李 冬，陳冠宇，曾輝平，田海成，楊 航，成 朔，張 杰,

(1.水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室( 北京工業(yè)大學(xué))，北京 100124；2.城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室( 哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150090)

連續(xù)流全程自養(yǎng)脫氮工藝啟動(dòng)及脫氮性能分析

李 冬1，陳冠宇1，曾輝平1，田海成1，楊 航2，成 朔1，張 杰1,2

(1.水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室( 北京工業(yè)大學(xué))，北京 100124；2.城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室( 哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150090)

在處理低碳氮比廢水時(shí)，全程自養(yǎng)脫氮工藝表現(xiàn)出了良好的脫氮效果.為此，采用曝氣上流式污泥床反應(yīng)器(AUSB)對(duì)全程自養(yǎng)脫氮工藝的脫氮性能進(jìn)行研究.結(jié)果表明：只投加氨氮不加入其他氮源的條件下表現(xiàn)出了73%的總氮去除率，在逐步增加進(jìn)水氨氮和降低水力停留時(shí)間的過程中系統(tǒng)的脫氮能力得到提升，總氮去除負(fù)荷達(dá)到0.47 kg/(m3·d)以上，在本實(shí)驗(yàn)開始后的第60天出現(xiàn)了肉眼可見的顆粒.在運(yùn)行期間，系統(tǒng)內(nèi)NOB得到有效抑制，Δρ(TN)/Δρ(NO3--N)接近于理論值8，經(jīng)過135 d的運(yùn)行成功在連續(xù)流反應(yīng)器內(nèi)啟動(dòng)了全程自養(yǎng)脫氮顆粒污泥.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本實(shí)驗(yàn)通過采用增大進(jìn)水負(fù)荷的方式促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)，構(gòu)建出更適合CANON功能菌種的生長(zhǎng)條件，NOB得到逐步淘汰.同時(shí)，在多種生物種群的共同作用下，反應(yīng)器表現(xiàn)出高效的脫氮效果，在人工配水條件下，顆粒污泥連續(xù)流全程自養(yǎng)脫氮工藝啟動(dòng)成功.

連續(xù)流；全程自養(yǎng)脫氮；水力停留時(shí)間；氨氮；顆粒污泥

由于傳統(tǒng)的硝化反硝化脫氮工藝在硝化階段需要密集的曝氣量，同時(shí),在反硝化階段需要外加有機(jī)碳源，在處理低碳氮比廢水時(shí)并不經(jīng)濟(jì)[1].全程自養(yǎng)脫氮工藝(CANON)是一種新型的脫氮工藝，污水中57%的NH4+-N在好氧氨氧化菌(AOB)作用下生成NO2--N,生成的NO2--N與剩余的NH4+-N在厭氧氨氧化菌(AAOB)的作用下生成N2以及大約11%的NO3--N.CANON工藝不需要外加有機(jī)碳源，同時(shí)節(jié)約了63%的曝氣量，被公認(rèn)為是一種極為經(jīng)濟(jì)有效的脫氮方式[2-3].

目前，關(guān)于CANON工藝的研究取得了一定的進(jìn)展，但是所用反應(yīng)器形式大多為SBR[4-7].SBR反應(yīng)器需要進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水、閑置等階段，在反應(yīng)期間基質(zhì)質(zhì)量濃度隨時(shí)間不斷下降，反應(yīng)速率也會(huì)不斷下降，相比之下在連續(xù)流反應(yīng)器內(nèi)，系統(tǒng)基質(zhì)質(zhì)量濃度不變，不會(huì)因基質(zhì)質(zhì)量濃度降低對(duì)反應(yīng)速率產(chǎn)生影響.尤為重要的是，由于CANON工藝本身會(huì)產(chǎn)生大約11%的NO3--N，SBR在以一定比例的排水過程中會(huì)殘留一部分硝氮，長(zhǎng)此以往必將導(dǎo)致SBR反應(yīng)器內(nèi)硝氮質(zhì)量濃度升高，影響出水水質(zhì).而連續(xù)流反應(yīng)器采用連續(xù)進(jìn)水的方式可以將反應(yīng)器內(nèi)的硝氮等物質(zhì)及時(shí)排除，避免產(chǎn)生有害物質(zhì)的積累,影響反應(yīng)器的脫氮性能[8].目前，黃鵬飛等[9]在UASB反應(yīng)器內(nèi)啟動(dòng)了厭氧氨氧化反應(yīng);李德祥等[10]采用添加聚乙烯填料的方式在UASB反應(yīng)器內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)了厭氧氨氧化污泥的顆?；?然而，在連續(xù)流反應(yīng)器內(nèi)鮮有針對(duì)CANON顆粒污泥的研究,對(duì)于大流量城市污水處理廠，針對(duì)連續(xù)進(jìn)水的研究更具有現(xiàn)實(shí)意義.因此，本實(shí)驗(yàn)采用曝氣上流式污泥床(aerated up-flow sludge blanket,AUSB)反應(yīng)器，研究連續(xù)流CANON工藝的啟動(dòng)過程和脫氮性能.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與反應(yīng)條件

AUSB反應(yīng)器內(nèi)徑8 cm，總?cè)莘e為24 L，有效容積為16 L，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.在反應(yīng)器上方設(shè)置漏斗狀的三相分離器，用以分離液體、污泥和反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣體.為了保持反應(yīng)區(qū)恒溫穩(wěn)定在(28±1)℃，在反應(yīng)器外部設(shè)有恒溫水浴.為防止光能自養(yǎng)微生物繁殖，反應(yīng)器外部采用黑布遮光.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意

1.2 接種污泥與實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

將SBR中穩(wěn)定運(yùn)行的亞硝化污泥接種至培養(yǎng)有厭氧氨氧化污泥的AUSB反應(yīng)器內(nèi)，接種后污泥質(zhì)量濃度為4.36 g/L.在啟動(dòng)階段的實(shí)驗(yàn)用水為人工配水，運(yùn)行期間CANON工藝由于運(yùn)行條件的不同經(jīng)歷了4個(gè)階段，S1階段進(jìn)水NH4+-N質(zhì)量濃度為95.19～107.16 mg/L，S2、S3、S4階段進(jìn)水NH4+-N質(zhì)量濃度為160.19～176.73 mg/L,S1和S2階段的水力停留時(shí)間為16 h，S3和S4階段的水力停留時(shí)間分別為10和6 h，pH通過NaHCO3調(diào)節(jié)，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)水pH在7.8～8.2，出水pH在7.3～7.8，NaHCO3同時(shí)提供無機(jī)碳源，實(shí)驗(yàn)過程中沒有人工排泥.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

定期檢測(cè)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)出水NH4+-N、NO2--N、NO3--N(以下簡(jiǎn)稱三氮)的質(zhì)量濃度等參數(shù),通過WTW便攜式測(cè)定儀監(jiān)測(cè)DO、pH 和水溫等.水樣分析中NH4+-N的測(cè)定采用納氏試劑光度法,NO2--N采用N-(1-萘基)乙二胺光度法,NO3--N采用紫外分光光度法，顆粒粒徑采用Mastersize2000型激光粒度儀進(jìn)行檢測(cè)，其余水質(zhì)指標(biāo)的分析方法均采用國標(biāo)方法[11].

在系統(tǒng)運(yùn)行的第28天、84天、125天從反應(yīng)器中各取出1 L混合液，分別放入底部放置曝氣環(huán)的1 L燒杯中，設(shè)置機(jī)械攪拌，分別測(cè)定 CANON 反應(yīng)速率、Anammox 反應(yīng)速率及硝化反應(yīng)速率,用來表征 AAOB 和 AOB的協(xié)同活性、厭氧氨氧化活性以及 NOB 的活性..燒杯內(nèi)溫度均為28 ℃,堿度為進(jìn)水總氮的 10 倍,pH 為 7.6 左右,每隔 1 h 取出水測(cè)定三氮,待出水中三氮質(zhì)量濃度不再發(fā)生變化時(shí)停止反應(yīng).測(cè)定CANON反應(yīng)速率時(shí),進(jìn)水只配氨氮(175 mg/L),曝氣量 0.2 L/min.測(cè)定 Anammox 速率時(shí),進(jìn)水配亞氮(95 mg/L)與氨氮(80 mg/L),不曝氣.測(cè)定硝化反應(yīng)速率時(shí),進(jìn)水只配亞氮(175 mg/L),曝氣量0.2 L/min.

總氮去除負(fù)荷、總氮去除率、氨氮氧化率、游離氨(FA)質(zhì)量濃度以及CANON 和 Anammox 反應(yīng)速率的計(jì)算方法如下:

ρ進(jìn)水(TN)=ρ進(jìn)水(NH4+-N)+ρ進(jìn)水(NO2--N)+

ρ進(jìn)水(NO3--N),

(1)

ρ出水(TN)=ρ出水(NH4+-N)+ρ出水(NO2--N)+

ρ出水(NO3--N),

(2)

Δρ(TN)=ρ進(jìn)水(TN)-ρ出水(TN),

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：ρ進(jìn)水(NH4+-N)、ρ進(jìn)水(NO2--N)、ρ進(jìn)水(NO3--N)分別代表進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮質(zhì)量濃度，ρ出水(NH4+-N)、ρ出水(NO2--N)、ρ出水(NO3--N)分別代表出水氨氮質(zhì)量濃度、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮質(zhì)量濃度，ρin(NH4+-N)為反應(yīng)器中氨氮質(zhì)量濃度，t為水溫.

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)器的脫氮效果

2.1.1 氨氮的轉(zhuǎn)化和總氮的去除效果

如圖2所示，不同進(jìn)水條件下的總氮去除率和氨氧化率都經(jīng)歷了適應(yīng)期和逐步增長(zhǎng)期，并在各階段的后期逐步趨向穩(wěn)定.在整個(gè)運(yùn)行期間，最高氨氧化率達(dá)到89%，總氮去除效果與氨氮氧化效果趨勢(shì)大致相同，最高總氮去除率達(dá)到73%；在S4階段后期，最高氨氧化率達(dá)到80%，最高總氮去除率達(dá)到了69%.國內(nèi)外有關(guān)CANON工藝的報(bào)道中，總氮負(fù)荷在0.075～1.5 kg/(m3·d)[3, 12-13]，Zhang Daijun等[14]的研究表明，在AUSB反應(yīng)器內(nèi)處理氨氮質(zhì)量濃度在50～65 mg/L的廢水時(shí)，CANON工藝的總氮負(fù)荷可以達(dá)到0.114 kg/(m3·d)，并通過添加NO2的方式成功提升總氮負(fù)荷至0.234 kg/(m3·d).在本實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行過程中，總氮負(fù)荷會(huì)隨著反應(yīng)條件的改變?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)產(chǎn)生波動(dòng)，總體上保持上升的趨勢(shì).在S4階段的穩(wěn)定期，最大總氮負(fù)荷達(dá)到了0.47 kg/(m3·d).

圖2 去除負(fù)荷、氨氧化率和總氮去除率變化

Fig.2 Variations of the total nitrogen removal load and ammonia oxidation rate and total nitrogen removal rate in influent and effluent

由于自身的限制，CANON工藝的最高總氮去除率為88%.反應(yīng)過程中的總氮去除率相對(duì)于氨氧化率偏小，根據(jù)張肖靜等[7]的研究，分析原因主要是厭氧氨氧化過程產(chǎn)生一部分硝氮并且系統(tǒng)中NOB存在一定活性.為探究總氮去除率變化的影響因素，對(duì)系統(tǒng)出水氮元素進(jìn)行了進(jìn)一步的分析和討論.

2.1.2 反應(yīng)器運(yùn)行條件和進(jìn)出水氮元素變化

如圖3所示，運(yùn)行期間CANON工藝經(jīng)歷了4個(gè)階段.實(shí)驗(yàn)的S1階段(1～29 d)將來自于SBR反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的亞硝化污泥接種至富集有厭氧氨氧化菌的AUSB反應(yīng)器內(nèi).在本實(shí)驗(yàn)中對(duì)于反應(yīng)器曝氣量的控制至關(guān)重要，如果在反應(yīng)過程中氧氣的供給量超出AOB所需，NO2--N就會(huì)在NOB的作用下轉(zhuǎn)化為NO3--N[1].為了營造更適合CANON功能菌種的生存環(huán)境，控制反應(yīng)器內(nèi)DO為0.2 mg/L及以下，本實(shí)驗(yàn)S1階段曝氣量為0.06 L/min,此階段HRT為16 h.在接種初期，由于污泥的不適應(yīng)性和污泥流失現(xiàn)象的存在，反應(yīng)器的脫氮效果并不穩(wěn)定.在經(jīng)歷了14 d的適應(yīng)期后，脫氮效果得到穩(wěn)定提升.

在S2(30～84 d)階段，增加進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度至170 mg/L,此時(shí)反應(yīng)器內(nèi)FA質(zhì)量濃度相應(yīng)提高.在第30～50天內(nèi)，總氮負(fù)荷并未得到明顯提升.在全程自養(yǎng)脫氮工藝中，功能菌種生長(zhǎng)緩慢.在氨飽和的情況下，氨氧化菌受供氧量的制約，厭氧氨氧化菌受亞硝酸鹽量的制約.

因此，在本實(shí)驗(yàn)反應(yīng)初期，氨氧化菌的活性和生長(zhǎng)速度受到供氧量的限制.李冬等[7]的研究表明：在DO為0～0.40 mg/L內(nèi)，提高曝氣量可以提高全程自養(yǎng)脫氮工藝的總氮去除效率.因此，第50天開始，將曝氣量從0.06 L /min增至0.09 L /min，此條件下檢測(cè)出水溶解氧為0.2 mg/L.經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后，系統(tǒng)的出水NH4+-N開始降低，總氮去除率和氨氧化率得到逐步提升，在第85天分別上升至73%和89%，說明有限制地增加曝氣量，可以提高AOB的活性以及生長(zhǎng)速率，為厭氧氨氧化提供更多的反應(yīng)基質(zhì)，從而提高反應(yīng)器的總氮去除效果.

在運(yùn)行過程中，控制硝氮的產(chǎn)生極為重要，因?yàn)檩^多的硝氮生成勢(shì)必影響實(shí)驗(yàn)的總氮去除率和出水水質(zhì).在全程自養(yǎng)脫氮過程中，硝氮的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換一般存在兩種路徑[15]：首先在氧氣供給充足的情況下，NOB可以利用NO2--N轉(zhuǎn)換為NO3--N，另外由于細(xì)胞裂解等而存在有機(jī)碳源的情況下反硝化菌可以將NO3--N轉(zhuǎn)換為N2.在本實(shí)驗(yàn)中，并不投加有機(jī)碳源，基本忽略反硝化作用的影響.根據(jù)Anthonisen 等[16]的研究成果：FA 對(duì)AOB 和NOB 都有抑制作用，對(duì)AOB的抑制質(zhì)量濃度范圍為13.34～73.6 mg/L，對(duì)NOB 的抑制質(zhì)量濃度范圍為0.1～1.0 mg/L，若控制FA質(zhì)量濃度在這二者之間，即可起到只抑制NOB而不抑制AOB的效果.在S2階段計(jì)算得出反應(yīng)器中的平均游離氨質(zhì)量濃度為1.35 mg/L，介于NOB與AOB的抑制質(zhì)量濃度范圍之間，可以對(duì)NOB產(chǎn)生抑制作用.在此階段后期，最大硝氮出水質(zhì)量濃度達(dá)30 mg/L，說明在現(xiàn)有運(yùn)行條件下，NOB活性并沒有完全被抑制.

圖3 進(jìn)、出水三氮質(zhì)量濃度變化

Fig.3 Variations of ammonia nitrogen concentration and nitrite nitrogen concentration and nitrate concentration in influent and effluent

因此，為了縮短反應(yīng)時(shí)間，將氨氮轉(zhuǎn)為限制在亞硝氮的階段，以達(dá)到限制NOB的目的[17]，在S3(85～108 d)和S4(109～135 d)階段分別降低HRT為10和6 h.S3和S4階段反應(yīng)器的曝氣量分別為0.12和0.18 L/min.在改變HRT的初期反應(yīng)器的脫氮性能下降，在運(yùn)行環(huán)境穩(wěn)定后反應(yīng)器的脫氮性能逐步提升.在S4階段，最大出水硝氮質(zhì)量濃度為19.6 mg/L，Δρ(TN)/Δρ(NO3--N)接近于理論值8，說明采用增大進(jìn)水負(fù)荷的方式促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)，構(gòu)建出更適合CANON功能菌種的生長(zhǎng)條件，NOB得到逐步淘汰.同時(shí)隨著進(jìn)水負(fù)荷的增大，反應(yīng)器的實(shí)際脫氮能力也得到提高，在S4階段最大總氮負(fù)荷達(dá)0.47 kg/(m3·d).在多種生物種群的共同作用下，本實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出了高效的去除效果，反應(yīng)期間的最大總氮去除率和氨氧化率分別達(dá)到了73%和89%.通過競(jìng)爭(zhēng)和與多種氮循環(huán)菌種的共同作用，AOB和厭氧氨氧化菌逐步成為優(yōu)勢(shì)菌種.

2.2 反應(yīng)器脫氮性能提高原因

2.2.1 不同時(shí)間的污泥質(zhì)量濃度比較

在CANON工藝中，由于厭氧氨氧化菌較長(zhǎng)的倍增時(shí)間(11 d)[18]致使基于其開發(fā)的工藝必須具有良好的污泥持留能力，避免功能菌種洗出系統(tǒng).

本實(shí)驗(yàn)考查了連續(xù)流反應(yīng)器的污泥持留能力，圖4為反應(yīng)器內(nèi)污泥質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化的示意.相比SBR反應(yīng)器，污泥接種至AUSB反應(yīng)器以后，要承受底部上升流速的影響，因此，沉降性能不好的松散污泥發(fā)生流失，在本實(shí)驗(yàn)前期反應(yīng)器內(nèi)污泥質(zhì)量濃度不斷下降.在反應(yīng)器運(yùn)行一段時(shí)間后，微生物對(duì)新環(huán)境不斷適應(yīng)，污泥質(zhì)量濃度開始穩(wěn)步提高，在第50天上升至2.14 g/L，此后污泥質(zhì)量濃度上升趨勢(shì)開始放緩，第84天反應(yīng)器內(nèi)污泥質(zhì)量濃度為2.86 g/L.在S3和S4階段，由于HRT的改變，上升流速變大，污泥流失現(xiàn)象再次出現(xiàn).隨著時(shí)間的推移，在反應(yīng)器內(nèi)水流剪切力、上升氣流剪切力和污泥之間碰撞的共同作用下，微生物之間的黏結(jié)作用增強(qiáng)，細(xì)小顆粒開始向一起聚攏.在S3和S4階段初期，雖然仍有污泥流失現(xiàn)象的出現(xiàn)，但是并未出現(xiàn)S1階段初期污泥質(zhì)量濃度持續(xù)降低的現(xiàn)象，說明反應(yīng)器內(nèi)微生物逐漸適應(yīng)了水流剪切力的存在，通過形成較大的顆粒來抵抗剪切力對(duì)微生物的沖擊，以此適應(yīng)環(huán)境的變化.在本實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期間，污泥質(zhì)量濃度體現(xiàn)出先降后升的趨勢(shì)，在環(huán)境變化初期出現(xiàn)波動(dòng)，反應(yīng)后期的波動(dòng)沒有初期明顯.

圖4 反應(yīng)器內(nèi)污泥質(zhì)量濃度

2.2.2 不同時(shí)間段的反應(yīng)速率比較

本實(shí)驗(yàn)測(cè)定了CANON反應(yīng)速率、Anammox反應(yīng)速率以及硝化反應(yīng)速率，結(jié)果如圖5所示.可以看出，在較高氨氮質(zhì)量濃度條件下的厭氧氨氧化菌和AOB活性較高，相比第25天，第84天的各項(xiàng)反應(yīng)指標(biāo)得到小幅提升.經(jīng)過一段時(shí)間的培養(yǎng)，AOB和厭氧氨氧化菌的活性小幅提高，但此時(shí)反應(yīng)器內(nèi)的污泥質(zhì)量濃度由第25天的1.52 g/L上升至2.86 g/L，總氮負(fù)荷由0.106 g/(L·d)上升至0.181 g/(L·d)，因此，推測(cè)反應(yīng)器的總氮負(fù)荷提高主要是由微生物濃度上升造成的.此階段較大的HRT下，系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)水流速和水流剪切力較小，此條件下有利于微生物的富集，這與馮騫等[19]的研究結(jié)果相似.

相比第84天，第125天的CANON反應(yīng)速率和厭氧氨氧化反應(yīng)速率均得到明顯提高，同時(shí)在第60天，系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)可以肉眼觀察到的顆粒.在連續(xù)流系統(tǒng)以較小的HRT運(yùn)行的條件下，進(jìn)水流量變大使得反應(yīng)區(qū)內(nèi)基質(zhì)和污泥更充分地接觸，進(jìn)水負(fù)荷較高，在此條件下污泥生長(zhǎng)較快.圖5顯示第125天硝化速率下降，可以看出經(jīng)過S3，S4階段的培養(yǎng)，NOB活性得到抑制.此時(shí)反應(yīng)器內(nèi)微生物質(zhì)量濃度由2.86 g/L變?yōu)?.73 g/L，并沒有發(fā)生明顯變化，總氮負(fù)荷上升至0.451 g/(L·d).一般認(rèn)為，HRT越短，越容易導(dǎo)致污泥流失，不利于系統(tǒng)脫氮負(fù)荷的提高[20-22]，然而對(duì)于連續(xù)流反應(yīng)器，較小的HRT意味著較大的進(jìn)水流速和水流剪切力，更有利于顆粒污泥的形成.國內(nèi)外學(xué)者研究顯示：在全程自養(yǎng)脫氮工藝中，在合適的條件下，污泥會(huì)形成外部好氧內(nèi)部厭氧的顆粒，脫氮效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通絮狀污泥，從而保證了總氮去除效率[5, 23-24]. 圖6為反應(yīng)器內(nèi)不同時(shí)間CANON顆粒污泥粒徑變化.本實(shí)驗(yàn)中，反應(yīng)器的底部裝有曝氣頭，在上升氣流和水流共同產(chǎn)生的水流剪切力刺激下，顆粒污泥的粒徑出現(xiàn)了持續(xù)增長(zhǎng).

圖5 反應(yīng)器不同時(shí)間段的反應(yīng)速率比較

Fig.5 Comparison of reaction rate in different time periods in the reactor

圖6 顆粒污泥粒徑變化

綜合反應(yīng)器內(nèi)污泥質(zhì)量濃度變化，分析認(rèn)為前期反應(yīng)器總氮負(fù)荷的上升，主要?dú)w因于污泥質(zhì)量濃度的提高，而在改變系統(tǒng)的水力停留時(shí)間后，則是由于微生物活性明顯提高，且微生物結(jié)構(gòu)從松散狀態(tài)形成更為緊實(shí)的結(jié)構(gòu).相比接種初期，反應(yīng)器的污泥質(zhì)量濃度和微生物活性都得到提高，在污泥質(zhì)量濃度升高和微生物活性增強(qiáng)的共同作用下，系統(tǒng)的脫氮能力得以提升.

2.3 反應(yīng)器中Δρ(TN)/Δρ(NO3--N)趨勢(shì)變化

在本實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于系統(tǒng)出水硝氮的控制尤為重要.在不考慮存在硝化反應(yīng)的情況下，根據(jù)CANON工藝的反應(yīng)式，Δρ(TN)/Δρ(NO3--N)的理論值應(yīng)為8，因此，將此值作為衡量本實(shí)驗(yàn)硝化反應(yīng)進(jìn)行程度的標(biāo)準(zhǔn)，分析NOB的被抑制程度.

反應(yīng)器運(yùn)行期間游離氨和Δρ(TN)/Δρ(NO3--N)的比值如圖7所示，在反應(yīng)初期由于HRT較長(zhǎng)，且平均游離氨質(zhì)量濃度較低，在S1和S2階段特征值遠(yuǎn)低于理論值8，NOB仍保有一定活性.經(jīng)歷了S3和S4階段后，特征比在S4階段后期已經(jīng)穩(wěn)定在8左右，表明此時(shí)NOB已被淘洗，說明在本實(shí)驗(yàn)條件下，采用降低HRT的方式縮短反應(yīng)時(shí)間，將反應(yīng)停留在亞氮階段，可以達(dá)到抑制NOB的目的.有研究表明，在25 ℃以上，AOB生長(zhǎng)速率高于NOB[25-26]，且AAOB活性隨溫度變化趨勢(shì)較NOB明顯[27]；同時(shí)，Anthonisen等[16]的研究也指出，NOB比AOB對(duì)高FA質(zhì)量濃度更敏感，因此，可以通過較高的FA質(zhì)量濃度實(shí)現(xiàn)對(duì)NOB的抑制.反應(yīng)期間反應(yīng)器內(nèi)平均FA為1.26 mg/L，在此條件下，AOB和AAOB保持著高于NOB的生長(zhǎng)速率.在連續(xù)流反應(yīng)器內(nèi)，少量污泥會(huì)在上升氣流和水流的作用下隨出水排出，經(jīng)過一段時(shí)間的培養(yǎng)，更有利于淘汰NOB.由于進(jìn)水流速增大，上升氣體與上升水流使反應(yīng)器內(nèi)氣液充分混合，氣液間傳質(zhì)效率也大幅提高，有利于微生物生長(zhǎng)，保證了AAOB和AOB逐漸成為反應(yīng)器內(nèi)的主要功能菌種.在S4階段后期，出水硝氮維持在較低水平，Δρ(TN)/Δρ(NO3--N)連續(xù)15 d在7以上，認(rèn)為在連續(xù)流反應(yīng)器內(nèi)，CANON顆粒污泥啟動(dòng)成功.

圖7 游離氨質(zhì)量濃度及Δρ(TN)/Δρ(NO3--N)變化

3 結(jié) 論

1)連續(xù)流反應(yīng)器中，在限氧條件下采用增加進(jìn)水和降低HRT的方式在135 d內(nèi)實(shí)現(xiàn)了CANON顆粒污泥的啟動(dòng).

2)在啟動(dòng)期間，最高總氮去除率和去除負(fù)荷分別為73%和0.47 kg/(m3·d)，最高氨氧化率達(dá)89%，氨氮和總氮去除效果較為理想.

3)在反應(yīng)運(yùn)行的140 d內(nèi)，污泥質(zhì)量濃度總體上先降后升，而后趨于穩(wěn)定.系統(tǒng)內(nèi)AAOB和AOB活性均得到提高.在污泥質(zhì)量濃度升高和微生物活性增強(qiáng)的共同作用下，系統(tǒng)的脫氮能力得到提升.

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(編輯劉 彤)

Start-upanddenitrificationperformanceanalysisofCANONprocessinacontinuousflowreactor

LI Dong1，CHEN Guanyu1，ZENG Huiping1，TIAN Haicheng1，YANG Hang2，CHENG Shuo1，ZHANG Jie1,2

(1.Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering(Beijing University of Technology), Beijing 100124, China; 2.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment (Harbin Institute of Technology), Harbin 150090, China)

When treating waste water with low chemical oxygen demand to ammonium, the CANON process brings about a striking innovative effect. The denitrification performance of the CANON process was studied by adopting the aeration up-flow sludge bed reactor (AUSB). Under the condition of ammonia nitrogen being added as the one and only nitrogen source, the reactor shows 73% of the total nitrogen removal rate. With the gradual increase of inflow ammonia nitrogen and reduction of the hydraulic retention time, its denitrification ability continues to be promoted and the total nitrogen removal load reaches to more than 0.47 kg/(m3·d). By the 60th day since the study began, the visible particles appeared. During the start-up period, the activity of NOB in the system were suppressed effectively, and the value of Δρ(TN)/Δρ(NO3--N) was close to 8. After the operation of 135 d, the whole process of autotrophic denitrification of granular sludge was successfully started in a continuous flow reactor. The results demonstrated that increasing the influent load promoted the microbial growth, thus a more suitable growth conditions for CANON strain was built and NOB was gradually eliminated. By the interaction of a variety of biological populations, the reactor showed a high nitrogen removal efficiency, and the continuous flow of CANON process started successfully.

continuous flow；CANON；HRT；ammonia nitrogen；granular sludge

10.11918/j.issn.0367-6234.201606091

X703.1

A

0367-6234(2017)10-0182-07

2016-06-20

北京市青年拔尖團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2014000026833TD02)

李 冬(1976—)，女，教授，博士生導(dǎo)師；

張 杰(1938—)，男，博士生導(dǎo)師，中國工程院院士

李 冬，lidong2006@bjut.edu.cn