常溫條件下OLAND工藝啟動研究

張 沙，汪 濤，劉鵬霄，黃 超，彭 蕊

（1.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津300401；2.北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京100076）

常溫條件下OLAND工藝啟動研究

張 沙1，汪 濤1，劉鵬霄2，黃 超1，彭 蕊1

（1.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津300401；2.北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京100076）

探討了常溫下在固定床生物膜反應(yīng)器中接種普通活性污泥、用人工模擬廢水啟動OLAND工藝的方法。實驗溫度控制在23~26℃，水力停留時間為2 d，初始進水NH4+-N為50 mg/L。結(jié)果表明，31 d首次出現(xiàn)總氮去除；第45天進水NH4+-N提升至60 mg/L，總氮和NH4+-N去除率分別達到89.54%、95.45%。第65天進水NH4+-N達到100 mg/L，總氮和NH4+-N去除率分別為77.64%、87.17%，總氮去除速率達到最大值38.82 g/（m3·d），標志著OLAND工藝成功啟動。該技術(shù)可滿足城市生活污水的除氮需求。

OLAND工藝；常溫；啟動；亞硝酸累積；厭氧氨氧化

限氧自養(yǎng)硝化反硝化（OLAND工藝）是基于亞硝酸型硝化和厭氧氨氧化脫氮技術(shù)而開發(fā)的生物脫氮新工藝，由比利時Ghent大學(xué)微生物生態(tài)實驗室開發(fā)〔1〕。該工藝包括2個過程：限氧條件（0.1~0.3 mg/L）下，將廢水中的NH4+氧化成NO2-；在厭氧條件下，剩余等物質(zhì)的量的NH4+與生成的NO2-發(fā)生Anammox反應(yīng)，實現(xiàn)NH4+的脫除。該工藝的關(guān)鍵是控制水中的溶解氧（DO），將部分NH4+氧化成NO2-，實現(xiàn)亞硝化階段的穩(wěn)定出水比例〔n（NH4+）∶n（NO2-）= 1∶（1.2±0.2）〕，從而為后期的Anammox工藝提供理想進水，提高系統(tǒng)的脫氮效能。

限氧亞硝化-厭氧氨氧化工藝屬于Anammox工藝的一種，與傳統(tǒng)生物脫氮工藝比較，其電子供體來源于NH4+-N氧化的NO2--N，節(jié)省100%的電子供體投加量，且對低碳氮比、高氨氮廢水有很大的應(yīng)用前景。N.Bernet等〔2〕在生物膜反應(yīng)器中，0.5 mg/L以下DO條件下得到90%的亞硝酸累積率，但通過控制DO很難將硝化完全控制在亞硝化階段，通常出水中都有少量NO3--N〔3〕。趙志瑞等〔4〕在對比短程硝化處理高氨氮廢水與城市生活污水中的菌群差異時發(fā)現(xiàn)，對于常溫低氨氮城市生活污水，較難啟動并維持穩(wěn)定的亞硝化；且對第二階段的Anammox反應(yīng)，其生物量生長極其緩慢，Anammox菌在SBR中的最大生長速度僅為0.002 7 h-1〔5〕，導(dǎo)致OLAND工藝過長的啟動周期；另一方面，OLAND工藝的小試啟動大多采用30~40℃下膜生物反應(yīng)器（MBR）與序批式反應(yīng)器（SBR）相結(jié)合的方式，工序復(fù)雜，在長期運行過程中維持溫度一定程度上增加了能耗。Tao Wang等〔6〕在固定床反應(yīng)器（FBR）中探究Anammox生物膜的低DO適應(yīng)性，進水DO以2 mg/L的增幅增至8 mg/L，平均NLR與NRR僅降低7.08%、4.39%，并證明該反應(yīng)器填料形成的生物膜中Anammox菌可以和AOB共存。在一定條件下，F(xiàn)BR可以提供OLAND所需菌種。

筆者提出了一種采用連續(xù)流FBR在常溫低基質(zhì)條件下啟動OLAND工藝的方法。該裝置在室溫（23~26℃）下運行，無需熱水循環(huán)系統(tǒng)來維持溫度，大大節(jié)省了能耗。該方法屬于自養(yǎng)生物脫氮技術(shù)，在低氨氮、低COD廢水處理方面有廣泛的應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置及運行條件

實驗在FBR中進行，反應(yīng)器由有機玻璃制成，有效容積約為2.6 L，高徑比約為2.5∶1，如圖1所示。

圖1 實驗裝置

反應(yīng)器內(nèi)填充蜂窩狀改性聚乙烯填料，充當菌群附著的載體，截留功能菌；反應(yīng)器表面用黑布包裹，避免藻類增殖及光照對Anammox菌的負面影響〔7〕。反應(yīng)器進水為人工模擬廢水，由蠕動泵連續(xù)泵入反應(yīng)器底部，自下而上流過反應(yīng)器，利于功能菌與基質(zhì)的傳質(zhì)以及氮氣的釋放〔8〕。反應(yīng)器溶解氧控制在0.5~1.0 mg/L。反應(yīng)器置于室溫環(huán)境中，無需溫度控制，反應(yīng)溫度在23~26℃波動。

1.2 反應(yīng)器接種污泥和廢水組成

接種污泥為天津勝科污水處理廠曝氣池的好氧活性污泥。該污泥MLSS、MLVSS、MLVSS/MLSS分別為2 633、2 198 mg/L和83.48%。FBR反應(yīng)器中接種2 L污泥。根據(jù)L.Kuai等〔1〕報道的OLAND培養(yǎng)基成分配制模擬廢水，主要成分除（NH4）2SO4外，還包含磷源KH2PO4（3 g/L）、碳源KHCO3（0.3 g/L）及微量元素液（2mL/L），其中微量元素液的組成為：EDTA5g/L，ZnSO4·7H2O 2.2 g/L，CoCl2·6H2O 1.6 g/L，MnCl2·4H2O 5.1 g/L，CuSO4·5H2O 1.6 g/L，（NH4）6Mo7O24·4H2O 1.1 g/L，CaCl2·2H2O 5.5 g/L，F(xiàn)eSO4·7H2O 5 g/L。

FBR反應(yīng)器采用連續(xù)進水方式：模擬廢水由蠕動泵從反應(yīng)器底部的進水口進入，再通過反應(yīng)器頂部附近的出水口自然溢流出水。進水NH4+-N濃度根據(jù)反應(yīng)器的脫氮性能進行配置。反應(yīng)器的HRT始終穩(wěn)定在2 d，通過增加進水（NH4）2SO4含量來逐步提高總氮負荷。經(jīng)67 d運行，反應(yīng)器進水NH4+-N由最初的50 mg/L逐漸提升至100 mg/L。實驗中，OLAND工藝的啟動過程可分為4個階段，即細胞自溶期、停滯期、活性表現(xiàn)期和活性提高期。在細胞自溶期（1~17 d）、停滯期（17~29 d）和活性表現(xiàn)期（29~ 41 d），進水NH4+-N為50 mg/L。而在活性提高期（41~67 d），NH4+-N逐步由60 mg/L提高至100 mg/L。運行過程中，每2 d更新一次進水箱中的廢水，以減少藻類和雜菌生長對配水成分的影響。

1.3 測定方法

為檢測OLAND工藝啟動過程中FBR反應(yīng)器的運行性能，每2 d取樣一次，檢測進出水水質(zhì)。測定參數(shù)主要包括氨氮、亞硝酸氮、硝酸氮、pH和溫度等。檢測方法分別為〔9〕：NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測定；NO2--N采用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法測定；NO3--N采用酚二磺酸光度法測定；pH采用便攜式pH計筆式酸度計測定（可同時測pH與溫度）。

2 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)反應(yīng)器的運行性能、NH4+-N及總氮（TN）的去除情況，OLAND工藝的啟動過程可分為細胞自溶期、停滯期、活性表現(xiàn)期和活性提高期。

2.1 細胞自溶期（1~17 d）

在細胞自溶期，F(xiàn)BR的運行性能如圖2所示。在該階段進水基質(zhì)濃度（僅有NH4+-N）和HRT保持不變，分別控制在50 mg/L和2 d。內(nèi)源性反硝化是FBR反應(yīng)器中的主要反應(yīng)。圖2中出水NH4+-N呈上升趨勢，甚至高于進水濃度，并在反應(yīng)器運行至第13天時出水質(zhì)量濃度達到最大值58.85 mg/L。朱清江等〔10〕和Chongjian Tang等〔11〕在多孔板厭氧反應(yīng)器和上流式厭氧污泥床反應(yīng)器中分別接種活性污泥和厭氧顆粒污泥啟動Anammox工藝，均在細胞裂解期觀察到進水NH4+-N低于出水的現(xiàn)象。NH4+-N的釋放源于微生物的內(nèi)源呼吸和部分菌體的自溶。同時，菌體自溶釋放的有機質(zhì)與接種污泥中的有機質(zhì)同時為反硝化提供電子供體〔12〕。出水NO2--N和NO3--N持續(xù)下降，從第1天的32.30、2.67 mg/L降到第17天的0.00、0.07 mg/L，這是反硝化在FBR中占主導(dǎo)地位的標志。反硝化釋放的OH-增加了反應(yīng)器的堿量，使出水pH高于進水。

圖2 細胞自溶期FBR內(nèi)各氮素、溫度和pH的變化

2.2 停滯期（17~29 d）

OLAND工藝啟動停滯期FBR內(nèi)各氮素、溫度和pH的變化如圖3所示。

圖3 停滯期反應(yīng)器內(nèi)各氮素、溫度和pH的變化

由圖3可以看出，停滯期的明顯特征是出水NH4+-N低于進水，但NO2--N的累積率大于NH4+-N的去除率，TN去除率為負值，反應(yīng)器沒有除氮能力。進出水的pH幾乎無差量，在7.14~7.81之間波動，較細胞自溶期的ΔpH（ΔpH=｜pH進水-pH出水｜）有所下降，因此階段主要發(fā)生亞硝化反應(yīng)，存在質(zhì)子的產(chǎn)生和累計。隨著有機質(zhì)的耗盡，反硝化細菌競爭有限的電子供體，反硝化作用減弱，促進了NO2--N的累積；隨進水而泵入反應(yīng)器的低DO對亞硝酸氧化菌（NOB）和氨氧化菌（AOB）有抑制作用，而AOB較NOB更易得氧離子，亞硝化作用強于硝化作用，實現(xiàn)NH4+-N的去除和NO2--N的累積。NO2--N的出水質(zhì)量濃度由第19天的2.92 mg/L逐漸升至第29天的23.48 mg/L，而出水NH4+-N由第19天的47.30 mg/L逐漸降至第27天26.00 mg/L，實現(xiàn)了NO2--N的累積和NH4+-N的去除。曾濤濤〔13〕在序批式生物膜反應(yīng)器中逐步降基質(zhì)濃度（NH4+-N由200 mg/L逐漸降至80 mg/L），歷經(jīng)22 d成功實現(xiàn)常溫低基質(zhì)亞硝化的啟動。雖然本研究啟動所需時間略長，但實現(xiàn)了在常溫低基質(zhì)濃度下積累NO2--N，并能使NH4+-N和NO2--N在反應(yīng)器中共存，為后續(xù)的OLAND活性表現(xiàn)提供基本條件。

2.3 活性表現(xiàn)期（29~41 d）

TN去除率>0，逐漸表現(xiàn)出除氮性能是該階段的主要特征。在第31天，首次觀察到反應(yīng)器中總氮的去除（見圖4），標志著Anammox活性的出現(xiàn)。而Zhen Bi等〔14〕在上流式復(fù)合反應(yīng)器中接種Anammox污泥，恒溫（35±1）℃條件下運行至26 d首次觀察到Anammox活性。其首次觀察到Anammox活性的時間略早于本實驗。但本實驗采用接種污泥為普通好氧活性污泥，運行溫度為室溫，因此更有利于OLAND這種新型廢水生物脫氮工藝的工程化應(yīng)用。隨著接種污泥中有機質(zhì)的耗盡，反硝化細菌所占比例逐漸下降，而在DO為0.5~1.0 mg/L條件下AOB逐漸成為優(yōu)勢菌群，同時Anammox活性出現(xiàn)，Anammox菌也得到逐步積累。因此，出水NH4+-N和NO2--N均呈下降趨勢。該時期結(jié)束時TN去除速率達20.68 g/（m3·d），TN去除率達82.71%，反應(yīng)器逐漸表現(xiàn)出除氮性能。如圖4所示，進水基質(zhì)濃度不變，反應(yīng)器所處溫度有小幅波動，反應(yīng)器中有少量NO3--N累積，主要是Anammox反應(yīng)生成NO3--N所致。

圖4 活性表現(xiàn)期反應(yīng)器內(nèi)各氮素、溫度和pH的變化

2.4 活性提高期（41~67 d）

OLAND活性提高期FBR的脫氮性能和pH變化情況見圖5。

圖5 活性提高期反應(yīng)器內(nèi)各氮素、溫度和去除率的變化

為了適應(yīng)反應(yīng)器脫氮性能的不斷提高，進水基質(zhì)NH4+-N由60 mg/L逐漸提高至100 mg/L，出水NH4+-N控制在30 mg/L內(nèi)，該階段NH4+-N平均去除率達84.50%。而TN和NH4+-N的去除率在45 d達到最大值，分別為89.54%、95.45%。TN去除速率在第65天達到最大值38.82 g/（m3·d）。當進水NH4+-N提升至100 mg/L時，NH4+-N和TN平均去除率略有下降，但仍然可以達到82.93%、70.00%。

由圖5可知，NH4+-N去除率總是大于TN去除率。一方面，NH4+-N和NO2--N在DO存在下部分硝化成NO3--N；另一方面，Anammox反應(yīng)可生成少量的NO3--N。因而反應(yīng)體系中產(chǎn)生的NO3--N在一定程度上影響了TN去除率。

在活性提高期，NH4+-N和TN去除率小幅波動，平均去除率分別達84.50%、73.61%，TN平均去除速率達30.63 g/（m3·d）?；钚员憩F(xiàn)期和活性提高期出水pH均低于進水pH，歸咎于OLAND工藝即亞硝化與Anammox耦合過程會產(chǎn)生少量H+。較高的TN去除率和去除速率以及出水pH低于進水pH，表明該FBR反應(yīng)器成功啟動了OLAND工藝。與文獻〔13〕相比，本研究直接在常溫低基質(zhì)條件下啟動OLAND工藝，同樣實現(xiàn)常溫下低濃度氨氮去除，過程更加簡潔。

根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)氮素的質(zhì)量守恒，人工模擬廢水中的基質(zhì)NH4+-N、接種污泥中的有機氮和菌體自溶釋放的NH4+-N與出水中的總無機氮（TIN）及逸出反應(yīng)器的N2保持動態(tài)平衡。進出水TIN的差值即是反應(yīng)器效能的標志。圖6為OLAND啟動過程FBR的TIN去除量變化情況。

圖6 OLAND工藝啟動過程反應(yīng)器無機氮去除量隨時間變化情況

在1~30 d，進水基質(zhì)濃度不變，ΔTIN（TIN進水-TIN出水）波動不大，接種污泥中的有機氮和菌體自溶釋放的NH4+-N與反硝化生成的氮氣保持平衡；在31~67 d，有機氮含量極低可忽略不計，而進水基質(zhì)濃度逐漸提高，ΔTIN≥0，表明OLAND反應(yīng)占主導(dǎo)地位，隨著反應(yīng)器中接種污泥有機質(zhì)的耗盡和菌體自溶的結(jié)束，反應(yīng)器的除氮能力不斷提高，反硝化細菌逐漸消亡，在限氧條件下AOB逐漸成為優(yōu)勢菌群，實現(xiàn)NO2--N的積累，為隨后的Aanmmox反應(yīng)提供基質(zhì)。

在OLAND活性表現(xiàn)期和活性提高期，TN平均去除率分別為34.52%、73.61%，TN去除率均方差分別為27.30%、10.44%?；钚蕴岣咂诘腡N平均去除率遠高于活性表現(xiàn)期，且TN去除率均方差顯著下降，表明反應(yīng)器的脫氮性能和運行穩(wěn)定性都得到增強。進水NH4+-N為60 mg/L時，NH4+-N與TN去除率分別達最大值95.45%、89.54%。隨著進水NH4+-N的提高，兩者均有所下降，但仍維持較好的去除效果。當進水NH4+-N提至100 mg/L時，NH4+-N和TN平均去除率仍可達到82.93%、70.00%。生活污水是城市污水的主要組成部分，典型的生活污水中TN高質(zhì)量濃度為85 mg/L，中常質(zhì)量濃度為40 mg/L〔15〕，因此該反應(yīng)器可滿足城市污水的除氮需求。

3 結(jié)論

（1）在FBR中接種普通活性污泥，采用人工模擬廢水，在pH為6.68~8.28、溫度為23~26℃、HRT為2 d的條件下，經(jīng)65 d成功啟動OLAND工藝。

（2）在進水NH4+-N為50 mg/L條件下，運行至31 d首次觀察到Anammox活性。

（3）第45天進水基質(zhì)質(zhì)量濃度為60 mg/L時，TN和NH4+-N去除率達到最大值，分別為89.54%、95.45%；總氮去除速率在第65天（基質(zhì)質(zhì)量濃度為100 mg/L）達最大值38.82 g/（m3·d），標志著OLAND工藝的成功啟動。

（4）穩(wěn)定運行的OLAND工藝可滿足城市生活污水除氮需求。

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過濾池的運行周期縮短應(yīng)如何處理？

過濾池的運行周期縮短，將會減少過濾池的出力，并可能造成過濾池的水流短路而使水質(zhì)變壞，致使軟化或除鹽水用離子交換樹脂受到污染。因此，要及時進行檢査和處理。首先應(yīng)檢查上道工序澄清池的處理效果是否良好，澄清池的加藥量和出水濁度控制是否良好，然后檢査過濾池工況是否正常，并應(yīng)適當加大反沖洗速度進行清洗處理，如反沖洗速度可調(diào)至12~15 L/（s·m2）。其中，活性炭過濾器的反洗速度可以是12 L/（s·m2）；砂過濾器為15 L/（s·m2）。為了改善反洗效果，可以在濾池的底部通入壓縮空氣進行攪拌擦洗，使沉積于過濾砂中的污泥清洗干凈，以提高過濾效果和運行周期。

（摘自《工業(yè)水處理技術(shù)問答及常用數(shù)據(jù)》）

Study on the start-up of OLAND process at room temperature

Zhang Sha1，Wang Tao1，Liu Pengxiao2，Huang Chao1，Peng Rui1
（1.School of Energy and Environmental Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China；2.Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology，Beijing 100076，China）

The method for the start-up of OLAND process with simulated sewage，by inoculating ordinary activated sludge in a fixed bed biofilm reactor at room temperature，is discussed.The temperature should be controlled in the range of 23-26℃，hydraulic retention time is 2 d，and initial concentration of influent NH4+-N 50 mg/L.The results demonstrate that on the 31st day the removal of total nitrogen occurs the first time，and on the 45th day the concentration of influent NH4+-N is increased to 60 mg/L.The removing rates of TN and NH4+-N could reach 89.54%and 95.45%respectively.On the 65th day，as the concentration of the influent NH4+-N reaches 100 mg/L，the removing rates of TN and NH4+-N are 77.64%and 87.17%respectively，and the max total nitrogen removing rate reaches 38.82 g/（m3·d），indicating that OLAND process has successfully been started up.The technology can meet the denitrification requirements for city domestic sewage

OLAND process；room temperature；start-up；nitrite accumulation；anammox

X703

A

1005-829X（2016）12-0077-05

張沙（1989—），碩士研究生。電話：18522727316，E-mail：chizhiyiheng023@163.com。通訊作者：汪濤，博士，講師。電話：18722406773，E-mail：wangtao82@hebut. edu.cn。

2016-09-26（修改稿）

國家自然科學(xué)基金項目（31400432）；河北省自然科學(xué)基金項目（E2014202225）；天津市優(yōu)秀科技特派員項目（15JCTPJC60500）；天津市高等學(xué)校科技發(fā)展基金計劃項目（20140418）