间歇低氧曝气下CANON工艺处理生活污水的启动

张倩，王淑莹，苗圆圆，王晓霞，彭永臻

（北京工业大学国家工程实验室，北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心，北京 100124）

间歇低氧曝气下CANON工艺处理生活污水的启动

张倩，王淑莹，苗圆圆，王晓霞，彭永臻

（北京工业大学国家工程实验室，北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心，北京 100124）

利用序批式反应器（SBR）接种短程硝化和厌氧氨氧化污泥处理实际生活污水，在间歇低氧曝气条件下实现了CANON工艺的启动。同时，保证适宜的温度和污泥浓度对处理效果及系统的稳定也很重要。该运行模式下，可实现对亚硝酸盐氧化菌（NOB）的抑制淘洗，短程硝化和厌氧氨氧化为主导反应，自养脱氮体系稳定。系统稳定运行后污染物去除效果良好：进水总氮和氨氮质量浓度为63.9 mg·L−1和62.7 mg·L−1，出水总氮和氨氮质量浓度为12.3 mg·L−1和7.6 mg·L−1，总氮和氨氮去除率为77.8%和86.7%，总氮去除负荷达0.16 kg N·(m3·d)−1。试验研究为间歇低氧曝气运行模式推广应用于城市污水自养脱氮提供了参考。

废水；溶解氧；CANON；曝气；间歇式

引 言

传统的污水生物脱氮技术中硝化过程需大量曝气消耗能量，同时反硝化过程需利用有机碳源，然而实际生活污水常存在碳源不足问题，投加外碳源进一步增加运行成本。厌氧氨氧化菌(anaerobicammonium oxidation bacteria，缩写为AnAOB) 缺氧条件下利用无机碳源，以亚硝态氮为电子受体，氧化氨氮生成氮气[1-2]。因而对厌氧氨氧化（ANAMMOX）为代表的自养脱氮技术的研究已成为热点。生活污水中亚硝态氮含量极低，缺乏厌氧氨氧化反应的基质，故单级SBR中需先将原水中的氨氮部分转化为亚硝态氮，即先进行部分短程硝化反应[3-4]。在同一反应器中实现短程硝化反应和厌氧氨氧化反应的CANON工艺，相较于传统工艺具有节能降耗、污泥产量低、占地面积小、二次污染少等优势[5-6]。目前CANON工艺主要应用在处理如污泥消化液等高温高氨氮废水[7-9]，应用于城市生活污水中还存在短程硝化不稳定、污泥流失生物量减少、启动时间长难以稳定维持等问题[10-11]。

短程硝化过程中，过长的曝气时间和过高的曝气量都可能造成亚硝态氮被继续氧化为硝态氮，短程硝化被破坏，而且过高的溶解氧可能对厌氧氨氧化菌的活性产生抑制。因而系统中适宜的溶解氧浓度，既能保证对亚硝酸盐氧化菌的抑制淘洗，又能实现氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的协同反应，显得尤为重要[12-15]。

采用间歇曝气的运行方式，通过人为地控制一定的缺好氧时间比，形成缺好氧交替环境。相较于连续曝气，更易实现短程硝化[16-17]，从而有利于CANON工艺的稳定运行。采用低溶解氧（DO≤1.0 mg·L−1）条件下间歇曝气的运行模式，直接投加短程硝化污泥和厌氧氨氧化污泥于 SBR中，实现CANON工艺启动和稳定运行等方面的研究较少。因而本研究采用该运行模式处理实际生活污水，以期为其推广应用提供更多参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置与运行

试验装置如图1（a）所示，采用高径比为5（高700 mm，直径140 mm）的敞口圆柱体SBR，材质为有机玻璃，有效容积10 L，在反应器壁垂直方向设置一排取样口用于取样和排水。进水由蠕动泵控制，搅拌装置采用机械调速搅拌器，曝气装置采用空气泵和曝气砂头，时间继电器控制空气泵的开关，曝气量通过转子流量计调节。反应器用黑色遮光材料包裹，避光运行。

图1 试验装置及周期运行示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental device and operational process of each cycle

运行方式如图1（b）所示，其中间歇曝气阶段采用8 min曝气/22 min搅拌的方式循环运行，曝气量控制在0.20～0.24 L·min−1之间，DO浓度在0～1.2 mg·L−1之间。每天运行4个周期，排水比60%。污泥浓度不控制，不单独排泥。系统运行过程分 3个阶段，各阶段划分见表1。

表1 系统运行阶段表Table 1 Operation schedule of system

1.2 接种污泥和试验用水

接种污泥中短程硝化污泥取自实验室中试规模的短程硝化反硝化SBR[11]，污泥浓度（MLSS）为 8000 mg·L−1，挥发性固体浓度（MLVSS）为MLSS的85%左右。厌氧氨氧化污泥取自低基质浓度厌氧氨氧化UASB[11]，MLSS为 14080 mg·L−1。根据两种污泥中功能菌的活性（即亚硝态氮的生成速率和消耗速率）结合间歇曝气中缺好氧时间来配比两种污泥的投加量，投加4 L短程硝化污泥和0.5 L厌氧氨氧化污泥，接种后反应器内MLSS为3904 mg·L−1，MLVSS为3384 mg·L−1，f = MLVSS/MLSS= 86%。试验用水取自某高校家属区化粪池的实际生活污水，经曝气预处理去除水中有机物后贮存于进水箱，进水水质指标见表2。

表2 进水水质Table 2 Characteristics of influent wastewater

1.3 检测指标和分析方法

水样经0.45 μm滤膜过滤后测定各参数。其中COD采用5B-3型COD快速测定仪测定；采用纳氏试剂分光光度法测定；采用 N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法测定；采用麝香草酚分光光度法测定；MLSS采用滤纸称重法测定；MLVSS采用马弗炉灼烧重量法测定；温度、pH、DO采用德国WTW Multi 340i便携多功能测定仪在线监测。

采用实时定量 PCR技术进行活性污泥内部各功能菌群丰度分析。首先根据试剂盒（fast DNA spin kit for soil, BIO 101 system, USA）说明对污泥样品进行DNA的提取，随后利用NanoDrops ND-1000紫 外 分光 光 度 计 （NanoDrop Technologies, Wilmington, DE, USA）检测DNA提取效果及浓度。采用 ABI 7300实时定量 PCR 扩增仪(Applied Biosystems, CA, USA)测定，测定方法为 SYBY Green法，扩增体系20 μl，配制如下：SYBY Ex Taq（Takara，大连，中国）10 μl，ROX Reference Dye 0.4 μl，前引物和后引物（10 μmol·L−1）各0.3 μl，DNA样品2 μl，ddH2O 7 μl。扩增程序为：95℃预变性3 min，95℃变性30 s，退火30 s，72℃延伸45 s，40个循环。每个样品设立平行，取均值，以每克干污泥中菌的基因拷贝数表示菌的含量。

试验中各功能菌发生的主要化学反应方程式如下所示，结果分析中化学计量系数均按照下述方程式计算。

厌氧氨氧化的反应方程式

氨氮氧化的反应方程式

亚硝态氮氧化的反应方程式

CANON工艺的反应方程式

2 结果与讨论

2.1 系统脱氮性能分析

实际生活污水COD含量高且波动大，易引起异养菌的增长，不利于自养菌的生长和系统的稳定[18]，故原水经曝气预处理后再进入CANON反应器。进水COD由平均196 mg·L−1降至平均57.5 mg·L−1，处于45～73 mg·L−1之间。预处理仅去除大部分易降解的有机物，不进行氮元素的去除。由图2（b）知，CANON反应器进出水的COD几乎未变化，表明系统中好氧异养菌和反硝化菌存在量低且作用小。由条件的改变将系统运行划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段，各阶段氮元素浓度变化如图2所示。

图2 氮素浓度、COD浓度及总氮去除率变化Fig.2 Variation of nitrogen concentrations, COD concentrations and removal rates of TN

第Ⅱ阶段（60～89 d）为避免冬季低温的不利影响，将系统温度由20～25℃提高至30～35℃，以保证微生物较好的活性。同时温度升高时AOB活性提高较NOB更快，从而有利于短程硝化[23]。然而，试验结果表明：60～80 d间平均总氮和氨氮去除率分别为52.2%和67.1%，处理效果在升温后未能完全恢复。80 d后又再次出现了处理效果的恶化，总氮去除率降至30%。在进水负荷、温度、溶解氧等运行条件不变时，考虑到系统处理效果不仅与微生物活性有关，还可能受到微生物量的影响[24]，又由图3可知该阶段系统污泥浓度降低为启动初期的54%左右，分析认为生物量的不足可能是此时引起处理效果变差的原因。

图3 污泥浓度和f值的变化Fig.3 Variation of sludge concentrations and f

第Ⅲ阶段（90～160 d）为提高系统的生物量，90 d时向系统添加与启动时相同性质的短程硝化污泥，添加量为此时系统MLVSS的10%。添加后，出水-N浓度迅速从45 mg·L−1降至25 mg·L−1左右。130 d后-N浓度低于10 mg·L−1，-N浓度低于2 mg·L−1，-N浓度维持5 mg·L−1左右。130～160 d出水总氮和氨氮均值为 12.3 mg·L−1和7.6 mg·L−1，平均总氮和氨氮去除率分别为 77.8%和 86.7%，总氮去除负荷为 0.16 kgN·(m3·d)−1。虽然进水氨氮浓度处于波动状态，但处理效果趋于稳定，系统启动成功并稳定运行。可见温度适宜情况下，由于系统中功能菌均为自养菌，生长缓慢，保证一定的生物量对处理效果也很关键[25]。

2.2 系统菌群结构分析

在第Ⅰ阶段（1～59 d）由系统污泥浓度和f值的变化（图3）知，经30 d的间歇低氧曝气运行，系统MLSS和MLVSS均降低，且MLVSS降幅超过MLSS，f由86%降到80%。由系统全菌及功能菌丰度变化（图 4）可知，全菌含量降低，但是自养菌AOB和NOB的含量均上升。同时结合图2（b）中进水COD含量低、进出水COD基本无变化的情况，推测此时异养菌的死亡可能是造成污泥浓度和全菌含量降低的原因。同时AOB的含量增幅高于NOB，因而 30 d前后系统出现亚硝酸盐积累的现象。NOB含量较AOB、AnAOB高，但是亚硝态氮氧化反应却不占优势，表明该运行条件对 NOB存在一定抑制作用。30～50 d系统的微生物量大幅下降，MLSS降至1780 mg·L−1，f降至60%。又由图4可知，AOB和NOB含量均降低。表明温度降低引起系统微生物活性的下降，进而引起微生物含量的降低是系统脱氮效果恶化的主要原因[26]。

图4 全菌及功能菌丰度变化Fig.4 Variation of total bacteria and functional bacteria abundance targeting on 16S rRNA

在第Ⅱ阶段（60～89 d）温度升高，MLSS升至2083 mg·L−1，f增至65%，但是并没有完全恢复系统的处理效果。在第Ⅲ阶段（90～160 d）添加短程硝化污泥后MLSS增至3294 mg·L−1，f增至72%。AnAOB含量出现小幅增长，而添加的污泥中并无厌氧氨氧化菌，因而推测厌氧氨氧化菌含量的增加得益于温度的升高。120 d时，AOB含量略有下降，NOB含量大幅降低，由7.94×109copies·(g MLSS)−1降为1.92×109copies·(g MLSS)−1，MLSS回升至3294 mg·L−1。此时各功能菌含量接近，处理效果趋于稳定且系统污泥浓度不再下降。160 d时，MLSS和f变化不明显，NOB被抑制淘洗进一步下降至0.06×109copies·(g MLSS)−1，AOB和AnAOB优势生长含量小幅升高。

系统菌群结构的变化微观上解释了处理效果的变化，最终NOB受到抑制不断被淘洗出系统，弱化了其与AOB对有限溶解氧的竞争，避免了亚硝态氮被进一步氧化为硝态氮；同时也避免了其与AnAOB对亚硝态氮基质的竞争，使AnAOB得以持留，AOB与AnAOB形成良好的协同关系保证了系统的处理效果。

由2.1、2.2综合分析得，间歇低氧曝气运行模式下，系统经历了：Ⅰ-微生物适应和活性提高阶段；Ⅱ-受温度影响微生物活性降低，效果恶化，升温后恢复阶段；Ⅲ-生物量低，效果再次恶化，污泥添加后效果提升并最终稳定阶段。该运行模式下，菌群结构发生较大变化，为种泥中高NOB含量及污泥浓度持续降低等情况下实现CANON工艺的启动提供了调控策略。

2.3 系统自养脱氮效能分析

由CANON总反应方程式[式（4）]可知，系统总氮去除量和氨氮消耗量的理论比值（ΔTN/Δ-N）为 0.86，硝态氮生成量和氨氮消耗量的理论比值（Δ-N/Δ-N）为0.11。试验中两比值的变化如图5所示。

图5 ΔTN /Δ-N和Δ-N-N/Δ-N的变化Fig.5 Variation of ΔTN/Δ-N and Δ-N/Δ-N

第Ⅰ阶段（1～59 d）启动初期比值波动性大，30 d之前，氨氮降解量低，没有形成自养脱氮体系。30 d后，比值趋于稳定，但NOB作用下发生部分全程硝化，造成硝态氮生成量高且总氮去除量低，因而表现为低于理论值且高于理论值。50 d后，比值的大幅度偏离理论值也体现了系统处理效果的恶化。

2.4 系统典型周期分析

对系统启动成功后典型周期内温度、DO、pH和氮素浓度变化作具体分析。周期内温度稳定在32～35℃之间，pH在7.4～7.5之间。-N浓度因上周期剩余泥水混合物的稀释由进水的 75.6 mg·L−1降至53.9 mg·L−1，-N和-N浓度为0。

间歇曝气单循环[图6(c)]中先进行8 min的低氧曝气，曝气开始4 min后DO浓度高于0.8 mg·L−1，最大值为1.1 mg·L−1，平均值为0.57 mg·L−1。曝气过程中-N浓度由 53.9 mg·L−1降至 51.6 mg·L−1，-N浓度升至2.3 mg·L−1，-N浓度升至0.01 mg·L−1，pH波动下降。

随后进行22 min的不曝气搅拌，DO浓度由最高点逐渐下降。搅拌4 min后，DO浓度低于0.05 mg·L−1。-N浓度降至49.9 mg·L−1，-N被AnAOB消耗，-N浓度增至0.45 mg·L−1，pH略微回升。

至此间歇曝气的一个循环结束，进入下一个循环。由图6（a）可知，氨氮的减少伴随着硝态氮的增加，亚硝态氮在单循环中先升高后降低，最终几乎无剩余。由图6（b）可知，系统pH整体无变化，溶解氧间歇性升高。由图 6（c）可知，单循环中DO浓度高于平均值的时间有8 min，实际的好氧过程有10 min，其余20 min溶解氧浓度极低，视为缺氧过程。

由于好氧条件下AOB对氧亲和力的优势，NOB的生长明显弱于AOB。而进入到缺氧条件时，NOB又因缺少氧气而不能增长。经过多个这样的循环，NOB逐渐被抑制淘洗。通过对周期内各氮素浓度的监测分析，及时调整曝气量和缺好氧时间比等运行条件，提高功能菌的活性。综上，间歇低氧曝气在限制 NOB生长的同时，也降低了高溶解氧对AnAOB的抑制，使得AOB和AnAOB起优势主导作用，是一种有潜力的运行方式。

图6 典型周期氮素浓度及DO、pH、温度变化Fig.6 Variation of nitrogen concentrations and DO, pH, temperature in a typical cycle

3 结 论

（1）间歇曝气条件下，控制溶解氧最高浓度为0.8～1.0 mg·L−1、温度30～35℃、污泥浓度3000 mg·L−1左右等条件，实现了实际生活污水中CANON工艺的启动，稳定运行时总氮和氨氮去除率分别为77.8%和86.7%，总氮去除负荷为0.16 kg N·(m3·d)−1。

（2）间歇低氧曝气条件下，保证适宜的温度和污泥浓度对处理效果及系统的稳定也很重要，为应对种泥中高NOB含量及污泥浓度持续降低等情况提供了调控策略。

（3）间歇低氧曝气条件下，NOB逐渐被抑制淘洗，菌群结构发生较大变化，短程硝化和厌氧氨氧化为主导反应，系统自养脱氮性能良好。该运行模式为CANON工艺的启动和稳定运行提供了参考。

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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。

联系人：王淑莹。

：张倩(1990—)，女，硕士研究生。

国家自然科学基金项目(51478013)；北京市教委资助项目。

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.