d -1；该菌也有厌氧氨氧化活性, 在厌氧条件下, 它能同时转化氨与硝酸盐, 最大硝酸盐氮转化速率6.373 mg·L-1·d-1，最大氨氮转化速率3.344 mg·L-1·d-1，消耗的氨氮和硝酸盐氮之比为1 ∶1.91[29]。
综上，浮霉状菌、硝化细菌和反硝化细菌都可作为接种ANAMMOX反应器的种泥。而研究表明，反硝化污泥和产甲烷颗粒污泥更有可能体现出较高的ANAMMOX活性[5]。同时，也有研究指出，在接种厌氧颗粒污泥的初期阶段会出现出水中氨氮含量高于进水、菌体水解的现象[9]。最适合快速启动ANAMMOX的种泥应该还与选择的反应器类型有所联系，具体还需要进一步的实验探究。而如果已经具有有一定ANAMMOX活性的污泥，以其为种泥是最佳的选择。Ni[15]等将成熟的AAOB接种在UASB反应器中，仅两周便实现了装置的启动，氮的容积负荷达到了1.0 kg-N/m3/d。同时，唐崇俭[30]等的研究表明，接种具有ANAMMOX活性的污泥，可以有效提高有毒物质、有机物和溶解氧对装置内微生物的影响，加快反应器的启动。
运行条件
快速启动ANAMMOX的运行条件主要围绕AAOB的最适生存条件，淘汰不适应菌种，进而富集AAOB。
温度和pH
AAOB的最适温度范围在30~37 ℃，最适pH为6.7~8.3[31]。据目前调研的文献，所有研究者都将温度设定在该温度范围下，同时以各种手段调控反应器内的pH。Wang[9]等通过使用HCl和Na2CO3调控进水的pH以维持装置内的酸碱度，而Ni[15]等则通过使用CO2每天曝气将反应器内的pH调至7.5~8。pH对于ANAMMOX的影响不仅来源于对AAOB的影响，还在于其对有效基质的影响[30]。过高或过低的pH会影响氨态氮和亚硝态氮在水中的电离平衡（见公式（2）和公式（3）），从而造成基质高浓度的抑制或低浓度的匮乏。
NH3 H2Oharr;NH4 OH- （2）
HNO2harr;H NO2- （3）
溶解氧
对于进水溶解氧的控制，研究者们的说法不一。Ni[15]和Wang[9]等认为溶解氧对反应器的影响较为重要，分别采用氩气和氮气对进水进行曝气以除去水中的溶解氧。而在不对进水采取任何脱氧措施的条件下，杨岚[32]、傅金祥[33]、周少奇[34]等，依旧分别在260天、80天、119天的时间内成功启动了ANAMMOX。Li[5]等通过实验认为，是进水管管壁上的微生物消耗了进水中的溶解氧，所以不必对进水采取脱氧措施。
操作方式
过高或者过低的基质（NH4 和NO2-）都不利于AAOB的生长。为选择接种菌群，富集AAOB，氨氮和亚硝态氮负荷的逐步提升是必须的。相比于高浓度低通量（即逐步提升进水底物浓度，保持水力停留时间不变）的方法，低浓度高通量（即逐步提升水力停留时间，保持进水底物浓度不变）能够使反应器的容积去除效率更高[8]，避免基质浓度过高对AAOB的抑制。唐晓雪[35]等采用低浓度高通量的方法，在60天时成功启动了ANAMMOX，系统总氮容积负荷达到5.25 kg-N/m3/d，相应的总氮去除负荷达到了4.08 kg-N/m3/d。
结论
厌氧氨氧化装置启动时间过长是限制其应用的主要原因，本文对影响其快速启动的三个主要因素（反应器形式，种泥类型和运行条件）进行了总结和讨论，并得出以下观点：（1）UASB反应器操作方便，构造简单，可控条件多，且相关研究较为丰富，是作为ANAMMOX的首选装置；（2）在不具有ANAMMOX活性种泥的前提下，各种污泥均可作为接种的种泥，但以反硝化污泥的普适性较高；（3）运行过程中应适当控制反应器内的温度和pH，若无相应条件可不控制DO，提升负荷的方式宜采用低浓度高通量的方法。
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关键词：厌氧氨氧化；快速启动；反应器形式；种泥类型；运行条件
引言
厌氧氨氧化过程是以亚硝酸盐为电子受体的氨氮的厌氧氧化[1]。早在1977年，Broda[2]就提出了厌氧氨氧化反应的存在。而直至1990年代初期才在荷兰的一个反硝化流化床中发现了厌氧氨氧化反应（ANAMMOX）[3]。此后，厌氧氨氧化的相关技术发展迅速[4]，并且已经成为一项有相当前景的治理高氮污染的生物处理技术。厌氧氨氧化反应的方程式如公式（1）：
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相比于传统的硝化反硝化过程，厌氧氨氧化工艺减少了64%的曝气、100%的外源电子供体和80%~90%的污泥产量[5]。因此，厌氧氨氧化工艺被认为是一种可持续的生物脱氮技术。
然而，厌氧氨氧菌（anaerobic ammonium-oxidizing bacteria，AAOB）的生长速度较慢，世代周期通常从2天到17天不等[6]。这使得ANAMMOX反应器的启动相对困难，首个ANAMMOX反应器的全面启动时间长达两年[7]。而大量的实验室乃至水厂规模的研究证明，厌氧氨氧化反应器启动时间的长短与反应器形式、种泥类型和运行条件都有关系[5, 6, 8]。表1总结了厌氧氨氧化反应器启动的相关特性，以期为厌氧氨氧化反应器的快速启动和运行提供更多借鉴和参考。
表1 厌氧氨氧化反应器启动特性
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