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--> --> --> 厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation，Anammox)自1995年被发现便一直为污水处理领域的研究热点[1]，具有不需要外加碳源、节省曝气能耗、污泥产量少、运行成本低等优势[2-3]。一段式短程硝化-厌氧氨氧化工艺，即首先好氧氨氧化菌(aerobic ammonia-oxidizing bacteria，AOB)在特定溶解氧等条件下将部分
目前用于深度去除
近年来，将固相缓释碳源作为反硝化碳源，逐渐成为研究及应用的热点。玉米芯，麦秆等天然固相碳源释碳不稳定，且含有非碳成分[14-15]。而高分子聚合物缓释碳源具有碳源释放缓慢，可长效释碳，且不会造成二次污染的优点[16-18]。高分子聚合物中聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoates，PHAs)是最合适用于反硝化脱氮的固体基质[19]，其反硝化速率远高于麦秆等天然有机物质，且PHAs的成本较低[20]。近年来，PHAs中的聚羟基丁酸/戊酸酯(PHBV)作为反硝化碳源和生物膜载体的研究逐渐增多，显示了PHBV应用于生物反硝化脱氮领域的巨大潜力[21-22]。然而，目前将一段式短程硝化-厌氧氨氧化工艺与含有缓释碳源的滤柱耦合起来进行深度脱氮的研究鲜有报道。
综上所述，本文首先使用序批式反应器(sequencing batch reactor，SBR)研究一段式短程硝化-厌氧氨氧化工艺的启动驯化，当系统达到稳定运行后，其出水利用含有新型缓释碳源PHBV的滤柱进行深度脱氮，考察了不同缓释碳源体积填充比的滤柱中的运行效果，探索了缓释碳源的最佳体积填充比，为工程应用提供技术支持。
1.1. 实验装置
如图1所示。一段式短程硝化-厌氧氨氧化SBR为不锈钢材质，内径为23 cm，外径为34 cm，高度为50 cm，有效容积为18 L，排水比50%。反应器外层为水浴加热层，温度维持在30 ℃左右，反应器设有搅拌装置。由曝气泵和钛合金曝气头(曝气头孔径为10 μm，直径80 mm，高50 mm)来实现连续曝气，曝气量由气体流量计控制。反应器由PCL控制系统实现自动控制。运行总周期为12 h，进水12 min，曝气搅拌635 min，静置60 min，排水13 min。
滤柱均由有机玻璃制成，有效容积500 mL，按不同体积填充比将缓释碳源与火山石进行混合填充(1%、5%、10%、15%、25%)，并设置空白组(只填充火山石，无缓释碳源)。实验采用PHBV为缓释碳源，PHBV具有生物可降解性和在水中的不可溶性这2个特点，为淡褐色颗粒状，购于宁波天安生物科技有限公司。
1.2. 接种污泥和实验用水
SBR接种污泥取自某污水处理厂厌氧氨氧化反应器。接种污泥混合液悬浮固体质量浓度(MLSS)为6 858 mg·L?1，混合液挥发性悬浮固体质量浓度(MLVSS)为3 580 mg·L?1。各滤柱中活性污泥采用自然挂膜培养。SBR进水分别以(NH4)2SO4、NaNO2及NaHCO3作为
1.3. 实验方法
在SBR中进行一段式短程硝化-厌氧氨氧化工艺的启动驯化及稳定运行，各阶段运行参数如表1所示。首先进水
1.4. 分析方法与计算
各项指标测定方法均按照国标法[24]测定。
根据厌氧氨氧化反应和一段式短程硝化-厌氧氨氧化反应的化学计量比方程可知，在NOB活性被抑制条件下，SBR中，厌氧氨氧化反应
式中：NA为厌氧氨氧化反应
2.1. 一段式短程硝化-厌氧氨氧化工艺的启动及稳定运行
1)脱氮性能分析。在SBR中通过逐步提高进水
第Ⅰ阶段(1~7 d)是Anammox菌适应阶段。进水
第Ⅱ阶段(8~65 d)致力于提高AOB活性。为避免因
第Ⅲ阶段(66~86 d)进水
第Ⅳ阶段(86~102 d)提高进水
第Ⅴ阶段(103~128 d)调整进水
第Ⅵ阶段(129~176 d)为一段式短程硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行阶段。
2)化学计量比分析。在实验过程中进行化学计量比分析，由此可以判断反应器中的脱氮途径[32]。由厌氧氨氧化反应方程式可知，厌氧氨氧化反应
如图7所示，第Ⅰ阶段ΔTN/
在第Ⅰ~Ⅴ阶段，
第Ⅰ~Ⅴ阶段，各阶段初期
3)功能菌活性分析。为探究启动过程中各功能菌活性变化，在各阶段末取混合污泥，进行批式实验来测定其活性。如图8所示，接种初期Anammox菌活性为4.6 mg·(h·g)?1，第126天提升至10.6 mg·(h·g)?1。第Ⅵ阶段，经过44 d培养，Anammox菌活性提升至12.6 mg·(h·g)?1。张凯等[25]通过不断缩短HRT强化Anammox菌活性，经过188 d培养，Anammox菌活性增加至7.7 mg·(h·g)?1。MIAO等[34]在成功启动的一段式短程硝化-厌氧氨氧化工艺SBR中，经过178 d的稳定运行，Anammox菌活性由0.6 mg·(h·g)?1提升到1.2 mg·(h·g)?1。
经过170 d培养后，AOB活性由1.2 mg·(h·g)?1提升至8.6 mg·(h·g)?1，并且一段式短程硝化-厌氧氨氧化反应
本研究中AOB和Anammox菌活性逐渐上升，而NOB活性始终维持在1.0 mg·(h·g)?1以下，AOB和Anammox菌活性远大于NOB，这更有利于一段式短程硝化-厌氧氨氧化工艺的稳定运行。
2.2. 深度脱氮分析
1)不同缓释碳源体积填充比滤柱的脱氮效果分析。在15 ℃低温条件下，对SBR稳定运行阶段(147~176 d)出水进行深度脱氮研究。各滤柱缓释碳源体积填充比为1%、5%、10%、15%、25%，并设无缓释碳源添加的空白组。由于各滤柱进水中有SBR出水悬浮污泥且进水桶中DO约为4.2 mg·L?1，为滤柱中的短程硝化反应创造了条件[36]，所以第1~30天内所有滤柱中均发生短程硝化-厌氧氨氧化反应，研究结果如图9所示。
在第1~8天，空白组和1%滤柱
5%~25%滤柱中Anammox菌也逐渐适应新环境。第15~19天，
由于滤柱中微生物是自然挂膜生成，所以各滤柱中缓释碳源溶解性有机物的产生与消耗保持稳定状态，未出现启动初期出水COD过高的情况[39,41]，1%~25%滤柱平均出水COD值分别为11.2、14.3、17.3、19.3、32.9 mg·L?1。由图10可知，15%滤柱和25%滤柱的TN去除率均达到93.8%，说明15%滤柱和25%滤柱均可提供充足碳源。综合考虑脱氮效果、出水COD和缓释碳源填充量，得出在该运行条件下，最佳缓释碳源体积填充比为15%。
2)耦合系统TN去除效果分析。对SBR与15%滤柱组成的耦合系统进行TN去除效果分析。由图11可知，因为第5天15%滤柱中出现反硝化作用，且Anammox菌适应了滤柱中的环境而提升了一段式短程硝化-厌氧氨氧化的反应效果，故第5天开始耦合系统TN去除率开始升高。耦合体系在第22 天达到最佳脱氮效果，第22~30天，SBR进水TN为(125±4) mg·L?1，SBR出水TN为(40±5) mg·L?1，但15%滤柱中出水TN小于5 mg·L?1。第22~30天，SBR中平均TN去除率为67.8%，而耦合系统平均TN去除率达96.7%以上，TN去除率增高了28.9%，比一段式短程硝化-厌氧氨氧化反应理论TN去除率高8.7%。在目前报道的提升一段式短程硝化-厌氧氨氧化反应TN去除率的研究中属于较高水平[42-43]。
2)阶段性投加羟胺，对刺激AOB的活性和抑制NOB的活性有显著效果，最终AOB和Anammox菌活性分别提高至8.6 mg·(h·g)?1和12.6 mg·(h·g)?1，而NOB活性低于0.5 mg·(h·g)?1。
3)在15 ℃低温条件下，缓释碳源体积填充比为15%的滤柱具有最佳的脱氮效果，出水TN小于5 mg·L?1，平均出水COD值为19.3 mg·L?1，且碳源的释放与消耗保持稳定状态。缓释碳源体积填充比为15%的滤柱中在一段式短程硝化-厌氧氨氧化反应与反硝化反应的共同作用下完成深度脱氮。
4) SBR与缓释碳源体积填充比为15%的滤柱组成的耦合系统中平均TN去除率达到96.7%，与SBR相比，TN去除率提升了28.9%，且比一段式短程硝化-厌氧氨氧化反应理论TN去除率高8.7%。通过SBR与缓释碳源体积填充比为15%的滤柱的耦合，TN去除率得到有效提升。
参考文献
