随着水体富营养化日益严重，氮素污染防治已成为当今水污染>控制领域的一个热点话题，尽管传统的生物脱氮工艺可以达到良好的脱氮效果，但是其仍然存在着很多弊端，例如：工艺流程长、能耗高、碳源消耗量大等。因此开发和推广新型脱氮技术已成为必然。其中，厌氧氨氧化生物脱氮技术具有耗能低、占地面积小、节省碳源、污泥产量少等优点〔1, 2〕，成为近年来国内外学者的研究热点。
目前，对厌氧氨氧化技术的研究国内外差距较大，国外起步较早，主要集中在对脱氮机理的深入研究以及实际工程的应用研究;而国内对厌氧氨氧化技术的研究绝大多数处于实验室研究阶段，主要集中在以下三点：厌氧氨氧化反应器的启动、影响因素的研究和微生物特性的研究〔3〕。启动成功的厌氧氨氧化反应器具有良好的脱氮效果，如：唐崇检等〔4〕研究了高负荷厌氧氨氧化EGSB反应器的运行状况，该反应器经过230 d的连续运行之后，获得容积基质氮物去除速率为50.75 kg/(m3·d);王凯等〔5〕采用短程SBR联合厌氧氨氧化处理晚期垃圾渗滤液，在运行稳定后总氮去除率达90%以上。
虽然厌氧氨氧化技术有着很广阔的应用前景，但到目前为止，国内此项技术还没有完全应用到实际工程中去，原因是厌氧氨氧化菌代谢十分缓慢，大概2～3个星期才增殖1次〔6〕，导致反应器启动时间过长;同时，厌氧氨氧化菌对温度、pH、溶解氧等环境因素要求苛刻，实际工程中很难控制。笔者通过接种好氧絮状污泥和厌氧颗粒污泥来培养驯化厌氧氨氧化污泥，对厌氧氨氧化反应器的启动情况作了探究。
1 材料与方法
1.1 试验装置
试验采用3个相同的自制玻璃反应器模拟厌氧序批式反应器(ASBR)，如图 1所示。
图 1 实验装置
1—进水池；2—恒温水浴槽；3、4、5—ASBR；6、7、8—出水集水瓶；9—温控仪
反应器内径124 mm、外径140 mm、壁厚8 mm、高度260 mm，总容积2.8 L，有效液体容积为2.5 L，其中接种污泥1 L，模拟废水1.5 L，反应器置于恒温水槽中，水槽温度控制在34～36 ℃。
1.2 接种污泥与模拟废水
试验接种污泥分别为好氧絮状污泥和厌氧颗粒污泥，其中好氧污泥取自某市A2O工艺污水处理厂二沉池进水，厌氧污泥为本课题组实验室原有的ASBR中的厌氧颗粒污泥。模拟废水为人工配制，其具体组成： KH2PO4 0.027 g/L、CaCl2 0.136 g/L、MgSO4·7H2O 0.300 g/L、NaHCO3 1.000 g/L、微量元素浓缩液Ⅰ1 ml/L、微量元素浓缩液Ⅱ1 ml/L，NH4Cl、NaNO2按需投加。其中微量元素浓缩液Ⅰ的组成为：EDTA 5 g/L、FeSO4 5 g/L。微量元素浓缩液Ⅱ的组成为：EDTA 15 g/L、ZnSO4·7H2O 0.43 g/L、CoCl2·6H2O 0.24 g/L、MnCl2·4H2O 0.99 g/L、CuSO4·5H2O 0.25 g/L、NaMoO4·2H2O 0.22 g/L、NiCl2·6H2O 0.19 g/L、NaSeO4·10H2O 0.21 g/L、H3BO4 0.014 g/L〔7, 8〕。
1.3 分析项目与方法
氨氮：纳氏试剂分光光度法;亚硝氮：N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;硝氮：紫外分光光度法;pH：pH计;污泥粒径：激光粒度分析仪;混合液悬浮固体浓度(MLSS)和混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)：标准重量法。
1.4 试验方法
将3个反应器进行编号，其中1号反应器不接种污泥，只注入模拟废水，在相同条件下检测在30 d内NH4+ 与NO2-浓度的变化，验证NH4+ 与NO2-的厌氧氨氧化反应是否存在化学作用;2号反应器接种好氧污泥;3号反应器接种厌氧颗粒污泥。2号、3号反应器中的MLSS分别为4.46、7.39 g/L，MLVSS分别为2.72、5.00 g/L，起始污泥体积平均粒径分别为89.92、600.21 μm。在实验过程中，对反应器进行严格密封，对进水未进行脱氧处理，反应器内pH在7.0～8.5。反应器进水5 min、出水5 min，进出水量均为1 L，反应器内未设搅拌装置，每隔2 h摇晃1次。
实验过程分为两个阶段，即污泥适应期和污泥活性提升期。在污泥适应期，进水氨氮与亚硝氮质量浓度控制为50～80 mg/L，水力停留时间为3 d;当出现厌氧氨氧化现象后进入污泥活性提升期，在污泥活性提升期，进水氨氮与亚硝氮质量浓度控制为80～150 mg/L左右，水力停留时间为3 d。定期检测出水氮素的浓度，分析氮素去除情况，并每隔1个月检测污泥粒径的变化。
2 结果与讨论
2.1 空白实验
检测30 d内1号反应器内氮素浓度的变化，结果如图 2所示。
图 2 空白实验中氮素浓度的变化
从图 2可以看出，在纯基质条件下，氮素浓度没有减小的趋势，说明NH4+ 与NO2-在本实验条件下，不会发生化学反应。因此，在2号、3号反应器中，若氨氮与亚硝氮浓度同时减少则不会是由化学作用引起的。
2.2 反应器的启动
2号反应器的启动情况如图 3所示。
从图 3可以看出，在第70天以前(污泥适应期)，出水氨氮浓度不稳定，几乎没有去除，甚至有升高的现象，原因是微生物不适应新环境，部分微生物死亡，细胞破裂，细胞内的氨氮物质释放出来，导致出水氨氮浓度升高。这一点与刘守勇等结论一致〔9〕。而亚硝氮一开始去除率就达到了90%以上，这是因为接种污泥中有大量的异养反硝化菌，进入新的厌氧环境后利用污泥中剩余的有机质作为电子供体，亚硝氮为电子受体发生了异养反硝化反应。在第13天，出水亚硝氮浓度突然急剧升高，而氨氮出水浓度突然降低，通过检测发现体系中溶解氧高于0.5 mg/L。由此可以判断体系中有好氧氨氧化菌，当溶解氧浓度达到一定范围后，好氧氨氧化菌将氨氮氧化为亚硝氮或硝态氮，而35 ℃正好利于亚硝氮的积累，所以氨氮浓度降低而亚硝氮浓度升高。通过对反应器的密封性进行完善，到第30天时恢复正常。随着体系中有机质的量越来越少，异养反硝化作用越来越弱，表现为亚硝氮的去除率逐渐降低。在第70天以后，通过检测发现氨氮和亚硝氮出水浓度均出现降低现象，氨氮与亚硝氮得以同时去除，说明体系中出现了厌氧氨氧化反应，故实验进入第二阶段，即污泥活性提升期。在第70天—第87天，氨氮的去除率逐渐上升，亚硝氮的去除率逐渐降低，亚硝氮与氨氮的去除量之比(物质的量之比，下同)大于理论的1.32〔9〕。这段时间内体系中既有反硝化反应也有厌氧氨氧化反应。在第87天以后，氨氮与亚硝氮去除率均呈逐渐上升趋势。此时，体系内的反硝化反应已停止，厌氧氨氧化反应为主要脱氮途径。到第120天的时候，氨氮、亚硝氮的去除率分别达到44.6%、57.5%，且氨氮去除量和亚硝氮去除量、硝态氮生成量之比平均为1∶1.28∶0.23，接近理论比值1∶1.32∶0.26〔10〕。污泥颜色由起初的土黄色变成褐色。根据厌氧氨氧化反应器启动成功的特点，即氨氮去除量和亚硝氮去除量、硝态氮生成量之比接近1∶1.32∶0.26，厌氧氨氧化污泥为褐色、红褐色、暗红色〔3〕，能够说明2号厌氧氨氧化反应器启动成功。
图 3 2号反应器的启动
2.3 3号反应器的启动
3号反应器的启动情况如图 4所示。
图 4 3号反应器的启动
从图 3(a)可以看出，第1天—第40天为污泥适应期，氮素出水浓度的变化跟2号反应器的情况类似。40 d以后，氨氮、亚硝氮开始得以同时去除，实验进入污泥活性提升期，第40天—第80天期间体系中存在异氧反硝化和厌氧氨氧化两种脱氮途径。从第80天开始反硝化反应结束，厌氧氨氧化反应成为主要的脱氮途径，且脱氮效果逐渐上升，到第120天时，3号反应器中氨氮与亚硝氮的去除率分别达到了64.2%和71.7%，且氨氮去除量和亚硝氮去除量、硝态氮生成量之比平均为1∶1.23∶0.23，接近理论值(1∶1.32∶0.26)。观察反应器内污泥外观可以看到污泥表面成暗红色。说明3号反应器中厌氧氨氧化反应启动成功，且效果优于2号反应器。
2.4 污泥粒径的变化
每隔一个月对污泥粒径的大小进行检测，4个月来污泥粒径的变化如表 1所示。
从表 1可以看出，2号反应器内污泥粒径逐渐变大，而3号反应器内污泥粒径先是变小，然后随着时间的推移逐渐变大，这是因为2号反应器接种的污泥本身是絮状的，进入新的厌氧环境后，受环境的影响，污泥形态逐渐颗粒化，故可检测出粒径逐渐变大。而3号反应器接种的是在厌氧异养环境中已经形成的颗粒污泥，当其进入新的自养环境后，起初不适应环境导致颗粒变小〔11〕，随着培养时间的进行，污泥粒径逐渐增大。。
3 结论
(1)在35 ℃的恒温条件下不论接种好氧絮状污泥还是厌氧颗粒污泥，经过一段时间的培养都可成功启动厌氧氨氧化反应，且经过120 d的培养，二者对氨氮和亚硝氮的去除率分别达到了44.6%、57.5%和64.2%、71.7%。
(2)经过120 d的培养，2、3号反应器内氨氮去除量与亚硝氮去除量、硝态氮生成量之比分别为1∶1.28∶0.23和1∶1.23∶0.23，接近理论值(1∶1.32∶0.26)。2号反应器内污泥颜色由土黄色变为褐色，3号反应器内污泥颜色由纯黑色变为黑色中夹杂着暗红色。
(3)不论是启动时间还是氮素去除率，3号反应器均优于2号反应器，说明以厌氧颗粒污泥为接种污泥来启动厌氧氨氧化反应效果更好。
