CANON体系中颗粒污泥粒径及C/N比对反应器脱氮性能的影响*

李津青，韩晓宇，黄 京，张树军，刘红辉，刘新春†

(1 中国科学院大学资源与环境学院， 北京 101408； 2 北京城市排水集团有限责任公司科技研发中心， 北京 100022)

厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation, Anammox)是20世纪80年代末期新发现的一种氮的自养转化途径，指在厌氧条件下，厌氧氨氧化微生物以NO2-—N为电子受体，氧化NH4+—N为氮气的生物过程，厌氧氨氧化反应每消耗1个单位的氨氮和1.32个单位的亚硝氮，便会生成0.26个单位的硝态氮。该过程与传统生物脱氮工艺相比具有不需有机碳源[1]、脱氮效率高、能耗与成本低等特点，但厌氧氨氧化菌生长速率缓慢，倍增时间长[2]，导致目前厌氧氨氧化反应器普遍存在启动缓慢的问题，荷兰鹿特丹DokHaven 污水厂的 ANAMMOX 反应器工程，启动时间长达 3.5 a[3]。奥地利 Strass 水厂的DEMON 工艺启动时间为 0.5 a[4]。北京高碑店污水厂厌氧氨氧化中试启动时间为 0.5～1 a[5]，主要是由于接种的普通活性污泥中厌氧氨氧化菌丰度较低所致。颗粒污泥系统因其具有良好的沉淀性能和有效地持留微生物的优势，可缩短反应器的启动时间，受到人们的关注，且采用颗粒污泥工艺有助于提高反应器对微生物的持流能力，保证反应器的稳定运行[6]。明确颗粒污泥的不同粒径对颗粒污泥系统脱氮性能的影响对于全程自养脱氮(completely autotrophic nitrogen removal over nitrite，CANON)工艺改进运行参数，提高脱氮效果具有重要意义。本试验采用标准筛网对间歇式SBR反应器内的颗粒污泥进行筛分，得到3组不同粒径(R1∶0.2～0.5 mm、R2∶0.5～1 mm、R3：>1 mm)的颗粒污泥，研究不同粒径颗粒污泥的脱氮特性及不同C/N比(COD/TN比值)对CANON系统长期稳定运行的影响，以期缩短厌氧氨氧化反应器的启动时间，为厌氧氨氧化工艺的工程化应用提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 反应器形式及运行条件

实验采用SBR反应器，反应器如图1所示，材质为有机玻璃，内径300 mm，高1 400 mm，总容积为100 L，有效容积为90 L。曝气器采用穿孔管，激光开孔孔径为0.1 mm，孔间隔为10 mm，采用间歇运行的方式，每个周期包括：瞬间进水、缺氧搅拌、曝气+搅拌、沉淀、排水5个阶段。其中排水比1/3，温度通过恒温加热棒控制在(30±1) ℃。

图1 SBR反应器示意图Fig.1 Schematic of the SBR reactor

1.2 试验用水和接种污泥

实验采用人工配水，以北京高碑店污水处理厂初沉水为基础，通过投加碳酸氢铵模拟高氨氮废水，其中进水NH4+—N=400～500 mg/L，NO2-—N=0～10 mg/L，NO3-—N=0～10 mg/L，以乙酸钠为碳源补充COD，同时投加碳酸氢钠调节配水pH至7.43～8.26。种泥取自某一体化厌氧氨氧化中试反应器，污泥形态为絮体污泥(粒径<0.2 mm)和颗粒污泥，其中絮体污泥占46%，污泥平均粒径258 μm，整体性能良好。

1.3 分析方法

水质指标按照国标规定的方法测定，其中总氮采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法；氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定；亚硝氮采用N-(1萘基)-乙二胺分光光度法测定；硝态氮采用离子色谱法检测；化学需氧量(COD)采用重铬酸钾法；污泥浓度采用重量法；pH、氧化还原电位(ORP)采用WTW(C400)便携式检测仪在线监测；溶解氧(DO)采用PARTECH探头监测；比耗氧呼吸速率(SOUR)采用细胞溶解氧呼吸测定仪(Strathkelvin，英国)测量，取反应器内适量活性污泥，用去离子水清洗3～4次，加入相应底物置于测定仪中测定，反应温度30 ℃。测试条件如下：空白(CK)SOURCK：蒸馏水,氨氧化菌(AOB)呼吸速率SOURAOB：NH4+—N 100 mg/L：亚硝酸盐氧化菌(NOB)呼吸速率SOURNOB：NO2-—N 30 mg/L。SOUR各项指标测量3次，取平均值作为最终结果。颗粒污泥粒径筛分：取反应器内污泥依次经过孔径为1、0.5、0.2 mm的不锈钢筛网(GB 6003.1—2012 标准检验筛)，得到不同粒径(R1∶0.2～0.5 mm，R2∶0.5～1 mm，R3：>1 mm)的颗粒污泥。污泥粒径测定：激光粒度仪(mastersizer 2000)。电镜照片：奥林巴斯电子显微镜(OLYMPUS-BX51)。

2 结果分析与讨论

2.1 反应器运行过程污泥浓度变化

反应器的启动过程，通过逐步缩短沉淀时间，快速淘洗出反应器内的絮体，以快速实现污泥的颗粒化，驯化功能菌。其中反应器的沉淀时间根据絮体与颗粒的比例调整，在0～15 d内沉淀时间为20 min，16～25 d沉淀时间为10 min，26～43 d沉淀时间为5 min，44～230 d沉淀时间为7 min。图2是反应器运行过程中不同粒径的颗粒比例变化图。由图2可知，接种时R1颗粒比例为35.0%，R2颗粒比例为14.7%，R3颗粒比例为3.7%。在第Ⅰ阶段(0～42 d)反应器内以小粒径颗粒R1为主，比例在35%～60%。在第Ⅱ阶段(43～107 d)反应器内R2和R3粒径的颗粒有增加趋势，其中R2粒径颗粒的比例在30%～40%，R3粒径颗粒的比例由5%增加至13%，说明反应器内微生物得到富集，实现颗粒由小到大的转变，徐亚慧等[7]研究发现在絮体和生物膜复合反应器中，不同污泥形态中厌氧氨氧化菌在接触时会发生迁移。在第Ⅲ阶段(108～230 d)，R3粒径和R1粒径之间的颗粒有减少趋势，系统内以R2粒径之间的颗粒为主。污泥粒径的增加是在水力剪切力、气体上升形成的剪切力和水力筛选的综合作用下产生的。一方面，粒径的增加有利于避免溶解氧对厌氧氨氧化菌产生抑制作用，Philips 等[8]研究结果表明，当系统中的 DO 为 3.3 mg/L 时，在生物膜表面以内 30 μm 处，DO 已为 0 mg/L。Rathnayake 等[9]研究表明，当溶液中的 DO 为 2 mg/L 时，在颗粒污泥表面以内 300 μm 处，DO 为 0 mg/L；另一方面，过大的颗粒粒径由于产生的氮气不能迅速排出，易使颗粒悬浮在水面上，随水流流失[10]，反应器内出现大颗粒漂浮在水面的现象，所以系统内形成的颗粒以0.5～1 mm的为主，而0.2～0.5 mm和>1 mm的颗粒所占比例较少。

图2 不同粒径的颗粒比例变化Fig.2 Variation in particle size proportion

程军等[11]研究表明在絮体污泥和颗粒污泥共存的一体化厌氧氨氧化系统中，絮体污泥所占比例不宜低于30%，大量的排泥会引起总氮去除负荷的降低。反应器运行过程中各个阶段总污泥质量浓度及颗粒絮体比例变化如图3所示。第Ⅰ阶段(0～42 d)，反应器内絮体比例由46%下降到9%，总污泥质量浓度由3 800 mg/L下降到1 100 mg/L；第Ⅱ阶段(43～107 d)，反应器内总污泥质量浓度由1 100 mg/L涨到1 700 mg/L，絮体比例在15%左右；第Ⅲ阶段(108～230 d)，总污泥质量浓度由1 700 mg/L增长到5 700 mg/L，絮体比例先由12%增加到26%再降低到8%左右。本实验在第Ⅱ、第Ⅲ阶段絮体比例未超过30%，总氮去除负荷仅为0.48 kg/(m3·d)。Hubaux等[12]发现少量絮体污泥的加入将会降低最佳溶解氧的运行条件，低絮体污泥负荷会降低系统对溶解氧变化的抵抗能力。孙延芳等[13]发现，总氮去除负荷与DO浓度有较好的相关性，DO质量浓度超过1.2 mg/L时，厌氧氨氧化菌会受到抑制。而系统内DO质量浓度维持在0.55～2.37 mg/L，较高的DO浓度和较低的絮体污泥含量可能是导致总氮去除负荷不能进一步提升的原因。

图3 总污泥浓度及颗粒比例变化Fig.3 Variations in sludge concentration and particle proportion

2.2 不同粒径颗粒的AOB、NOB、ANAMMOX菌活性测试

培养出0.5～1 mm和>1 mm的大颗粒后，为比较不同粒径颗粒之间的脱氮性能差异，分别测试R1、R2、R3粒径颗粒的AOB、NOB和ANAMMOX菌活性，其中AOB、NOB活性以细胞溶解氧呼吸测定仪(Strathkelvin，英国)测量。ANAMMOX菌活性用1 L锥形瓶试验测定，每粒径范围测3组，取平均值，其中试验条件：DO用氮气吹脱至0.1 mg/L以下，温度控制在(30±0.4) ℃，pH控制在8.0±0.1，基质氨氮和亚硝氮质量浓度分别为50 mg/L，其中ANAMMOX菌活性以总氮去除计。实验结果如表1所示，其中R1、R2、R3的AOB活性分别为17.36、14.71、9.63 mgO2/(gVSS·h)；NOB活性分别为8.55、9.05、5.30 mgO2/(gVSS·h)，结果表明R1的AOB活性最高，R2次之，R3活性最低，这与微生物之间的菌群生存环境有关，Zhang L等[14]研究表明：AOB 主要存在于絮体污泥中而厌氧氨氧化菌则主要存在于颗粒污泥中，在颗粒逐步形成的过程中，AOB可能逐渐脱离颗粒所以导致颗粒越大其AOB活性越小；NOB活性R1和R2相差不大，高于R3的活性，这与NOB对NO2-—N的亲和力有关。van der Star 等[15]研究发现，NOB 对于NO2-—N的半饱和常数12～955 mmol/L，而厌氧

氨氧化菌对NO2-—N 的半饱和常数为0.2～3 mmol/L，厌氧氨氧化菌对NO2-—N 的亲和能力更强。郑照明等[16]研究发现由于颗粒内存在低DO区域，所以颗粒内的NOB更易受到NO2-—N限制，所以大粒径的颗粒其NOB活性更低。有文献指出一体化厌氧氨氧化反应器中保持微生物之间的协调关系是至关重要的[17]，脱氮菌群体的丰度对负荷冲击和环境变化具有快速的反应和适应能力[18]。一方面，适宜的AOB和厌氧氨氧化菌比例有利于维持反应器内最大的总氮去除活性，过高或者过低的AOB活性会使厌氧氨氧化菌得到过量或不足的底物亚硝氮；而NOB的存在一方面可与ANAMMOX菌竞争底物亚硝不利于厌氧氨氧化反应的发生，且会导致总氮去除率的降低，但同时NOB会消耗反应器内的一部分DO从而避免过高的DO对厌氧氨氧化菌产生抑制作用；而ANAMMOX菌的活性，R2最高为3.30 mg N/(g MLSS·h)，R3活性最低，仅有0.34 mg N/(g MLSS·h)，R1活性为0.99 mg N/(g MLSS·h)，这与郑照明等[6]实验结果(>2.5 mm、1.5～2.5 mm、0.5～1.5 mm)不同，其实验表明，粒径最大的厌氧氨氧化活性最大，粒径的增加对厌氧氨氧化菌的活性有两个方面：抑制作用和促进作用。本实验选择的粒径范围与其不同，有研究表明厌氧氨氧化活性主要发生于颗粒污泥表面 1 mm厚度的范围内[19]，这应是本实验中R1、R2的厌氧氨氧化活性要高于R3的原因。定量PCR结果显示R1、R2、R3的厌氧氨氧化菌和全菌拷贝数(copies/gMLSS)分别为1.20E+08和2.91E+09、1.16E+07和2.27E+08、1.01E+07和2.79E+08，R1、R2、R3中厌氧氨氧化菌占全菌的比例分别为4.13%、5.12%和3.63%，从侧面验证了R1、R2的厌氧氨氧化菌活性要比R3的厌氧氨氧化菌活性高。

表1 比耗氧呼吸速率(mgO2/(gVSS·h))和ANAMMOX活性(mg N/(g MLSS·h))Table 1 Results of SOUR (mgO2/(gVSS·h)) test and ANAMMOX activity (mg N/(g MLSS·h))

2.3 进出水变化与不同C/N比条件下污泥形态变化

反应运行到第Ⅲ阶段通过投加碳源乙酸钠改变反应器的C/N比，以探究C/N比对CANON工艺的影响。不同阶段的进出水变化如图4所示，其中第Ⅰ阶段(0～42 d)，出水总氮51.29 mg/L，出水氨氮1.12 mg/L，出水亚硝氮14.44 mg/L，出水硝态氮30.12 mg/L，总氮去除负荷和去除率分别为0.53 kg/(m3·d)和80.75%；第Ⅱ阶段(43～107 d)，出水总氮99.91 mg/L，出水氨氮4.62 mg/L，出水亚硝氮57.49 mg/L，出水硝态氮26.81 mg/L，总氮去除负荷0.46 kg/(m3·d)和去除率为80.80%；第Ⅲ阶段(108～230 d)，出水总氮48.95 mg/L，出水氨氮2.66 mg/L，出水亚硝氮3.11 mg/L。第Ⅲ阶段在C/N=1、1.5、2、3时出水硝态氮分别为12.62、14.08、27.41和47.38 mg/L，其中总氮去除负荷与去除率在C/N=1、1.5、2、3时分别为0.59 kg/(m3·d)和94.75%、0.53 kg/(m3·d)和95.07%、0.45 kg/(m3·d)和88.68%、0.34 kg/(m3·d)和87.55%，这与Du等[20]的研究结果相一致，在C/N=1时，总氮去除率比未加碳源时升高，即少量的有机物不会影响氨氮和亚硝氮的转化，反而有利于总氮去除率的提高，但是随着C/N的连续上升，厌氧氨氧化菌受到严重抑制，总氮去除率会大幅度下降。Ni 等[21]研究表明，C /N 超过3时厌氧氨氧化会受到明显的抑制。本实验中在C/N=2时总氮去除负荷和去除率已明显降低，但在C/N=1和1.5时总氮去除率反而比第Ⅰ阶段和第Ⅱ阶段阶段有所提高，有研究发现外加碳源后反硝化反应会逐渐占据优势[22]，这应是总氮去除率升高的原因。因此，一体化CANON工艺的C/N比不宜超过1.5。

不同C/N比条件下的颗粒污泥形态变化如图5所示，在C/N=1时，颗粒呈红色，没有分层现象；C/N=1.5时，在颗粒外部出现一圈灰黄色，与内部颜色明显不同；在C/N=2时，颗粒外围分层现象明显，中间呈暗红色，外围灰黄色部分增多；在C/N=3时外围灰黄色比例进一步增加，中间红色部分减少。厌氧氨氧化菌呈红色，好氧颗粒污泥呈黄色，在C/N逐步提高过程中，厌氧氨氧化颗粒污泥有向好氧颗粒污泥转变的趋势。从侧面表明总氮去除负荷的降低与颗粒污泥形态变化及微生物种群结构变化有关。

图5 不同C/N条件下颗粒形态变化图(倍数40X)Fig.5 Granulograms in different C/N conditions (Magnification 40X)

3 结论

1)在一体化厌氧氨氧化SBR反应器中，可通过缩短沉淀时间加快淘洗反应器内絮体，在107 d内实现厌氧氨氧化菌颗粒由小增大的过程。

2)AOB活性随着颗粒的增加逐渐降低；NOB活性和厌氧氨氧化活性0.5～1 mm之间的颗粒最高，其次为0.2～0.5 mm之间的颗粒，>1 mm的颗粒活性最低。

3)CANON工艺的C/N比不宜超过1.5，随着C/N的提升，一体化厌氧氨氧化颗粒污泥有向好氧颗粒污泥转化的趋势。