厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation anammox)是20世纪90年代开发的一种新型生物脱氮工艺^[1-2]，它是指在厌氧或缺氧条件下，厌氧氨氧化菌以氨氮为电子供体，以亚硝态氮为电子受体，将两者转化为氮气的过程^[3-4].与传统的硝化—反硝化工艺相比，厌氧氨氧化工艺具有耗氧量少、污泥产量低、无需外加有机碳源和无二次污染等优点^[5-6]，其生物脱氮反应式^[7]为

$ \begin{align} &\text{NH}_{4}^{+}\text{+1}\text{.32NO}_{2}^{-}\text{+0}\text{.066HCO}_{3}^{-}\text{+0}\text{.13}{{\text{H}}^{\text{+}}}\to \\ &\text{1}\text{.02}{{\text{N}}_{\text{2}}}\text{+0}\text{.256NO}_{3}^{-}\text{+0}\text{.066C}{{\text{H}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{\text{0}\text{.5}}}{{\text{N}}_{\text{0}\text{.15}}}\text{+2}\text{.03}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\text{. }\!\!~\!\!\text{ } \\ \end{align} $

目前，关于厌氧氨氧化的脱氮技术已经取得了一定的研究成果和实践经验^[8-9]，但是如何显著提高厌氧氨氧化菌的脱氮效能仍是制约其工程应用的关键.污泥龄是活性污泥处理系统设计、运行的重要参数，对系统的运行稳定性、出水水质和微生物的工作效能具有重要影响^[10]，探究不同污泥龄对微生物工作效能和生长状况的影响具有重要意义.目前，国内对于污泥龄的研究主要集中于好氧污泥领域^[11-12]，而针对厌氧氨氧化污泥的研究较少，且主要侧重于污泥龄对微生物脱氮性能的影响^[13-14]，关于不同污泥龄条件下厌氧氨氧化菌动力学特性的研究较少.

本实验采用一组SBR反应器接种成熟厌氧氨氧化污泥，研究梯度降低污泥龄过程中系统的NO₂^--N去除负荷和NO₂^--N污泥负荷，以此来确定不同污泥龄对厌氧氨氧化反应器脱氮性能的影响.当前，莫诺模型广泛应用于污水中微生物降解动力学的研究^[15]，已有学者初步证明该模型可用于描述厌氧氨氧化菌的动力学行为^[16-17]，为了进一步确定不同污泥龄条件下厌氧氨氧化菌的动力学特性，选用莫诺模型分析不同阶段厌氧氨氧化过程的动力学行为，以期进一步明晰不同污泥龄条件下厌氧氨氧化菌的代谢速率和脱氮潜能.

1 实验 1.1 实验装置

实验采用一组SBR反应器，如图 1所示，反应器由有机玻璃精加工制成，内径100 mm，高700 mm，有效体积为10.6 L.反应器器壁垂直方向上设有一排取样口，外壁用黑色材料包裹，避免反应器内藻类增殖以及阳光对厌氧氨氧化菌的影响，进水由蠕动泵从反应器底部打入，容积交换率为2/3，水力停留时间为8 h.为了探究常温条件下梯度降低污泥龄对厌氧氨氧化菌脱氮效能和动力学特性的影响，将反应器运行温度控制在(25±2) ℃.

1.2 接种污泥和实验水质

接种污泥采用在氨氮质量浓度为200 mg/L、亚硝酸盐氮质量浓度为200 mg/L的人工配水水质条件下稳定运行的SBR反应器中的成熟厌氧氨氧化污泥，污泥的MLSS为5 320 mg/L，平均化学计量比为1：1.22：0.25，对氨氮和亚硝酸盐氮的去除率均在80%以上，总氮去除率为78.5%，总氮去除负荷为1.05 kg/(m³·d)，接种体积为10.0 L.

实验进水为人工模拟废水，NH₄⁺-N和NO₂^--N质量浓度均为200 mg/L，无机碳由NaHCO₃提供，碳氮比为5：1，KH₂PO₄为2.5 mg/L，CaCl₂为12.5 mg/L以及1.00 mL/L的微量元素；微量元素组分为：EDTA(15 g/L)，CoCl₂·6H₂O(0.25 g/L)，ZnSO₄· 7H₂O(0.42 g/L)，CuSO₄·5H₂O(0.24 g/L)，MnCl₂· 4H₂O(0.98 g/L)，H₃BO₄(0.015 g/L)，NiCl₂·2H₂O(0.020 g/L)，NaWO₄·2H₂O(0.060 g/L).根据厌氧氨氧化的生物脱氮反应式^[7]，NH₄⁺-N和NO₂^--N的化学计量比理论值为1：1.32，本实验将NH₄⁺-N和NO₂^--N质量浓度比设置为1：1，使NO₂^--N处于限基质状态，便于研究梯度降低污泥龄过程中NO₂^--N污泥负荷与厌氧氨氧化菌的动力学特性.

1.3 实验方法

以200 mg/L的NH₄⁺-N和NO₂^--N质量浓度运行厌氧氨氧化反应器，以21、18、15和12 d的梯度降低系统的污泥龄，通过研究梯度降低污泥龄过程中系统的NO₂^--N去除负荷和NO₂^--N污泥负荷来确定不同污泥龄对厌氧氨氧化反应器脱氮性能的影响.选用莫诺模型分析厌氧氨氧化过程的动力学行为，以期明晰不同污泥龄条件下厌氧氨氧化菌的代谢速率和脱氮潜能.

1.4 分析项目及方法

氨氮测定采用纳氏试剂光度法；亚硝酸盐氮测定采用N-(1萘基)-乙二胺光度法；硝酸盐氮测定采用紫外分光光度法；pH、溶解氧(DO)以及温度测定采用便携式的WTW pH/Oxi 340i及在线式的WTW pH296 Oxi296；MLSS和MLVSS采用质量法进行测定.

2 结果与讨论 2.1 反应器脱氮性能以及生物量变化

梯度降低污泥龄过程中NO₂^--N质量浓度、NO₂^--N去除负荷、NO₂^--N污泥负荷和MLVSS变化如图 2、3所示.

第1阶段，污泥龄设置为21 d.为了维持系统的污泥龄，每天定期从反应器内排出部分污泥，在该污泥龄运行条件下，当厌氧氨氧化菌世代周期为14.5 d(T_d=ln(2)·SRT)时，系统的生物量能够保持动态平衡^[18]，所以，运行初期，世代周期大于14.5 d的菌种必然被淘洗出反应器，导致生物量下降.由图 2可知，反应器运行至第8天，系统的MLVSS由3 952 mg/L降低到3 420 mg/L，第9天之后，MLVSS逐渐稳定；随着生物量趋于动态平衡，系统脱氮效果也逐步稳定，化学计量比保持在1：1.29：0.25，第20天，出水的NO₂^--N质量浓度为20.6 mg/L，与进水相比，去除率为90.8%，NO₂^--N去除负荷为0.590 kg/(m³·d)，单位MLVSS NO₂^--N污泥负荷为0.178 kg/(kg·d).

从第21天开始，污泥龄降低到18 d，加大每天从反应器内排出的污泥量.同第一阶段，运行初期，由于污泥龄的骤降，世代周期大于12.5 d(T_d=ln(2)·SRT)的厌氧氨氧化菌菌种被淘洗出反应器，导致系统的MLVSS逐渐下降，反应器运行至第30天，系统的MLVSS降低到2 917 mg/L，第31天后，MLVSS趋于稳定，化学计量比也随着脱氮效率的稳定保持在1：1.31：0.24；由于厌氧氨氧化菌数量减少，导致系统整体的脱氮效率较第一阶段有所下降.由图 2、3可知，第40天，出水的NO₂^--N质量浓度为32.2 mg/L，去除率为85.3%，NO₂^--N去除负荷为0.560 kg/(m³·d)，较第一阶段结束时分别降低了5.5%和0.030 kg/(m³·d)；由于污泥量的减少，系统的污泥负荷相应增加^[19]，第40天的NO₂^--N污泥负荷为0.193 kg/(kg·d)，比第一阶段结束时提高了0.015 kg/(kg·d).

第3阶段，污泥龄降低到15 d.由于每日排泥量的增加，系统的MLVSS继续下降，于第51天稳定在2 310 mg/L，此时的化学计量比为1：1.34：0.27；污泥负荷的逐渐增加，极大促进了厌氧氨氧化菌的电子传递能力^[18]，单位质量厌氧氨氧化菌的脱氮效率进一步提升，第65天，NO₂^--N污泥负荷达到0.232 kg/(kg·d)，高于第40天的0.193 kg/(kg·d)；但是由于排泥量进一步增加，导致厌氧氨氧化菌的基数降低，系统整体的脱氮效果较第二阶段仍有所下降，第65天，出水的NO₂^--N质量浓度为38.8 mg/L，去除率为81.2%，NO₂^--N去除负荷为0.502 kg/(m³·d)，较第40天分别下降了4.1%和0.058 kg/(m³·d).

第65天以后，将污泥龄继续降低到12 d，系统的生物量以及脱氮效果的变化情况与第三阶段基本一致，该阶段化学计量比的平均值为1：1.28：0.26.反应器运行至第90天，系统的MLVSS为1 657 mg/L，出水的NO₂^--N质量浓度为49.7 mg/L，去除率为76.8%，NO₂^--N去除负荷为0.493 kg/(m³·d)，而NO₂^--N污泥负荷达到0.297 kg/(kg·d)，远高于第一阶段结束时的NO₂^--N污泥负荷.实验结果表明，随着污泥龄的梯度降低，NO₂^--N去除负荷逐渐减小，系统整体的脱氮性能逐渐下降，但是NO₂^--N污泥负荷显著提升；各反应阶段的化学计量比均非常接近理论值，说明不同污泥龄条件下，厌氧氨氧化反应均为系统的主导反应，所以，NO₂^--N污泥负荷的提升也进一步表明厌氧氨氧化菌对亚硝酸盐的摄取率显著增加.

2.2 动力学特性分析

采用Monod模型来表征厌氧氨氧化菌的动力学行为.在不同污泥龄运行阶段，选取生物量和脱氮效率稳定后的运行数据，采用周期实验的方法研究厌氧氨氧化过程的动力学特性.根据SBR的基本运行模式^[20](进水、反应、沉淀、排水和闲置)，选择在“反应”阶段进行周期实验，定时测定反应器内混匀物的NO₂^--N质量浓度，利用Monod模型式^[21](1)拟合不同NO₂^--N质量浓度下的厌氧氨氧化反应

$\frac{Xt}{{{S}_{0}}-{{S}_{\text{e}}}}=\left( \frac{{{K}_{\text{s}}}}{{{v}_{\text{max}}}} \right)~\left(\frac{1}{{{S}_{\text{e}}}}\right)+\frac{1}{{{v}_{\text{max}}}}. $

(1)

式中：X为微生物质量浓度(mg/L); t为反应时间; S₀为进水中初始NO₂^--N质量浓度(mg/L); S_e为经反应时间t后，系统中残存的NO₂^--N质量浓度(mg/L); K_s为半饱和常数，当$\mathit{v}=\frac{1}{2}{{v}_{\text{max}}}$时的NO₂^--N质量浓度; v_max为NO₂^--N最大比降解速率(d^-1).

实验第1阶段，污泥龄为21 d，反应周期为8 h.反应器运行稳定后，随机选择两个反应周期进行周期实验，结果如表 1所示.

采用Monod模型分别拟合两个周期不同NO₂^--N质量浓度下的厌氧氨氧化反应，结果如图 4所示.拟合常数(R²)分别为0.989和0.981，平均值为0.985，表明Monod模型同实测NO₂^--N数据拟合分析较好，可以将其用于本阶段亚硝酸盐降解规律的研究.由图 4的动力学方程式可知，NO₂^--N最大比降解速率v_max分别为0.403和0.408 d^-1，平均NO₂^--N最大比降解速率为0.406 d^-1；半饱和常数K_s分别为23.1和23.6 mg/L，平均半饱和常数为23.3 mg/L.

根据v_max和K_s的平均值，可以初步确定该阶段厌氧氨氧化反应的动力学模型为y=57.31x+2.46.其中，a=57.31，b=2.46，将其代入式(1)可得

$ \frac{Xt}{{{S}_{0}}-{{S}_{\text{e}}}}=\frac{57.31}{{{S}_{\text{e}}}}+2.46. $

(2)

可用式(2)来预测第1阶段反应器运行稳定后出水的NO₂^--N质量浓度S_e，为了进一步验证式(2)的适用性，另外进行一组周期实验，其实测值和预测值对比结果见表 2.可以看出，实测值和预测值的偏差均不超过5%，表明该模型具有较高的预测精度.

为了明晰实验第2~4阶段厌氧氨氧化菌的动力学行为，采用第1阶段的实验方法，分别对后续阶段厌氧氨氧化的动力学过程进行分析，拟合结果如图 5~7所示.每一阶段动力学模型的拟合常数(R²)均在0.970以上，实验结果表明在第2~4阶段，Monod模型同实测NO₂^--N数据拟合分析较好.

为了进一步验证模型的适用性，每个阶段增做一组周期实验，其实测值和预测值的对比结果见表 3.每一阶段的偏差均小于5%，证明该模型同样能够较好地表征第2~4阶段厌氧氨氧化菌的动力学行为，对反应器出水NO₂^--N质量浓度的预测精度较高.

莫诺模型最重要的两个动力学参数分别为最大比降解速率v_max与半饱和常数K_s.由图 4~7的动力学方程式可知，在污泥龄分别为21、18、15和12 d时，厌氧氨氧化菌对亚硝酸盐的最大比降解速率v_max分别为0.406、0.411、0.516和0.826 d^-1.随着污泥龄的梯度降低，v_max逐渐增大.原因在于系统中的厌氧氨氧化菌菌种较多，其遗传特性存在本质区别^[20]，导致其在生化反应中的电子传递能力差别较大，进而影响厌氧氨氧化菌的生长速率和对底物的比降解速率^[18]，随着污泥龄的逐渐降低，生长速率较慢的菌种被逐渐淘洗出反应器，当污泥龄降低到12 d时，系统中的剩余菌种大多为生长速率较快、活性较高的菌种，对亚硝酸盐的最大比降解速率达到了较高的水平.

梯度降低污泥龄的过程中，半饱和常数K_s变化明显.当污泥龄为21 d时，由于污泥龄较长，系统中营养物质缺乏，导致微生物内源呼吸加剧，EPS分泌增加，厌氧氨氧化菌表面糖类随之增多，细菌表面亲水基和疏水基的比例增大^[22]，所以，厌氧氨氧化菌的亲水性较好，对亚硝酸盐的亲和性较强，K_s相对较小，为23.3 mg/L，非常接近于Tang等^[23]的论证发现(亚硝酸盐半饱和常数K_s=23 mg/L).随着污泥龄的逐渐降低，厌氧氨氧化菌的亲水性逐渐降低，对亚硝酸盐的亲和性也逐渐变差，K_s逐渐增加.当污泥龄降低到12 d时，K_s上升到了95.3 mg/L，远高于第一阶段的23.3 mg/L，该污泥龄运行条件下，由于亲水性较低，厌氧氨氧化菌的稳定性也相对较差.

综上，Monod模型能够较好地表征不同污泥龄条件下厌氧氨氧化菌的动力学行为，且对反应器出水NO₂^--N质量浓度的预测精度较高；由动力学参数v_max和K_s的变化规律可知，梯度降低污泥龄能够筛选富集系统中生长速率较快的厌氧氨氧化菌种，当污泥龄降低到12 d时，系统整体的亚硝酸盐最大比降解速率达到了较高的水平；但是，污泥龄的降低会导致厌氧氨氧化菌的亲水性降低，对亚硝酸盐的亲和性下降，厌氧氨氧化菌的稳定性也随之变差.

3 结论

1) 污泥龄由21 d梯度降低到12 d，亚硝酸盐去除负荷由0.590 kg/(m³·d)降低到0.493 kg/(m³·d)，系统整体的脱氮性能有所下降；亚硝酸盐污泥负荷由0.178 kg/(kg·d)提升到0.297 kg/(kg·d)，单位质量的厌氧氨氧化菌脱氮效率显著提升.

2) 采用Monod模型能够较好地表征不同污泥龄条件下厌氧氨氧化菌的动力学行为，且对反应器出水NO₂^--N质量浓度的预测精度较高.实验测得了不同阶段Monod模型的动力学方程并得出了动力学参数，随着污泥龄的梯度降低，最大比降解速率v_max逐渐增大，半饱和常数K_s也显著提升.

3) 梯度降低污泥龄能够筛选纯化系统中的厌氧氨氧化菌种，加速高活性菌种的富集，但是，厌氧氨氧化菌的稳定性会随之变差.