間歇低氧曝氣下CANON工藝處理生活污水的啟動

張倩，王淑瑩，苗圓圓，王曉霞，彭永臻

（北京工業大學國家工程實驗室，北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術研究中心，北京 100124）

間歇低氧曝氣下CANON工藝處理生活污水的啟動

張倩，王淑瑩，苗圓圓，王曉霞，彭永臻

（北京工業大學國家工程實驗室，北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術研究中心，北京 100124）

利用序批式反應器（SBR）接種短程硝化和厭氧氨氧化污泥處理實際生活污水，在間歇低氧曝氣條件下實現了CANON工藝的啟動。同時，保證適宜的溫度和污泥濃度對處理效果及系統的穩定也很重要。該運行模式下，可實現對亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的抑制淘洗，短程硝化和厭氧氨氧化為主導反應，自養脫氮體系穩定。系統穩定運行后污染物去除效果良好：進水總氮和氨氮質量濃度為63.9 mg·L?1和62.7 mg·L?1，出水總氮和氨氮質量濃度為12.3 mg·L?1和7.6 mg·L?1，總氮和氨氮去除率為77.8%和86.7%，總氮去除負荷達0.16 kg N·(m3·d)?1。試驗研究為間歇低氧曝氣運行模式推廣應用于城市污水自養脫氮提供了參考。

廢水；溶解氧；CANON；曝氣；間歇式

引 言

傳統的污水生物脫氮技術中硝化過程需大量曝氣消耗能量，同時反硝化過程需利用有機碳源，然而實際生活污水常存在碳源不足問題，投加外碳源進一步增加運行成本。厭氧氨氧化菌(anaerobicammonium oxidation bacteria，縮寫為AnAOB) 缺氧條件下利用無機碳源，以亞硝態氮為電子受體，氧化氨氮生成氮氣[1-2]。因而對厭氧氨氧化（ANAMMOX）為代表的自養脫氮技術的研究已成為熱點。生活污水中亞硝態氮含量極低，缺乏厭氧氨氧化反應的基質，故單級SBR中需先將原水中的氨氮部分轉化為亞硝態氮，即先進行部分短程硝化反應[3-4]。在同一反應器中實現短程硝化反應和厭氧氨氧化反應的CANON工藝，相較于傳統工藝具有節能降耗、污泥產量低、占地面積小、二次污染少等優勢[5-6]。目前CANON工藝主要應用在處理如污泥消化液等高溫高氨氮廢水[7-9]，應用于城市生活污水中還存在短程硝化不穩定、污泥流失生物量減少、啟動時間長難以穩定維持等問題[10-11]。

短程硝化過程中，過長的曝氣時間和過高的曝氣量都可能造成亞硝態氮被繼續氧化為硝態氮，短程硝化被破壞，而且過高的溶解氧可能對厭氧氨氧化菌的活性產生抑制。因而系統中適宜的溶解氧濃度，既能保證對亞硝酸鹽氧化菌的抑制淘洗，又能實現氨氧化菌和厭氧氨氧化菌的協同反應，顯得尤為重要[12-15]。

采用間歇曝氣的運行方式，通過人為地控制一定的缺好氧時間比，形成缺好氧交替環境。相較于連續曝氣，更易實現短程硝化[16-17]，從而有利于CANON工藝的穩定運行。采用低溶解氧（DO≤1.0 mg·L?1）條件下間歇曝氣的運行模式，直接投加短程硝化污泥和厭氧氨氧化污泥于 SBR中，實現CANON工藝啟動和穩定運行等方面的研究較少。因而本研究采用該運行模式處理實際生活污水，以期為其推廣應用提供更多參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與運行

試驗裝置如圖1（a）所示，采用高徑比為5（高700 mm，直徑140 mm）的敞口圓柱體SBR，材質為有機玻璃，有效容積10 L，在反應器壁垂直方向設置一排取樣口用于取樣和排水。進水由蠕動泵控制，攪拌裝置采用機械調速攪拌器，曝氣裝置采用空氣泵和曝氣砂頭，時間繼電器控制空氣泵的開關，曝氣量通過轉子流量計調節。反應器用黑色遮光材料包裹，避光運行。

圖1 試驗裝置及周期運行示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device and operational process of each cycle

運行方式如圖1（b）所示，其中間歇曝氣階段采用8 min曝氣/22 min攪拌的方式循環運行，曝氣量控制在0.20～0.24 L·min?1之間，DO濃度在0～1.2 mg·L?1之間。每天運行4個周期，排水比60%。污泥濃度不控制，不單獨排泥。系統運行過程分 3個階段，各階段劃分見表1。

表1 系統運行階段表Table 1 Operation schedule of system

1.2 接種污泥和試驗用水

接種污泥中短程硝化污泥取自實驗室中試規模的短程硝化反硝化SBR[11]，污泥濃度（MLSS）為 8000 mg·L?1，揮發性固體濃度（MLVSS）為MLSS的85%左右。厭氧氨氧化污泥取自低基質濃度厭氧氨氧化UASB[11]，MLSS為 14080 mg·L?1。根據兩種污泥中功能菌的活性（即亞硝態氮的生成速率和消耗速率）結合間歇曝氣中缺好氧時間來配比兩種污泥的投加量，投加4 L短程硝化污泥和0.5 L厭氧氨氧化污泥，接種后反應器內MLSS為3904 mg·L?1，MLVSS為3384 mg·L?1，f = MLVSS/MLSS= 86%。試驗用水取自某高校家屬區化糞池的實際生活污水，經曝氣預處理去除水中有機物后貯存于進水箱，進水水質指標見表2。

表2 進水水質Table 2 Characteristics of influent wastewater

1.3 檢測指標和分析方法

水樣經0.45 μm濾膜過濾后測定各參數。其中COD采用5B-3型COD快速測定儀測定；采用納氏試劑分光光度法測定；采用 N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法測定；采用麝香草酚分光光度法測定；MLSS采用濾紙稱重法測定；MLVSS采用馬弗爐灼燒重量法測定；溫度、pH、DO采用德國WTW Multi 340i便攜多功能測定儀在線監測。

采用實時定量 PCR技術進行活性污泥內部各功能菌群豐度分析。首先根據試劑盒（fast DNA spin kit for soil, BIO 101 system, USA）說明對污泥樣品進行DNA的提取，隨后利用NanoDrops ND-1000紫 外 分光 光 度 計 （NanoDrop Technologies, Wilmington, DE, USA）檢測DNA提取效果及濃度。采用 ABI 7300實時定量 PCR 擴增儀(Applied Biosystems, CA, USA)測定，測定方法為 SYBY Green法，擴增體系20 μl，配制如下：SYBY Ex Taq（Takara，大連，中國）10 μl，ROX Reference Dye 0.4 μl，前引物和后引物（10 μmol·L?1）各0.3 μl，DNA樣品2 μl，ddH2O 7 μl。擴增程序為：95℃預變性3 min，95℃變性30 s，退火30 s，72℃延伸45 s，40個循環。每個樣品設立平行，取均值，以每克干污泥中菌的基因拷貝數表示菌的含量。

試驗中各功能菌發生的主要化學反應方程式如下所示，結果分析中化學計量系數均按照下述方程式計算。

厭氧氨氧化的反應方程式

氨氮氧化的反應方程式

亞硝態氮氧化的反應方程式

CANON工藝的反應方程式

2 結果與討論

2.1 系統脫氮性能分析

實際生活污水COD含量高且波動大，易引起異養菌的增長，不利于自養菌的生長和系統的穩定[18]，故原水經曝氣預處理后再進入CANON反應器。進水COD由平均196 mg·L?1降至平均57.5 mg·L?1，處于45～73 mg·L?1之間。預處理僅去除大部分易降解的有機物，不進行氮元素的去除。由圖2（b）知，CANON反應器進出水的COD幾乎未變化，表明系統中好氧異養菌和反硝化菌存在量低且作用小。由條件的改變將系統運行劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段，各階段氮元素濃度變化如圖2所示。

圖2 氮素濃度、COD濃度及總氮去除率變化Fig.2 Variation of nitrogen concentrations, COD concentrations and removal rates of TN

第Ⅱ階段（60～89 d）為避免冬季低溫的不利影響，將系統溫度由20～25℃提高至30～35℃，以保證微生物較好的活性。同時溫度升高時AOB活性提高較NOB更快，從而有利于短程硝化[23]。然而，試驗結果表明：60～80 d間平均總氮和氨氮去除率分別為52.2%和67.1%，處理效果在升溫后未能完全恢復。80 d后又再次出現了處理效果的惡化，總氮去除率降至30%。在進水負荷、溫度、溶解氧等運行條件不變時，考慮到系統處理效果不僅與微生物活性有關，還可能受到微生物量的影響[24]，又由圖3可知該階段系統污泥濃度降低為啟動初期的54%左右，分析認為生物量的不足可能是此時引起處理效果變差的原因。

圖3 污泥濃度和f值的變化Fig.3 Variation of sludge concentrations and f

第Ⅲ階段（90～160 d）為提高系統的生物量，90 d時向系統添加與啟動時相同性質的短程硝化污泥，添加量為此時系統MLVSS的10%。添加后，出水-N濃度迅速從45 mg·L?1降至25 mg·L?1左右。130 d后-N濃度低于10 mg·L?1，-N濃度低于2 mg·L?1，-N濃度維持5 mg·L?1左右。130～160 d出水總氮和氨氮均值為 12.3 mg·L?1和7.6 mg·L?1，平均總氮和氨氮去除率分別為 77.8%和 86.7%，總氮去除負荷為 0.16 kgN·(m3·d)?1。雖然進水氨氮濃度處于波動狀態，但處理效果趨于穩定，系統啟動成功并穩定運行。可見溫度適宜情況下，由于系統中功能菌均為自養菌，生長緩慢，保證一定的生物量對處理效果也很關鍵[25]。

2.2 系統菌群結構分析

在第Ⅰ階段（1～59 d）由系統污泥濃度和f值的變化（圖3）知，經30 d的間歇低氧曝氣運行，系統MLSS和MLVSS均降低，且MLVSS降幅超過MLSS，f由86%降到80%。由系統全菌及功能菌豐度變化（圖 4）可知，全菌含量降低，但是自養菌AOB和NOB的含量均上升。同時結合圖2（b）中進水COD含量低、進出水COD基本無變化的情況，推測此時異養菌的死亡可能是造成污泥濃度和全菌含量降低的原因。同時AOB的含量增幅高于NOB，因而 30 d前后系統出現亞硝酸鹽積累的現象。NOB含量較AOB、AnAOB高，但是亞硝態氮氧化反應卻不占優勢，表明該運行條件對 NOB存在一定抑制作用。30～50 d系統的微生物量大幅下降，MLSS降至1780 mg·L?1，f降至60%。又由圖4可知，AOB和NOB含量均降低。表明溫度降低引起系統微生物活性的下降，進而引起微生物含量的降低是系統脫氮效果惡化的主要原因[26]。

圖4 全菌及功能菌豐度變化Fig.4 Variation of total bacteria and functional bacteria abundance targeting on 16S rRNA

在第Ⅱ階段（60～89 d）溫度升高，MLSS升至2083 mg·L?1，f增至65%，但是并沒有完全恢復系統的處理效果。在第Ⅲ階段（90～160 d）添加短程硝化污泥后MLSS增至3294 mg·L?1，f增至72%。AnAOB含量出現小幅增長，而添加的污泥中并無厭氧氨氧化菌，因而推測厭氧氨氧化菌含量的增加得益于溫度的升高。120 d時，AOB含量略有下降，NOB含量大幅降低，由7.94×109copies·(g MLSS)?1降為1.92×109copies·(g MLSS)?1，MLSS回升至3294 mg·L?1。此時各功能菌含量接近，處理效果趨于穩定且系統污泥濃度不再下降。160 d時，MLSS和f變化不明顯，NOB被抑制淘洗進一步下降至0.06×109copies·(g MLSS)?1，AOB和AnAOB優勢生長含量小幅升高。

系統菌群結構的變化微觀上解釋了處理效果的變化，最終NOB受到抑制不斷被淘洗出系統，弱化了其與AOB對有限溶解氧的競爭，避免了亞硝態氮被進一步氧化為硝態氮；同時也避免了其與AnAOB對亞硝態氮基質的競爭，使AnAOB得以持留，AOB與AnAOB形成良好的協同關系保證了系統的處理效果。

由2.1、2.2綜合分析得，間歇低氧曝氣運行模式下，系統經歷了：Ⅰ-微生物適應和活性提高階段；Ⅱ-受溫度影響微生物活性降低，效果惡化，升溫后恢復階段；Ⅲ-生物量低，效果再次惡化，污泥添加后效果提升并最終穩定階段。該運行模式下，菌群結構發生較大變化，為種泥中高NOB含量及污泥濃度持續降低等情況下實現CANON工藝的啟動提供了調控策略。

2.3 系統自養脫氮效能分析

由CANON總反應方程式[式（4）]可知，系統總氮去除量和氨氮消耗量的理論比值（ΔTN/Δ-N）為 0.86，硝態氮生成量和氨氮消耗量的理論比值（Δ-N/Δ-N）為0.11。試驗中兩比值的變化如圖5所示。

圖5 ΔTN /Δ-N和Δ-N-N/Δ-N的變化Fig.5 Variation of ΔTN/Δ-N and Δ-N/Δ-N

第Ⅰ階段（1～59 d）啟動初期比值波動性大，30 d之前，氨氮降解量低，沒有形成自養脫氮體系。30 d后，比值趨于穩定，但NOB作用下發生部分全程硝化，造成硝態氮生成量高且總氮去除量低，因而表現為低于理論值且高于理論值。50 d后，比值的大幅度偏離理論值也體現了系統處理效果的惡化。

2.4 系統典型周期分析

對系統啟動成功后典型周期內溫度、DO、pH和氮素濃度變化作具體分析。周期內溫度穩定在32～35℃之間，pH在7.4～7.5之間。-N濃度因上周期剩余泥水混合物的稀釋由進水的 75.6 mg·L?1降至53.9 mg·L?1，-N和-N濃度為0。

間歇曝氣單循環[圖6(c)]中先進行8 min的低氧曝氣，曝氣開始4 min后DO濃度高于0.8 mg·L?1，最大值為1.1 mg·L?1，平均值為0.57 mg·L?1。曝氣過程中-N濃度由 53.9 mg·L?1降至 51.6 mg·L?1，-N濃度升至2.3 mg·L?1，-N濃度升至0.01 mg·L?1，pH波動下降。

隨后進行22 min的不曝氣攪拌，DO濃度由最高點逐漸下降。攪拌4 min后，DO濃度低于0.05 mg·L?1。-N濃度降至49.9 mg·L?1，-N被AnAOB消耗，-N濃度增至0.45 mg·L?1，pH略微回升。

至此間歇曝氣的一個循環結束，進入下一個循環。由圖6（a）可知，氨氮的減少伴隨著硝態氮的增加，亞硝態氮在單循環中先升高后降低，最終幾乎無剩余。由圖6（b）可知，系統pH整體無變化，溶解氧間歇性升高。由圖 6（c）可知，單循環中DO濃度高于平均值的時間有8 min，實際的好氧過程有10 min，其余20 min溶解氧濃度極低，視為缺氧過程。

由于好氧條件下AOB對氧親和力的優勢，NOB的生長明顯弱于AOB。而進入到缺氧條件時，NOB又因缺少氧氣而不能增長。經過多個這樣的循環，NOB逐漸被抑制淘洗。通過對周期內各氮素濃度的監測分析，及時調整曝氣量和缺好氧時間比等運行條件，提高功能菌的活性。綜上，間歇低氧曝氣在限制 NOB生長的同時，也降低了高溶解氧對AnAOB的抑制，使得AOB和AnAOB起優勢主導作用，是一種有潛力的運行方式。

圖6 典型周期氮素濃度及DO、pH、溫度變化Fig.6 Variation of nitrogen concentrations and DO, pH, temperature in a typical cycle

3 結 論

（1）間歇曝氣條件下，控制溶解氧最高濃度為0.8～1.0 mg·L?1、溫度30～35℃、污泥濃度3000 mg·L?1左右等條件，實現了實際生活污水中CANON工藝的啟動，穩定運行時總氮和氨氮去除率分別為77.8%和86.7%，總氮去除負荷為0.16 kg N·(m3·d)?1。

（2）間歇低氧曝氣條件下，保證適宜的溫度和污泥濃度對處理效果及系統的穩定也很重要，為應對種泥中高NOB含量及污泥濃度持續降低等情況提供了調控策略。

（3）間歇低氧曝氣條件下，NOB逐漸被抑制淘洗，菌群結構發生較大變化，短程硝化和厭氧氨氧化為主導反應，系統自養脫氮性能良好。該運行模式為CANON工藝的啟動和穩定運行提供了參考。

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Start-up of CANON process on domestic wastewater using intermittent aeration with low DO

ZHANG Qian, WANG Shuying, MIAO Yuanyuan, WANG Xiaoxia, PENG Yongzhen
(National Engineering Laboratory for Advanced Municipal Wastewater Treatment and Reuse Technology, Engineering Research Center of Beijing, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

The CANON (completely autotropic nitrogen removal over nitrite) process has been received abroad attention in wastewater treatment recent years. In the study, a Sequencing Batch Reactor (SBR) was used to treat domestic wastewater using intermittent aeration with low dissolved oxygen (DO). After inoculating partial nitrification sludge and anammox sludge, the reactor was started-up successfully under appropriate temperature and sludge concentration. By using intermittent aeration with low DO, the system achieved the inhibition and elimination of nitrite-oxidizing bacteria (NOB). The harmonious effect of partial nitrification and anammox made the system stable. In the stable phase, the reactor had a good performance on the contaminant removal. With the influent concentrations of total nitrogen and ammonia of 63.9 mg·L?1and 62.7 mg·L?1, the effluent of them were 12.3 mg·L?1and 7.6 mg·L?1and the removal rates of them were 77.8% and 86.7%, respectively, with the volume loading of total nitrogen removal of 0.16 kg N·(m3·d)?1. Thus, the experiment provided references for the application of the operation mode in autotrophic nitrogen removal of wastewater.

waste water; dissolved oxygen; CANON; aeration; batchwise

Prof. WANG Shuying,wsy@bjut.edu.cn

X 703.1

：A

：0438—1157（2017）01—0289—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20160799

2016-06-12收到初稿，2016-09-21收到修改稿。

聯系人：王淑瑩。

：張倩(1990—)，女，碩士研究生。

國家自然科學基金項目(51478013)；北京市教委資助項目。

Received date: 2016-06-12.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51478013) and the Funding Projects of Beijing Municipal Commission of Education.