工业水处理, 2022, 42(6): 92-99 doi: 10.19965/j.cnki.iwt.2022-0050

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两级厌氧氨氧化工艺对厨余废水的脱氮性能研究

王思琦,1,2,3, 李贇2, 陈福明2, 刘淑杰2, 王伟3

1.深圳清华大学研究院，广东 深圳 518057

2.清研环境科技股份有限公司，广东 深圳 518057

3.清华大学环境学院，北京 100084

Performance research on two-stage anaerobic ammonia oxidation（Anammox） process for removing nitrogen in kitchen wastewater

WANG Siqi,1,2,3, LI Yun2, CHEN Fuming2, LIU Shujie2, WANG Wei3

1.Research Institute of Tsinghua University in Shenzhen, Shenzhen 518057, China

2.Qingyan Environmental Technology Co. , Ltd. , Shenzhen 518057, China

3.School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China

收稿日期: 2022-03-02  

Received: 2022-03-02  

作者简介 About authors

王思琦（1992—），博士，工程师电话：13020028182，E-mail：wsq921029@163.com , E-mail：wsq921029@163.com

摘要

厨余废水具有氨氮浓度高的特点，常用的两级硝化反硝化脱氮工艺停留时间长、占地面积大，难以广泛应用。厌氧氨氧化（Anammox）作为一种节能高效的脱氮方式，可大幅缩短水力停留时间、减少占地。本研究提出采用Anammox处理厨余废水厌氧出水，探究两级Anammox工艺处理厨余废水厌氧出水并实现高效脱氮的可行性和稳定性。结果表明，两级Anammox工艺处理厨余废水厌氧出水实现了最高的总氮去除率（90.1%），总氮去除效率达到2 050 mg/（L·d）以上。两级Anammox工艺对总氮的去除是通过Anammox和反硝化耦合作用实现的，其中Anammox贡献了87.7%，反硝化贡献了2.4%。微生物群落分析结果表明，Anammox反应器中主要的厌氧氨氧化菌为Candaditue kuenenia，两级Anammox反应器相对于一级反应器具有较高的适应性，可保持较高的Candaditue kuenenia相对丰度，有助于实现高效稳定脱氮。该研究结果为厨余废水处理提供了高效省地的新工艺。

关键词： 厨余废水 ; 厌氧氨氧化 ; 脱氮 ; 微生物

Abstract

Kitchen wastewater has high ammonia nitrogen concentration and was usually treated by two-stage nitrification and denitrification process. It needed long hydraulic retention time and a large area，so that it was difficult to be widely used. Anaerobic ammonia oxidation（Anammox） is an efficient nitrogen removal method，which greatly shorten the hydraulic retention time and reduce the area. Therefore，in this study，two-stage Anammox process was used to treat anaerobic effluent of kitchen wastewater and its feasibility and stability were further explored. The results showed that the two-stage Anammox process achieved the highest nitrogen removal rate of 90.1% and the total nitrogen removal efficiency reached 2 050 mg/（L·d）. The total nitrogen removal by the two-stage Anammox process was achieved through the coupling of Anammox and denitrification，in which Anammox contributed 87.7%，denitrification contributed 2.4%. Microbial community analysis showed that the main Anammox bacteria in Anammox reactors was Candidatus kuenenia. The two-stage Anammox reactor had higher adaptability relative to the one-stage reactor and it could maintain a high relative abundance of Candaditue kuenenia，which was propitious to achieve efficient and stable nitrogen removal. The results of this study provided an efficient and land-saving new process for the treatment of kitchen wastewater.

Keywords： kitchen wastewater ; anaerobic ammonia oxidation ; nitrogen removal ; microorganisms

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本文引用格式

王思琦, 李贇, 陈福明, 刘淑杰, 王伟. 两级厌氧氨氧化工艺对厨余废水的脱氮性能研究. 工业水处理[J], 2022, 42(6): 92-99 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-0050

WANG Siqi. Performance research on two-stage anaerobic ammonia oxidation（Anammox） process for removing nitrogen in kitchen wastewater. Industrial Water Treatment[J], 2022, 42(6): 92-99 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-0050

随着人民物质生活水平的不断提高以及垃圾分类政策的全面实施，我国厨余垃圾产量大幅提升，给市政和环境造成巨大压力〔1〕。目前，厨余垃圾的处理主要以厌氧消化工艺和好氧发酵工艺为主。实际工程应用中，厌氧消化工艺存在占地面积大、收运距离远、投资成本高且周期长、沼渣沼液出路困难等问题，项目完成和运行率低，经济效益不佳〔2-3〕。相反，好氧发酵工艺由于停留时间短、占地面积小、设备集成化程度高、适用于分散型厨余垃圾处理等特点，已开始在大中型城市逐步推广〔4-5〕。然而，厨余垃圾好氧发酵工艺在垃圾压缩和冲洗处置环节会产生高浓度的厨余废水〔6〕。

厨余废水具有有机物浓度高、氨氮高、水量水质波动大等特点〔7〕，目前针对此类废水的处理方法主要有物理处理法、化学处理法、生物处理法、土地处理法和联合处理法等。物理处理法主要包括重力分离、离心分离、膜分离、过滤等，其中碟管式反渗透（DTRO）是一种目前常用的膜分离技术，杜宏伟等〔8〕采用两级DTRO处理餐厨垃圾渗滤液，出水水质稳定且满足《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB 16889—2008）对渗滤液排放的要求，然而此方法运行成本较高，且运行维护复杂。化学处理法主要包括混凝沉淀法、化学氧化法、中和法等，其中混凝沉淀技术的优势在于价格低廉、工艺成熟、效果较佳，但存在药剂使用量大、占地面积大、浮渣不易去除的劣势。硝化反硝化脱氮的传统生物处理技术具有停留时间较长、占地面积大的特点，目前工程应用较广泛的是“预处理+UASB除碳+两级AO脱氮+MBR”组合工艺〔9〕，此工艺两级AO脱氮过程停留时间长，占地面积大，甚至超过了厨余垃圾好氧发酵的占地面积，难以大规模推广应用。

厌氧氨氧化（Anammox）是迄今为止最节能高效的脱氮方式〔10-11〕，可以实现高负荷自养脱氮，具有节约碳源和供氧能耗、缩短水力停留时间（HRT）、减少占地面积、降低剩余污泥产量、减少温室气体排放等显著低碳特性，是污水处理领域的颠覆性技术。据文献报道，全球至今已有200余座厌氧氨氧化工艺的实际应用工程〔12〕。近年来，Anammox工艺已逐步应用于污泥消化液〔13〕、垃圾渗滤液〔14〕、制药废水〔15〕等高氨氮废水的处理，然而还没有研究报道利用Anammox工艺处理厨余废水。与污泥发酵液和垃圾渗滤液相比，厨余废水具有高碳氮比，且可生化性较强，但高浓度的有机物对厌氧氨氧化菌（AnAOB）具有抑制作用。因此，Anammox工艺需与厌氧消化除碳结合，通过“厌氧消化除碳+Anammox脱氮”的方式处理厨余废水。高浓度有机物的厌氧消化技术已经成熟，而通过Annammox处理厨余废水厌氧出水的工艺还需进一步探究。

本研究针对厨余废水氨氮高、传统处理技术效率低、占地面积大等问题，提出通过两级Anammox工艺处理厨余废水厌氧出水的方案，探究了两级Anammox处理厨余废水厌氧出水的可行性和稳定性，并通过氮素的物料平衡计算分析了Anammox反应器的脱氮性能。同时，从两级反应器中采集泥样，通过16s rRNA扩增子基因测序技术分析了微生物群落的丰度。

1 材料与方法

1.1 实验用水和接种污泥

厨余废水取自深圳某厨余垃圾好氧发酵处理中心，取回实验室后进行厌氧消化，厌氧出水作为Anammox的进水，厌氧出水水质参数见表1。

表1   厨余废水厌氧出水水质

Table 1  Water quality of kitchen wastewater after anerobic digestion

项目COD/（mg·L-1）NH3-N/（mg·L-1）TN/（mg·L-1）TP/（mg·L-1）pH
数值190~410160~350180~3907~98.0~8.4

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为满足Anammox的条件，实验按照c（NH3-N）∶c（NO2--N）=1∶1的比例向厨余废水厌氧出水中配制NO2--N。实验所用的人工废水中的NH3-N、NO2--N以及无机碳源分别使用NH4Cl、NaNO2、NaHCO3按需配制，同时加入570 mg/L KCl、135.92 mg/L CaCl2·2H2O、300 mg/L MgSO4·7H2O、27.2 mg/L KH2PO4，以及1 mL/L微量元素Ⅰ和1 mL/L微量元素Ⅱ。微量元素Ⅰ包括5 g/L FeSO4·7H2O和5 g/L EDTA；微量元素Ⅱ包括15 g/L EDTA、0.43 g/L ZnSO4·7H2O、0.014 g/L H3BO3、0.845 g/L MnCl2·4H2O、0.19 g/L NiCl2·6H2O、0.22 g/L Na2MoO4·2H2O、0.25 g/L CuSO4·5H2O、0.16 g/L Na2SeO4·10H2O、0.24 g/L CoCl2·6H2O〔16〕。接种污泥取自实验室培养的Anammox污泥，MLSS和MLVSS分别为9 563.2 mg/L和7 893.5 mg/L。

1.2 实验装置和方法

实验所用装置为两级上流式厌氧污泥床反应器（UASB），工艺流程见图1。

图1

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图1   两级厌氧氨氧化工艺流程

Fig. 1   Two-stage Anammox process


如图1所示，第一级和第二级UASB的结构和体积均相同，均由有机玻璃制成，单级UASB工作体积为1 L。两级UASB反应器内部温度通过反应器外部加热带控制。两级反应器采用串联的形式，均由底部进水，上部溢流出水，出水口分别设置回流管，回流液通过回流管从反应器底部进入反应器内，回流比（R）通过蠕动泵调节。

实验启动先采用一级Anammox反应器，接种4 000 mg/L（以MLSS计）的Anammox污泥，控制UASB反应器温度为（35±1） ℃，向反应器中投加碳酸氢钠溶液（30 g/L）控制系统pH为7.5~8.0。实验分为3个阶段：阶段Ⅰ（1~8 d），采用模拟废水作为反应器进水，考察反应器的脱氮性能，同时作为实际废水的对照实验；阶段Ⅱ（9~45 d），采用实际废水作为反应器进水，考察一级Anammox反应器处理厨余废水的脱氮效果；阶段Ⅲ（46~80 d），采用实际废水作为反应器进水，新增第二级Anammox反应器，考察两级Anammox反应器处理厨余废水的脱氮效果。每天上午9点取进出水水样检测水质变化，反应器3个阶段的运行参数如表2所示。

表2   厌氧氨氧化反应器3个阶段的运行参数

Table 2  Operating parameters of three stages of Anammox reactor

阶段运行天数/d进水NH3-N/（mg·L-1）进水NO2--N/（mg·L-1）HRT/h回流比进水总氮负荷/（mg·L-1·d-1）
Ⅰ1~8300300612 400
Ⅱ9~11300300612 400
12~26200200122800
27~38200200172560
39~45200100172420
Ⅲ46~49200150162530
50~58200150121700
59~62200200121800
63~72200200811 200
73~80300300811 800

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1.3 分析方法

进出水的NH3-N、NO2--N、NO3--N、TN，以及污泥的MLSS和MLVSS采用国标法测定〔17〕；COD使用快速测定仪（连华5B-3C，连华科技）测定；pH使用梅特勒pH计（FE20K，梅特勒-托利多国际贸易有限公司）测定；样品采用恒温高速离心机（Sigma2-16KL，德国希格玛公司）离心。

1.4 氮平衡计算

为确定反应器中氮素的转化规律，对运行稳定后的两级Anammox反应器的进出水氮素指标进行氮素转化的物料衡算，氮素物料衡算主要考虑氮的氨氧化、亚硝酸盐氧化、反硝化和厌氧氨氧化。依据式（1）~式（4）进行氮素衡算。

氨氧化： NH4++1.5O2 → NO2-+H2O+2H+
亚硝酸盐氧化： NO2-+0.5O2 → NO3-
反硝化： 6NO3-+5CH3OH → 3N2+5CO2+7H2O+6OH-
厌氧氨氧化： NH4++1.32NO2-+0.13H++0.066HCO3- → 1.02N2+0.26NO3-+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O

1.5 微生物群落测定

采集反应器不同阶段的污泥，离心去除上清液，将剩余固体放置于50 mL离心管中送往上海美吉生物医药科技有限公司进行微生物分析。微生物首先进行DNA的提取，然后采用PCR仪对16S rRNA基因V3~V4可变区进行PCR扩增，将扩增产物采用2%（质量分数）琼脂糖凝胶回收，并用Quantus™ Fluorometer对回收产物进行检测定量，最后通过Miseq PE300平台测序〔18〕。

2 结果与讨论

2.1 反应器的脱氮性能

反应器的进出水氮素质量浓度变化见图2，总氮（TN）和NH3-N去除率、总氮负荷（NLR）和总氮去除效率（NRR）的变化见图3。

图2

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图2   反应器进出水氮素质量浓度的变化

Fig. 2   Variation of influent and effluent nitrogen compounds for reactor


图3

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图3   总氮、氨氮去除率，总氮负荷和总氮去除效率的变化

Fig. 3   Variation of total nitrogen and ammonia nitrogen removal rate，nitrogen load rate and nitrogen removal rate


第Ⅰ阶段，在采用模拟废水作为进水的条件下，出水NH3-N和NO2--N均达到50 mg/L以下，启动1 d后TN保持在100 mg/L以下（图2）；TN去除率稳定达到了80%以上，NRR稳定在1 900 mg/（L·d）左右（图3）。在进水为模拟配水的条件，Anammox系统实现了稳定的脱氮效果。

阶段Ⅱ采用实际厨余废水厌氧出水按照c（NH3-N）∶c（NO2--N）=1∶1的比例加配一定量的NO2--N作为Anammox反应器进水。在厨余废水进水NH3-N和NO2--N与模拟废水相当，且运行条件相同的条件下，出水水质迅速变差，TN去除率下降至20%以下（HRT=6 h）。这可能是由于改变进水为实际厨余废水后，水质环境由原来单一的氮素污染物变成复杂污染物（如难降解有机污染物、各类盐等），AnAOB很难在短时间适应环境的剧烈变化，导致其脱氮活性下降〔19〕。将HRT延长至12 h，同时降低进水NH3-N和NO2--N至200 mg/L，以降低NLR并提高AnAOB的适应性。运行15 d期间，出水水质波动较大，尤其是平均出水NO2--N达到100 mg/L以上；继续延长HRT至17 h，出水水质略有好转，TN去除率提升至60%以上，但出水NO2--N依然较高。为进一步提高AnAOB对实际进水的适应性，将进水NO2--N调低至100 mg/L，出水水质明显变好，TN去除率提升至70%以上，此阶段NRR基本保持在800 mg/（L·d）左右。

为进一步提高出水水质和反应器的脱氮效率，在阶段Ⅲ，调整一级Anammox反应器为两级Anammox反应器，同时调整两级反应器HRT分别为8 h，总HRT为16 h；进水NO2--N也逐步从100 mg/L提高到150 mg/L以满足反应器中逐步稳定的厌氧氨氧化的需求。运行稳定后，NH3-N的去除率可以达到95%以上，TN去除率达到85%以上。随后，缩短HRT至12 h和8 h，同时调整进水NO2--N为200 mg/L，NH3-N的去除率保持在95%以上，TN去除率保持在85%以上，NRR达到1 400 mg/（L·d）以上。70 d后将进水NH3-N和NO2--N均提高至300 mg/L，出水NO2--N可稳定达到10 mg/L以下，出水NH3-N可稳定达到30 mg/L以下，NH3-N的去除率达到92%以上，TN去除率达到85%以上，NRR稳定在2 050 mg/（L·d）以上。这充分说明相对于一级Anammox反应器，两级Anammox反应器可以有效缓解实际厨余废水对AnAOB脱氮性能的冲击，实现较高的TN去除效果。

图4为Anammox反应器脱氮过程中NO2--N去除量（以ΔNO2--N表示，下同）与NH3-N去除量（以ΔNH3-N表示，下同）的比例变化和NO3--N产生量（以ΔNO3--N表示，下同）与ΔNH3-N的比例变化。

图4

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图4   ΔNO2--N/ΔNH3-N和ΔNO3--N/ΔNH3-N的变化

Fig. 4   Variation of ΔNO2--N/ΔNH3-N and ΔNO3--N/ΔNH3-N


从图4可以明显看出，在第Ⅰ阶段，ΔNO2--N/ΔNH3-N保持在1.1左右，ΔNO3--N/ΔNH3-N保持在0.24左右。从厌氧氨氧化理论反应方程可推算ΔNO2--N/ΔNH3-N和ΔNO3--N/ΔNH3-N的理论值分别为1.32和0.26〔20-21〕，第Ⅰ阶段的ΔNO2--N/ΔNH3-N和ΔNO3--N/ΔNH3-N的值低于理论值。这可能是由于模拟废水中含有一定量溶解氧，反应器内可能会发生亚硝化和硝化作用，部分NH3-N转化为NO2--N或NO3--N，因此ΔNH3-N较大，从而导致ΔNO2--N/ΔNH3-N和ΔNO3--N/ΔNH3-N的值低于理论值；另外，菌群在富集过程中可能会释放氧化剂（如超氧化物或羟基自由基），导致反应器中NH3-N的消耗量增高〔22〕。阶段Ⅱ，ΔNO2--N/ΔNH3-N和ΔNO3--N/ΔNH3-N波动较大，相对于理论值更低，这主要是由于AnAOB在进水为实际厨余废水的条件下活性受到影响，且部分硝化菌可以利用进水中的溶解氧氧化NH3-N，部分亚硝化单胞杆菌可以在低氧条件下以1∶1的物质的量比缓慢利用NH3-N和NO2--N〔23〕。到阶段Ⅲ，ΔNO2--N/ΔNH3-N和ΔNO3--N/ΔNH3-N的比例逐步回升，接近于阶段Ⅰ的比例，说明AnAOB的活性逐步恢复，在系统中占主要优势。阶段Ⅲ的ΔNO3--N/ΔNH3-N的值约为0.20，相对于阶段Ⅰ较低，这主要是由于实际厨余废水含有可生物降解有机物，反应器发生了反硝化作用，ΔNO3--N较低，此结果与Fangzhai ZHANG等〔24〕的研究结果一致。相对于阶段Ⅱ，阶段Ⅲ的ΔNO2--N/ΔNH3-N和ΔNO3--N/ΔNH3-N的比例更接近于阶段Ⅰ，说明两级Anammox反应器可以有效缓解实际厨余废水对AnAOB脱氮性能的冲击，实现较高的TN去除率。

2.2 Anammox反应器对COD的去除效果

图5为Anammox反应器脱氮过程中进出水COD的变化。

图5

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图5   进出水COD和COD去除率

Fig. 5   COD of influent and effluent and COD removal rate


由图5可知，阶段Ⅰ进水为模拟配水，没有配制有机物，因此在进出水中没有检测到COD。阶段Ⅱ和阶段Ⅲ出水COD随着进水COD的波动而波动，COD去除率基本在5%~20%，COD的去除主要是由于反应器处于厌缺氧环境，存在一定程度的反硝化作用，这也可以解释2.1章节中阶段Ⅲ的ΔNO3--N较低导致ΔNO3--N/ΔNH3-N低于理论值0.26的原因。Yingmu WANG等〔19〕研究了在SBR反应器中利用Anammox工艺处理垃圾渗滤液，结果表明，反硝化强化了反应器TN的去除，TN去除率从74.2%提高到了82.4%，同时COD的去除率达到了70%。类似地，Fangzhai ZHANG等〔24〕研究了Anammox和反硝化耦合工艺处理垃圾渗滤液，质量平衡结果表明Anammox对TN的去除贡献了69.3%，反硝化贡献了15.7%，同时在反硝化过程COD的去除率达到了10%~15%。这些结果与本研究结果相似，反硝化过程在强化了TN去除的同时实现了部分COD的去除。

2.3 Anammox反应器的氮素转化衡算

为进一步解析两级Anammox反应器中氮素转化的规律，对运行稳定后的两级Anammox反应器的进出水氮素指标进行氮素转化的物料衡算，结果如图6所示。

图 6

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图 6   两级反应器氮素转化物料衡算

AOB—氨氧化菌；DB—反硝化菌

Fig. 6   Nitrogen conversion and material balance for two-stage reactor


由图6可知，在进水NH3-N和NO2--N分别为280.3 mg/L和303.8 mg/L的条件下，NH3-N的去除率达到了99.9%，其中，88.5%的NH3-N通过Anammox去除，11.1%的NH3-N在氨氧化菌（AOB）的作用下转化为NO2--N。NO2--N的去除率达到了97.5%，TN去除率达到了90.1%，其中，87.7%的TN通过Anammox去除，2.4%的TN通过反硝化菌（DB）去除。这些结果说明，Anammox反应器通过AOB、AnAOB和DB的协同作用实现了TN的高效去除，这与前人的研究结果一致〔25〕。此结果也表明，进水中存在一定的COD有助于系统TN的去除〔26〕，阶段Ⅲ的TN去除率相对于阶段Ⅰ提高约为10%（图2）。

2.4 两级Anammox反应器微生物群落相对丰度变化

为了进一步解析3个阶段的运行条件对反应器中微生物菌群丰度的影响，在每个阶段运行后期取微生物样进行高通量测序，在属水平上的细菌种群相对丰度如图7所示。

图7

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图7   不同阶段微生物群落在属水平上的相对丰度

Fig. 7   Relative abundance of microbial community on genus level during different stage


由图7可知，两级反应器中主要的菌属为OLB13、Candidatus kuenenia、Limnobacter和SBR1031。其中OLB13是一种在Chloroflexi门中具有反硝化能力的属〔27〕，Limnobacter和SBR1031是在厌氧发酵过程降解有机物的菌属〔28-29〕。Candidatus kuenenia是AnAOB，其在阶段Ⅰ、阶段Ⅱ、阶段Ⅲ-第一级和阶段Ⅲ-第二级的相对丰度分别为9.99%、6.32%、8.56%和10.32%。阶段Ⅱ Candidatus kueneniade 的相对丰度相对于阶段Ⅰ下降了36.7%，因为在实际厨余废水的冲击下，部分AnAOB失活，导致AnAOB的相对丰度下降，此结果可以解释阶段Ⅱ总氮去除率下降的原因。阶段Ⅲ的第一级反应器Candidatus kuenenia的丰度从阶段Ⅱ的6.32%回升到8.56%，提高了35.4%，说明经过一段时间的培养，AnAOB逐步适应了实际进水水质。阶段Ⅲ的第二级反应器是新增反应器，接种的菌种与阶段Ⅰ相同，进水为第一级反应器的出水，浓度较低，因此反应器内菌属的相对丰度与阶段Ⅰ差异不大。两级Anammox反应器中AnAOB的相对丰度比阶段Ⅱ高，因此表现出较好的TN去除率，也充分说明两级Anammox相对于一级Anammox反应器具有更佳的效果和稳定性。OLB13在3个阶段的相对丰度均达到40%左右，说明OLB13和Candidatus kuenenia具有较好的共生关系，已有研究表明，脱氮系统中OLB13菌属的存在有利于Candidatus kuenenia活性的表达〔30〕，此结果同时也解释了2.2章节中4.9%的TN是通过反硝化作用去除的原因。

3 结论

（1）通过两级Anammox工艺处理厨余废水厌氧出水，TN去除率达到90.1%，NRR稳定达到2 050 mg/（L·d）以上。

（2）两级Anammox工艺对TN的去除是通过Anammox和反硝化耦合作用实现的，其中Anammox贡献了87.7%，反硝化贡献了2.4%。

（3）两级Anammox脱氮系统中主导Anammox的AnAOB为Candaditue kuenenia，两级Anammox反应器相对于一级反应器具有较高的适应性，可保持较高的Candaditue kuenenia相对丰度，有助于实现高效稳定脱氮。

（4）该研究结果为厨余废水处理提供了节能高效省地的新工艺。


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