2018, Vol. 50
2. 城市水资源与水环境国家重点实验室(哈尔滨工业大学)，哈尔滨 150090
2. State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment(Harbin Institute of Technology), Harbin 150090, China
基于厌氧氨氧化(ANAMMOX)代谢途径的全程自养脱氮(CANON)工艺，凭借工艺流程简短、无需投加有机碳源、曝气能耗低、污泥产量低等优势，成为污水生物脱氮领域的研究焦点[1-3].CANON工艺将亚硝化与厌氧氨氧化整合于同一单级反应器中实现全程自养脱氮，溶解氧(DO)是该工艺运行中的重要控制参数[2-4].适当提高DO质量浓度虽可增大亚硝化反应速率[4-5]，但Adriano等指出当ρ(DO)≥0.2 mg/L时即对AnAOB活性产生抑制[6].因此，如何控制曝气，在单级反应器中创造既可将硝化反应维持在亚硝化阶段，又可避免对AnAOB产生抑制的环境，是CANON工艺启动、运行的关键.
有研究表明，间歇曝气于时序上在反应器中所营造的缺氧/好氧环境，可实现CANON工艺的快速启动及脱氮性能的优化[7-9].但间歇曝气仅适用于SBR等间歇运行式反应器，无法应用于连续流自养脱氮系统.目前，关于连续流CANON工艺的研究，其曝气的设置均使反应器呈全程好氧[10-15]，无法为AnAOB提供最适缺氧环境[4, 6].AUSB作为一种典型的单级连续流反应器，以往研究中以底部曝气方式启动全程自养脱氮[10, 12]，而借鉴间歇曝气启动CANON工艺的优势，采用AUSB中置曝气，于空间上在其内部营造缺氧/好氧环境，为连续流CANON工艺的启动及运行提供了新思路.
本实验通过中置曝气AUSB(1#)与底部曝气AUSB(2#)的对比，研究了AUSB中不同曝气位置下全程自养脱氮过程的建立及提高NLR后脱氮性能变化的差异，为连续流CANON工艺的优化及工程应用提供技术支撑.
1 实验 1.1 实验装置采用两组相同规格的AUSB(如图 1)，由有机玻璃制成，内径10 cm，有效容积12 L，总容积20 L.反应器顶部设倒置漏斗状三相分离器，用以分离液体、污泥和实验过程中产生的气体；外部设有恒温水浴层，保持反应区温度稳定在(25±1) ℃；底部放置砾石层，以使进水及回流布水均匀.
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1—进水箱; 2—进水泵; 3—回流泵; 4—气泵; 5—气体流量计; 6—三相分离器; 7—DO & pH测定仪; 8—出水箱 图 1 中置曝气AUSB示意 Figure 1 Schematic of middle-setting aerated AUSB reactor |
曝气装置使用曝气盘，其中，1#曝气盘置于距反应器底部30 cm处，2#曝气盘置于反应器底部，由气泵与气体流量计控制曝气强度.
1.2 接种污泥与实验水质接种污泥取自实验室运行稳定的厌氧氨氧化絮状污泥，初始污泥质量浓度为4.56 g/L，实验期间不进行主动排泥.进水采用人工配水，分别以(NH4)2SO4和NaHCO3作为NH4+-N和碱度的来源，并以NaHCO3调节进水pH=8.0±0.2.营养液Ⅰ、Ⅱ提供微量元素[11]，均以1 mL/L为单位投加.本实验共进行145 d，根据进水水质及运行参数的不同，划分为4个阶段，见表 1.
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表 1 实验期间水质指标及运行参数 Table 1 Wastewater qualities and operational conditions during the experiment |
DO、pH、温度均采用WTW便携式测定仪测定，MLSS采用标准重量法测定.水样分析中NH4+-N、NO2--N、NO3--N指标分别采用纳氏试剂光度法、N-(1-萘基)-乙二胺光度法、紫外分光光度法进行测定[16].
功能菌动力学活性：通过批次实验测定污泥的单位MLSS CANON速率、ANAMMOX速率和NO3--N比累积速率，以表征AOB与AnAOB的协同脱氮性能、AnAOB及NOB的活性[17].具体方法为：取污泥50 mL经0.9% NaCl溶液反复清洗后，置于250 mL锥形瓶中，注入100 mL基质溶液.测定CANON速率、NO3--N比累积速率时，基质溶液分别仅含氨氮、亚硝酸盐氮，初始质量浓度均为90 mg/L，通过曝气控制DO为0.3 mg/L；测定ANAMMOX速率时，使用含氨氮、亚硝酸盐氮的基质溶液，其质量浓度均为90 mg/L，不曝气.基质溶液中其他组分与进水保持相同，pH=8.0.恒温水浴振荡器温度保持在25 ℃，反应2 h，期间定时取样测定水质指标，并计算比速率值.
CANON速率：λ1=-Δρ(TN)/(Δt·ρMLSS)，mg/(g·h)；
ANAMMOX速率：λ2=-Δρ(TN)/(Δt·ρMLSS)，mg/(g·h)；
NO3--N比累积速率：λ3=Δρ(NO3--N)/(Δt·ρMLSS)，mg/(g·h).
式中：Δρ(TN)、Δρ(NO3--N)分别指反应时间Δt内，总氮(TN)、NO3--N的质量浓度变化，mg/L；ρMLSS为污泥质量浓度，g/L；Δt为参数呈线性变化的时间，h.
2 结果与讨论 2.1 连续流CANON工艺的启动及脱氮性能 2.1.1 CANON工艺的启动S1阶段进水NH4+-N质量浓度为150 mg/L，初始曝气强度设定在0.06 L/min，如图 2，两组AUSB自第3天始，氨氮去除率快速提升，出水NH4+-N质量浓度降低，至第15天，1#、2#总氮去除率分别达36.29%、35.23%，均表现出一定的自养脱氮性能，两组反应器效果基本相同.于第16天将曝气量增至0.10 L/min，适当增大曝气量虽可提高CANON工艺的总氮去除率[4]，但曝气强度的提高对接种污泥产生一定冲击，两组AUSB均出现不同程度的污泥流失现象，氨氮及总氮去除率虽呈上升趋势，但脱氮性能极不稳定.1#在历经9 d污泥适应期后，污泥流失现象改善，总氮去除率及脱氮负荷快速提升，至第43天，特征值(Δρ(TN)/Δρ(NO3--N))稳定在7.84，接近CANON工艺反应式中总氮去除量Δρ(TN)同硝酸盐氮生成量Δρ(NO3--N)的理论比值8[18]，认为该工艺启动成功；相较而言，2#污泥适应期较长(20 d)，总氮去除率上升平缓，于第56天特征值达7.73，成功启动全程自养脱氮工艺.S1阶段后期，两组AUSB内均观察到了微小的活性污泥颗粒，保证了对功能菌的有效持留.
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图 2 全程自养脱氮工艺的启动 Figure 2 Start-up of CANON process |
为实现低氨氮污水的自养脱氮处理，S2阶段，1#、2#在成功建立全程自养脱氮过程后，分别于第44天、58天在保持NLR不变的基础上将进水NH4+-N质量浓度降至90 mg/L.因HRT的改变(由18 h降至11 h)，本阶段初期两组AUSB脱氮效能均发生了不同程度的降低，后经适应，1#、2#自养脱氮性能逐渐提高，于第54天、69天其总氮去除率达74.35%、66.69%，脱氮负荷达0.147、0.137 kg/(m3·d)，1#均高于2#.CANON工艺启动阶段反应器脱氮性能主要受限于亚硝化[19]，期间两组AUSB出水均未发生亚硝酸盐积累现象.
2.1.2 连续流CANON工艺脱氮性能为进一步探究反应器脱氮性能，在S3阶段，逐步缩短HRT(8~4 h)以提高进水NLR，同时适当增大曝气强度，两组AUSB总氮去除性能如图 3、4所示.由图 3可知，随着HRT缩至8、6 h，NLR升至0.28、0.37 kg/(m3·d)，两组AUSB出水NH4+-N质量浓度均呈先升后降趋势，出水NH4+-N质量浓度降低，总氮去除率稳步上升，但相较于1#，2#出水中NO2--N质量浓度较高，在第84天、102天达9.54、11.53 mg/L，发生亚硝酸盐积累现象.在HRT进一步降至4 h后，因污水在反应器内与污泥有效接触时间不够充分[13]，两组AUSB出水水质恶化，出水NH4+-N质量浓度高达60 mg/L，总氮去除率降至30%以下.图 4比较了不同NLR下1#、2#的平均脱氮负荷，HRT=6 h时，1#、2#平均脱氮负荷分别为0.251、0.215 kg/(m3·d)，脱氮性能差异较HRT=8 h时期显著，其中1#于第86天、2#于第109天取得S3阶段脱氮负荷的最高水平，分别为0.280、0.256 kg/(m3·d).HRT=4 h时，1#、2#脱氮负荷降至0.199、0.161 kg/(m3·d)，性能变差.S3阶段，两组AUSB中颗粒污泥粒径逐步增大，于反应器内富集了更多微生物，从而实现了较启动阶段更高的脱氮负荷.
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图 3 S3阶段出水氮素质量浓度及总氮去除率 Figure 3 Effluent nitrogen concentration and TN removal efficiency in the stage S3 |
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图 4 不同氮负荷下脱氮性能的比较 Figure 4 Comparison of nitrogen removal performance under distinct nitrogen loading rate |
出水亚硝酸盐的积累是CANON工艺运行中所面临的重要问题，与污泥中功能微生物种群分布密切相关[3, 11].2#出水中亚硝酸盐积累现象或是因该阶段初期AOB与AnAOB的增殖速率差异所致[3].HRT缩短的同时适当增大了曝气强度，虽利于AOB氧化氨氮，但底部曝气AUSB内部全程好氧状态下，无法为厌氧氨氧化反应的发生及AnAOB的增殖提供最适缺氧环境，同时，由于AnAOB的增殖速率低于AOB[20]，在2#出水中发生了短暂的亚硝酸盐积累现象.但亚硝酸盐的积累为厌氧氨氧化提供了充足的反应基质，促进AnAOB增殖，随后亚硝酸盐积累现象消失.而中置曝气AUSB中，曝气盘上方好氧区产生的富余亚硝酸盐基质回流至底部缺氧区，在AnAOB作用下得以去除，促进AnAOB活性增强的同时避免了亚硝酸盐积累现象的发生[8]，从而更快地适应NLR的提高，实现了更高效的自养脱氮.
S4阶段通过将HRT回调至6 h，如图 5，1#特征值于第106天升至7.85，并在后续40 d的运行中平均在7.83，总氮去除率为(71.43±4.27)%，实现了稳定的自养脱氮；而2#特征值经过缓慢上升，第125天后其平均值为7.49，总氮去除率为(63.60±4.94)%.由于AnAOB、NOB均可利用自身基质产生硝酸盐氮，运行期间，特征值Δρ(TN)/Δρ(NO3--N)间接反映NOB活性，大于8，或是由于反硝化等作用；小于8则说明NOB活性增强，且特征值越小，表明NOB活性越高[21].分析认为，2#特征值难以恢复至8，或是因底部曝气AUSB内部长期处于全程好氧状态(ρ(DO)≤0.3 mg/L)，NOB因其优势种属转换适应低溶解氧环境所致[22]；同时表明，1#中特定的缺氧/好氧环境可有效抑制NOB的增殖.
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图 5 S4阶段总氮去除率及特征值 Figure 5 TN removal efficiency and eigenvalue in the stage S4 |
S4阶段，待两组AUSB运行稳定后选取第140天，分析沿程氮素去除情况及溶解氧质量浓度变化，如图 6所示.中置曝气AUSB曝气盘下方0~30 cm处ρ(DO)=(0.07±0.02) mg/L，曝气盘上方ρ(DO)=(0.29±0.02) mg/L，形成明显缺氧/好氧不同分区，NH4+-N及TN沿反应器高程下降.在回流作用下1#进水NH4+-N质量浓度被稀释至30.47 mg/L，与回流所含的亚硝酸盐基质在底部缺氧环境中得以部分去除，NO2--N质量浓度降至0.10 mg/L，TN去除6.05 mg/L；进而于好氧区(30~120 cm)，在去除氨氮的同时产生部分富余亚硝酸盐基质，被回流带至底部缺氧区，最终出水ρ(NH4+-N)=10.44 mg/L、ρ(TN)=23.48 mg/L.分析认为，底部缺氧区中以厌氧氨氧化为主，氨氮与亚硝酸盐氮同步去除，致使总氮损失；而好氧区中则以亚硝化-厌氧氨氧化方式实现自养脱氮，并伴随部分亚硝酸盐氮的富余，通过回流为底部AnAOB提供反应基质，强化整体自养脱氮性能；不论单一厌氧氨氧化，或是亚硝化-厌氧氨氧化的耦合，均伴随有一定量硝酸盐氮的产生，因此，NO3--N质量浓度沿程升高，出水ρ(NO3--N)=10.02 mg/L.由图 6可知，2#内部ρ(DO)=(0.26±0.02) mg/L，反应器全程好氧，氨氮及总氮去除曲线较平缓，沿程亚硝酸盐氮质量浓度为(3.15±0.36) mg/L，硝酸盐氮变化则同1#类似，逐渐上升，最终出水氨氮及总氮分别为17.78、30.92 mg/L.中置曝气AUSB出水TN质量浓度较低，脱氮效能更优.
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注：0、120、155 cm分别为进水、回流、出水位置，120~155 cm为三相分离器高度 图 6 沿程氮素质量浓度及DO值 Figure 6 Nitrogen concentrations and DO variation along the reactor |
为进一步研究两组AUSB中氮素变化规律，对1#、2#内部的脱氮路径进行分析，如表 2.1#中好氧区氨氮去除16.08 mg/L，同时生成3.97 mg/L的亚硝酸盐氮及1.34 mg/L硝酸盐氮，Δρ(NO3--N)/Δρ(NH4+-N)=0.111，符合CANON公式中0.11:1的化学计量比[14]，表明该区域中以AOB与AnAOB的协同脱氮为主，两者共同完成全程自养脱氮过程，同时伴随小部分亚硝酸盐氮的富余，经回流至底部缺氧区，为厌氧氨氧化提供反应基质.进水及回流所含的氨氮及亚硝酸盐氮，于1#底部缺氧环境中主要通过厌氧氨氧化反应去除，产生0.67 mg/L硝酸盐氮，此时Δρ(NO3--N)/Δρ(NH4+-N)=0.216，小于ANAMMOX反应式中理论值0.26[1].需要指出的是，Matsumoto等[23]发现在长期运行的自养硝化污泥中，仍可检出以硝化菌代谢产物和细胞残体作基质的异养菌属，反硝化作用的存在或使1#缺氧区Δρ(NO3--N)/Δρ(NH4+-N)小于ANAMMOX反应式理论值0.26.由此可知，1#主要通过同步亚硝化/厌氧氨氧化(SNA)及交替亚硝化/厌氧氨氧化(ANA)的联用共同完成氮素去除.底部曝气AUSB中，氨氮共去除17.21 mg/L，生成2.22 mg/L硝酸盐氮，其Δρ(NO3--N)/Δρ(NH4+-N)=0.133，大于CANON公式中理论值0.11，与所测特征值7.57相一致(见图 5)，均表明NOB活性增强；反应器全程好氧，无特定缺氧区，2#通过同步亚硝化/厌氧氨氧化(SNA)实现自养脱氮.
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表 2 缺氧/好氧不同分区氮素质量浓度变化 Table 2 Nitrogen concentrations varied between anoxic/aerobic conditions |
CANON工艺是基于有效抑制NOB增殖的基础上，依靠AOB、AnAOB间稳定的协同作用实现自养脱氮[14].然而，低DO不足以充分发挥AOB的氧化功能，限制自养脱氮负荷的提高[19]；DO较高时又面临NOB增殖的可能及抑制AnAOB活性的矛盾[4, 6]，故底部曝气AUSB中全程好氧状态下单一SNA路径受限于DO质量浓度控制，难以进一步实现更高的氮去除效能.而中置曝气AUSB在反应器内部于空间上实现了缺氧/好氧的不同分区，联合SNA与ANA双重脱氮路径，实现了74.98%的总氮去除率，其中SNA占比47.34%、ANA占比27.64%，高于底部曝气AUSB中66.05%的脱氮效率.
2.2.2 功能菌动力学活性对比通过批次实验分别测定了稳定运行阶段第140天时，两组AUSB中活性污泥对NH4+-N、NO2--N的去除效能.由图 7可知，1#污泥，其单位MLSS CANON速率及ANAMMOX速率分别为7.18、8.87 mg/(g·h)，而2#污泥的CANON、ANAMMOX速率分别为6.03、8.16 mg/(g·h)，1#均高于2#，表明中置曝气AUSB内AOB及AnAOB活性较高.然而，1#、2#污泥的NO3--N比累积速率分别为0.46、0.93 mg/(g·h)，2#为1#污泥两倍之多，进一步证实此时2#中NOB活性增强.
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图 7 功能菌动力学活性 Figure 7 Kinetic activities of functional microbes |
中置曝气AUSB，于其内部空间上营造出缺氧/好氧环境，通过回流使活性污泥往返流动于缺氧/好氧不同分区之间，缺氧区中AOB活性受抑制，污泥进入好氧区后，历经“饥饿”的AOB可更多地利用氨氮氧化产生的能量，实现其快速富集[24]；AOB活性的增强，为AnAOB供给了充足的亚硝酸盐基质，底部缺氧区的存在，提供了厌氧氨氧化高效反应所需的低溶解氧环境，保证了AnAOB在与NOB竞争亚硝酸盐基质的过程中其优势地位，实现了较高的总氮去除率，并在一定程度上起到了抑制NOB的作用；同时，缺氧/好氧分区强化了CANON污泥所处环境中溶解氧的波动，于低氨氮水质中达到了抑制NOB的效果[25-26].对比本文AUSB底部曝气方式，中置曝气AUSB启动CANON工艺用时更短，在后续逐步提高进水氮负荷过程中，更易适应NLR的改变，实现了更高的脱氮负荷，且长期运行稳定性高.相比以往单级连续流CANON工艺的研究[10-12, 15]，AUSB中置曝气具有启动历时短，自养脱氮性能较佳等优点，如表 3所示.此外，中置曝气AUSB中特定的缺氧/好氧环境可有效改善全程好氧状态下长期运行使NOB产生适应性增殖的不足，提高CANON工艺运行稳定性.
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表 3 不同单级连续流反应器中CANON工艺启动时长及脱氮性能比较 Table 3 Comparison of CANON process starting duration and performance of autotrophic nitrogen removal in different single-stage continuous flow reactors |
1) 中置、底部曝气AUSB在分别历经55 d、70 d后成功建立低氨氮水质条件下全程自养脱氮过程，脱氮负荷达0.147、0.137 kg/(m3·d)，中置曝气AUSB启动时间更短.
2) S3阶段，中置、底部曝气AUSB均获得了较启动阶段更高的脱氮负荷，在HRT=6 h时分别达到了0.280、0.256 kg/(m3·d)，中置曝气AUSB可更快适应NLR的提高，实现更优的脱氮性能.
3) 底部曝气AUSB在NLR提高初期出现了出水亚硝酸盐积累现象，并在后续S4阶段长期运行中其特征值降至7.49，NOB活性增强；而中置曝气AUSB没有发生亚硝酸盐的积累，特征值保持在7.83，自养脱氮性能稳定.
4) 中置曝气AUSB较底部曝气，其污泥中AOB及AnAOB活性更高，借助同步亚硝化/厌氧氨氧化(SNA)与交替亚硝化/厌氧氨氧化(ANA)双重脱氮路径，总氮去除率达74.98%，高于底部曝气AUSB中单一SNA路径下所达到的66.05%的总氮去除率，脱氮性能更佳；同时有效抑制了NOB的增殖，运行稳定性更高.
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