厭氧氨氧化菌(anaerobic ammonium oxidation,ANAMMOX)生長速度緩慢[1]，在選擇啟動反應器時需考慮其具有較好的生物截留能力，保證足夠的菌群. 而ABR反應器具有可耐受較高的污染負荷、 良好的生物截留能力、 易于固液分離、 易形成顆粒污泥等特點，其對培養增殖速度緩慢的厭氧氨氧化菌具有優勢，已經應用于厭氧氨氧化反應的啟動和研究[2,3].
厭氧污泥如反硝化污泥，厭氧顆粒污泥等[4, 5, 6]均已成功應用于厭氧氨氧化的啟動. 相較于絮狀污泥，顆粒污泥可有效減少微生物從反應器中流失，以保證足夠的生物量. 但是顆粒污泥培養過程緩慢，嚴重阻礙了其應用. 本文以ABR反應器為厭氧氨氧化的啟動反應器，分別接種完全絮狀厭氧污泥、 厭氧顆粒/絮狀混合污泥，考察兩個厭氧氨氧化反應器啟動過程的差異、 添加部分顆粒污泥對絮狀污泥形成顆粒污泥的誘導效應，并初步明確啟動過程中反應器對污泥的截流率以及穩定后各隔室對氮素去除的貢獻率，以期為厭氧氨氧化的啟動提供參考. 1 材料與方法 1.1 實驗裝置
實驗采用的ABR反應器由有機玻璃制成. 反應器長37.5 cm，寬8 cm，高度33 cm，持水高度26.5 cm，有效容積6.36 L. 反應器分為5個隔室，每隔室升流區降流區格間寬度比為4 ∶1，折流板導向角45°(見圖 1). 反應器整體密封保證厭氧，每隔室的上部使用橡膠管來排除產生的氣體，橡膠管采用水封，反應器整體用遮陽塑料膜遮住避光. 采用恒流蠕動泵控制進水，反應器放置于水浴中，利用溫度控制器維持反應器溫度30~35℃.
圖 1 ABR反應器裝置示意
1.2 接種污泥
本研究采用兩種污泥，污泥1：取自UASB反應器的厭氧顆粒污泥，污泥濃度52.5 mg ·mL-1，污泥2：城市污水處理廠A2/O工藝的厭氧污泥，污泥濃度102mg ·g-1. 采用2個相同的ABR反應器，第一個反應器(R1反應器)接種污泥1和污泥2的混合污泥，按照1 ∶3質量比混合，分別為2 250 mL的絮狀厭氧污泥和386 g的厭氧顆粒污泥; 第二反應器(R2反應器)接種污泥2共3 000 mL的絮狀厭氧污泥. 污泥在ABR反應器各隔室均勻接種，接種后R1、 R2反應器中混合液的污泥濃度相同(以MLSS值表示)，均為24.8g ·L-1.
1.3 反應器運行條件
兩個ABR反應器運行條件相同. 反應器HRT設置在26 h，采用人工配水，進水的pH值為7.5±0.5，其組分包括(NH4)2SO4，NaNO2，以及KH2PO4 0.027g ·L-1，MgSO4 ·H2O 0.300g ·L-1，CaCl2 0.136g ·L-1，KHCO3 0.5g ·L-1，微量元素Ⅰ、 Ⅱ. 參照文獻[7]配制，按每1 L配水添加1 mL微量元素Ⅰ、 Ⅱ. NO2--N濃度過高會抑制厭氧氨氧化菌的活性[8]，逐漸提高進水氮素的濃度提高進水的基質負荷，促進厭氧氨氧化菌的增長[9,10]. 1~68 d，NO2--N與NH4+-N濃度以1 ∶1配置，負荷控制在54.5 g ·(m3 ·d)-1(表 1); 69~114 d提高進水負荷，兩者負荷控制在62.3 g ·(m3 ·d)-1; 在第3階段后期NO2--N基本全部去除，而NH4+-N還有部分未被去除，在114~170 d提高NO2--N負荷為68.0 g ·(m3 ·d)-1，NH4+-N負荷維持在62.3 g ·(m3 ·d)-1，以期通過添加NO2--N負荷來去除NH4+-N，增強總氮的去除率.
表 1 啟動過程中氮負荷的變化
1.4 測定項目與方法
啟動過程中每天采集進出水水樣，成功啟動后采集每個格室水樣，分析NH4+-N、 NO2--N和NO3--N. 同時，測定接種污泥及啟動成功時每個格室污泥濃度(MLSS). NH4+-N:采用納氏試劑光度法，NO2--N:采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法，NO3--N:采用紫外分光光度法，MLSS采用重量法[11]. 2 結果與討論
R1和R2反應器均成功啟動了ANAMMOX反應，啟動耗時分別為120 d和125 d. R1和R2反應器的啟動規律相似，根據NH4+-N的去除規律可將兩個反應器的啟動過程分為4個階段，分別為菌體水解期(出水NH4+-N高于進水，NO2--N基本被去除)、 活性停滯期(出水NH4+-N基本等于進水，出水NO2--N升高)、 活性提高期(NH4+-N、 NO2--N大幅度且同比例降低)和穩定運行期(NH4+-N、 NO2--N的去除率穩定，基本達到90%以上). 這與Yang等[12]對ANAMMOX啟動過程的研究結果一致. 但是，有研究者將ANAMMOX啟動過程分為3個階段[13, 14, 15]，為活性遲滯期，活性提高期以及穩定運行期，雖然比本研究少1個階段，但啟動過程氮素的去除規律基本一致.
2.1 進出水水質
2.1.1 R1反應器的啟動特征
(1)菌體水解期(PhaseⅠ: 1~15 d)
運行開始前2 d，出水較渾濁，第1、 2 d出水的污泥濃度(以MLSS表示)為0.61、 0.35 g ·L-1. 但是，第3 d開始出水澄清，未檢測到SS流失，表明ABR反應器對污泥具有較好的持留作用. 從水質來看，啟動過程的前15 d出水NH4+-N明顯高于進水，而出水NO2--N的含量基本為零(圖 2)，跟其他學者的研究結果基本一致. 孟凡能等[16]接種好氧顆粒污泥、 厭氧顆粒污泥、 氧化溝/短程硝化活性污泥組成的混合污泥啟動厭氧氨氧化反應，在前11 d，NH4+-N出水亦大于進水，但NO2--N去除量可達0.02 kg ·(m3 ·d)-1，認為主要是菌體的溶酶作用導致了出水NH4+-N高于進水，溶酶作用產生的有機物以及接種污泥帶入的有機物可作為電子供體反硝化還原NO2--N，促進NO2--N被高效去除[17].
圖 2 啟動過程中水質變化及氮去除率變化
(2)活性停滯期(PhaseⅡ: 15~74 d)
該階段出水NH4+-N濃度不斷下降，但依舊高于或基本等于進水NH4+-N濃度. 從出水NO2--N濃度來看，前27 d依舊保持很低(低于0.1 mg ·L-1)，去除率均達99%以上，反硝化作用依舊很強. 然而，從第28 d開始，出水NO2--N濃度不斷升高，最高達31 mg ·L-1，去除率不斷降低，最低達到44.57%. 這是因為第Ⅰ階段的溶酶作用產生的有機物以及污泥中含有的有機物不斷被消耗，反硝化作用降低造成出水NO2--N 濃度的升高[18].
(3)活性提高期(PhaseⅢ: 75~119 d)
從75 d開始，出水NH4+-N不斷降低，去除率不斷升高，最高達86.2%; 出水NO2--N的濃度開始降低，去除率持續升高，在第92 d恢復到99.4%. 在該階段，NH4+-N和NO2--N大幅度被消耗，表明ANAMMOX開始顯現[19].
(4)穩定運行期(PhaseⅣ: 120~170 d)
反應器運行到120 d，NH4+-N、 NO2--N去除率都高達97%，此后出水基本穩定，表明反應器啟動成功. 穩定運行期間，NH4+-N、 NO2--N負荷分別為62.3 g ·(m3 ·d)-1、 68 g ·(m3 ·d)-1，平均去除率分別高達97.4%、 99.7%，厭氧氨氧化反應器的培養階段結束.
2.1.2 R2反應器啟動特征
R2反應器的啟動特征與R1基本相似，但也存在差異. 從污泥截流來看，R2反應器前3 d的污泥濃度(以MLSS表示)2.74、 1.12、 0.56 g ·L-1,從第4 d開始出水未檢測到SS，R1反應器比R2具有更好的截流污泥能力，這也是接種顆粒污泥的優勢.
從啟動的過程和污染物去除特征來看，R2反應器的菌體水解期持續時間較R1多13 d，且在前3 d的出水NH4+-N濃度都高于R1，尤其第1 d出水NH4+-N高達94.5 mg ·L-1，推測是R1反應器接種的顆粒污泥來自于工業廢水UASB反應器，有機物和有機氮含量高所致. 但是，活性停滯期的持續時間相對R1較短，僅37 d，NO2--N濃度升高，最高達29.1 mg ·L-1，去除率僅為41.3%~66.4%. R2反應器在第62 d進入活性提高期，較R1提前12 d，該階段出水NH4+-N不斷減低，去除率不斷升高，最高達94.2%; 同時NO2--N去除率也大幅度升高，在82 d恢復到99.4%，此后維持在99%左右. 在第125 d，R2反應器運行進入穩定運行期，NH4+-N平均去除率92.0%，略低于R1; NO2--N平均去除率和R1相近，達99.9%. 同時，從污泥截流率看(該時段反應器總污泥量除以接種污泥量)，R2反應器居于劣勢，平均污泥截留率僅為33.6%，而R1反應器的平均污泥截留率為41.9%，表明接種具有良好沉降性能的顆粒污泥可有效減少污泥的流失，截留ANAMMOX微生物，促進其富集.
R1反應器進入活性提高期的時間較晚，而進入穩定期的時間較早，推測是R1反應器接種的顆粒污泥來自于工業廢水UASB反應器，以人工配水為底物進行馴化，活性恢復較為困難，所需復活時間長. 但是由于顆粒污泥的沉降性能較好，流失較少，活性一旦恢復，微生物的基數大，增長的也快，較于R2反應器提前進入穩定期，穩定運行期R1對NH4+-N的去除率略高于R2. 總體來說，即使R1污泥截留量明顯高于R2，兩者表現出厭氧氨氧化活性的時間相差不大，均取得良好的脫氮效果，說明接種污泥的不同并未造成ABR厭氧氨氧化反應器的啟動規律和污染物去除特征有明顯差異.
不管是R1還是R2反應器，啟動耗時基本接近，在120 d左右，這與許多研究者的研究結果一致[20,21]. 如朱月琪等[2]在ABR反應器內接種厭氧河流底泥，在4個月內成功啟動厭氧氨氧化，穩定運行時NH4+-N和NO2--N的容積負荷分別為31.9 g ·(m3 ·d)-1和31.2 g ·(m3 ·d)-1，平均的去除率達85.2%和98.2%. 本研究中R1和R2反應器的啟動時間與其研究接近，但對底物的平均去除率均略高，這可能與接種的污泥、 容積負荷、 pH及其他不可復制的環境因素相關.
2.2 3種氮素之間的定量關系
目前，學術界普遍接受的ANAMMOX菌分解合成的總計量化學式如式(1)所示[1].
由式(1)，厭氧氨氧化反應中NH4+-N與NO2--N的消耗量，以及NO3--N的生成量理論比值為1 ∶1.32 ∶0.26. 然而，不同研究者得出的結論之間存在著差異，馮平等[22]研究結果表明，穩定運行階段三者之間的比值為1 ∶1.44 ∶0.26; 而彭緒亞等[23]采用兩套UASB反應器啟動ANAMMOX反應，穩定時三者比值分別為1 ∶(1.1～1.2) ∶ (0.25～0.45) 和 1 ∶(1.1～1.2) ∶(0.30～0.40)，可能是接種污泥的性質、 pH等環境的不可復制性導致的差異.
本實驗中，R1、 R2達到穩定運行后三者的比值分別為1 ∶1.16 ∶0.21和1 ∶1.27 ∶0.36，這與Strous等[1]的研究結果有一定差異. 兩個反應器中NH4+-N與NO2--N消耗量的比值分別為1 ∶1.16和1 ∶1.27，均低于理論值，可能是反應器進水未進行有效除氧，導致部分NH4+-N被亞硝化菌和硝化菌轉化為NO2--N和NO3--N，使得NO2--N與NH4+-N消耗量比值小于理論值. 但是在NO3--N生成量與NH4+-N生成量之間，兩個反應器存在差異，R1反應器略小于理論值，推測穩定期R1反應器中可能還存在反硝化作用，這主要是因為UASB顆粒污泥有機質含量較高，且顆粒污泥菌體釋放有機物的速率較慢所致[24]; 但是，R2反應器高于理論值，具體原因還有待分析.
2.3 格室間的氮素去除規律
對穩定期間各格室氮素去除規律分析發現(圖 3)，R1反應器中NH4+-N和NO2--N基本在第一格室已被去除，去除率均高達99%以上，其余4個隔室并未起到作用. R2反應器的去除規律有所不同，第一格室雖然對NO2--N和NH4+-N具有較大的去除作用，NO2--N去除率高達99%，NH4+-N去除率85%，但其余4個格室對NH4+-N亦有去除作用，貢獻率為7%. 從NO3--N 的生成量及每個格室的變化情況看，均在第一格室生成NO3--N，且R1第一格室生成量比R2第一格室高8.3 mg ·L-1，隨后NO3--N均被逐漸消耗部分，且兩個反應器的消耗量基本相同. 監測穩定運行時的各格室的污泥濃度發現(表 2)，R2反應器污泥濃度總體低于R2反應器，尤其第一格室的污泥濃度比R2反應器的第一格室的污泥濃度低34%，兩個反應器對氮的去除存在一定的差異，造成該結果的原因很多，如污泥的性質及污泥量、 生物量等，但具體原因有待進一步研究.
圖 3 穩定運行時水質變化
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表 2 穩定運行時的各格室的污泥濃度
接種的厭氧顆粒污泥和厭氧絮狀污泥分別是黑色和灰黑色，啟動成功時R1、 R2反應器的相對應格室的顏色相似，均是第一格室有少部分的紅棕色，隨著水流的方向顏色變化依次為少量紅棕色 黃褐色 黑色，該現象與鮑林林等[25]研究相似. 而典型的ANAMMOX細胞中含有大量的細胞色素C而呈現紅色[26]，結合第一格室對氮素的大部分的去除，可認為該格室的紅色菌群為ANAMMOX，且高于其他格室. 其余格室由于基質的濃度低導致ANAMMOX的富集度較低，顏色是黃褐色甚至最后格室仍保持原接種污泥顏色黑色，但對每個格室菌屬類別仍需進一步的鑒定. 從污泥形態看，R2中污泥以不規則塊狀和絮狀存在，R2中污泥是不規則塊狀、 絮狀和部分顆粒污泥，可能由于水力負荷較低，沒有足夠的剪切力使得在ABR中誘導絮狀污泥形成顆粒污泥，可嘗試通過提高流速，增大剪切力來培養厭氧顆粒污泥.具體參見污水寶商城資料或http://www.xhxdt.com更多相關技術文檔。
3 結論
(1)接種厭氧絮狀/顆�；旌衔勰唷� 厭氧絮狀污泥的ABR反應器，分別經過120 d和125 d均成功啟動厭氧氨氧化反應，都經歷了菌體水解期、 活性停滯期、 活性提高期和穩定運行期等4個階段，穩定運行期間對NH4+-N和NO2--N的去除率均可達到90%以上，且NH4+-N、 NO2--N的平均去除負荷為57.3~67.9 g ·(m3 ·d)-1，R1在NH4+-N的去除負荷上略高于R2.
(2)啟動成功后，兩個ABR反應器的第一格室均已去除90%以上的NH4+-N、 NO2--N，其余格室對氮的去除貢獻率較小，這與污泥的顏色特征相一致，第一格室部分污泥呈少量紅棕色，隨著水流的方向顏色變化依次為少量紅棕色 黃褐色 黑色.
(3)以上表明，接種污泥的不同并未造成ABR厭氧氨氧化反應器的啟動規律和污染物去除特征有明顯差異.(來源及作者：蘇州科技學院環境科學與工程學院 張海芹、王翻翻、李月寒、陳重軍、沈耀良)
