厌氧氨氧化膨胀颗粒污泥床反应器中基于抑制与污泥流失双重限值确定回流比控制策略

《Bioresource Technology》：Dual limit determination for recirculation control against inhibition and sludge washout in anammox expanded granular sludge bed reactor

　　

专业术语翻译摘要： 厌氧氨氧化（anammox）膨胀颗粒污泥床（expanded granular sludge bed, EGSB）反应器中的回流控制受到基质抑制与污泥流失的双重约束，本研究提出一种双重限值确定方法以实现回流比的量化控制。基于实际反应器运行数据，建立了游离氨（free ammonia, FA）、游离亚硝酸（free nitrous acid, FNA）及亚硝酸盐的表观半数抑制浓度（IC10）值。结果表明，FNA决定了受抑制约束的回流比下限为17。体积活性分析进一步识别出亚毫米级羟基磷灰石（hydroxyapatite, HAP）颗粒在反应器性能维持中不可或缺。由水力学条件确定的回流比上限为23，由此获得可行的回流比操作窗口为17至23。该双重限值框架将回流控制从经验性比值选择转变为由底物化学、颗粒功能性与反应器水力学共同决定的可量化设计逻辑。

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一、研究背景与问题提出

高氨氮、高浓度含氮废水主要来源于厌氧消化液及工业过程，其脱氮处理需要在较高容积负荷下保持高效运行，同时尽可能降低曝气能耗与碳源需求。厌氧氨氧化（anammox）工艺凭借其无需有机碳源、低污泥产率及低能耗等优势，成为处理此类高氨氮废水的理想技术路线。颗粒污泥上流式反应器则能够有效截留生长速率极为缓慢的厌氧氨氧化菌，并实现较高的容积转化速率。羟基磷灰石（hydroxyapatite, HAP）的形成可进一步提高颗粒的无机组分含量与沉降性能，从而增强生物质持留能力。

在厌氧氨氧化颗粒污泥反应器的工程应用中，出水回流被广泛用于稀释高浓度进水并均化底物分布。然而，回流比（recirculation ratio, R）的选取长期依赖运行经验，缺乏明确的工艺限值依据。回流比过低时，反应器内底物浓度过高，可能引发游离氨（free ammonia, FA）、游离亚硝酸（free nitrous acid, FNA）及亚硝酸盐的底物抑制效应；回流比过高时，上升流速增大，水力剪切增强，可能导致功能性颗粒污泥的流失。已有研究多聚焦于特定回流比下的性能响应，尚未建立从抑制阈值到回流比下限、从颗粒沉降能力到回流比上限的系统性定量转化方法。因此，亟需发展一种可量化的双重限值确定方法，以指导回流比的合理调控。

二、研究内容与主要结论

本研究针对厌氨氧化膨胀颗粒污泥床（expanded granular sludge bed, EGSB）反应器，提出了一种回流比双重限值确定方法。研究人员开展了为期360天的连续运行实验，将氮负荷率（nitrogen loading rate, NLR）从2 g N L^?1 d^?1逐步提升至6 g N L^?1 d^?1，建立了稳定的工艺运行基础。基于连续运行数据，利用Levenspiel模型量化了FA、FNA及亚硝酸盐的表观抑制响应，获得了相应的IC₁₀值，并将其转化为受抑制约束的回流比下限。与此同时，研究人员对HAP厌氧氨氧化颗粒污泥进行了粒径分级，系统表征了不同粒径颗粒的组成、比活性、沉降速度及比容积活性，据此识别出对反应器转化性能具有关键贡献的最小颗粒粒径，进而确定了受水力学条件约束的回流比上限。耦合两个独立确定的限值，最终获得了反应器特定的可行回流比操作窗口。

研究结果表明，FNA是决定抑制约束回流比下限的主导因素，其对应的下限值为17；而基于颗粒沉降能力与容积活性确定的水力学上限值为23。因此，在该反应器运行条件下，可行的回流比窗口为17至23。这一发现表明，回流比的控制不应依赖固定经验值，而应综合考虑底物化学、颗粒功能性与反应器水力学条件，实现可量化的设计逻辑。

三、关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：其一，基于连续反应器运行数据，应用Levenspiel抑制动力学模型，对FA、FNA及亚硝酸盐的表观抑制响应进行拟合，确定各抑制物的IC₁₀值；其二，对HAP厌氧氨氧化颗粒污泥进行粒径分级，分别测定各粒径组分的化学组成、比活性、沉降速度及比容积活性，以评估不同粒径颗粒对反应器容积转化的贡献；其三，基于抑制限值与水力持留限值的耦合分析，确定回流比的可行操作窗口。实验所用进水为日本仙台JNEX生物工厂餐厨垃圾厌氧消化脱水液经部分亚硝化（partial nitritation, PN）预处理后的出水，实际进水氨氮浓度约为814 mg L^?1，亚硝酸盐氮浓度约为924 mg L^?1。

四、研究结果

抑制响应建模结果：利用五个氮负荷阶段的操作数据，以总氮去除效率为性能指标，采用Levenspiel模型分别拟合了FA、FNA及亚硝酸盐的浓度依赖性抑制响应。结果表明，三种抑制物的表观IC₁₀值存在差异，其中FNA的抑制阈值最低，对反应器性能的约束作用最为显著。据此确定的抑制约束回流比下限为17。

颗粒分级表征结果：对HAP厌氧氨氧化颗粒污泥按粒径进行分级后，分别测定了各粒径组分的无机组分含量、比活性、沉降速度及比容积活性。结果显示，亚毫米级颗粒虽然粒径较小，但具有不可忽视的比容积活性，对反应器整体转化性能具有关键贡献。因此，回流比上限的确定不能仅依据整体污泥持留能力，而应以对反应器转化具有实际贡献的最小颗粒粒径的沉降能力为基准。据此确定的水力学约束回流比上限为23。

可行回流比窗口：将抑制约束下限与水力约束上限耦合，得到该EGSB反应器在特定运行条件下的可行回流比窗口为17至23。在此窗口内运行时，反应器既能避免FA、FNA及亚硝酸盐的抑制风险，又能有效持留功能性颗粒污泥。

五、讨论与结论

讨论部分指出，回流比的控制长期依赖经验选取，缺乏明确的工艺限值依据。本研究通过将抑制阈值与颗粒沉降能力分别转化为回流比的上下限，建立了反应器特定的可行操作窗口。该方法的优势在于其可量化性和反应器特异性，能够根据实际废水基质、颗粒特性及水力学条件进行动态调整。研究同时强调，HAP颗粒的掺入虽可改善沉降性能，但并不能消除污泥流失风险，最小功能颗粒的持留仍是回流比上限设定的关键考量。

研究结论认为，回流比的双重限值确定方法能够有效降低抑制风险并改善功能性颗粒的水力持留。该研究将回流控制从经验性比值选择转变为由底物化学、颗粒功能性与反应器水力学共同决定的可量化设计逻辑，为厌氧氨氧化颗粒污泥反应器的工程设计与稳定运行提供了理论依据与操作指导。