厌氧氨氧化污泥的贮存条件

传统的废水生物脱氮工艺可以通过硝化反硝化作用去除废水中的氨氮，但在处理高氨氮或低碳氮比的废水时存在运行成本高、效率低等问题。厌氧氨氧化(Anammox)是指厌氧氨氧化细菌(AnAOB)以水中的氨氮为电子供体，亚硝酸盐氮为电子受体，生成氮气和少量硝酸盐氮的生物反应。与传统反硝化工艺相比，厌氧氨氧化工艺不需要氧气和外加有机碳源，剩余污泥产生量少，运行费用可节省90%。基于厌氧氨氧化的新型废水脱氮工艺受到研究者的广泛关注。然而，AnAOB的生长代谢极其缓慢，世代时间长达11天，对环境的敏感性高，使得Anammox工艺的启动周期冗长。此外，AnAOB缺乏，培养困难，制约了厌氧氨氧化工艺的大规模应用。

研究表明，储存后的活性污泥可以快速启动厌氧氨氧化过程。厌氧氨氧化污泥贮存可以有效地保留厌氧氨氧化菌。接种贮存污泥不仅有助于厌氧氨氧化工艺的快速启动，而且避免了厌氧氨氧化培养的困难。因此，贮存的厌氧氨氧化污泥可以作为厌氧氨氧化工艺菌种的可靠来源之一。

厌氧氨氧化污泥在常温下储存可以大大降低储存过程中的能耗。储存污泥的活化还可以缩短厌氧氨氧化工艺的启动时间，提高工艺启动的有效性。考虑到低温或超低温贮存的高能耗，本研究在常温(20℃)下贮存厌氧氨氧化污泥并对其进行活化，以期为厌氧氨氧化工艺的工程应用和技术推广提供理论依据。

一.材料和方法

1.1污泥储存方法

厌氧氨氧化污泥取自已经运行9个月的厌氧氨氧化固定床反应器(FBR)。用蒸馏水冲洗厌氧氨氧化污泥，沉淀后撇去上清液，重复操作3次。然后，将700mL污泥转移到填充有蜂窝状填料的2L罐中，厌氧氨氧化污泥通过填料分散以降低污泥堆积密度。填充率(体积比)为50%。广口瓶通入氮气15分钟，去除溶解氧，用胶塞密封，保证厌氧环境，置于恒温控制室。厌氧氨氧化污泥在室温(20℃)下避光贮存一个月，贮存期间不添加营养液。

1.2实验方法

厌氧氨氧化被连续流FBR激活，其结构如图1所示。

厌氧氨氧化反应器为圆柱形，由有机钢化玻璃制成，有效容积为2.6L，有水浴夹层。恒温水箱中的热水通过水浴夹层循环，使反应器温度保持在35℃。进料容器与反应器密封在一起，以保持厌氧条件。反应器用黑布包裹，保护厌氧氨氧化菌生长不受光线干扰。

将罐中的厌氧氨氧化贮存污泥与蜂窝状聚乙烯填料一起加入反应器中。该填料的平均密度为1100克/升，近似圆柱形，内径为25毫米，高为12毫米，由中心向外呈三层圆形，周边呈锯齿状，内部有19个相似的孔结构。它具有高的比表面积，并且在每单位体积的填料表面上具有高的微生物粘附性。同时，其多孔结构也有利于厌氧氨氧化产生的氮气的排出。生长在附着填料表面的厌氧氨氧化细菌以生物膜的形式存在，产气的冲刷过程可以避免生物膜生长过厚，有利于底物传质，使微生物处于高活性生长阶段。

根据厌氧氨氧化培养基配制模拟废水，主要成分为(NH4)2SO4和NaNO2，其余成分按表1和表2配比。定期更换模拟废水，避免因生物活动或其他因素改变配水成分。在污泥贮存活化模式下，反应器温度控制在32℃，pH保持在7.8~8.0，DO控制在0.05mg/L以下，模拟废水中NH4+-N和NO2-N的初始质量浓度为50mg/L，水力停留时间为1 d，根据反应器的反硝化性能，将进水NH4+-N和NO2-N逐步提高到200mg/L，从而逐步提高贮存污泥的厌氧氨氧化活性。

1.3分析方法

采用实时定量聚合酶链反应(RT-PCR)技术测定厌氧氨氧化污泥中细菌和厌氧氨氧化菌的细胞密度，并表征厌氧氨氧化贮存污泥中厌氧氨氧化菌的存活情况。RT-PCR采用AnAOB特征引物AMX809FAMX1066R和细菌通用特征引物Eub341F-Eub534R。根据A.Dapena-Mora等人的研究，厌氧氨氧化的活性是通过指令测试来确定的。氨氮纳氏分光光度法(Spectrum722E可见分光光度计)测定亚硝酸盐氮，N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法(Spectrum722E可见分光光度计)测定硝酸盐氮，UV-1700紫外分光光度计测定硝酸盐氮。pH和DO分别用便携式pH测试仪(德国SartoriusAG)和Model55溶解氧测定仪(美国YSI)测定。通过称重法测量混合溶液中悬浮固体(MLSS)和挥发性悬浮固体(MLVSS)的质量浓度。

二。结果和分析

2.1污泥储存前后细胞数量的变化

将污泥在室温(20℃)下储存一个月。蜂窝填料用于分散和储存污泥，可以降低污泥的堆密度，减缓细胞自溶和自溶过程对污泥储存的不利影响。储存过程中，不添加任何营养物质，只保持温度平衡。分别在贮存前(贮存第1天)和贮存后(贮存第30天)从厌氧氨氧化污泥中取0.5g样品，通过RTPCR测量污泥样品的细菌细胞密度和厌氧氨氧化细胞密度。结果如表3所示。

从表3可以看出，细菌的细胞密度从3.635×10 11mL-1下降到3.012×1011mL-1，细菌总数没有明显下降。为了减少它们的能量消耗，大多数细菌都处于休眠状态以生存。然而，ANAOB细胞的密度从2.338×10 11mL-1下降到1.223×10 11mL-1，ANAOB细胞的数量减少了近1/2，AnAOB细胞占细菌总数的比例从64.32%下降到40.60%，这可能是由于部分AnAOB细胞的自溶作用。但仍保留了相当一部分AnAOB，存放污泥黑臭现象不明显。结果表明，在贮存过程中，蜂窝状填料分散了厌氧氨氧化污泥，降低了污泥的堆密度，在一定程度上减缓了自溶过程，自溶仅影响部分污泥，对整体污泥影响不大。AnAOB占贮存污泥中细菌总数的40.60%，虽有所下降，但仍高于普通活性污泥。贮存污泥中土著AnAOB含量高，有利于Anammox贮存污泥的活化和Anammox工艺的启动。

2.2厌氧氨氧化贮存污泥的活化

厌氧氨氧化污泥在室温(20℃)下储存一个月，然后作为接种污泥的启动剂进行活化。试验分为两个阶段:启动阶段和负荷增加阶段，以进水NH4+-N和NO2 - N N的浓度来区分，前15天为启动阶段。贮存的污泥用恒定的低浓度底物(NH4+-N和NO2-N均为50mg/L)活化，出水NH4+-N和NO2-N逐渐降低，并产生NO3--N，表明厌氧氨氧化成功启动的第16 ~ 55天为负荷增加阶段，开始提高进水浓度，增加浓度梯度。该阶段贮存污泥活化过程中氮的变化见图2。

启动阶段

在活化过程中，初始进水NH4+-N和NO2-N恒定为50mg/L，水力停留时间为1d，温度控制在35℃，反应器pH保持在7.8~8。厌氧氨氧化工艺在运行15天后成功启动，随后厌氧氨氧化细菌活性持续上升。

吴凯采用普通污泥启动厌氧氨氧化工艺，经过122天稳定运行。NH4+-N和NO2-N的平均去除率分别为86.67%和91.65%。金仁存等以反硝化污泥为接种污泥启动厌氧氨氧化固定床反应器，86天后成功启动。可以看出，贮存污泥作为接种污泥大大缩短了反应器的启动时间，这是由于贮存污泥中含有一定量的厌氧氨氧化菌，避免了污泥转化和活性滞后期，加速了启动过程。

启动阶段NH4+-N、NO2-N和总氮随时间的变化如图3所示。

从图3(a)中可以看出，NH4+-N的去除率从18.73mg/(L.d)提高到40.68mg/(L.d)，NO2-n的去除率从39.62mg/(L.d)提高到49.67mg/(L.d)从图3(b)可以看出，进水总氮负荷保持在100mg/(L.d)，总氮去除率和去除率的变化趋势相似，第5天略有波动，可能是由于初始阶段厌氧氨氧化活性不稳定，但总体上呈上升趋势。总氮去除率从最初的58.32 mg/(L.D .)提高到83.37 mg/(L.D .)，总氮去除率从58.32%提高到83.37%。

G/(L.D .)，总氮去除率从58.32%提高到83.37%。亚硝酸盐消耗(NO2-n)与氨氮消耗(NH4+-N)之比(R1)和硝酸盐生成(NO3--N)与氨氮消耗(NH4+-N)之比(R2)随时间的变化见图4。

A.A.vandeGraff等人得出R1和R2的理论值分别为1.32和0.26。从图4可以看出，实际R1从2.12逐渐变为1.22，第9天达到1.33，与理论值1.32非常接近。但随着生物活性的逐渐恢复，当活性完全恢复时，其比值为1.22，略低于理论值，近似接近。I.Tsushima等人发现为0.8~0.7时反应器的去除效率较高，而R.C.Jin等人认为为1.2时处理效果较好。其他学者也发现，最优比值在不同条件下从1.32波动到1.32，大多不等于1.32。从图4中还可以看出，R2从0缓慢上升到大约0.17，这也低于理论值。R1和R2低于理论值，这可能与反应装置的类型、不同的环境条件以及反应装置中细菌的结构和状态有关。

2.2.2负荷增加阶段

在负荷增加阶段，进水NH4+-N和NO2-N从50mg/L逐渐增加，70、100和150mg/L后最终增加到200mg/L，该阶段NH4+-N、NO2-N和总氮随时间的变化如图5所示。

从图5(a)可以看出，在负荷提升阶段，NH4+-N的去除率在小范围内波动。每次进水浓度变化，其去除效果都比同期差，然后逐渐恢复，最后趋于稳定，去除率稳定在83%左右。NO2-N的去除率相似，在小范围内波动。但与前者相比，NO2-N波动较小，稳定时去除率可达99.99%。NH4+-N和NO2-N的平均去除率分别为121.97和145.47mg/(l·d)，平均去除率分别为82.17%和98.36%。在图5(b)中，总氮去除率随着总氮负荷的逐步增加而呈阶梯状变化，去除率较大，为341.43mg/(L.d)，总氮去除率上下波动，但总体变化不显著，平均为83.90%。

负荷R1和R2随时间的变化见图6。

从图6中可以看出，负载增加阶段R1有轻微波动，较大值和较小值分别为1.35和1.13，平均值为1.21，大致等于激活阶段的比值。在本实验条件下，厌氧氨氧化反应的化学计量比R1约为1.21，与理论值非常接近，但仍有一定差异。在进水从50mg/L增加到70mg/L的初期，R2呈下降趋势，第21天出现0.07的小值。随着污泥活性的恢复，R2趋于稳定，平均值约为0.16，低于理论值0.26。R1和R2的实际值与理论值存在差异，可能是由于反应器中以AnAOB为优势菌株，少量以NO3-N为电子受体的反硝化菌协同脱氮，除了反应装置的类型和环境条件外。

有学者认为，在污泥储存过程中加入培养基，会使储存后的活化效果更好。室温(25℃)下，在吴凯储存30d，活化15d，NH4+-N和NO2-N的去除率分别为76.7%和95.8%。在本研究中，常温(20℃)下贮存的厌氧氨氧化污泥在无营养液条件下活化15d，NH4+-N和NO2-N的去除率分别可达81.36%和99.34%。无条件培养基在室温下短期保存影响不大，保存后激活效果可能更好。间歇添加营养液或缓冲液可能会对储存过程产生不利影响。

厌氧氨氧化污泥无基质贮存时，应考虑温度的影响。高温保存时，厌氧氨氧化菌活性更高，代谢更快，导致生物量迅速下降，增加了回收难度。而且恢复后的活性不容易达到保存前的水平，即使短时间保存也很难恢复。过低的温度可能会造成细胞的不可逆冻伤或破裂，还会使污泥储存后的细胞活性难以恢复。但在合适的温度下短期贮存可以减缓厌氧氨氧化菌的衰减，有利于贮存后厌氧氨氧化污泥活性的恢复。进行了间歇实验来研究贮存污泥的活化。发现-20℃冷冻45天的厌氧氨氧化污泥仍呈鲜红色，但对NH4+-N无去除作用，其出水呈浅红色。这表明在太低的温度下冷冻储存将导致厌氧氨氧化细菌的一些细胞破裂，细胞色素将进入流出物并失去活性。考察了常温、中温、低温存放一个月的厌氧氨氧化污泥的活性，发现常温存放的污泥总氮去除率较高。这表明常温条件可能更有利于厌氧氨氧化污泥短期贮存一个月。本研究表明，常温(20℃)无底物短时间(1个月)贮存能有效保留相当数量的AnAOB，避免了低温贮存的污泥难以活化的问题，且常温贮存的能耗较低温贮存大大降低。因此，常温无底物短时间贮存的厌氧氨氧化污泥可以作为厌氧氨氧化菌的来源，可以快速启动厌氧氨氧化工艺。

三。结论

(1)厌氧氨氧化污泥在室温(20℃)下储存在装有蜂窝填料的广口瓶中一个月。在储存期间，不添加任何外部营养物。细菌密度从3.635×10 11mL-1下降到3.012×10 11mL-1，嗜酸性粒细胞密度从2.338×10 11mL-1下降到1.223× 11 ml-1。贮存前后细菌总数下降不多，而厌氧氨氧化菌数量下降了近一半，但厌氧氨氧化菌仍占细菌总数的40.60%。

(2)在FBR用贮存一个月的厌氧氨氧化污泥作为接种污泥来活化厌氧氨氧化反应，可以缩短厌氧氨氧化的启动时间。与普通活性污泥启动的厌氧氨氧化相比，没有停滞期，启动时间明显缩短。接种的厌氧氨氧化污泥可以实现厌氧氨氧化工艺的快速启动。

(3)经过15天的活化，进水NH4+-N和NO2-N的去除率分别达到81.36%和99.34%，表明厌氧氨氧化启动成功。然后，通过增加进水NH4+-N和NO2-N，使进水NH4+-N和NO2-N在第55天达到200mg/L，去除率分别达到83.52%和99.99%。化学计量比R1和R2的平均值分别为1.21和0.16。厌氧氨氧化菌是反应器中的优势菌种，少量反硝化细菌的存在有助于总氮的去除。(来源:河北工业大学能源与环境工程学院:中国环境科学研究院)

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