厌氧氨氧化反应器的启动运行分析

1、厌氧氨氧化反应器的启动运行分析葛林燕等厌氧氨氧化反应器的启动运行分析厌氧氨氧化反应器的启动运行分析*葛林燕黄勇袁怡(苏州科技学院环境科学与工程学院,江苏苏州215011)摘要总结分析了近年来采用不同反应器,不同泥源进行厌氧氨氧化(ANAMMOX)反应启动和运行研究的进展,对不同研究的启动时问,完成启动的评判标准,运行控制条件等进行了比较,并简要评述了ANAMMOX反应的影响因素.关键词ANAMMOX启动运行影响因素Literaturereviewofstart-upandperformanceofANAMMOXbioreactorsGeLinyan,HuangYong,YuanYi.(Scho

2、olofEnvironmentalScienceandEngineering.SuzhouUniversityofScienceandTechnology.SuzhouJiangsu2150l1)Abstract:ThispaperpresentsanintroductiontOthesubjectofanaerobicammoniumoxidation(ANAMMOX),thesimultaneousbiologicalconversionsofNH+N(byoxidation)andNO2一N(byreduction)toN2,andareviewoftheoperatinghistori

3、esofseveralANAMMOXbioreactors(SBR,UASB,membraneandothers)employingactivatedsludgesofdifferentorigins.Theeffectsoftemperature,pH,dissolvedoxygenandNOzNconcentrationonthestartupandnitrogenremova1performanceoftheANAMM0Xreactionsarediscussed.Italsosummarizestheconditionsthatwil1helptOensurealongtermsucc

4、essfu1operationofanANAMMOXbioactor.Keywords:ANAMMOX;startup;affectingfactors随着工业的发展及人们生活水平的不断提高,工业废水和生活污水中氮化合物的含量急剧上升.传统生物脱氮技术一般采用硝化反硝化工艺,但存在工艺流程长,能耗大,成本高(需另加碳源)且可能造成二次污染等缺点.近年来,国内外学者一直在研究寻求一种高效,低能耗的生物脱氮工艺.厌氧氨氧化(ANAMMOX)反应是当今微生物学和废水处理领域的重大发现,已成为污水生物脱氮技术领域的研究重点.ANAMMOX反应是由BR()DA于1977年首先提出,并由MULDER等于1

5、995年在反硝化脱氮流化床反应器中得以验证ANAMMOX菌作用的存在.ANAMMOX反应是指在厌氧条件下,ANAMMOX菌直接以NHN为电子供体,N()N为电子受体,将NHdN,NO一N转化为氮气的生物氧化过程.由于参加该过程的是自养型微生物,无需添加有机碳源,无需氧气参与,是目前最经济的生物脱氮工艺.笔者结合国内外最新研究进展,对不同泥源启动ANAMMOX反应的方法及常用反应器的作用原理进行比较探讨,并简要分析了ANAMMOX反应的影响因素.1不同泥源富集ANAMMOX菌迄今为止,国内外学者在ANAMMOX反应接种污泥来源的影响问题等方面已取得了重要的进展.,.2232,1019,.接种污泥

6、主要包括两大类,即已富集成功的ANAMMOX污泥和含ANAMMOX菌的普通污泥,其中含ANAMMOX菌的普通污泥主要包括好氧活性污泥l3I27I3.,厌氧消化污泥.3.,好氧硝化污泥I3.l8I3.,厌氧颗粒污泥,甲烷颗粒污泥叫等.对污泥的富集方法主要分两种ll:一种是对污泥进行好氧筛选.根据好氧氨氧化菌和ANAMMOX菌之间的共生关系,先对污泥进行好氧培养,富集硝化菌,提高污泥硝化活性,使好氧氨氧化菌的量增加,然后把富含好氧氨氧化菌的污泥在厌氧条件下进行ANAMMOX菌的富集培养;另一种是直接对污泥进行厌氧筛选,培养ANAMMOX菌.一般接种的普通污泥中均含有一定量的异养菌.在无机环境的厌氧

7、条件下,异养菌因无有机物供给而进行内源消化反硝化(只提供N0N),逐渐消耗自身而被筛除.两种筛选方案都是排除异养菌,只要系统能提供ANAMMOX菌需要的严格无氧环境或第一作者:葛林燕,女,1982年生,硕士研究生,研究方向为水污染控制工程.通讯作者.*江苏省自然科学基金资助项目(No.BK2002043);苏州科技学院青年教师基金资助项目(No.ZD964);江苏省环境科学与工程重点实验室开放课题(No.ZD200102).?83?环境污染与防治第30卷第5期2008年5月3334好氧活性污泥003334厌氧消化污泥003035好氧硝化污泥厌氧颗粒污泥甲烷颗粒污泥>9897&am

8、p;gt;989999.89962.562.5注:序批式活性污泥(SBR)反应器稳定时的进水质量浓度;.稳定运行时的最大去除率;”最大TN负荷.界面,这两种筛选法都能得到较高浓度的ANAM一能成功启动ANAMMOX反应.MOX菌.在不同的泥源,不同的ANAMMOX反应启动条件下,进水的NH一N,NON浓度,启动后NH+一N,NON的去除率及TN负荷等参数如表1所示.由表1可以看出,5种污泥均能成功启动ANAMMOX反应.比较厌氧消化污泥和好氧硝化污泥,从启动时间看,好氧硝化污泥的启动时间比厌氧消化污泥长,这是因为ANAMMOX菌本身生长很慢,接种好氧污泥时,其转变为厌氧状态需要一个过程;而直接

9、选用厌氧污泥无需经历从好氧到厌氧的过渡阶段,从而能在相对较短的时间内得到较高活性的ANAMMOX菌.袁怡_7J6.提出,接种厌氧消化污泥的反应器比接种好氧活性污泥的反应器提前1个月表现出强的ANAMMOX菌转化能力,并在后续研究中通过进一步提高进水NH+一N,NON浓度,得到接种好氧活性污泥,厌氧消化污泥及好氧硝化污泥反应器的TN负荷分别达到0.194,0.454,0.408kg/(m.?d).赵宗升等.在关于接种污泥的选择培养研究中指出,厌氧消化污泥符合厌氧条件;而好氧硝化污泥中所含的好氧氨氧化菌的代谢途径多样性为其进行可能的ANAMMOx菌代谢提供了理论支持.其通过实验分析还发现,接种厌氧

10、消化污泥比好氧硝化污泥培养的ANAMMOX菌启动快,但在较长的运行期内后者去除效果较好,并指出对工程中的ANAMMOX反应来说,以接种好氧硝化污泥使反应更有利.除采用单一泥源作为接种污泥外,也有研究者采用好氧污泥和厌氧污泥的混合物来富集培养ANAMMOX菌n¨3.首先将好氧污泥用含有机碳的模拟废水进行好氧培养,然后再接种厌氧污泥,只要严格控制ANAMMOx菌所需的环境条件,同样?84?2研究ANAMMOX工艺采用的反应器由于ANAMMOX菌是生长极缓慢的菌种,无法使用普通生物技术进行培养.在研究ANAMMOX反应时,对反应器的选择非常重要,必须具有较强的生物截留能力,保持反应器内有足

11、够的生物量,适合长期富集,培养及定量分析.国内外学者采用了各种反应器进行ANAMMOX反应,主要有SBR反应器.,.,.,升流式厌氧污泥床(UASB)反应器”.“,生物膜反应器枷,“,推流式反应器,厌氧序批式反应器(ASBR).,流化床,气提式反应器口.等.反应器本身的特性对能否成功启动ANAMMOX反应具有很大影响.(1)SBR反应器.由于SBR反应器易于形成基质,微生物及产物均匀分布,在基质限制条件下能稳定运行,且持留微生物能力强,有利于生长缓慢的ANAMMOX菌的富集培养,目前采用SBR反应器启动ANAMMOX反应较多.根据金仁村等”对ANAMMOX反应器稳定性的模糊性评价,与生物膜反应

12、器相比,虽然SBR反应器抗水力负荷冲击能力强,易于ANAMMOX菌的生长和积累,但其综合抗负荷冲击(基质浓度负荷冲击与水力负荷冲击)能力相对较弱,因而在采用SBR反应器时需特别考虑基质浓度负荷冲击的影响.朱静平等采用SBR反应器,以好氧硝化污泥为接种污泥,经142d在较高负荷下成功启动ANAM-MOX反应,TN负荷为0.43kg/(m3?d),NH一N,NON的平均去除率为81.2,85.7.在稳定运行阶段,NH一N,NON去除量及NO;一N生成量比值(质量比,下同)为1.0O:1.38:0.18,且整个反应器中适应ANAMMOx反应运行方式的菌种增加”加加加一葛林燕等厌氧氨氧化反应器的启动运

13、行分析殖较快.徐庆云2使用SBR反应器,分别接种厌氧污泥和好氧污泥经过8O,90d后,NH_一N,NO一N去除率均达9O以上.(2)UASB反应器.张龙等“l2.在使用UASB反应器启动ANAMMOX反应研究中提出,ANAMMOX反应成功启动的标志是反应器中培养出活性高且适于处理含氮废水的颗粒或絮状活性污泥,并指出影响ANAMMOX反应成功启动的条件包括接种污泥理化性质,进水水质,反应温度,碱度和水力停留时间等.ZHOU等使用UASB反应器,历时56d,成功获得具有ANAMM()X活性的污泥,稳定运行时NH一N,N()_N去除量和N()N的生成量比值为1.00:1.61:0.25,并在反应器的

14、底部形成褐色颗粒污泥.使用UASB反应器可使污泥颗粒化,使污泥滞留时间延长,从而保证了反应器中有足够的高效厌氧菌;但是水力负荷的冲击可能导致污泥层崩溃,水力负荷过低又无法满足理想的水力筛分条件.,因而需要较好地控制水力负荷.(3)生物膜反应器.采用生物膜反应器启动ANAMMOX反应,主要是根据反硝化菌的生长快于ANAMMOX菌,利用微生物的基质多样性和代谢多样性,通过培养反硝化生物膜,再使其由反硝化作用转为ANAMMOX作用,生物膜能有效截留富集的反硝化菌,加快反应器的启动【2.此外,生物膜反应器具有较强的抗基质浓度负荷冲击能力,但抗水力负荷冲击能力较弱EzlJlz5.张少辉等l】H研究了以自

15、养型反硝化生物膜启动ANAMMOX反应器的可行性.先采用养殖场厌氧污泥浸泡反应器中的软性填料培养自养型反硝化生物膜,再接种污永处理厂厌氧消化污泥,历时110d成功启动了ANAMM0X反应器.反应器的TN负荷为0.145kg/(m.?d),NHN,N02一N去除率分别为98.59,99.08,NH4一N,NOzN去除量及NO;-一N生成量比值为1.O0:1.01:0.19.推流式反应器,ASBR反应器,流化床,气提式反应器也同样具有一定的微生物截留能力,能成功富集ANAMMOX菌.目前,有关此类反应器的启动研究相对较少.3ANAMMOX反应启动时间ANAMMOX反应启动是通过合理操作,使生物量不

16、断得到富集,生物活性逐步提高,工艺性能不断得到改善并最终达到设计要求的运行过程.ANAMMOX反应启动时问的长短与接种污泥来源及反应器类型有很大关系.但无论使用何种反应器及泥源,ANAMMOX反应启动时间一般需要35个月,甚至超过200d,说明ANAMMOX菌是生长极为缓慢并非常难以培养的菌种.ANAMMOX反应的特点及ANAMMOX菌的特性对反应器是否成功启动有一定的指示作用.首先,ANAMMOX反应中的NH一N,N()N去除量及NON生成量比值以1.00:1.32:0.26_2进行,即当检测出反应器中NH一N及NON浓度以相似比例消耗时,可认为ANAMMOX反应已完成启动;其次,ANAMM

17、OX反应是消耗碱度的过程,当反应良好时,出水pH大于进水pH,而碱度的消耗一般占进水碱度的4O5O(质量分数)18j139,即通过pH和碱度的变化推断反应器是否进行ANAMMOX反应;此外,接种污泥一般为灰黑色,在富集培养过程中,ANAMMOX污泥中的C型细胞色素不断增加,污泥由棕色转为深红l2,即当反应器中出现红棕色污泥时可认为已成功启动ANAMMOX反应.袁怡7j6.研究的3个反应器在对ANAMMOX菌富集成功后,NH4+一N和N()N被转化量比值(质量比)依次为1.000:1.265,1.000:1.201,1.000:1.187,并相继出现污泥泛红的现象.从上述分析可以看出,在不同研究

18、中,ANAMMOX反应中的NH一N,NON去除量及NON生成量比值各不相同,有研究者得出的结论l8l3.与STROUS等提出的经验值接近,也有研究者得出的结论l4,1635oo与该值相差较大.说明不同的反应器或不同的泥源培养的ANAMMOX菌对氮的脱除机制不完全一样,而具体的计量关系还有待进一步研究.4启动过程中各环境因素的影响无论从反应器的类型还是接种污泥来源考察ANAMMOX反应的启动,都受到各种环境因素的影响,主要有温度,pH,DO及基质浓度等.4.1温度和pH温度的影响主要表现在对酶活性的影响,当酶促反应与酶活性丧失趋于平衡时,细菌表现出良好的反应活性.大部分研究表明,ANAMMOX反

19、应的最适温度为304O,此时ANAMMOX菌活性较高.低于该温度时,反应速率随温度升高而加快,但高于该温度时,反应速率呈下降趋势.叶建峰?85?环境污染与防治第30卷第5期2008年5月等_】1.的研究也证明了这一结论,当温度从10升至31.C时,ANAMMOX反应速率逐步提高,超过31后,反应速率下降.徐庆云l2j4.通过对不同温度下的动力学研究,表明系统最佳反应温度为40,该温度下的最大反应速率为15.02mg/(L?h).众多研究表明,ANAMMOX菌为嗜碱菌,在pH为6.78.3活性较高.杨洋等口在温度,pH和有机物对ANAMMOX污泥活性的影响研究中指出,在pH为7.09.0,ANA

20、MMOX反应速率与pH之间的关系可以用双底物双抑制剂模型描述.4.2DO和基质浓度ANAMMOX反应是严格的厌氧过程,当反应器中存在DO时,会对ANAMMOX菌造成直接的毒害作用,抑制反应的正常进行.JETTEN等副研究表明,当反应器中DO高于0.2tLmol/L时,反应受到抑制,但该抑制是可逆的,采用氩气冲刷置换DO可使微生物活性恢复.NO作为反应的电子受体,当其不足时有可能造成游离氨的积累,从而对ANAMMOX菌反应培养液产生毒性;当其过量时,抑制反应的进行.STROUS等的研究指出,当NON超过0.1g/L时,反应受到抑制,且在该浓度下持续12h,微生物活性完全丧失,同样,该过程也是可逆

21、的,只要反应器的NO一N消耗完毕,微生物活性得到恢复.也有研究表明,NO;一N的抑制质量浓度为280mg/L_68.而袁怡_76.研究的3个反应器在后续试验中,最大进水NON分别达到511,660,58Omg/L.5结语(1)接种不同泥源均能成功启动ANAMMOX反应,说明ANAMMOX菌广泛存在于自然界中.不同泥源对反应器的启动有很大影响,主要表现为启动时间的长短.根据ANAMMOX菌的生长特性,接种厌氧污泥较好氧污泥的启动时间短,但只要反应器成功启动,两者均能达到较高的NH一N,NON去除率.(2)利用不同的反应器均能成功启动ANAMMOX反应.根据ANAMMOX菌本身的生长特性,采用的反

22、应器必须具有较强的微生物截留能力及较强的抗负荷冲击能力.上述反应器在使用过程中均存在抗负荷冲击能力不足,因而需不断改进,使其能更好应用于ANAMMoX反应.(3)ANAMMoX反应启动一般需要35个?86?月,多则超过200d.ANAMMOX反应是否成功启动,可通过NH+一N,NON的去除量比值,pH与碱度的变化及反应器中污泥的颜色来判断.对不同泥源培养出的ANAMM0X菌对ANAMMOX反应中的NH一N,NO一N去除量及NO;-一N生成量比值各研究者不完全一致,具体的计量关系还有待进一步研究.(4)在ANAMMOX反应启动运行过程中,受到各种环境因素的影响.其中,氧气对反应的影响最大.ANA

23、MMOX反应是严格的厌氧反应,当DO存在时,会对ANAMMOX菌产生毒害作用,抑制反应的进行.此外,温度的影响也很大,当环境温度低于30或高于40.C,ANAMMOX菌活性降低,从而降低基质处理效率.参考文献1沈平,左剑恶,杨洋.接种不同污泥的厌氧氨氧化反应器的启动与运行fJ.中国沼气,2004,22(3).f2朱静平,胡勇有.不同污泥源厌氧氨氧化污泥的比较J.环境工程学报,2007(6):130134.r3CHAMCHoIN,NITISORAVUTS.ANAMMOXenrichmentfromdifferentconventionalsludgesJ.Chemosphere,2007,66.

24、E4LIAODexiang,IIXiaoming,YANGQi,eta1.EnrichmentandgranulationofANAMMOXbiomassstartedupwithmethanogenicgranularsludgeJ.WorldJ.Microbio1.Biotechno1.,2007,23.53赵宗升,赵云霞,陈智均.厌氧氨氧化菌接种污泥的选择培养过程研究fJ.环境工程学报,2007(2).6朱静平,胡勇有,谢磊.接种不同污泥启动厌氧氨氧化ASBR反应器研究口.安全与环境学报,2007,7(1).7袁怡.厌氧氨氧化细菌的筛选与富集研究D.重庆:重庆大学城市建设与环境工程学院,

25、2003.f8朱静平,胡勇有,梁辉强.基于SBR反应器的厌氧氨氧化工艺的启动运行口.环境污染治理技术与设备,2006,7(2).9赵志宏,廖德祥,李小明,等.厌氧氨氧化微生物颗粒化及其脱氮性能的研究口.环境科学,2007,28(4);800804.10袁怡,黄勇.厌氧氨氧化细菌的筛选试验研究口.苏州科技学院学报:工程技术版,2004,17(4):6-11.11叶建锋,薄国柱.低碳源条件下厌氧氨氧化影响因素的研究fJ.水处理技术,2006,32(9).r12THIRDKA,PAXMANJ,SCHMIDM,eta1.EnrichmentofANAMMOXfromactivatedsludgeand

26、itsapplicationintheCANANprocessJ.Microbio1.Ecology,2005,49:236244.133张龙,肖文德.低浓度氨氮废水的厌氧氨氧化研究口.化工环保,2005,25(4).14周少奇,姚俊芹.UASB厌氧氨氧化反应器启动研究J.食品与生物技术学报,2005,24(6).15ZHOUShaoqi,YAOJunqin.Startupanaerobicammoniumoxidation(ANAMMOX)processinuasbbiofilmreactorJ.JournalofShanxiUniversityofScienceTechnology,200

27、6,24(4):5055.16张少辉,郑平.厌氧氨氧化反应器启动方法的研究口.中国环境科学,2004,24(4).(下转第96页)环境污染与防治第30卷第5期2008年5月调整和升级.3.2排污权交易机制与清洁发展机制相结合,着力培育排污权供给市场嘉兴市排污权交易市场兴旺的重心是培育排污权供给市场.排污权供给是稀缺资源,存量企业污染减排的超额部分和关停并转企业排污指标节约部分构成排污权供给总量,在污染减排任务繁重,环境容量十分有限的约束条件下,排污权可供给总量是十分稀缺的,在排污权交易市场上,将长期呈现供不应求的局面.破解这一难题可行且有效的办法是将排污权交易机制与清洁发展机制相结合,制订相应

28、的制度,促使排污权需求方在设定的空间范围内跨单位或易地实行减排,创造排污权供给量,实行特殊的排污权交易,从而达到发展经济和污染减排双赢的目的.其政策含义是,市场主体需求的新增排污权可以从储备交易中心交易中获得,也可以由该市场主体在主管部门允许的空间范围内,通过提供资金和技术,帮助乡镇社区或企业减排,其减排成果经核准后可以作为该企业的新增排污权.这样,企业得到了扩大再生产所必需的排污权,而整个社会没有增加排污量.3.3排污权交易机制与节能减排政策相结合,营造更好的制度环境推行排污权交易的目的是促进污染减排,能上市交易的排污权必须是超额完成减排任务的余额,要严格审核排污权交易供给量的合法性和准确性

29、,防止弄虚作假和作秀.对排污权需求方也应进行认真的环评审核和资格认准,防止排污权交易对违法企业网开一面.同时,逐步扩大排污权交易的空间范围,逐步放宽企业的入市条件,培育更大的交易市场,努力把嘉兴市排污权交易市场建成浙江省乃至长三角区域性排污权交易市场.参考文献1嘉兴市人民政府.嘉兴市人民政府关于印发嘉兴市主要污染物排污权交易办法(试行)的通知(嘉政发200784号)EB/OL.20080310..on/art/2007/09/27/art.362.3728.html.2辛勤,何继东.嘉兴模式明年起在全省推广N.嘉兴日报,2007-1卜12(1).3吴健

30、.排污权交易M.北京:中国人民大学出版社,2005.4杭州市人民政府.杭州市人民政府办公厅关于印发杭州市主要污染物排放权交易管理办法的通知(杭政办200634号)EB/OL.20080325.,/main/wjgg/hzzb/2OO610/szfwj/T145499.shtm1.5幸红.排污权交易及其法律规范J.学术研究,2006(8):76一?96?81.6陈连生.京都议定书给我们带来了什么J.节能与环保,2005(12):33-34.责任编辑:赵多(修改稿收到日期:2008一o420)(上接第86页)17TRIGOC,CAMPOSJI,GARRIDOJM,eta1.Startupofthe

31、ANAMMOXprocessinamembranebioreactorJ.Biotechnology,2006,126:475487.18刘寅,杜兵,司亚安,等.厌氧氨氧化菌的培养与推流式反应器氨厌氧工艺J.环境科学,2005,26(2).19郑平,冯孝善,JETTENMSM,等.厌氧氨氧化流化床反应器性能的研究J.环境科学学报,1998,18(4):367372.2ODAPENAMORAA,CAMPOSJL,MOsQUERACORRALA,eta1.StabilityoftheANAMMOXprocessinagasliftreactorandaSBRJ.Biotechnology,2004,110:159170.21金仁村,郑平,胡宝兰,等.厌氧氨氧化反应器的稳定性及其模糊评价J.华南理工大学学报:自然科学版,2006,34(9).22徐庆云,黄勇,袁怡.厌氧氨氧化细菌的富集及不同温度下动力学研究J.苏州科技学院学报:工程技术版,2007,20(2).