厌氧氨氧化(Anaerobic ammmonia oxidation，Anammox)是一种高效的脱氮处理工艺，在厌氧的条件下，以亚硝酸氮为电子受体，氨氮作为电子供体的微生物反应，最终产物为氮气^[1]。Anammox细菌的氨氧化过程一方面大大缩短了氨氮氧化还原到氮气的过程，从而减少了生物脱氮的物质、能量耗费，另一方面为生物脱氮技术的进步提供了新的发展平台^[2]，与传统的硝化-反硝化工艺相比，具有能耗低、产泥少、经济高效等优点。虽然利用厌氧氨氧化脱氮有很多优点，但由于厌氧氨氧化菌生长非常缓慢，对环境要求高，使得反应启动和稳定运行面临很多困难，要求反应器不仅要能够富集微生物，同时保证微生物尽量不流失^[3]。上流式厌氧滤器(AF)中的填料可以附着高浓度的微生物^[4]，在Anammox菌群的快速高效富集方面具有很大的潜力，但反应器结构和填料的选择非常重要，设计不合理容易发生堵塞。在Anammox启动的接种物方面，有研究表明^[5-6]，利用硝化污泥、反硝化污泥和厌氧污泥都可以成功启动厌氧氨氧化反应，但启动时污泥性能表现不同，以厌氧颗粒污泥作为接种物启动Anammox反应器的稳定性能明显占优势，以反硝化污泥作为接种物启动的Anammox反应器较易失稳。

本研究对上流式滤器的反应器结构进行了改进，设置了双层填料层并选择适宜的载体，接种不同污泥启动厌氧氨氧化反应，并通过提升进水指标研究其去除负荷，从而考察该反应器Anammox启动过程中功能菌的培育性能和生长条件，探讨该工艺的最佳运行条件。

利用上流式双层厌氧滤器开展厌氧氨氧化反应启动试验。试验装置如图 1所示，由厌氧滤器、出水回流池、蠕动泵及配套的管道组成。厌氧滤器由有机玻璃制成，内径240 mm，高600 mm，总容积27.1 L。装置内设有双层填料层，装填圆盘形塑料填料，每层装填高度160 mm，两层填料间有80 mm的间隔层。填料为高效悬浮生化环填料(购自郑州华康环保材料有限公司)，材质为HDPE，直径25 mm，厚度8 mm，比重0.95~1.1 g·cm^-3，比表面积约为1 000 m²·m^-2，孔隙率≥95%。水流方向为上向流，装置最上端设有一个出水口和一个集气管。由蠕动泵控制反应器进水，下部进水的同时上部出水。试验装置置于恒温箱内，温度控制为30 ℃^[7]。

图 1 废水处理试验装置(mm) Figure 1　Schematic diagram of experimental equipment(mm)

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本实验采用3种污泥进行接种，分别为厌氧污泥、混合污泥和反硝化污泥，厌氧污泥取自山东淄博以牛粪为主要发酵原料的沼气工程，混合污泥和反硝化污泥均取自济南市水质净化一厂。厌氧污泥TS 8.9%，VS 45%，其微生物群落主要由芽孢杆菌、梭菌、乙酸细菌、产甲烷菌等兼性厌氧或专性厌氧异养细菌组成，并存在少量的反硝化细菌。混合污泥为污水厂脱水污泥，TS 78%，VS 58%，污泥中含有曝气池污泥、反硝化池污泥和二沉池污泥，同时存在反硝化细菌和硝化细菌。反硝化污泥中主要微生物为反硝化细菌，含水率98.7%，MLSS 3 500 mg·L^-1，MLVSS 2 100 mg·L^-1，SV% 24%，经静置30 min后取底部沉降污泥备用。

反应器接种3种污泥均采用同样的启动策略。先将填料浸泡于接种物中24 h，确保填料上粘附一定量的微生物后装填入反应器，加入营养液至厌氧滤池设计容量。通过蠕动泵对反应器进水，模拟废水由NH₄Cl、NaNO₂及营养盐组成。初始阶段进水NO₂-N和NH₄⁺-N质量浓度比为1.0左右，然后逐渐提高亚硝氮、氨氮浓度比。通过模拟废水浓度调整进水中各污染物指标，以亚硝氮和氨氮同时去除并呈现一定的比例关系(1.2~1.3:1)为表征，判断厌氧氨氧化反应是否启动成功。

由于Anammox菌对生长环境极为敏感，为避免基质抑制作用，接种3种污泥启动厌氧氨氧化反应均采用低负荷低氨氮的策略。启动初始阶段，模拟废水氨氮和亚硝氮浓度均为30 mg·L^-1，从21 d开始逐步增加氨氮、亚硝氮浓度，并提高进水亚硝氮/氨氮浓度比。为确定氮素去除稳定性，以3 d为一个周期测定出水指标，每改变一个负荷，稳定进水指标时间为9 d。

启动时进水速率要考虑到既能顺利挂膜，又确保填料上的生物膜避免过度冲刷，因此选择了初期较低的进水速率，并随着生物膜的生长逐渐增加的策略。启动过程分为3个阶段：在启动的前21 d，每2 d进水1次，每次进水量为反应器容积的1/5~1/4，进水速率为10~20 L·min^-1·m^-3池容，回流比2~3:1；22~36 d，每日进水1次，每次新鲜进水量为反应器容积的1/4~1/3，进水速率为20~30 L·min^-1·m^-3池容，回流比3~4:1；37~60 d，每日进水2~3次，每次新鲜进水量为反应器容积的1/5~1/4，进水速率为20~30 L·min^-1·m^-3池容，回流比4~5:1。试验过程中根据出水水质指标调整进水水质和处理负荷。

模拟废水营养液由以下成分组成：EDTA 5 000~10 000 mg·L^-1，MgSO₄ 100 mg·L^-1，KH₂PO₄ 500~1 000 mg·L^-1，NaHCO₃ 500~1 000 mg·L^-1。

厌氧氨氧化反应成功启动后，在反硝化污泥启动的装置中，通过调整进水水质及水力停留时间，逐步增加系统脱氮处理能力。在厌氧氨氧化反应稳定的基础上，添加葡萄糖作为外加碳源，并逐步增加废水中葡萄糖浓度，提高厌氧氨氧化菌的耐受性。氨氮、亚硝氮在90、120 mg·L^-1时分别以30、40 mg·L^-1的梯度增加，最高值达到360、480 mg·L^-1，同时COD以25 mg·L^-1开始逐步增加浓度，最高值达到150 mg·L^-1。

水样分析项目测定中氨氮采用凯氏定氮法(FOSS KJELTEC 2300凯氏定氮仪)，NO₂-N采用N-(1-萘基)乙二胺光度法^[8]；总氮采用流动注射分析法(瑞典FiaStar 5000离子连续流动分析仪)；pH值采用上海三信CL200笔式多功能测试仪测定；COD采用美国哈希DR 2800 COD测定仪测定。

由图 2可见，以反硝化污泥启动初期，反应器出水亚硝氮几乎可以全部去除，氨氮不降反升，总氮去除率处于不稳定的状态。说明反应器中以反硝化反应为主，出水氨氮浓度偶尔会出现高于进水浓度的情况，是由于菌体自溶释放所致。21 d后，氨氮、总氮去除率逐渐增高，第42 d，氨氮、总氮去除率分别达到78.5%、82.2%，亚硝氮/氨氮去除比为1.39，与理论数值1.32接近。同时观察填料上附着的生物膜，细菌颜色由浅褐色转变为红色，说明反应器内主导菌群已由反硝化菌转化为厌氧氨氧化菌，厌氧氨氧化反应启动成功。此后，进一步提高进水水质浓度，最高进水浓度分别为氨氮180 mg·L^-1、亚硝氮240 mg·L^-1，此过程中脱氮效率保持稳定，氨氮、总氮的去除率维持在80%、85%以上。

图 2 反硝化污泥启动厌氧氨氧化反应过程 Figure 2　Performance of anammox on denitrifying sludge

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接种厌氧污泥启动厌氧氨氧化反应的驯化过程中(图 3)，启动前期氨氮、总氮去除率很不稳定，总氮去除率明显高于氨氮去除率，氮素的去除主要是由反硝化作用贡献的。24~54 d，氨氮、总氮去除率缓慢上升，且增长趋势类似，说明以厌氧污泥启动厌氧氨氧化反应稳定性较强。第54 d，氨氮、总氮去除率分别达到77.2%、78.9%，亚硝氮/氨氮去除比达到1.27，去除效率在随后的时间内保持稳定，污泥颜色由黑色逐渐转化为红褐色，厌氧氨氧化反应启动成功。启动稳定后，系统氨氮、总氮的去除率稳定在75%以上。

图 3 厌氧污泥启动厌氧氨氧化反应过程 Figure 3　Performance of anammox on anaerobic sludge

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以混合污泥启动厌氧氨氧化反应的情况见图 4。启动前期氨氮、总氮去除率均维持在较低的水平，氨氮、亚硝氮和硝态氮的降解没有体现出规律。18~45 d，反应器内总氮和氨氮去除率逐渐增高，但增长的速率并不一致，反应器内的菌群处于不断演变过程中。第45 d，氨氮、总氮去除率分别达到66.9%、73.7%，亚硝氮/氨氮去除比达到1.43，去除效率在随后的时间内保持稳定，污泥颜色由黑褐色逐渐转化为红褐色，厌氧氨氧化反应启动成功。接种混合污泥启动厌氧氨氧化反应在第45 d启动成功。

图 4 混合污泥启动厌氧氨氧化反应过程 Figure 4　Performance of anammox on mixed sludge

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菌种是生物反应器的核心，接种污泥的选择对厌氧氨氧化反应器的启动和运行都极为重要。试验表明，反硝化污泥、厌氧污泥、混合污泥均可成功启动厌氧氨氧化反应，所需的时间分别为42、54、45 d。从启动所需时间和总氮去除率进行比较，3种污泥启动Anammox反应的有效性为：反硝化污泥＞混合污泥＞厌氧污泥。从图 5可以看出，以反硝化污泥启动厌氧氨氧化效果最好，不仅较快启动成功，启动后对总氮的去除率也较高。由于反硝化细菌和厌氧氨氧化菌都属于厌氧菌，代谢类型相似，且污泥中反硝化细菌总量较高，因此在启动时菌种活性较强，适应时间较短。混合污泥中由于存在硝化细菌，可以消耗进水中的溶解氧，降低水中的氧化还原电位，促进系统向厌氧氨氧化适应的条件转变，因此启动时间也较短。以厌氧污泥进行启动时，由于污泥中的主要微生物为产甲烷菌，反硝化细菌不占优势，因此其扩繁和氨氧化的转化速度较慢，启动时间最长。

图 5 不同污泥启动厌氧氨氧化过程脱氮效果比较 Figure 5　Nitrogen removal effect in anammox process started up by different sludges

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从3种污泥接种启动反应来看，厌氧氨氧化反应的启动分为3个阶段：菌落适应阶段、活性迟滞阶段、活性稳定阶段^[9]。第一阶段为接种污泥中细菌的转化与重组，该阶段中一方面存在接种细菌发挥原有功能，另一方面不适应控制环境的细菌发生自溶，符合营养条件的厌氧氨氧化菌落逐渐增长，本阶段污染物的降解效果可能发生波动；第二阶段，厌氧氨氧化菌群大量增殖，厌氧氨氧化反应逐渐增强，氮素的降解处于稳步提高的阶段；第三阶段，系统中厌氧氨氧化菌群成为主导菌群，菌落数量保持稳定，氮素的降解也处于较高水平。

如图 6所示，试验采取逐步增加水质浓度、缩短水力停留时间(HRT)的进水方式。启动初期以反硝化菌为主导，亚硝氮的去除率很高，氨氮的去除很不稳定，进水以较低的水力负荷维持了18 d，促使菌群逐渐向厌氧氨氧化菌群转化。18 d后，随着厌氧氨氧化反应逐渐增强，总氮的去除率超过了50%，开始逐步增加水质氨氮、亚硝氮浓度，并在出水水质稳定的情况下逐步缩短HRT。由于厌氧氨氧化菌的倍增时间较长(11 d)，前期保持较长的HRT(48 h)。后期(42 d以后)菌群富集，厌氧氨氧化启动成功后，HRT也随之降低，试验结果表明维持在6~20 h的HRT均可保持较高的脱氮效率。同时由于厌氧氨氧化菌易流失的特性，进水时控制在进水速率为20~30 L·min^-1·m^-3池容为宜。第84 d，氨氮、总氮去除率分别达到81.9%、83.8%，HRT为6 h，最大TN去除负荷(以N计)为1.408 kg·m^-3·d^-1。

图 6 水力停留时间对脱氮效果的影响 Figure 6　Effect of HRT on nitrogen removal efficiency

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在反硝化污泥启动厌氧氨氧化反应稳定之后，保持水力停留时间6 h，逐步提高氨氮、亚硝氮和葡萄糖浓度。如图 7所示，提升负荷开始时，系统氨氮、总氮去除率分别由图 6启动反应时第90 d的80.1%、82.8%缓慢上升，在负荷持续提升的过程中，总氮去除率最高达到86.9%(27 d)，此后总氮的去除率有所下降。氨氮、亚硝氮进水指标为360、480 mg·L^-1时，两者出水指标分别为10~120、120~130 mg·L^-1，总氮去除率降到70%~75%。亚硝酸盐是厌氧氨氧化菌的基质，同时也是抑制剂，浓度过高时会抑制厌氧氨氧化菌的生长。从本实验的结果来看，基质浓度高于300、400 mg·L^-1时，将在一定程度上影响去除效率。该系统中厌氧氨氧化菌对氨氮、亚硝氮的适宜浓度负荷为270、360 mg·L^-1。在提升负荷的过程中，没有发生失稳现象，说明双层填料的滤器在微生物的固持方面有较好的作用。

图 7 厌氧氨氧化反应器提升负荷及外加碳源对指标降解率的影响 Figure 7　Effect of lifting load and the addition of carbon source on the target object degradation rate in the anammox reactor

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厌氧氨氧化菌是一种自养菌，成长的基质为氨氮和亚硝氮，碳源的存在一方面对厌氧氨氧化菌是毒性物质，另一方面将会促进非厌氧氨氧化菌的生长，影响厌氧氨氧化菌的生长空间^[10]。本实验中，在较低浓度的碳源物质存在情况下，对脱氮效果的影响可以接受，同时COD也有一定程度的降解，最高COD降解率达37.8%，说明系统中存在着厌氧产甲烷菌的生物降解作用。但COD提高至150 mg·L^-1以上时，系统的COD去除率下降至30%以下，同时由于氮素负荷提高的叠加影响，脱氮效率也有所下降。

(1) 利用厌氧滤器启动厌氧氨氧化反应，试验发现，接种反硝化污泥、厌氧污泥、混合污泥均可启动厌氧氨氧化反应，总氮去除率分别于第42、54、45 d达到82.2%、78.9%、73.7%。3种污泥启动厌氧氨氧化反应的有效性为：反硝化污泥＞混合污泥＞厌氧污泥。

(2) 上流式双层滤器对Anammox菌有较好的固持作用，在高负荷下稳定性强，反应器对氨氮、亚硝氮的适宜浓度负荷分别为270、360 mg·L^-1。

(3) 废水中含有少量碳源对厌氧氨氧化反应的抑制程度是可以接受的，系统中同时存在厌氧氨氧化和甲烷化效应，废水中COD浓度不宜超过150 mg·L^-1，处理废水时可以通过增加回流实现最佳处理条件。