厌氧氨氧化菌在缺氧条件下, 以NO₂^-为电子受体, NH₄⁺为电子供体生成N₂, 达到最终脱氮目的^[1].全程自养脱氮(completely antotrophic nitrogen removal over nitrite process, CANON)工艺是以厌氧氨氧化反应为基础发展起来的, 该工艺是指在单一反应器内实现短程硝化和厌氧氨氧化, 从而达到脱氮的目的^[2], 是目前最经济高效的脱氮工艺^[3-5].截止2014年全球已经有超过100座基于厌氧氨氧化工艺的实际工程, 且数量仍在持续增加^[6].近年来, 关于CANON工艺的研究大多是通过人工配水方式完成^[7-8], 而在实际工程中, 进水氨氮质量浓度并不稳定, 随季节等因素波动较大^[9].因此, 为确保出水水质, 有必要考察氨氮质量浓度对CANON工艺的冲击影响.目前已有的相关报道主要集中在同一污泥系统下通过改变进水氨氮质量浓度进行的研究^[10-11], 而关于氨氮质量浓度对不同污泥系统CANON工艺冲击影响的研究还较少.同时, CANON工艺在低氨氮废水中的应用还不成熟.因此, 本文通过人工配水的方式调节进水氨氮质量浓度, 探讨氨氮质量浓度对两种污泥系统CANON工艺脱氮性能的影响, 以期为实际工程中污泥形式的选择和工艺在低氨氮废水中的推广应用提供参考.

实验装置为两个相同规格的SBR反应器, 如图 1所示, 分别标记为1号反应器和2号反应器. 1号反应器内污泥形式是颗粒污泥^[12], 2号反应器内是颗粒和絮体混合的污泥形式^[13].反应器由有机玻璃制成, 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, 曝气量通过转子流量计控制.实验温度通过恒温加热棒控制.反应器内设有水质监测探头, 用以监测工艺运行工程中的pH、DO和T.

Figure 1

图 1 SBR反应器实验装置 Figure 1 Experimental apparatus of SBR reactor

实验采用人工配水的方式，即通过向北京市高碑店污水处理厂初沉池出水中投加NH₄HCO₃调节进水氨氮质量浓度.每个周期排水时1号反应器出水用孔径为0.3 mm的筛网过滤, 截留的颗粒再返回至1号反应器; 2号反应器的出水用孔径为0.2 mm的筛网过滤, 截留的颗粒再返回至2号反应器, 以减少颗粒的流失.实验温度通过恒温加热棒控制在(30±1)℃, pH为7~8.实验过程中, 两个反应器曝气量维持不变.按不同进水氨氮质量浓度实验共分为4个阶段, 两个反应器在各阶段进水氨氮情况如表 1所示.

表 1

表 1 实验各阶段反应器内进水氨氮质量浓度 Table 1 Influent ammonium concentration of the reactor in each phase 反应器 进水氨氮/(mg·L-1) Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 1 1 131 660 342 — 2 1 103 521 242 608

表 1 实验各阶段反应器内进水氨氮质量浓度 Table 1 Influent ammonium concentration of the reactor in each phase

水质指标检测方法按照文献[14]的方法测量, 总氮采用过硫酸钾氧化, 紫外分光光度法, 氨氮采用纳氏试剂光度法, 硝态氮、亚硝态氮和总磷采用离子色谱法, 化学需氧量采用重铬酸钾法; 污泥质量浓度采用称重法; 粒径分析采用湿式筛分法; DO、pH和T采用WTW测定; 定量PCR方法参考文献[15-16].

1号反应器和2号反应器污染物去除情况如图 2(a)、(b)所示.

Figure 2

图 2 实验各阶段污染物质量浓度变化 Figure 2 Pollutant concentration in each phase

阶段Ⅰ, 1号反应器共运行了29 d, 每个周期的反应时间约为12 h.进水氨氮平均质量浓度为1 131 mg/L, FA质量浓度为34 mg/L, 出水氨氮、亚硝态氮和硝态氮质量浓度较为稳定, 平均质量浓度分别为7.4、5.4和81.9 mg/L, 硝态氮生成量与氨氮消耗量的比值平均为0.07, 总氮去除率平均为77%, 单位MLSS总氮去除负荷平均为0.21 kg/(kg·d).2号反应器共运行了42 d, 每个周期的反应时间约为24 h.进水氨氮平均质量浓度为1 103 mg/L, FA质量浓度为33 mg/L, 出水氨氮、亚硝态氮和硝态氮稳定, 平均质量浓度分别为12.6、4.1和81.2 mg/L, 硝态氮生成量与氨氮消耗量的比值平均为0.06, 总氮去除率平均为75%, 总氮去除负荷平均为0.10 kg/(kg·d).阶段Ⅰ运行期间, 两个反应器的出水水质稳定, 说明FA质量浓度大于33 mg/L时, 两个反应器内具有较好的短程硝化-厌氧氨氧化自养脱氮性能, CANON工艺运行稳定.

阶段Ⅱ, 1号反应器共运行了28 d, 每个周期的反应时间约为7.5 h.进水氨氮平均质量浓度为660 mg/L, FA质量浓度为20 mg/L, 出水氨氮、亚硝态氮和硝态氮稳定, 平均质量浓度分别为2.2、5.9和42.9 mg/L, 硝态氮生成量与氨氮消耗量的比值平均为0.06, 总氮去除率平均为79%, 总氮去除负荷平均维持在0.18 kg/(kg·d).2号反应器共运行了50 d, 每个周期的反应时间约为12.5 h.进水氨氮平均质量浓度为521 mg/L, FA质量浓度为16 mg/L, 出水氨氮、亚硝态氮和硝态氮稳定, 平均质量浓度分别为0.21、0.9和68.9 mg/L, 硝态氮生成量与氨氮消耗量的比值平均为0.09, 总氮去除率平均为64%, 总氮去除负荷平均维持在0.07 kg/(kg·d).阶段Ⅱ相比阶段Ⅰ, 1号反应器在进水氨氮质量浓度降低了42%、FA质量浓度由34 mg/L突然降至20 mg/L的条件下, 出水水质仍能保持稳定, 且总氮去除负荷并无明显变化, 说明进水氨氮质量浓度的降低并未对自养脱氮性能造成影响.2号反应器在进水氨氮质量浓度降低53%, FA质量浓度由33 mg/L突然降至16 mg/L的条件下, DO质量浓度由0.38 mg/L降低至0.34 mg/L, 出水氨氮和亚硝态氮基本为零, 硝态氮生成量与氨氮消耗量的比值接近0.11, 说明2号反应器内NOB的活性开始得到恢复, 但短程硝化并没遭到实质性的破坏.

阶段Ⅲ, 1号反应器共运行了14 d, 每个周期的反应时间约为4.5 h.进水氨氮平均质量浓度为342 mg/L, FA质量浓度为10 mg/L, 出水氨氮、亚硝态氮和硝态氮稳定, 平均质量浓度分别为0.77、3.5和23.8 mg/L, 硝态氮生成量与氨氮消耗量的比值平均为0.07, 总氮去除率平均为79%, 总氮去除负荷平均为0.21 kg/(kg·d).2号反应器共运行了59 d, 每个周期的反应时间约为14 h.进水氨氮平均质量浓度为242 mg/L, FA质量浓度为7 mg/L, 出水氨氮和亚硝态氮稳定, 平均质量浓度分别为4.1和0.7 mg/L, 出水硝态氮质量浓度呈升高趋势, 由49.7 mg/L逐渐增长至85.0 mg/L, 硝态氮生成量与氨氮消耗量的比值随之增加至0.37, 总氮去除率逐渐降低至44%.虽然1号反应器在阶段Ⅲ仅运行了14 d, 但是每个周期的反应时间比阶段Ⅱ缩短了40%, 运行周期数长达74个, 因此，实验数据的可信度较好.1号反应器进水氨氮质量浓度再次降低了48%、FA质量浓度由20 mg/L降至10 mg/L时, 出水水质依然稳定, 硝态氮生成量与氨氮消耗量的比值小于0.11, 总氮去除负荷略有降低, 但变化不大, 说明在曝气量不变的条件下, FA质量浓度突然降低至10 mg/L时, CANON工艺依然能稳定运行.2号反应器在进水氨氮质量浓度再次降低了54%、FA质量浓度由16 mg/L降至7 mg/L条件下, 出水硝态氮呈上升趋势, 总氮去除率降低了20%, 总氮去除负荷降至0.05 kg/(kg·d).说明2号反应器在FA质量浓度低至7 mg/L时, FA对NOB的抑制作用解除, NOB的活性得到完全恢复, 对亚硝态氮的竞争力增强, 短程硝化变为全程硝化, ANAMMOX菌因为缺少基质活性减弱, 总氮去除率和总氮去除负荷出现严重下降的现象.

阶段Ⅳ是通过增加进水氨氮质量浓度的方式强化对NOB的抑制作用, 进入2号反应器的恢复阶段, 共运行了27 d.进水氨氮质量浓度逐渐增加至608 mg/L, 硝态氮生成量与氨氮消耗量的比值随着进水氨氮质量浓度的增加降低至0.13, 总氮去除率增加至62%, 总氮去除负荷提高至0.11 kg/(kg·d).说明FA对NOB的抑制具有可逆性, 质量浓度升高至18 mg/L后, NOB活性会再次受到抑制, 短程硝化逐渐得到恢复, 工艺脱氮性能得到改善, 后期脱氮效能还需再观察.

大量研究表明，较高质量浓度的FA对AOB和NOB均有抑制作用, NOB相比AOB对FA更加敏感^[17-19].关于FA对AOB和NOB的抑制质量浓度存在较大的差异, Anthonisen等^[20]认为, FA对AOB和NOB的抑制质量浓度分别是10~150和0.1~1.0 mg/L.Vadivelu等^[21]认为, 当FA质量浓度大于0.6 mg/L时, NOB活性完全受到抑制.研究发现，FA对NOB抑制的同时会有一定的适应性^[22].很多学者应用FA对NOB和AOB的选择性抑制, 通过控制FA质量浓度实现了短程硝化^[23-24].但也有学者认为, 单独依靠FA的抑制不能长期维持短程硝化的运行^[25-26].2号反应器相比1号反应器, NOB对FA更加敏感的原因可能是, 1号反应器是颗粒污泥系统, 为维持系统内颗粒污泥的主导地位, 沉淀时间较短仅为2 min, 有利于NOB的淘洗, 维持短程硝化的稳定^[27-28].因此, 在颗粒污泥系统中, 当FA质量浓度突然降低至10 mg/L时, 淘洗絮体的方式是维持短程硝化稳定的因素; 当进水氨氮质量浓度再次降低时, 系统内硝态氮的生长情况还需进一步考察, 必要时需联合调整曝气量的方式抑制NOB的活性.在颗粒和絮体混合的系统中, 当进水氨氮质量浓度突然降低时, 随时调整曝气量保持低氧环境和定期淘洗絮体是避免NOB丰度和活性增长的有效策略.

在生物处理中, 运行条件与污泥的组分和性能有着密切的联系.进水氨氮变化过程中, 两个反应器内污泥质量浓度的变化如图 3(a)、(b)所示.

Figure 3

图 3 各阶段污泥质量浓度变化 Figure 3 Sludge concentration in each phase

1号反应器在阶段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ运行末期, 污泥质量浓度分别为4 227、3 290和3 058 mg/L, 絮体比重分别占6%、6%和8%, 0.2~0.5 mm的颗粒比重分别占18%、20%和11%, 0.5~1 mm的颗粒比重分别占59%、30%和44%, 大于1 mm的颗粒比重分别占17%、44%和37%.以上数据可以看出, 随着进水氨氮质量浓度的不断降低, 为获得充足的基质, 0.5~1 mm的颗粒和大于1 mm的颗粒先后出现了解体的现象.颗粒的解体导致絮体污泥质量浓度增加, 在较短沉淀时间的选择压力下, 小粒径的颗粒和絮体被淘洗出反应器, 从而出现系统内污泥质量浓度逐渐减少, 絮体比例基本维持稳定的现象.有研究表明, 基质浓度对颗粒污泥的形成至关重要^[28].较高的基质浓度, 可促进颗粒的形成^[29].较低的基质浓度, 会延长形成颗粒污泥的时间^[30].若进水浓度进一步降低, 颗粒污泥的解体现象可能会更加明显, 系统内污泥质量浓度会进一步降低, 从而导致颗粒污泥CANON工艺的崩溃.

2号反应器在阶段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ运行末期, 污泥质量浓度均呈增长趋势, 絮体比重分别占30%、31%、33%和29%, 0.2~0.5 mm的颗粒比重分别占44%、45%、55%和48%, 大于0.5 mm的颗粒比重分别占26%、24%、12%和23%. CANON工艺稳定运行期间, 总氮去除率和去除负荷较高, 污泥质量浓度的增长主要表现为颗粒污泥的增长.进水氨氮质量浓度降低后, 大粒径的颗粒出现解体的情况, 小粒径的颗粒浓度增多, 同时絮体比重也略有增加, 此时系统内短程硝化并未被破坏, CANON工艺运行稳定.进水氨氮质量浓度再次降低后, 大粒径颗粒解体速率明显加快, 小粒径颗粒和絮体的比重明显升高, 短程硝化崩溃, 总氮去除率和去除负荷严重下降.进水氨氮质量浓度提升后, 大粒径颗粒增长加快, 絮体量维持稳定, 短程硝化得到恢复, 系统脱氮性能得到改善.以上分析可以看出, 污泥粒径的变化规律可以较为直观地反应系统脱氮性能.

通过定量PCR研究各阶段反应器内AOB、ANAMMOX和NOB的丰度以及NOB占全菌的比例，结果如表 2所示.

表 2

表 2 实验各阶段反应器内菌群丰度(平均值) Table 2 Abundance of microbial community in each phase (average) 反应器 阶段 丰度/(copie·g-1) R/% ANAMMOX AOB NOB 1# Ⅰ 5.72E+11 5.91E+06 6.34E+06 0.001 Ⅱ 2.13E+11 7.15E+06 4.48E+06 0.001 Ⅲ 2.15E+11 2.01E+06 3.97E+07 0.012 2# Ⅰ 9.64E+10 1.06E+07 1.12E+08 0.022 Ⅱ 9.95E+10 3.81E+07 8.73E+08 0.171 Ⅲ 1.68E+10 9.19E+06 4.83E+08 0.168 Ⅳ 1.37E+10 2.16E+06 5.21E+08 0.150

表 2 实验各阶段反应器内菌群丰度(平均值) Table 2 Abundance of microbial community in each phase (average)

1号反应器在进水氨氮质量浓度由1 131 mg/L降低至660 mg/L时, AOB和NOB的丰度变化不明显, NOB占全菌比例稳定维持在0.001%，ANAMMOX菌丰度减少了63%, 因此，系统内总氮去除负荷略有降低, 硝酸盐生成比例稳定.在进水氨氮再次降低至342 mg/L时, NOB丰度增加了1个数量级, 但占全菌比例仍然较低, 仅占0.012%, ANAMMOX菌丰度基本不变, AOB丰度减少了72%, 因此，出现总氮去除负荷再次降低, 硝酸盐生成比例稳定的现象.

2号反应器在进水氨氮质量浓度由1 103 mg/L降至521 mg/L时, ANAMMOX菌丰度基本不变, AOB和NOB丰度分别增长了3倍和8倍, NOB占全菌比例由0.022%增加至0.171%, 因此，出现硝酸盐增长比例提高的现象.进水氨氮质量浓度再次降低至242 mg/L时, NOB占全菌比例变化较小, ANAMMOX菌丰度减少了83%, 导致NOB对亚硝态氮的竞争性增强, 因此, 系统内短程硝化遭到破坏.在进水氨氮质量浓度突然降低的过程中, 单位SS颗粒中ANAMMOX菌丰度由9.41×10¹⁰ copies/g减少至1.29×10¹⁰ copies/g, 减少了86%;絮体中ANAMMOX菌丰度由2.30×10⁹ copies/g增加至3.87×10⁹ copies/g, 增加了68%, 说明颗粒出现了解体的现象.在进水氨氮质量浓度提高至608 mg/L时, NOB的丰度并未减少, 但是占总菌的比例降低至0.150%, ANAMMOX菌丰度变化不大, 为1.12×10¹⁰ copies/g, 说明颗粒解体现象的得到缓解.

1) 在温度为(30±1) ℃、pH为7~8、曝气量保持不变、进水氨氮质量浓度突然降低的条件下, 颗粒污泥系统相比颗粒和絮体混合的污泥系统具有更好的抗冲击能力, 较短的沉淀时间是维持颗粒污泥工艺稳定运行的关键.

2) 进水氨氮质量浓度突然减少、FA质量浓度为7 mg/L时, 短程硝化被破坏, 系统脱氮效能下降，可通过提高进水氨氮质量浓度的方式再次实现短程硝化的稳定.

3) 污泥粒径的变化趋势可较为直观地反应系统脱氮性能, 可简单通过测量污泥粒径的方式了解反应器的运行状态.

4) 定量PCR数据显示技术分析得出, 进水氨氮质量浓度对CANON工艺具有较强的影响.随着进水氨氮质量浓度的突然降低, ANAMMOX丰度有明显的减少, NOB丰度有明显的增长, ANAMMOX丰度在颗粒上的降低和絮体上的增加证实颗粒出现了解体的现象.