不同水力條件對CANON顆粒污泥微生物胞外聚合物的影響

羅小娟

（江西理工大學應用科學學院， 江西 贛州 341000）

0 引言

全程自養脫氮工藝(completely autotrophic nitrogenremovalovernitrite，CANON)是近年發展起來的新型脫氮工藝[1-2]，該工藝的主要原理是通過AerAOB(氨氧化菌)與AnAOB(厭氧氨氧化菌)的協同作用，在同一個反應器中共同完成自養脫氮過程[3]。CANON工藝具有占地少、能耗低、成本低等優點，因而被認為是最具可持續特征的生物脫氮工藝[4-5]。CANON反應的化學計量式為[6]：NH3+0.85O2→0.11NO3-+0.445N2+0.14H++1.43H2O。

目前，CANON工藝主要有生物膜法和活性污泥法2種。生物膜法容易堵塞，一旦堵塞脫氮效果急劇變差，而活性污泥法總氮負荷較低[7-8]。顆粒污泥由于其獨特的構造，具有污泥停留時間(SRT)長、沉降性能好、生物量濃度高、抗沖擊能力強等優點，理論上比絮狀污泥更有優勢．因而正逐步成為CANON工藝理想的實現形式[9]。現今針對啟動方式、微生物特征以及環境條件等對培養CANON工藝顆粒污泥的影響研究已多有報道[10-11]，但是針對水力條件對CANON顆粒污泥啟動及運行的研究還鮮有報道。眾所周知，包外聚合物(EPS)可以改變污泥的物理化學特性和細菌絮體的表面特性，對細胞間的凝聚和結構穩定以及污泥系統性能的變化能夠起到重要的作用[12]，但國內針對CANON顆粒污泥EPS特性的研究目前還相對較少。

因此，若能開發出一種CANON快速啟動工藝及培養具有高效脫氮效能的CANON工藝，并對CANON污泥EPS特性進行剖析，則對高效利用CANON顆粒污泥進行脫氮研究具有重要的意義。針對以上問題，本實驗采用間歇式EGSB反應器，通過表面曝氣的方式，研究了不同水力條件對CANON顆粒污泥脫氮效能和系統內細菌EPS的影響，以期為CANON工藝顆粒污泥反應器的推廣和優化運行提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

本研究的試驗裝置為3個平行的間歇式EGSB反應器(R1～R3)，由有機玻璃加工制作，反應器裝置與流程見圖1。反應器的內徑為80 mm，總高900 mm，反應區總高800 mm，高.徑比為10，有效容積為4 L。反應器外部采用保溫避光材料包裹，并用循環加熱水浴對保溫層中的水進行循環加熱，以保持反應區內溫度為31±1℃。

圖1 EGSB試驗裝置示意

1.2 接種污泥和進水水質

接種污泥由AnAOB顆粒污泥和市政好氧池污泥組成，AnAOB顆粒污泥取自于ANAMMOX-EGSB反應器，平均粒徑約 1.8 mm，ρ（MLVSS）/ρ（MLSS）為0.412～0.445。市政好氧池污泥取自城市污水處理廠好氧池，ρ（MLVSS）/ρ（MLSS）為 0.521 ～ 0.557。R1，R2，R3每個反應器接種0.5 L的ANAMMOX顆粒污泥和0.5 L市政好氧池污泥，試驗前將接種的好氧池污泥用蒸餾水沖洗數遍。

進水采用實驗室配水，人工模擬高氨氮廢水，參考前人已有的研究成果[13]，并結合試驗實際情況，確定模擬廢水的組成如下：ρ（KH2PO4)=28 mg/L，ρ（CaCl2)=144 mg/L，ρ（MgSO4·7H2O)=316 mg/L，ρ（KHCO3)為 250 ～ 350 mg/L，ρ（NH4+-N)=350 mg/L，φ（微量元素)=1mL/L，進水中不添加NO2-。進水NH4+-N濃度根據反應周期末出水水質確定，使進水保持ρ（NH4+-N）約為 350 mg/L，ρ（C)/ρ（N)約為 1。

1.3 運行工況

3個EGSB均采用間歇進水、間歇出水的方式運行。人工模擬廢水無需用純氮氣進行氧氣吹脫，通過蠕動泵從反應器底部進水，采用瞬時進水的方式，進水 0.5 h，沉淀0.5 h，出水 0.5 h，其余時間 22.5 h為反應時間，反應周期為24 h。

根據前人提出了升流式反應器平均剪切速率公式[14]，結合本研究EGSB反應器的特性，確定本研究中不同上升流速下反應器速度梯度的平均剪切力如下式：

式中：ψ為水力循環攪拌中單位體積水流消耗的功率，Pa；ρ為混合液的密度，kg/m3；μι為反應器中水流上升流速，m/s；γ為平均剪切速率，s-1；μ為水的動力粘滯系數，Pa·s； τ為反應器中的平均剪切應力，N/m2。

本研究中R1，R2，R3反應器的上升流速、水力剪切力和溶解氧（DO）參數見表1。

表3 超臨界水氧化法與焚燒法的技術性對比

1.4 分析方法

NH4+-N,NO2--N,NO3--N,TN等參數采用標準方法測定[15]，NH4+-N：納氏試劑分光光度法；NO2--N：N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；NO3--N：酚二磺酸分光光度法；TN：過硫酸鉀紫外分光光度法；pH值：HACH便攜式pH計；DO：HACH便攜式溶氧儀。總EPS采用陽離子交換樹脂(Cation exchange resin，CER)法[16]提取。 EPS[17]中所含多糖(PS)采用蒽酮比色法測定，以葡萄糖作為標準；蛋白質(PN)和腐殖酸采用改進Lowry法測定[18]，分別以牛蛋白血清與腐殖酸作為標準。EPS含量為PS,PN和腐植酸含量的總和（以COD計），由于試驗過程中檢測出腐殖酸量較少，故忽略不計。

2 結果與討論

2.1 CANON系統啟動期和穩定期的脫氮效能

本研究根據反應器的運行性能，將不同水力條件下的CANON反應器啟動過程分為2個階段：啟動期（I）、穩定期（II）2個階段的分界點即為啟動成功的時期，啟動成功的標志為出水水質連續在3個周期以上的時間內基本保持不變[19]。

CANON顆粒污泥工藝首先經過啟動階段，初期污泥富集過程中出水水質波動比較大，隨后R1，R2在無機環境中取得了較好的脫氮效率，故成功實現了CANON工藝啟動，啟動時間分別為109 d和99 d。反應器R1，R2，R3氮素轉化過程見圖2～圖4。

圖2 R1反應器脫氮效率

圖3 R2反應器脫氮效率

圖4 R3反應器脫氮效率

啟動階段開始為微生物適應階段，接種污泥中存在部分短桿菌，故系統中存在著一定量的異養反硝化菌，由于進水為無機廢水，自養微生物逐漸獲得優勢，接種污泥中的異養菌只能利用接種污泥時帶入的部分有機物代謝，這部分有機物消耗殆盡以后，又開始進行內源降解。在缺乏有機物的條件下，異養菌不適應新環境而大量死亡，細胞發生解體，釋放出有機碳為反硝化提供碳源，同時解體過程中PN分解釋放出NH4+，從而導致出水NH4+濃度較高。

3個反應器啟動階段初期的NO3--N，NO2--N值均處于各自系統最低值，且NH4+-N濃度均處于最高水平，甚至比進水還高。隨著微生物逐漸適應無機環境，AnAOB與AerAOB逐漸生長及富集，直至反應穩定運行，其中R1，R2中TN去除率均在50%以上，特別是R2反應器中TN去除率達到76.06%，從而證明表面曝氣方式能實現CANON工藝的啟動與穩定運行。

當系統進入穩定期后，R1和R2周期性的脫氮速率隨著反應進行都逐漸變慢，其中R1和R2分別于一個周期中的14 h和12 h之后，水質基本不發生變化。由R1，R2這2個反應器對比可知，雖然R1，R2均成功啟動了CANON顆粒污泥工藝，但是2系統的脫氮效率存在著巨大差異，R2的脫氮效率遠大于R1，且能在較短時間內達到反應完全。

2.2 CANON顆粒污泥EPS變化特性

2.2.1 CANON顆粒污泥啟動期EPS變化特性

AnAOB和AerAOB在利用基質及自身生長過程中均會產生EPS，EPS能夠進行自我保護和黏附基質。AnAOB和AerAOB均屬于自養微生物，由于自養菌對環境適應能力差、倍增時間長、污泥產率低，所以自養微生物產生的微生物代謝產物遠小于異養微生物[20]，目前關于CANON顆粒污泥工藝運行過程中EPS產生及變化特性的研究還鮮有報道。故本試驗對CANON工藝顆粒污泥體系啟動期EPS的產生以及變化規律進行了探討，啟動期3個反應器EPS含量變化情況見圖5～圖7。

圖5 R1反應器EPS含量變化

圖6 R2反應器EPS含量變化

圖7 R3反應器EPS含量變化

由圖5～圖7可知，系統中微生物產生EPS的主要成分是PS和PN，腐殖酸含量極少，故忽略不計。 PS含量遠高于 PN 含量，R1，R2中 EPS，PS，PN的變化趨勢是先緩慢增加然后迅速增加最后逐漸平穩，R3中EPS的變化趨勢是先增加后降低然后逐漸平穩。

在R1，R2啟動期的前15 d內，此時微生物生長處于適應期，在逐漸適應外界環境，故產生的EPS量處于緩慢增長，其中R1由初始的29.3 mg/g升高至30.4 mg/g，其中R2由初始的29.3 mg/g升高至33.5 mg/g。此后微生物已適應了環境，微生物大量繁殖，此時系統發生短程硝化后產生NO-2-N馬上進行ANAMMOX反應，基質降解速率不斷升高，系統中EPS迅速增加，且EPS中PS和PN均得到增加，R1中EPS升高至最高值44.9 mg/g，PS升高至最高值35.9 mg/g，PN升高至最高值9.0 mg/g；R2中EPS升高至最高值56.6 mg/g，PS升高至最高值45.8 mg/g，PN升高至最高值13.3 mg/g；之后基本維持不變，究其原因是此時系統啟動成功，達到穩定期，且達到穩定期的時間與啟動成功的時間幾乎一致。

同樣在R3適應期內，微生物在逐漸適應環境，故產生的EPS含量處于緩慢增長期，其后微生物適應了外界環境，系統內主要發生短程硝化，EPS質量比逐漸升高至最大值45.8 mg/g。其后出現下降的原因可能為：系統內處于較高的DO水平，部分異養菌利用產生的DO降解了EPS，導致EPS量被利用從而出現下降，并保持在較低的水平，此時EPS質量比為35.9 mg/g，為3個系統內最低值。

2.2.2 CANON顆粒污泥穩定期EPS變化特性

AnAOB及AerAOB均屬于自養菌，均對環境適應能力較差、倍增時間較長、污泥產率低，所以目前還未見對CANON工藝顆粒污泥周期運行過程中EPS的產生以及變化特性的報道，本試驗對CANON顆粒污泥工藝啟動成功后體系中EPS的產生以及周期變化規律進行了探討，由于R3未成功啟動CANON反應，故在此僅對R1,R2進行檢測及分析，其結果見圖8、圖9。試驗過程中發現系統中微生物產生EPS的主要成分是PS和PN，腐殖酸含量極少，故在此忽略不計。由圖8、圖9可以看出，PS含量遠高于PN含量，EPS的變化趨勢是先增加然后降低最后逐漸平穩，與PN的變化趨勢非常一致。

圖8 R1反應器穩定期EPS周期性含量變化

圖9 R2反應器穩定期EPS周期性含量變化

在R1周期的前15 h內，R2周期前9 h內，CANON反應底物充足，即發生短程硝化反應產生NO-2-N就馬上進行ANAMMOX反應，此時為基質質降解速率最大的時期，系統中EPS迅速增加，且EPS中PS和PN均得到增加，R1中EPS，PS，PN分別由 35.4，29.0，6.4 mg/g 增至 56.7，41.1，19.1 mg/g，R2 中 EPS，PS，PN 質 量 比 分 別 由 47.2，35.9，11.3 mg/g增至77.3，51.1，26.9 mg/g。究其原因是因為進水中帶來了所需的營養物質促使微生物由饑餓狀態迅速被激活，營養物質迅速被降解，導致反應生成了大量的EPS，此時的反應速率和微生物活性最大，故此時的EPS增加速率也最大。

R1反應進行15 h，R2反應進行到11 h，根據周期內水質氮素變化，CANON反應完全，即EPS達到最大值的時間與周期內水質反應穩定的時間相同。但此后EPS出現大幅下降，圖8和圖9均呈現出不同程度的下降，R1反應器中EPS質量比由56.7 mg/g降至41.6 mg/g，R2反應器中EPS質量比由77.3 mg/g降至53.6 mg/g，將其與周期內基質降解變化曲線對比可發現，R1基質降解至12 h后，基質濃度（NH4+-N，NO2--N）之后基本維持不變；R2基質降解至15 h后，基質濃度（NH4+-N，NO2--N）之后基本維持不變，此時反應已結束基本不發生CANON反應。EPS，PS，PN出現下降的原因可能為：隨著CANON反應的進行導致此時NO3--N濃度較高，系統內存在部分反硝化菌，能利用這一部分硝酸鹽作為電子受體發生反硝化反應，在實驗中發現周期內NO3--N濃度出現了少量的下降，驗證了以上的假設。

3 結論

（1）通過表面曝氣式能夠實現CANON顆粒污泥工藝的啟動及穩定運行，最佳工況下系統對NH4+-N和TN的去除率可分別達到87.15%和76.06%。CANON顆粒污泥工藝的啟動需要保持較低的DO(質量濃度為0.3 mg/L)，也需要較好的傳質效果及水力剪切力。

（2）不同水力條件下CANON工藝顆粒污泥啟動期EPS，PS，PN的變化趨勢是先緩慢增加后迅速增加最后逐漸平穩。EPS達到穩定期的時間與CANON工藝啟動成功的時間相近，且達到穩定時EPS，PS，PN 值：R2 ＞ R1 ＞ R3。

（3）不同水力條件下CANON工藝顆粒污泥穩定期EPS的變化趨勢是先增加后降低最后逐漸平穩，周期變化特性為PS含量遠高于PN含量，與PN的變化趨勢非常一致，達到周期內穩定的時間與周期內水質氮素穩定時間相似。

（4）高的水力剪切力一方面能夠強化微生物與污染物的傳質效果，促進微生物增殖，強化EPS的分泌，增強微生物之間的黏附作用。另一方面也增大了污泥被洗出和碎裂的風險，使微生物與微生物之間存在著靜電斥力與水力剪切力的2種阻礙作用。