一體式全程自養(yǎng)脫氮工藝（CANON）是在厭氧氨氧化基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新工藝，該工藝將亞硝化與厭氧氨氧化耦合于同一個(gè)反應(yīng)器中，相比傳統(tǒng)工藝，無需碳源且曝氣量和污泥產(chǎn)量也較低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球厭氧氨氧化的實(shí)際工程已達(dá)110多個(gè)，采用CANON工藝形式的占88%，主要用于污泥厭氧消化脫水液、垃圾滲濾液和高氨氮工業(yè)廢水的脫氮處理。
污水處理主流厭氧氨氧化工藝應(yīng)用的難點(diǎn)是氨氧化菌（AOB）、厭氧氨氧化菌（AnAOB）的富集和亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的抑制。在側(cè)流系統(tǒng)中，通常利用低溶解氧（DO）濃度實(shí)現(xiàn)NOB的抑制，但是對(duì)于氨氮濃度較低的城市污水系統(tǒng)，AOB的生長速率低于NOB，當(dāng)DO濃度太低時(shí)，AOB的活性和氨氮的轉(zhuǎn)化率受到影響，并且長期運(yùn)行后NOB能夠適應(yīng)較低的DO環(huán)境。而采用間歇曝氣可以使NOB的代謝活動(dòng)在曝氣開始后出現(xiàn)一定時(shí)間的滯后，因此更容易實(shí)現(xiàn)短程硝化。
目前針對(duì)主流厭氧氨氧化工藝間歇曝氣的研究大都采用SBR反應(yīng)器，而實(shí)際工程中連續(xù)流反應(yīng)器應(yīng)用更為廣泛。相關(guān)研究表明，利用懸浮填料載體培養(yǎng)微生物的移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR），在AOB和AnAOB的持留方面具有顯著優(yōu)勢，而且可以連續(xù)運(yùn)行，降低了運(yùn)行的難度�；诖�，筆者采用連續(xù)流懸浮載體CANON反應(yīng)器，以低氨氮濃度廢水為研究對(duì)象，考察了不同曝氣方式下，工藝的脫氮效果、微生物活性和微生物群落的結(jié)構(gòu)特征，旨在為主流厭氧氨氧化工藝的穩(wěn)定運(yùn)行提供參考。
1、材料與方法
1.1 試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)采用上流式完全混合反應(yīng)器（見圖1），其有效容積為32L（內(nèi)部直徑為30cm，高為45cm），材質(zhì)為不銹鋼。反應(yīng)器采用機(jī)械調(diào)速攪拌器，曝氣裝置包括空氣泵和砂芯曝氣盤，曝氣量通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制，依靠加熱棒保持水溫，進(jìn)水由蠕動(dòng)泵控制，曝氣時(shí)間通過時(shí)間繼電器控制。反應(yīng)器內(nèi)裝填懸浮載體填料（SPR-1型），填料外形尺寸為D25mm×10cm，比表面積為450m2/m3。
1.2 試驗(yàn)用水與接種污泥
試驗(yàn)用水為自配水，以（NH4）2SO4作為氮源，NH4+-N濃度為40~60mg/L。以NaHCO3來調(diào)節(jié)堿度，按照HCO3-與NH4+-N的質(zhì)量比為1.0~1.5投加。其他成分包括：KH2PO4為2.7mg/L、MgSO4·7H2O為30mg/L、CaCl2為13.6mg/L、微量元素Ⅰ為1mL/L、微量元素Ⅱ?yàn)?/span>1mL/L。微量元素Ⅰ儲(chǔ)備液的成分：EDTA為5000mg/L、FeSO4為5000mg/L。微量元素Ⅱ儲(chǔ)備液的成分：EDTA為15000mg/L、ZnSO4·7H2O為430mg/L、CoCl2·6H2O為240mg/L、MnCl2·4H2O為990mg/L、CuSO4·5H2O為250mg/L、Na2MoO4·2H2O為220mg/L、NiCl2·6H2O為190mg/L、Na2SeO4·10H2O為210mg/L。
反應(yīng)器所用的填料來源于處理高氨氮濃度廢水的CANON反應(yīng)器，該反應(yīng)器已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行了373d，進(jìn)水NH4+-N濃度為360~430mg/L，采用連續(xù)曝氣的方式，DO濃度為1.0~1.5mg/L，氮的容積負(fù)荷平均為0.6kg/（m3·d）。
1.3 試驗(yàn)參數(shù)與運(yùn)行工況
反應(yīng)器水力停留時(shí)間（HRT）為12h，填料填充率為40%，不考慮溫度的影響，控制反應(yīng)器內(nèi)部水溫為（30.1±2.2）℃，pH為7.0~8.5。試驗(yàn)分為7個(gè)階段，階段Ⅰ為連續(xù)曝氣，階段Ⅱ~Ⅶ為間歇曝氣，調(diào)整DO濃度與曝氣時(shí)間/非曝氣時(shí)間的分布，各階段運(yùn)行參數(shù)見表1。由于采用間歇曝氣時(shí)，系統(tǒng)DO一直處于變化狀態(tài)，本試驗(yàn)所述的DO為曝氣階段末期，系統(tǒng)能達(dá)到的最高DO值。各階段具體運(yùn)行參數(shù)見表1。
1.4 AOB、NOB和AnAOB活性測定
參照文獻(xiàn)測定AOB、NOB和AnAOB活性。取600mL填料（堆積體積）放入燒杯中，加入50mg/L的NH4+-N和10mg/L的NO2--N作為底物。將燒杯放入電動(dòng)攪拌恒溫槽內(nèi)，控制溫度為（30.1±0.4）℃。試驗(yàn)開始后，連續(xù)曝氣，控制反應(yīng)體系內(nèi)的DO濃度為6.0mg/L左右。每隔10min從系統(tǒng)中吸取30mL水樣，測定水樣中NH4+-N和NO3--N濃度，反應(yīng)時(shí)間為90min。測定AnAOB活性時(shí)，加入30mg/L的NH4+-N和40mg/L的NO2--N作為底物，用高純氮吹脫以保證厭氧環(huán)境，每15min取水樣測定NH4+-N和NO2--N濃度，反應(yīng)時(shí)間為150min。氮素含量測定結(jié)束以后，將填料在103~105℃環(huán)境下烘干2h，置于干燥器內(nèi)直至填料質(zhì)量恒定。按式（1）~（3）計(jì)算填料中AOB活性、NOB活性和AnAOB活性。
式中：Δρ（NH4+-N）為NH4+-N質(zhì)量的變化量，mg；Δρ（NO3--N）為NO3--N質(zhì)量的變化量，mg；Δρ（NH4+-N+NO2--N）為NH4+-N與NO2--N質(zhì)量和的變化量，mg；Δt為反應(yīng)時(shí)間，h；M為填料干質(zhì)量，mg；max為NH4+-N質(zhì)量對(duì)時(shí)間線性擬合的最大斜率；max為NO3--N質(zhì)量對(duì)時(shí)間線性擬合的最大斜率；max為NH4+-N與NO2--N質(zhì)量和對(duì)時(shí)間線性擬合的最大斜率。
1.5 分析項(xiàng)目及方法
水樣經(jīng)0.45μm濾膜過濾后測定相關(guān)參數(shù)。其中，NH4+-N采用納氏試劑比色法測定，NO2--N采用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法測定，NO3--N采用紫外分光光度法測定。
1.6 宏基因組測序
為考察不同曝氣模式下填料的微生物特性，計(jì)劃在階段Ⅰ~Ⅶ分別采集樣品，但是考慮到反應(yīng)器內(nèi)填料總量有限，且在間歇曝氣條件下，僅調(diào)整曝氣頻率和DO濃度，短期內(nèi)微生物分布情況變化不大，因此只在階段Ⅰ和階段Ⅶ采集了填料樣品，考察連續(xù)曝氣和間歇曝氣對(duì)微生物的影響，取樣時(shí)間分別為低濃度運(yùn)行的第5天和第62天，樣品編號(hào)分別為S2和S3。另外，在試驗(yàn)實(shí)施前處理高氨氮廢水期間也采集了填料樣品，取樣時(shí)間為反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的第353天，樣品編號(hào)為S1。每次測定過程都采集了平行雙樣，將反應(yīng)器內(nèi)填料全部取出后分為兩組（總計(jì)10L，每組5L），混合均勻后，分別從中隨機(jī)抽取10個(gè)填料作為樣品。
填料樣品采集完畢后，送至上海美吉生物科技醫(yī)藥公司進(jìn)行宏基因組測序。采用E.Z.N.A.®DNAKit（OmegaBio tek，Norcross，GA，U.S.）試劑盒進(jìn)行樣品DNA抽提。之后，利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA的完整性。通過CovarisM220儀器將DNA片段化，篩選約300bp的片段，利用TruSeq™DNASamplePrepKit試劑盒構(gòu)建PE文庫，產(chǎn)生單鏈DNA片段后采用HiSeq3000/4000PEClusterKit進(jìn)行橋式PCR，最后通過IlluminaHiSeq4000平臺(tái)，采用HiSeq3000/4000SBSKits進(jìn)行宏基因組測序。
2、結(jié)果與分析
2.1 不同曝氣方式下的處理效果
不同曝氣模式下反應(yīng)器的脫氮性能和填料功能菌的活性如圖2所示�？梢钥闯觯A段Ⅰ采用連續(xù)曝氣方式，出水的NO3--N和NH4+-N濃度分別為7.1~10.2和21.3~29.8mg/L，脫氮效率（NRE）的平均值為30.5%。經(jīng)核算，該階段約有12.7%的NH4+-N被完全硝化，表明NOB沒有被很好地抑制。同時(shí)，NH4+-N去除率很低，表明AOB的活性較差。
階段Ⅱ出水NO3--N濃度下降到2.8~4.9mg/L，NH4+-N濃度上升到30.0~35.6mg/L，NRE為29.6%，表明該階段DO不足，NH4+-N轉(zhuǎn)化率低是制約脫氮的主要因素。與階段Ⅰ相比，該階段SNPR下降了12.82%，SAOR下降了7.89%，意味著間歇曝氣對(duì)NOB的抑制作用更強(qiáng)。SAA增加了8.70%是由于系統(tǒng)中的DO濃度較小，這對(duì)AnAOB的生長是有利的。
階段Ⅲ將DO提高到0.8~1.0mg/L時(shí)，出水NH4+-N濃度下降到20.1~29.1mg/L，NRE提高到40.9%，NO3--N略微增加至4.2~6.4mg/L，SNPR沒有明顯變化（每次測定活性時(shí)，所取填料不能保證完全相同，當(dāng)兩階段填料活性相差較小時(shí)，測算出的SNPR差異可能無法體現(xiàn)）�？梢�，在45min/45min的間歇曝氣模式下，DO濃度為0.8~1.0mg/L比較合適。階段Ⅳ將曝氣時(shí)間縮短至20min，為保持NH4+-N的轉(zhuǎn)化率，增加了曝氣量，將曝氣結(jié)束時(shí)的DO濃度提高至1.0~1.3mg/L。結(jié)果表明，SAOR增加了7.06%，SNPR增加了13.07%，表明對(duì)NOB的抑制沒有得到緩解。但是由于NH4+-N轉(zhuǎn)換率的增加，NRE上升到49.3%。
階段Ⅴ和階段Ⅵ延長非曝氣時(shí)間至60min，考察是否能改善對(duì)NOB的抑制。但與階段Ⅳ相比，階段Ⅴ的SNPR和出水NO3--N濃度沒有明顯變化，說明延長曝氣時(shí)間沒有效果。另外，階段Ⅴ的NRE降至33.9%，SAOR也下降了6.37%。因此，階段Ⅵ將DO增加至1.3~1.5mg/L。然而，系統(tǒng)脫氮效果發(fā)生了進(jìn)一步的惡化，平均出水NH4+-N和NO3--N分別增加到22.3~26.9和22.6~30.4mg/L。SNPR從33.1mg/（mg·h）迅速增加到127.3mg/（mg·h），與階段Ⅴ相比，該階段SAOR沒有明顯變化，SAA從107.2mg/（mg·h）下降到57.6mg/（mg·h）。這可能是由于該階段高濃度的DO滲透到生物膜的內(nèi)部，對(duì)AnAOB產(chǎn)生了較強(qiáng)的抑制作用，由于AnAOB與NOB競爭NO2--N，當(dāng)AnAOB被抑制時(shí)，NOB的活性得到較大提高。
階段Ⅴ和階段Ⅵ的數(shù)據(jù)表明，將非曝氣時(shí)間從45min延長到60min是不可取的，曝氣階段結(jié)束時(shí)的DO不應(yīng)超過1.3~1.5mg/L。階段Ⅶ非曝氣時(shí)間減少到20min，DO降低到1.0~1.3mg/L。與階段Ⅳ相比，階段Ⅶ的NH4+-N轉(zhuǎn)化率明顯提高，NH4+-N和NO3--N的出水濃度分別下降到0.2~10.1和8.2~9.6mg/L，NRE為76.7%。第Ⅶ階段的細(xì)菌活性表明，調(diào)整溶解氧以后，SNPR立即下降到32.7mg/（mg·h），表明NOB恢復(fù)到被抑制狀態(tài)。該階段的SAOR達(dá)到142.3mg/（mg·h），高于其他階段的水平。階段Ⅶ的脫氮效果較好，在該試驗(yàn)條件下，采用20min曝氣/20min非曝氣的間歇性曝氣模式，DO濃度為1.0~1.3mg/L最合適。
試驗(yàn)期間，除了在階段Ⅵ系統(tǒng)發(fā)生崩潰外，其他各階段SAA和SNPR的變化并不明顯。有研究指出，在高頻率開/關(guān)曝氣的環(huán)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，階段Ⅶ的開/關(guān)曝氣頻率實(shí)際上高于階段Ⅱ和階段Ⅲ，而階段Ⅶ的SNPR值高于階段Ⅱ和階段Ⅲ，這主要是受階段Ⅵ發(fā)生崩潰的影響，NOB仍然保持一定的活性。階段Ⅶ與其他階段的主要不同表現(xiàn)是SAOR的數(shù)值較高。在階段Ⅰ~Ⅴ，SAA>SAOR>SNPR。然而，階段Ⅶ中SAOR>SAA>SNPR。這可能是由于該階段具有較快氨氧化速率的AOB比AnAOB更有競爭力。在生物膜系統(tǒng)中，由于擴(kuò)散阻力的原因，保持高氨氮轉(zhuǎn)化率至關(guān)重要�？梢�，合理的間歇性曝氣模式可提高氨氮和總氮的去除率，同時(shí)抑制NOB。
2.2 間歇曝氣周期內(nèi)氮素的變化
利用階段Ⅲ和階段Ⅶ分析曝氣/非曝氣時(shí)間的影響，一個(gè)曝氣/非曝氣周期內(nèi)DO和出水氮素的情況如圖3所示。可以看出，整個(gè)周期內(nèi)反應(yīng)器的DO濃度不斷變化，階段Ⅲ和階段Ⅶ中，DO濃度超過0.5mg/L的時(shí)間分別為47min和22min，均占整個(gè)周期約一半的時(shí)長。在不同的DO濃度和間歇曝氣模式下，雖然反應(yīng)器為連續(xù)進(jìn)水狀態(tài)，但由于一個(gè)曝氣/非曝氣周期的時(shí)間相對(duì)于系統(tǒng)的HRT來說較小，所以曝氣和非曝氣時(shí)段出水氮素濃度整體上變化不大。另外，NH4+-N濃度在曝氣階段出現(xiàn)小幅度下降，在非曝氣階段又略微回升，NO3--N和NO2--N濃度與NH4+-N濃度的變化規(guī)律相反。與階段Ⅲ相比，階段Ⅶ出水氮素濃度的變化幅度更小。
污水處理過程中，硝化系統(tǒng)中的NOB通常是Nitrobacter和Nitrospira，由于Nitrobacter更適合在NO2--N濃度較高的環(huán)境中生存，所以低氨氮廢水中的NOB主要是Nitrospira。在有傳質(zhì)阻力的條件下，Nitrospira的基質(zhì)半飽和常數(shù)是0.9~1.1mg/L。從階段Ⅲ和階段Ⅶ中NO2--N濃度情況可以看出，與NH4+-N濃度相比，雖然兩個(gè)階段中NO2--N濃度均非常低，但是階段Ⅲ中曝氣后NO2--N濃度達(dá)0.94~1.16mg/L，與NOB的半飽和常數(shù)較接近，而在階段Ⅶ中曝氣后NO2--N濃度為0.52~0.63mg/L，階段Ⅲ中較高的NO2--N濃度促進(jìn)了NOB（特別是Nitrospira這類貧營養(yǎng)微生物）的生長。從階段Ⅲ還可以看出，非曝氣階段開始后，15min內(nèi)NO2--N濃度下降較為明顯，之后幾乎不再繼續(xù)下降，表明大部分氮的轉(zhuǎn)化在15min內(nèi)完成，因此設(shè)定過長的非曝氣時(shí)間對(duì)NOB的抑制作用不大，相反會(huì)降低NH4+-N的轉(zhuǎn)化率，降低AOB活性。事實(shí)上，在其他條件下，曝氣結(jié)束時(shí)保持系統(tǒng)NOB抑制狀態(tài)的NO2--N濃度是不同的。例如，Wang等人的研究表明，NO2--N濃度約為0.3mg/L，可能是由于在20~23℃的較低溫度條件下硝化菌的半飽和常數(shù)較低。
2.3 菌群結(jié)構(gòu)的特征
系統(tǒng)中門和屬水平的微生物豐度如圖4所示。變形菌門Proteobacteria、浮霉菌門Planctomycetes、綠彎菌門Chloroflexi、擬桿菌門Bacteroidetes以及Ignavibacteriae是3個(gè)樣品中相對(duì)豐度較高的菌門。脫氮細(xì)菌主要為變形菌門Proteobacteria、浮霉菌門Planctomycetes和硝化螺旋菌門Nitrospirae。變形菌門Proteobacteria在3個(gè)樣品中的豐度分別為38.76%、24.11%、24.77%，樣品1的豐度明顯高于樣品2和3；硝化螺旋菌門Nitrospirae在3個(gè)樣品中的豐度分別為1.16%、2.41%和2.03%，S2的豐度最高；浮霉菌門Planctomycetes在3個(gè)樣品中的豐度分別為23.65%、25.56%和25.74%，差異較小。變形菌門Proteobacteria是厭氧系統(tǒng)的常見菌群，幾乎涵蓋硝化菌中的所有AOB、NOB和異養(yǎng)反硝化菌（HDB），硝化螺旋菌門Nitrospirae是一類NOB菌群，浮霉菌門則是AnAOB所在的菌門。3個(gè)樣品脫氮菌群的豐度數(shù)據(jù)表明，在高氨氮濃度情況下，AOB和HDB的生長較好，NOB得到了有效控制；在低濃度條件下，NOB被抑制的程度有所減弱，但是整體上仍得到了控制。
屬水平上檢測出的硝化菌主要包括g_Nitrospira和g_Nitrosomonas，前者為NOB菌屬，后者為AOB菌屬。g_Nitrospira在S1、S2、S3中的豐度分別為0.76%、2.94%和1.02%�？梢钥闯�，S1和S3中NOB被抑制得較為徹底。g_Nitrosomonas在S1、S2、S3中的豐度分別為13.06%、5.36%和4.49%，S2和S3差別不大。選擇厭氧氨氧化菌所在的Planctomycetes門進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，其中的Candidatus_Brocadia、Candidatus_Jettenia、Candidatus_Kuenenia、Candidatus_Scalindua屬是具有厭氧氨氧化功能菌屬。Candidatus_Brocadia在3個(gè)樣品中的豐度水平?jīng)]有顯著差別；Candidatus_Jettenia在S1、S2、S3中的豐度分別為3.96%、0.79%和0.50%，并且在S1中的豐度最高；Candidatus_Kuenenia在S1、S2、S3中的豐度分別為15.76%、20.51%和21.53%，并且在樣品1中的豐度最低。有研究表明，與其他厭氧氨氧化菌屬相比，Candidatus_Kuenenia能在低基質(zhì)環(huán)境中保持較高的活性，而Candidatus_Jettenia適于在高濃度氨氮的環(huán)境中生長，與上述結(jié)論一致。本研究結(jié)果表明，Candidatus_Kuenenia更適合處理低濃度廢水。
3、結(jié)論
①連續(xù)流懸浮載體CANON反應(yīng)器采用間歇曝氣，可以實(shí)現(xiàn)中溫條件下低氨氮廢水的自養(yǎng)脫氮。當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度為40~50mg/L、溫度為（30.1±2.2）℃時(shí)，最優(yōu)的曝氣模式是：曝氣和非曝氣時(shí)間均為20min，曝氣末期DO為1.0~1.3mg/L。間歇曝氣能通過增加AOB活性而抑制NOB，從而提高系統(tǒng)的TN去除率，間歇曝氣時(shí)NOB所在的g_Nitrospira菌屬被抑制得較為徹底。
②本試驗(yàn)僅考察了較短時(shí)間內(nèi)CANON反應(yīng)器處理低氨氮廢水的運(yùn)行情況，旨在尋找最佳的曝氣模式。雖然試驗(yàn)期間的60d內(nèi)NOB基本處于被抑制狀態(tài)，但是由于運(yùn)行期間并未控制出水氨氮濃度，長期運(yùn)行后AOB缺乏底物，在與NOB的競爭中容易被淘汰，因而可能出現(xiàn)系統(tǒng)整體崩潰的風(fēng)險(xiǎn)，需對(duì)其進(jìn)行長期跟蹤研究。（來源：中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司）
