污水处理低基质CANON工艺曝气方式的影响

一体式全程自养脱氮工艺（CANON）是在厌氧氨氧化基础上发展起来的新工艺，该工艺将亚硝化与厌氧氨氧化耦合于同一个反应器中，相比传统工艺，无需碳源且曝气量和污泥产量也较低。据统计，全球厌氧氨氧化的实际工程已达110多个，采用CANON工艺形式的占88%，主要用于污泥厌氧消化脱水液、垃圾渗滤液和高氨氮工业废水的脱氮处理。

污水处理主流厌氧氨氧化工艺应用的难点是氨氧化菌（AOB）、厌氧氨氧化菌（AnAOB）的富集和亚硝酸盐氧化菌（NOB）的抑制。在侧流系统中，通常利用低溶解氧（DO）浓度实现NOB的抑制，但是对于氨氮浓度较低的城市污水系统，AOB的生长速率低于NOB，当DO浓度太低时，AOB的活性和氨氮的转化率受到影响，并且长期运行后NOB能够适应较低的DO环境。而采用间歇曝气可以使NOB的代谢活动在曝气开始后出现一定时间的滞后，因此更容易实现短程硝化。

目前针对主流厌氧氨氧化工艺间歇曝气的研究大都采用SBR反应器，而实际工程中连续流反应器应用更为广泛。相关研究表明，利用悬浮填料载体培养微生物的移动床生物膜反应器（MBBR），在AOB和AnAOB的持留方面具有显著优势，而且可以连续运行，降低了运行的难度。基于此，笔者采用连续流悬浮载体CANON反应器，以低氨氮浓度废水为研究对象，考察了不同曝气方式下，工艺的脱氮效果、微生物活性和微生物群落的结构特征，旨在为主流厌氧氨氧化工艺的稳定运行提供参考。

1、材料与方法

1.1 试验装置

试验采用上流式完全混合反应器（见图1），其有效容积为32L（内部直径为30cm，高为45cm），材质为不锈钢。反应器采用机械调速搅拌器，曝气装置包括空气泵和砂芯曝气盘，曝气量通过转子流量计控制，依靠加热棒保持水温，进水由蠕动泵控制，曝气时间通过时间继电器控制。反应器内装填悬浮载体填料（SPR-1型），填料外形尺寸为D25mm×10cm，比表面积为450m2/m3。

1.2  试验用水与接种污泥

试验用水为自配水，以（NH4）2SO4作为氮源，NH4+-N浓度为40~60mg/L。以NaHCO3来调节碱度，按照HCO3-与NH4+-N的质量比为1.0~1.5投加。其他成分包括：KH2PO4为2.7mg/L、MgSO4・7H2O为30mg/L、CaCl2为13.6mg/L、微量元素Ⅰ为1mL/L、微量元素Ⅱ为1mL/L。微量元素Ⅰ储备液的成分：EDTA为5000mg/L、FeSO4为5000mg/L。微量元素Ⅱ储备液的成分：EDTA为15000mg/L、ZnSO4・7H2O为430mg/L、CoCl2・6H2O为240mg/L、MnCl2・4H2O为990mg/L、CuSO4・5H2O为250mg/L、Na2MoO4・2H2O为220mg/L、NiCl2・6H2O为190mg/L、Na2SeO4・10H2O为210mg/L。

反应器所用的填料来源于处理高氨氮浓度废水的CANON反应器，该反应器已经稳定运行了373d，进水NH4+-N浓度为360~430mg/L，采用连续曝气的方式，DO浓度为1.0~1.5mg/L，氮的容积负荷平均为0.6kg/（m3・d）。

1.3 试验参数与运行工况

反应器水力停留时间（HRT）为12h，填料填充率为40%，不考虑温度的影响，控制反应器内部水温为（30.1±2.2）℃，pH为7.0~8.5。试验分为7个阶段，阶段Ⅰ为连续曝气，阶段Ⅱ~Ⅶ为间歇曝气，调整DO浓度与曝气时间/非曝气时间的分布，各阶段运行参数见表1。由于采用间歇曝气时，系统DO一直处于变化状态，本试验所述的DO为曝气阶段末期，系统能达到的最高DO值。各阶段具体运行参数见表1。

1.4 AOB、NOB和AnAOB活性测定

参照文献测定AOB、NOB和AnAOB活性。取600mL填料（堆积体积）放入烧杯中，加入50mg/L的NH4+-N和10mg/L的NO2--N作为底物。将烧杯放入电动搅拌恒温槽内，控制温度为（30.1±0.4）℃。试验开始后，连续曝气，控制反应体系内的DO浓度为6.0mg/L左右。每隔10min从系统中吸取30mL水样，测定水样中NH4+-N和NO3--N浓度，反应时间为90min。测定AnAOB活性时，加入30mg/L的NH4+-N和40mg/L的NO2--N作为底物，用高纯氮吹脱以保证厌氧环境，每15min取水样测定NH4+-N和NO2--N浓度，反应时间为150min。氮素含量测定结束以后，将填料在103~105℃环境下烘干2h，置于干燥器内直至填料质量恒定。按式（1）~（3）计算填料中AOB活性、NOB活性和AnAOB活性。

式中：Δρ（NH4+-N）为NH4+-N质量的变化量，mg；Δρ（NO3--N）为NO3--N质量的变化量，mg；Δρ（NH4+-N+NO2--N）为NH4+-N与NO2--N质量和的变化量，mg；Δt为反应时间，h；M为填料干质量，mg；max为NH4+-N质量对时间线性拟合的最大斜率；max为NO3--N质量对时间线性拟合的最大斜率；max为NH4+-N与NO2--N质量和对时间线性拟合的最大斜率。

1.5 分析项目及方法

水样经0.45μm滤膜过滤后测定相关参数。其中，NH4+-N采用纳氏试剂比色法测定，NO2--N采用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法测定，NO3--N采用紫外分光光度法测定。

1.6 宏基因组测序

为考察不同曝气模式下填料的微生物特性，计划在阶段Ⅰ~Ⅶ分别采集样品，但是考虑到反应器内填料总量有限，且在间歇曝气条件下，仅调整曝气频率和DO浓度，短期内微生物分布情况变化不大，因此只在阶段Ⅰ和阶段Ⅶ采集了填料样品，考察连续曝气和间歇曝气对微生物的影响，取样时间分别为低浓度运行的第5天和第62天，样品编号分别为S2和S3。另外，在试验实施前处理高氨氮废水期间也采集了填料样品，取样时间为反应器稳定运行的第353天，样品编号为S1。每次测定过程都采集了平行双样，将反应器内填料全部取出后分为两组（总计10L，每组5L），混合均匀后，分别从中随机抽取10个填料作为样品。

填料样品采集完毕后，送至上海美吉生物科技医药公司进行宏基因组测序。采用E.Z.N.A.®DNAKit（OmegaBiotek，Norcross，GA，U.S.）试剂盒进行样品DNA抽提。之后，利用1%琼脂糖凝胶电泳检测DNA的完整性。通过CovarisM220仪器将DNA片段化，筛选约300bp的片段，利用TruSeq™DNASamplePrepKit试剂盒构建PE文库，产生单链DNA片段后采用HiSeq3000/4000PEClusterKit进行桥式PCR，最后通过IlluminaHiSeq4000平台，采用HiSeq3000/4000SBSKits进行宏基因组测序。

2、结果与分析

2.1 不同曝气方式下的处理效果

不同曝气模式下反应器的脱氮性能和填料功能菌的活性如图2所示。可以看出，阶段Ⅰ采用连续曝气方式，出水的NO3--N和NH4+-N浓度分别为7.1~10.2和21.3~29.8mg/L，脱氮效率（NRE）的平均值为30.5%。经核算，该阶段约有12.7%的NH4+-N被完全硝化，表明NOB没有被很好地抑制。同时，NH4+-N去除率很低，表明AOB的活性较差。

阶段Ⅱ出水NO3--N浓度下降到2.8~4.9mg/L，NH4+-N浓度上升到30.0~35.6mg/L，NRE为29.6%，表明该阶段DO不足，NH4+-N转化率低是制约脱氮的主要因素。与阶段Ⅰ相比，该阶段SNPR下降了12.82%，SAOR下降了7.89%，意味着间歇曝气对NOB的抑制作用更强。SAA增加了8.70%是由于系统中的DO浓度较小，这对AnAOB的生长是有利的。

阶段Ⅲ将DO提高到0.8~1.0mg/L时，出水NH4+-N浓度下降到20.1~29.1mg/L，NRE提高到40.9%，NO3--N略微增加至4.2~6.4mg/L，SNPR没有明显变化（每次测定活性时，所取填料不能保证完全相同，当两阶段填料活性相差较小时，测算出的SNPR差异可能无法体现）。可见，在45min/45min的间歇曝气模式下，DO浓度为0.8~1.0mg/L比较合适。阶段Ⅳ将曝气时间缩短至20min，为保持NH4+-N的转化率，增加了曝气量，将曝气结束时的DO浓度提高至1.0~1.3mg/L。结果表明，SAOR增加了7.06%，SNPR增加了13.07%，表明对NOB的抑制没有得到缓解。但是由于NH4+-N转换率的增加，NRE上升到49.3%。

阶段Ⅴ和阶段Ⅵ延长非曝气时间至60min，考察是否能改善对NOB的抑制。但与阶段Ⅳ相比，阶段Ⅴ的SNPR和出水NO3--N浓度没有明显变化，说明延长曝气时间没有效果。另外，阶段Ⅴ的NRE降至33.9%，SAOR也下降了6.37%。因此，阶段Ⅵ将DO增加至1.3~1.5mg/L。然而，系统脱氮效果发生了进一步的恶化，平均出水NH4+-N和NO3--N分别增加到22.3~26.9和22.6~30.4mg/L。SNPR从33.1mg/（mg・h）迅速增加到127.3mg/（mg・h），与阶段Ⅴ相比，该阶段SAOR没有明显变化，SAA从107.2mg/（mg・h）下降到57.6mg/（mg・h）。这可能是由于该阶段高浓度的DO渗透到生物膜的内部，对AnAOB产生了较强的抑制作用，由于AnAOB与NOB竞争NO2--N，当AnAOB被抑制时，NOB的活性得到较大提高。

阶段Ⅴ和阶段Ⅵ的数据表明，将非曝气时间从45min延长到60min是不可取的，曝气阶段结束时的DO不应超过1.3~1.5mg/L。阶段Ⅶ非曝气时间减少到20min，DO降低到1.0~1.3mg/L。与阶段Ⅳ相比，阶段Ⅶ的NH4+-N转化率明显提高，NH4+-N和NO3--N的出水浓度分别下降到0.2~10.1和8.2~9.6mg/L，NRE为76.7%。第Ⅶ阶段的细菌活性表明，调整溶解氧以后，SNPR立即下降到32.7mg/（mg・h），表明NOB恢复到被抑制状态。该阶段的SAOR达到142.3mg/（mg・h），高于其他阶段的水平。阶段Ⅶ的脱氮效果较好，在该试验条件下，采用20min曝气/20min非曝气的间歇性曝气模式，DO浓度为1.0~1.3mg/L最合适。

试验期间，除了在阶段Ⅵ系统发生崩溃外，其他各阶段SAA和SNPR的变化并不明显。有研究指出，在高频率开/关曝气的环境中，具有更快的氨氧化率的AOB菌可以被保留，NOB可以更有效地被抑制。本研究中，阶段Ⅶ的开/关曝气频率实际上高于阶段Ⅱ和阶段Ⅲ，而阶段Ⅶ的SNPR值高于阶段Ⅱ和阶段Ⅲ，这主要是受阶段Ⅵ发生崩溃的影响，NOB仍然保持一定的活性。阶段Ⅶ与其他阶段的主要不同表现是SAOR的数值较高。在阶段Ⅰ~Ⅴ，SAA>SAOR>SNPR。然而，阶段Ⅶ中SAOR>SAA>SNPR。这可能是由于该阶段具有较快氨氧化速率的AOB比AnAOB更有竞争力。在生物膜系统中，由于扩散阻力的原因，保持高氨氮转化率至关重要。可见，合理的间歇性曝气模式可提高氨氮和总氮的去除率，同时抑制NOB。

2.2 间歇曝气周期内氮素的变化

利用阶段Ⅲ和阶段Ⅶ分析曝气/非曝气时间的影响，一个曝气/非曝气周期内DO和出水氮素的情况如图3所示。可以看出，整个周期内反应器的DO浓度不断变化，阶段Ⅲ和阶段Ⅶ中，DO浓度超过0.5mg/L的时间分别为47min和22min，均占整个周期约一半的时长。在不同的DO浓度和间歇曝气模式下，虽然反应器为连续进水状态，但由于一个曝气/非曝气周期的时间相对于系统的HRT来说较小，所以曝气和非曝气时段出水氮素浓度整体上变化不大。另外，NH4+-N浓度在曝气阶段出现小幅度下降，在非曝气阶段又略微回升，NO3--N和NO2--N浓度与NH4+-N浓度的变化规律相反。与阶段Ⅲ相比，阶段Ⅶ出水氮素浓度的变化幅度更小。

污水处理过程中，硝化系统中的NOB通常是Nitrobacter和Nitrospira，由于Nitrobacter更适合在NO2--N浓度较高的环境中生存，所以低氨氮废水中的NOB主要是Nitrospira。在有传质阻力的条件下，Nitrospira的基质半饱和常数是0.9~1.1mg/L。从阶段Ⅲ和阶段Ⅶ中NO2--N浓度情况可以看出，与NH4+-N浓度相比，虽然两个阶段中NO2--N浓度均非常低，但是阶段Ⅲ中曝气后NO2--N浓度达0.94~1.16mg/L，与NOB的半饱和常数较接近，而在阶段Ⅶ中曝气后NO2--N浓度为0.52~0.63mg/L，阶段Ⅲ中较高的NO2--N浓度促进了NOB（特别是Nitrospira这类贫营养微生物）的生长。从阶段Ⅲ还可以看出，非曝气阶段开始后，15min内NO2--N浓度下降较为明显，之后几乎不再继续下降，表明大部分氮的转化在15min内完成，因此设定过长的非曝气时间对NOB的抑制作用不大，相反会降低NH4+-N的转化率，降低AOB活性。事实上，在其他条件下，曝气结束时保持系统NOB抑制状态的NO2--N浓度是不同的。例如，Wang等人的研究表明，NO2--N浓度约为0.3mg/L，可能是由于在20~23℃的较低温度条件下硝化菌的半饱和常数较低。

2.3 菌群结构的特征

系统中门和属水平的微生物丰度如图4所示。变形菌门Proteobacteria、浮霉菌门Planctomycetes、绿弯菌门Chloroflexi、拟杆菌门Bacteroidetes以及Ignavibacteriae是3个样品中相对丰度较高的菌门。脱氮细菌主要为变形菌门Proteobacteria、浮霉菌门Planctomycetes和硝化螺旋菌门Nitrospirae。变形菌门Proteobacteria在3个样品中的丰度分别为38.76%、24.11%、24.77%，样品1的丰度明显高于样品2和3；硝化螺旋菌门Nitrospirae在3个样品中的丰度分别为1.16%、2.41%和2.03%，S2的丰度最高；浮霉菌门Planctomycetes在3个样品中的丰度分别为23.65%、25.56%和25.74%，差异较小。变形菌门Proteobacteria是厌氧系统的常见菌群，几乎涵盖硝化菌中的所有AOB、NOB和异养反硝化菌（HDB），硝化螺旋菌门Nitrospirae是一类NOB菌群，浮霉菌门则是AnAOB所在的菌门。3个样品脱氮菌群的丰度数据表明，在高氨氮浓度情况下，AOB和HDB的生长较好，NOB得到了有效控制；在低浓度条件下，NOB被抑制的程度有所减弱，但是整体上仍得到了控制。

属水平上检测出的硝化菌主要包括g_Nitrospira和g_Nitrosomonas，前者为NOB菌属，后者为AOB菌属。g_Nitrospira在S1、S2、S3中的丰度分别为0.76%、2.94%和1.02%。可以看出，S1和S3中NOB被抑制得较为彻底。g_Nitrosomonas在S1、S2、S3中的丰度分别为13.06%、5.36%和4.49%，S2和S3差别不大。选择厌氧氨氧化菌所在的Planctomycetes门进行分析，结果显示，其中的Candidatus_Brocadia、Candidatus_Jettenia、Candidatus_Kuenenia、Candidatus_Scalindua属是具有厌氧氨氧化功能菌属。Candidatus_Brocadia在3个样品中的丰度水平没有显著差别；Candidatus_Jettenia在S1、S2、S3中的丰度分别为3.96%、0.79%和0.50%，并且在S1中的丰度最高；Candidatus_Kuenenia在S1、S2、S3中的丰度分别为15.76%、20.51%和21.53%，并且在样品1中的丰度最低。有研究表明，与其他厌氧氨氧化菌属相比，Candidatus_Kuenenia能在低基质环境中保持较高的活性，而Candidatus_Jettenia适于在高浓度氨氮的环境中生长，与上述结论一致。本研究结果表明，Candidatus_Kuenenia更适合处理低浓度废水。

3、结论

①连续流悬浮载体CANON反应器采用间歇曝气，可以实现中温条件下低氨氮废水的自养脱氮。当进水氨氮浓度为40~50mg/L、温度为（30.1±2.2）℃时，最优的曝气模式是：曝气和非曝气时间均为20min，曝气末期DO为1.0~1.3mg/L。间歇曝气能通过增加AOB活性而抑制NOB，从而提高系统的TN去除率，间歇曝气时NOB所在的g_Nitrospira菌属被抑制得较为彻底。

②本试验仅考察了较短时间内CANON反应器处理低氨氮废水的运行情况，旨在寻找最佳的曝气模式。虽然试验期间的60d内NOB基本处于被抑制状态，但是由于运行期间并未控制出水氨氮浓度，长期运行后AOB缺乏底物，在与NOB的竞争中容易被淘汰，因而可能出现系统整体崩溃的风险，需对其进行长期跟踪研究。（来源：中国市政工程华北设计研究总院有限公司）