去除率均达到90%以上。启动60 d后，反应器底部出现大量粒径2 mm左右的颗粒污泥，且污泥具有良好的稳定性和沉降性能，沉降速度达到70 m/h。结果表明：厌氧多级喷动床因其特殊的水力结构，可有效加快污泥的颗粒化。摘要：为改善厌氧反应器内的流态，加快污泥的颗粒化和形成具有生态梯度的微生物生态系统，设计并制作了新型厌氧多级喷动床，实验测试了反应器的水力喷动、气体喷涌和污泥分层分级现象。在常温下，利用新型厌氧多级喷动床接种混合污泥，经过42 d的培养，成功启动厌氧氨氧化反应器，稳定运行18 d后，去除率均达到90%以上。启动60 d后，反应器底部出现大量粒径2 mm左右的颗粒污泥，且污泥具有良好的稳定性和沉降性能，沉降速度达到70 m/h。结果表明：厌氧多级喷动床因其特殊的水力结构，可有效加快污泥的颗粒化。
厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation，ANAMMOX)作为一种新型脱氮工艺，与传统硝化反硝化工艺相比，其具有能耗低、效率高及污泥产量低等优点[1]。厌氧氨氧化菌因其个体较小(直径<1 μm)，极易流失，倍增时间长达11 d[2，3]，故如何更好地富集厌氧氨氧化菌成为目前厌氧氨氧技术的难点。为更好地快速富集厌氧氨氧化污泥，国内外学者进行了较多研究，一般采用生物固化技术来减少污泥的流失。例如，采用载体固定生物膜[4]、生物膜法截留[5]、培养沉降性能优良的颗粒污泥[6] 等。
目前，厌氧氨氧化技术研究采用的反应器主要有SBR[7]、UASB[8]、EGSB[9] 等，而针对厌氧氨氧化反应器内部结构设计的研究较少。因此，研究新型且具有较好厌氧氨氧化反应性能的反应器具有重要的实用价值。在现阶段的基础上，本文设计并制作了新型厌氧氨氧化反应器——厌氧多级喷动床。厌氧多级喷动床是结合喷动床理论在 UASB的基础上改造而来，通过在其中增加多个漏斗状隔板，既实现了污泥的分层筛分，又提高了传质效率。
实验利用新型厌氧多级喷动床，接种混合污泥，实现厌氧氨氧化的快速启动，在启动过程中，对反应器的厌氧氨氧化脱氮性能和流态特征进行讨论分析。
反应器由有机玻璃制成，如图1所示。结构上可将其大致分为5个部分，底部的区间1为反应器进水区，中部的区间2、3、4 可以看成3个喷嘴尺寸大小不一的喷动床结构；顶部的区间5则是1个三相分离器。
反应器内径为95 mm，有效高度为850 mm，有效容积为6.02 L。反应器在竖直方向设置4个取样口(S1—S4)，取样口高度依次为10，25，40，55 cm，回流管高度为75 cm。 反应器用遮光布进行遮盖，避免光照对厌氧氨氧化菌产生影响。通过蠕动泵将模拟废水从反应器底部泵入，调节循环泵的转速控制反应器的空塔流速为0.75 m/h，区间1、2、3的底部开口大小为10，25，30 mm，其流速分别为67.7，10.8，7.5 m/h，顶端三相分离器漏斗开口大小为30 mm。
图1 实验装置
Figure 1 Experimental device
反应器采用连续进水的方式，HRT与进水
浓度关系依实验情况而定。根据反应器启动不同时期的特征，将启动分为4个阶段：Ⅰ 阶段(1～5 d)、Ⅱ 阶段(5～22 d)、Ⅲ 阶段(22～42 d)、Ⅳ 阶段(42～60 d)，具体实验运行条件如表1所示。
表1 反应器实验条件
Table 1 The experimental condition setting of the reactor
启动参数HRT/h温度/℃DO/(mg/L)进水pH进水ρ(NH+4-N)/(mg/L)进水ρ(NO-2-N)/(mg/L)容积氮负荷/[kg/(m3·d)]Ⅰ 阶段2422±33.5±58.0±0.380～100100～1500.2～0.3Ⅱ 阶段18～2422±33.5±58.0±0.380～150100～1500.2～0.4Ⅲ 阶段12～1822±33.5±58.0±0.3150～225150～2500.3～0.9Ⅳ阶段1222±33.5±58.0±0.3200～225200～2500.8～0.9
实验废水为人工合成的模拟废水，其中，
为
和
分别由(NH4)2SO4 和NaNO2按比例提供；其余成分如下：KH2PO4: 0.010 g/L，MgSO4·7H2O: 0.030 g/L，CaCl2: 0.004 g/L，KHCO3: 1.0 g/L；微量元素A、B各 1.25 mL/L。微量元素A：EDTA: 5 g/L， FeSO4·7H2O: 9.2 g/L。微量元素B：EDTA: 15 g/L， ZnSO4·7H2O: 0.43 g/L， CuSO4: 0.16 g/L， NiCl2· 6H2O: 0.19 g/L， MnSO4·H2O: 0.85 g/L，CoCl2·6H2O: 0.24 g/L， Na2MoO4·2H2O: 0.22 g/L，H3BO3: 0.014 g/L，Na2SeO4·10H2O: 0.21 g/L。
本实验共接种污泥2 L，其中1.5 L为好氧活性污泥，0.5 L为经过4个月厌氧氨氧化富集的好氧活性污泥，将2种污泥充分混合，混合后污泥ρ(MLSS)为4.68 g/L，约占反应器有效体积的33.3%，其中好氧活性污泥取自赣州市某污水处理厂。
按照《水和废水监测分析方法》
纳氏试剂分光光度法；
(1-萘基)-乙二胺分光光度法；
紫外分光光度法；MLSS：重量法；pH：雷磁PHS-3C pH计；DO：JPB-607A便携式溶解氧测定仪。
实验共进行了60 d，其中启动反应器42 d，稳定运行18 d，在此期间反应器的容积氮负荷与容积氮去除负荷、HRT关系如图2a所示。
根据反应器启动运行情况，可将其分为4个阶段。Ⅰ阶段(1～5 d)为内源呼吸期，Ⅱ阶段(5～22 d)为适应期，Ⅲ阶段(22～42 d)为活性提高期，Ⅳ阶段(42～60 d)为稳定期。图2b—d分别为反应器启动过程各阶段进、出水
浓度的变化情况。
图2 启动过程中反应器脱氮性能变化情况
Figure 2 Changes of denitrification performance of the reactor during startup course
Ⅰ阶段(1～5 d)为内源呼吸期。在这一阶段中出现了出水
浓度高于进水现象，经几天运行后，出水中
浓度均有所下降。路青等[11]利用好氧硝化污泥和厌氧颗粒污泥启动厌氧氨氧化过程前期，也出现了进水浓度高于出水现象。加入的混合污泥中一半为好氧污泥，其中的好氧细菌在厌氧环境中大量死亡，释放出大量有机氮，有机氮被氨化细菌分解，导致出水浓度较高。运行数天后，厌氧污泥中原有的厌氧氨氧化菌活性开始逐步恢复，使得出水中和 浓度有所下降。
Ⅱ阶段(5～22 d)为适应期。在这一阶段中，将HRT调整为18 h，并保持容积氮负荷维持在0.2～0.3 kg/(m3·d)，可使目的菌更好地适应反应器内部环境。此时，反应器出水中
为50 mg/L左右，但
基本维持在20 mg/L以下，存在2方面原因:一方面反应器进水未进行驱氧处理，内部存在的部分亚硝化细菌可利用这部分DO将一部分转化为
生成的同时也降低反应器内部DO，为目的菌提供了一个厌氧的环境。另一方面，此阶段厌氧氨氧化菌的生物量较低，当后期厌氧氨氧化菌慢慢转化为优势菌种时，亚硝化细菌对其产生的影响逐渐降低，此时出水 浓度趋于稳定。
Ⅲ阶段(22～42 d)为活性提高期。在这一阶段中，将HRT调整为12 h，快速增加容积氮负荷，使其负荷由0.24 kg/(m3·d)增至0.63 
出水浓度为50 mg/L左右，在第42天降低至26 mg/L，其中和各自去除质量比例逐渐趋向1∶1.2，与理论值比较接近，表明厌氧氨氧化反应器成功启动。李媛等[12]利用UASB接种闲置2年的厌氧氨氧化污泥，68 d实现厌氧氨氧化启动。刘晓宇等[13]利用UASB接种反硝化与部分厌氧氨氧化污泥，运行60 d成功启动厌氧氨氧化反应。鲍林林等[14]利用折流板生物膜反应器接种培养好的厌氧氨氧化污泥，经过83 d实现厌氧氨氧化启动。而本文利用厌氧多级喷动床反应器，经过42 d培养即可实现厌氧氨氧化的快速启动，该反应器启动时间优于传统厌氧生物反应器。
Ⅳ阶段(42～60 d)为稳定期。在这一阶段中，HRT一直保持在12 h，容积氮负荷也维持在0.8～0.9 kg/(m3·d)，并稳定运行12 d。 和的去除率均稳定在90%以上，TN去除率达到80%，出水浓度均在20 mg/L以下，且出水性质稳定。
厌氧氨氧化反应化学计量关系式如式(1)[15]所示：
(1)
由式(1)可得出：厌氧氨氧化反应需要消耗少量的H+，因此出水pH值应略高于进水。反应器启动过程中pH变化如图3a所示。可知：在反应器启动的Ⅲ阶段中期开始，出现出水pH值高于进水现象，说明在这之前厌氧氨氧化菌还不是优势菌种。
由化学计量关系式可得出，
为
为0.26[15]，可认为反应器中出现厌氧氨氧化的重要依据。启动过程中与
的质量比例如图3b所示。可知：先明显低于1.2，后逐渐接近1.2，但是
一直在0.26上下波动，逐渐趋向0.26。在Ⅲ阶段后期，厌氧氨氧化菌已经转化为优势菌种，但还是存在一部分亚硝化细菌，将一部分的转化为导致偏低于理论值。朱清江等[16]通过接种好氧活性污泥与短期培养的厌氧氨氧化污泥的混合污泥，为1.19左右。张少辉等[17]接种厌氧消化污泥与养殖厌氧污泥，启动前期为1.01左右。刘晓宇等[13]接种厌氧氨氧化污泥和反硝化颗粒污泥，启动前期高于1.32。由此看出，接种污泥不同也会导致比例也不尽相同。
图3 启动过程中氮素比与pH变化情况
Figure 3 Change of nitrogen ratio and pH during the start-up course
2.3.1 厌氧多级喷动床反应器结构
厌氧多级喷动床如图1所示，反应器采用底部进水，上端出水的运行方式。底部进水为锥形结构，使进水均匀分布，中部设置3个倒锥形漏斗，且从下往上锥口尺寸逐渐变大的喷动床结构；顶部则是1个三相分离器,其主要特点有：1)反应器的每个部分都由1个漏斗隔开，漏斗出水口大小不一，导致流速不一样，当污泥的沉降速度>水的流速，污泥则会流入下一个区间从而实现污泥的分层现象。2)漏斗底部流速>顶部，在漏斗区域会形成喷动效应，加速污泥的搅拌，提高传质速率，使其更快形成颗粒化。3)在每一个区间上部会形成一个气室，当气室内气体达到一定量时，气体会喷涌而出，可以将一部分污泥带入下一区间。
2.3.2 反应器流态特征
1)水力喷动现象。
在反应器的区间1和2中出现显著的喷动现象，而区间3和4因污泥较少，则不能看到喷动现象。反应器启动后期，有大量的颗粒污泥形成，喷动现象尤为显著，图4为水力喷动示意。污泥的喷动现象的形成一方面有利于反应器内传质均匀，另一方面使得污泥在反应器内形成水力剪切作用，加速了污泥的颗粒化[18]。颗粒污泥有沉降性能好、稳定性强、生物持留性能高的优点，对于厌氧氨氧化菌的富集有一定的促进作用，间接地提高了厌氧氨氧化速率[19]。
图4 喷动床流动结构示意
Figure 4 Flow structure diagram of spouted bed
对启动前、Ⅰ阶段(5 d)、Ⅱ阶段(22 d)、Ⅲ阶段(42 d)、Ⅳ阶段(60 d)污泥变化情况进行分析，可得出反应器运行42 d后污泥性状由褐色絮状污泥慢慢转变为红棕色的颗粒污泥，成功地实现了污泥的快速颗粒化。表2为在得出相似研究结果时，不同反应器颗粒污泥性能的对比分析，发现新型厌反应器对于厌氧氨氧化污泥的颗粒化具有较为明显的促进作用。
表2 不同反应器情况下颗粒污泥的形成时间[6,13,20,21]
Table 2 Formation time of granular sludge under different running conditions
污泥类型反应器类型污泥颗粒化形成时间/d厌氧氨氧化絮状污泥复合式厌氧氨氧化反应器180厌氧颗粒污泥SBR反应器156好氧硝化颗粒污泥与厌氧氨氧化生物膜EGSB反应器80厌氧氨氧化颗粒污泥的快速培养与形成机理UASB 反应器60好氧硝化污泥与厌氧氨氧化絮状污泥新型厌氧多级喷动床42
2)分层分级现象。
反应器因其特殊的内部结构，使得颗粒污泥形成明显的分层现象。由图5可看出:区间1～3为污泥主要聚集部位，通过取样口S1～S3分别取1～3区间污泥，对污泥分布进行观察可以得出：区间1内污泥大部分为颗粒污泥，细颗粒污泥和絮状污泥主要聚集于区间2内，区间3中几乎不存在污泥。可得出：反应器特殊的内部结构具有很高的污泥持留能力，在截留污泥的同时，还可以对反应器内部的污泥有一个很好的筛分作用，将稳定性能好、活性高的颗粒污泥留在反应器底部。
图5 区间1～3污泥分布情况
Figure 5 Sludge distribution in Zone 1～3 in the reactor
取底部污泥进行分析，反应器底部颗粒污泥粒径范围和沉降速度如表3所示。李媛等[12]利用UASB反应器进行厌氧氨氧化颗粒污泥培养，其污泥粒径范围为1～5 mm，沉降速度为19.73～78.96 m/h。相比之下，本实验的厌氧氨氧化污泥具有更优良的沉降性能。唐崇俭等[22]通过EGSB反应器进行实验，测得粒径分布为 1.33～2.50 mm的厌氧氨氧化颗粒污泥的沉降速度为 64.2 m/h，与本实验数据大致相同。新型厌氧反应器可有效培养具有良好沉降性能的厌氧氨氧化颗粒污泥。
表3 颗粒污泥沉降速度
Table 3 Settling velocity of the ANAMMOX granular sludge
粒径/mm沉降速度/(m/h)0.5～124.89～29.631～240.40～54.892～365.22～72.433～481.85～94.39
为了研究反应器垂直方向的脱氮性能研究，在反应器不同高度上设置了采样口，图6为进水
分别为200，400 mg/L时反应器脱氮的垂直分布情况。观察可得：
在反应器内部的浓度变化较小，回流高度以下处于完全混合的状态，在回流以上部分仍存在一部分脱氮效能。对pH的变化进行分析，反应器内部pH值偏高，尤其是在反应器的底部，达到8.5以上。据文献报道厌氧氨氧化反应的最适pH区间为6.7～8.3[23]，反应器内pH略高于最适值，但是厌氧氨氧化反应也可高效进行。厌氧氨氧化颗粒污泥具有很强的耐冲击负荷，在外部pH较高的情况下，反应器底部颗粒污泥仍然可表现出很高的活力，实现极高的脱氮效能。
图6 反应器垂直脱氮性能分布
Figure 6 Vertical denitrification performance distribution in reactor
3)气体喷涌现象。
反应器区间1～3顶部均存在如图7所示的气室，反应产生小气泡可暂存于其中，间接地起到缓冲的作用。当气室内气体达到一定量，气体就会喷涌而出，形成喷涌现象。气体在往上喷涌的同时，也促使一部分污泥向上流动，使得反应器上、下2个区间的污泥更充分地混合，粒径较大的污泥更快地沉降至反应器底部，而细颗粒的污泥可流向下一区间，形成较好的粒径梯度分布。
图7 气体喷涌示意
Figure 7 Schematic diagram of gas jet
1)厌氧多级喷动床因其特殊的的水力喷动性能，在水力剪切作用下，加速了污泥的颗粒化，同时因水力筛分和重力作用，使得污泥颗粒具有较好的分层现象。
2)本实验采用升流式污泥床基础上改良的厌氧多级喷动床反应器，并接种2种混合污泥，经过42 d成功启动反应器。稳定运行18 d后，容积氮去除负荷达到
的去除率均达到90%以上，成功实现了厌氧氨氧化反应器的快速启动。
3)经过60 d的培养，在反应器的底部出现大量粒径为2 mm左右的颗粒污泥，其沉降速度达到70 m/h，反应器内部的多级喷动床构造有利于颗粒污泥的快速形成。
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Abstract: In order to improve the flow state in the anaerobic reactor, accelerate the granulation of sludge and form an ecological gradient microbial ecosystem, a new type of anaerobic multi-stage spouted bed was designed and fabricated, and the hydraulic spout, gas jet and sludge stratification of the reactor were tested. At room temperature, the mixed sludge was inoculated into a new type of anaerobic multi-stage spouted bed. After 42 days of cultivation, the anaerobic ammonium oxidation reactor was successfully started. Through 18 days of stable operation, the removal rates of 
were achieved of 90% above. After 60 days of starting, a large amount of granular sludge with particle size of about 2 mm appeared at the bottom of the reactor, which sludge had good stability and sedimentation performance, which sedimentation speed reached 70 m/h. The results showed that the anaerobic multi-stage spouted bed could effectively accelerate the granulation of sludge, due to its special hydraulic structure.