張 姚,韓海成,王偉剛,王曉東,王亞宜 (同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092)

全程自養(yǎng)脫氮(CANON)工藝?yán)冒毖趸?xì)菌(AOB)和厭氧氨氧化細(xì)菌(anammox菌)的協(xié)同作用,在一個(gè)反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)氨氧化成氮?dú)獾倪^(guò)程[1].由于AOB和anammox菌均為自養(yǎng)型細(xì)菌,因此CANON系統(tǒng)無(wú)需外加有機(jī)物質(zhì),可大幅降低處理成本.同時(shí),與傳統(tǒng)硝化反硝化脫氮工藝相比,CANON工藝?yán)碚撋峡晒?jié)省約 63%曝氣量、減少 90%剩余污泥產(chǎn)量,在處理含氮尤其是高氨氮廢水時(shí)優(yōu)勢(shì)顯著[2-4].

溶解氧(DO)是控制 CANON工藝高效運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù).AOB在將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮時(shí)需要氧氣[5],而anammox菌對(duì)氧氣較為敏感[6];當(dāng)DO濃度較高時(shí),在 AOB活性被增強(qiáng)的同時(shí),anammox菌的活性受到抑制,亞硝酸鹽出現(xiàn)積累;而當(dāng)DO濃度較低時(shí),AOB活性受到抑制,氨轉(zhuǎn)化速率下降,anammox菌可能無(wú)法獲得充足基質(zhì),活性也會(huì)受到抑制,導(dǎo)致脫氮負(fù)荷低[7-9].因此,DO濃度控制是否恰當(dāng)將直接決定CANON工藝的脫氮效率.

目前,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者圍繞DO對(duì)CANON系統(tǒng)的影響展開研究.李冬等[10]采用 SBR的研究表明,在DO為0～0.5mg/L范圍內(nèi),CANON系統(tǒng)的活性呈現(xiàn)先升高后下降趨勢(shì),DO較高將對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生較大沖擊且不可逆. Ni等[11]針對(duì)SBR絮體污泥系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于連續(xù)曝氣的 CANON反應(yīng)器,溶解氧最適范圍為 0.15～ 0.30mg/L,高于或低于此范圍均會(huì)降低體系脫氮效率.而對(duì)于間歇曝氣的CANON反應(yīng)器,在DO濃度為0.30mg/L時(shí),通過(guò)設(shè)置缺氧段,反應(yīng)器脫氮效率則可顯著提高.Strous等

[12]研究發(fā)現(xiàn),在SBR系統(tǒng)中氧濃度為0.5%～2.0%空氣飽和度條件下,anammox菌活性被完全抑制;而當(dāng)空氣飽和度低于 0.5%時(shí),氧對(duì)厭氧氨氧化的抑制不明顯.張肖靜等[13]、Third等[14]分別通過(guò)MBR和SBR系統(tǒng)對(duì)市政低氨氮廢水處理效果時(shí)發(fā)現(xiàn),水力停留時(shí)間(HRT)的變化能夠顯著影響好氧速率,進(jìn)而改變體系內(nèi)DO濃度.而在氧受限條件下,進(jìn)水氨濃度必須大于0.12kg N/m3/d才能保證系統(tǒng)中 AOB和 anammox菌菌群的生物量.綜上可知,DO濃度的變化不僅影響系統(tǒng)種群結(jié)構(gòu)和功能菌活性,而且還會(huì)改變其他指標(biāo)的控制策略.

然而,由于上述研究的CANON工藝所采用反應(yīng)器形式不同以及污泥特性等方面的差異,研究者們對(duì)于CANON工藝最佳DO濃度并未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí),因此有必要對(duì)DO影響開展深入研究.本文以穩(wěn)定運(yùn)行的CANON反應(yīng)器顆粒污泥為研究對(duì)象,通過(guò)設(shè)定不同曝氣速率,監(jiān)測(cè)不同DO濃度條件下的氮素變化,考察AOB和anammox菌的活性,分析DO濃度對(duì)CANON運(yùn)行方式及脫氮效率的影響,從而為CANON工藝的設(shè)計(jì)和優(yōu)化控制提供借鑒.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

采用SBR裝置來(lái)培養(yǎng)馴化CANON工藝污

泥,反應(yīng)器由雙層有機(jī)玻璃制成,內(nèi)徑為 12cm,高25cm,有效體積為 2.4L.在反應(yīng)器上部安裝轉(zhuǎn)子流量計(jì)、液位計(jì)、在線DO測(cè)定儀以及pH值探頭監(jiān)測(cè)內(nèi)部運(yùn)行參數(shù).實(shí)驗(yàn)通過(guò)蠕動(dòng)泵間歇進(jìn)水,進(jìn)水量由液位計(jì)控制,由電磁閥控制排水.反應(yīng)器內(nèi)設(shè)循環(huán)水浴控制反應(yīng)器內(nèi)溫度.并以攪拌裝置進(jìn)行泥水混合,攪拌速度為 160～170r/min.裝置底部設(shè)置曝氣砂頭進(jìn)行曝氣.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 污泥來(lái)源與進(jìn)水配方 研究 DO影響的批次試驗(yàn)在SBR反應(yīng)器中進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)用泥為已運(yùn)行300d的CANON反應(yīng)器污泥.污泥參數(shù)：MLSS為2244mg/L,MLVSS為1949mg/L.實(shí)驗(yàn)用水為人工配制的高氨氮廢水,水溫通過(guò)加熱棒控制為30℃.進(jìn)水配方如下：0.025g/L KH2PO4;0.2g/L MgSO4·7H2O;0.226g/L CaCl2;1mL/L 微量元素液Ⅰ;1mL/L微量元素液Ⅱ.其中,微量元素Ⅰ成分及濃度為：5.0g/L FeSO4·7H2O、5.0g/L EDTA-2Na;微量元素液Ⅱ成分及濃度為：15g/L EDTA·2Na、0.43g/L ZnSO4·7H2O 、 0.24g/L CoCl2·6H2O 、0.99g/L MnCl2·4H2O 、 0.25g/L CuSO4·5H2O 、0.22g/L NaMoO4·2H2O、0.19g/L NiCl2·6H2O、0.014g/L H3BO4、0.21g/L NaSeO4·10H2O、0.05g/L NaWO4·2H2O.

1.2.2 參數(shù)設(shè)定與實(shí)驗(yàn)流程 反應(yīng)器設(shè)置水浴溫度為(30±1)℃;pH 值為 7.5±0.1;基質(zhì)中氨氮濃度為100～150mg/L、亞硝氮濃度為70mg/L.本實(shí)驗(yàn)采用同一批污泥先后進(jìn)行實(shí)驗(yàn).設(shè)定曝氣量為0,0.1,0.3,0.4,0.6,0.7,0.95,1.3L/min,對(duì)應(yīng)的 DO 濃度分別為0,0.21,0.35,0.46,0.71,1.0,1.4,2.8mg/L.每次實(shí)驗(yàn)前先采用無(wú)基質(zhì)的配水將污泥清洗 3遍,然后加入30mL 10g N/L的NH4HCO3濃縮液和30mL 5g N/L的NaNO2濃縮液并用無(wú)基質(zhì)配水將污泥稀釋到2.4L.厭氧攪拌30min后,調(diào)節(jié)曝氣量設(shè)定一定的DO濃度值,取第一個(gè)水樣,之后每隔 20min取一個(gè)水樣,曝氣 2～3h沉淀排水,進(jìn)行下一個(gè)DO濃度的實(shí)驗(yàn).

1.3 指標(biāo)測(cè)定及計(jì)算方法

用 10mL注射器抽取 10mL污泥混合液經(jīng)0.45μm過(guò)濾后將水樣保存在 4℃冰箱中,24h內(nèi)測(cè)定其三氮(氨氮、亞硝氮和硝氮)濃度.其中氨氮采用納氏試劑分光光度法,亞硝氮采用 N-(1-萘基)乙二胺分光光度法,硝氮采用紫外分光光度法[15].其他指標(biāo)如pH值、水溫、DO濃度等均使用WTW在線監(jiān)測(cè)儀.

根據(jù)所測(cè)得的結(jié)果,對(duì)三氮濃度隨時(shí)間作變化圖,選取三氮濃度呈直線變化的點(diǎn)進(jìn)行擬合,計(jì)算直線斜率,獲得氨氧化速率(AOR)、亞硝酸鹽積累速率(NAR)、亞硝酸鹽氧化速率(NOR)和總氮去除速率(TNRR).

AOR包含兩個(gè)部分,一部分是由于AOB代謝作用將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝氮(式1),用AORAOB表示.另一部分為厭氧氨氧化細(xì)菌代謝作用將氨氮和亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂鸵徊糠窒跛猁}(式2),用 AORAnAOB表示.由于反應(yīng)器進(jìn)水中無(wú)有機(jī)碳源,不考慮反硝化細(xì)菌的脫氮作用,因此可以認(rèn)為反應(yīng)器總氮的去除完全是通過(guò)厭氧氨氧化細(xì)菌的代謝作用,根據(jù)厭氧氨氧化細(xì)菌的代謝計(jì)量方程式可計(jì)算出 AORAnAOB(式 3),進(jìn)而獲得AORAOB(式4).

式中：α = a/2c.

NAR由AOB和anammox菌的相對(duì)活性決定,當(dāng) AOB代謝產(chǎn)生的亞硝酸鹽大于 anammox菌消耗的亞硝酸鹽時(shí),NAR＞0,亞硝酸鹽積累.當(dāng)AOB代謝產(chǎn)生的亞硝酸鹽小于anammox菌消耗的亞硝酸鹽時(shí),NAR＜0,亞硝酸鹽消耗.由于本試驗(yàn)過(guò)程中,基質(zhì)中投加了亞硝酸鹽,所以可以出現(xiàn)NAR＜0的情況.實(shí)際運(yùn)行的CANON系統(tǒng)僅以氨氮作為基質(zhì),NAR≥0.

TNRR為亞硝酸鹽充足前提下,不同 DO濃度下系統(tǒng)的總氮去除速率.由于本次試驗(yàn)污泥培養(yǎng)過(guò)程中進(jìn)水基質(zhì)均為無(wú)機(jī)物質(zhì),所以反硝化細(xì)菌含量很少且對(duì) TN去除影響較小,總氮去除基本上由厭氧氨氧化反應(yīng)完成,因此總氮去除速率可以表示厭氧氨氧化反應(yīng)速率,進(jìn)而表征厭氧氨氧化細(xì)菌的活性.在實(shí)際CANON工藝運(yùn)行過(guò)程中,由于進(jìn)水中僅含有氨氮,當(dāng)NAR＜0時(shí),受亞硝酸鹽濃度的限制,總氮去除速率要小于本試驗(yàn)條件下的數(shù)值.而當(dāng) NAR＞0時(shí),為防止亞硝酸鹽對(duì)水體中生物的毒害作用,并保證良好的沉淀效果,必須保證出水亞硝酸鹽等于 0,所以 CANON工藝必須設(shè)置缺氧段,利用厭氧氨氧化菌將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)?為反映實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)的最佳總氮去除速率,提出了理論總氮去除速率(TNRRtheo).其表示在不投加亞硝酸鹽且保證出水亞硝酸鹽濃度為 0mg/L時(shí)總氮的最大去除速率,計(jì)算公式如下：

式中：β = b/2c.

2 結(jié)果與討論

2.1 CANON母反應(yīng)器污泥形態(tài)及微生物群落分析

厭氧氨氧化菌易形成顆粒[3,16],同時(shí)本實(shí)驗(yàn)CANON反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程采用了沉淀時(shí)間控制(20min).因此,經(jīng)過(guò) 300多 d的培養(yǎng)馴化后,CANON反應(yīng)器中主要以顆粒污泥為主,絮體污泥較少.如圖1a所示,CANON污泥顆粒形態(tài)并不規(guī)則,顆粒中心顏色呈現(xiàn)深紅色,邊緣顏色較淺為黃褐色,可能為AOB層.濕式篩分法分析發(fā)現(xiàn), CANON顆粒粒徑多在1mm以下,平均粒徑為0.7mm,且大于1mm的顆粒較少(占14%,如圖1b).大顆粒多呈現(xiàn)黃褐色,內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu),推測(cè)是因?yàn)轭w粒粒徑太大不利于厭氧氨氧化產(chǎn)生氮?dú)馀懦?從而造成內(nèi)部空心結(jié)構(gòu)并最終破碎[17],因此顆粒粒徑在1mm以下為宜,顆粒結(jié)構(gòu)緊密,傳質(zhì)效果較好,污泥具有良好的沉淀效果和反應(yīng)活性.

對(duì)污泥樣品進(jìn)行宏基因組16S rDNA測(cè)序,分析其微生物群落結(jié)構(gòu)[17-18],結(jié)果如圖2所示.從門分類水平上看,污泥樣品中主要菌門為浮霉菌門(Planctomycetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、變形菌門(Proteobacteria)、綠菌門(Chlorobi),分別占總菌群的30.6%、27.93%、22.76%、5.02%.在浮霉菌門中主要為厭氧氨氧化細(xì)菌,其中Candidatus Jettenia相對(duì)豐度占96%,Candidatus Kuenenia和Candidatus Brocadia相對(duì)豐度分別占0.4%和1%.Chloroflexi是一種常見的絲狀菌,在以無(wú)機(jī)合成廢水為進(jìn)水的厭氧氨氧化反應(yīng)器中,其主要通過(guò)降解死亡微生物的細(xì)胞有機(jī)成分謀求生存[19],可能在污泥顆粒的形成及結(jié)構(gòu)的維持中具有重要作用[20].Proteobacteria是污水處理過(guò)程中主要的微生物種群,AOB和部分NOB均屬于該門[21-22],其中屬于 AOB的Nitrosomonas占該門微生物的40%,其次是具有反硝化功能的 Denitratisoma,占比 32%,在該門中未檢測(cè)到 NOB.Chlorobi是一類光合細(xì)菌,在無(wú)機(jī)培養(yǎng)系統(tǒng)中可通過(guò)光合作用生存[23-24].污泥樣品中也檢測(cè)出少量的 NOB,屬于硝化螺菌門(Nitrospira),占微生物種群的 0.06%.從屬分類水平上看,污泥樣品中主要種群為 Candidatus Jettenia (29.52%)、Anaerolineaceae_uncultured(22.88%)、Nitrosomonas(9.2%)和 Denitratisoma(7.17%).主要功能菌 Candidatus Jettenia和Nitrosomonas具有較高的豐度.

圖1 CANON反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥形態(tài)及粒徑統(tǒng)計(jì)Fig.1 Morphology and size of the granular sludge in CANON reactor

圖2 CANON污泥樣品在2種分類水平上的分布Fig.2 Pie chart of the bacterial flora distribution at two classification levels

2.2 不同DO濃度下氮素轉(zhuǎn)化

如圖3a所示,在DO濃度為0mg/L時(shí),反應(yīng)器中僅發(fā)生了厭氧氨氧化反應(yīng),氨氮、亞硝氮、總氮濃度隨時(shí)間逐漸下降,硝酸鹽濃度逐漸上升;在前60min,亞硝酸鹽濃度充足,大于20mg/L,氮素轉(zhuǎn)化速率與反應(yīng)器中基質(zhì)濃度無(wú)關(guān),為零級(jí)反應(yīng).DO濃度為0.21～1.0mg/L時(shí),反應(yīng)器中既有厭氧氨氧化反應(yīng),又有 AOB參與的好氧氨氧化反應(yīng),由于基質(zhì)充足,DO 恒定,所以氮素轉(zhuǎn)化速率基本保持不變,兩個(gè)反應(yīng)過(guò)程均為零級(jí)反應(yīng).當(dāng)DO濃度為1.4,2.8mg/L時(shí),總氮和硝酸鹽濃度變化很小,呈水平直線趨勢(shì),氨氮基本上完全轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮,同時(shí)NOB活性很小,也可忽略,所以在系統(tǒng)中可以只考慮 AOB和anammox菌的活性.

表1中數(shù)據(jù)顯示,對(duì)于氨氮濃度,回歸系數(shù)都在 0.997以上.對(duì)于亞硝氮濃度,除了 DO 為0.46mg/L時(shí)回歸系數(shù)為0.709以外(此時(shí)亞硝酸鹽積累量基本等于消耗量,變化很小),其他幾個(gè)批次回歸系數(shù)都在 0.995以上.對(duì)于硝氮濃度,回歸系數(shù)均在0.95以上;表明三氮隨時(shí)間呈線性變化.由于隨DO濃度的上升,TNRR逐漸降低,且當(dāng)DO濃度大于 1mg/L時(shí),厭氧氨氧化反應(yīng)基本停止,所以TNRR回歸系數(shù)逐漸降低.

圖3 不同DO濃度下CANON污泥的氮素濃度變化Fig.3 Variations of nitrogen compounds at different DO levels

表1 不同DO濃度下氮素變化擬合方程及回歸系數(shù)Table 1 Fitting equation of nitrogen compounds and relevant coefficient at different DO levels

2.3 不同DO值對(duì)AOB和Anammox菌活性影響

2.3.1 AOB活性影響 圖4a顯示了總氨氧化速率(AOR)和AOB參與的氨氧化速率(AORAOB)隨DO濃度的變化情況.隨著DO濃度從0逐漸增加到1mg/L時(shí),AORAOB逐漸上升,AORAnAOB逐漸下降,AOB對(duì) AOR的貢獻(xiàn)率(AORAOB/AOB)逐漸由0%上升到94%,兩者綜合作用導(dǎo)致AOR呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì).同時(shí),在 DO 濃度小于1mg/L時(shí),AOR明顯大于AORAOB,此時(shí)總氨氧化速率由AOB和anammox菌的活性共同決定.而當(dāng)DO濃度大于1mg/L時(shí),anammox菌對(duì)AOR的貢獻(xiàn)率極低(＜3%),主要由AOB來(lái)轉(zhuǎn)化氨氮,且此時(shí)DO對(duì)AOB已經(jīng)接近飽和,故隨DO濃度升高AOR變化不大.

為計(jì)算該CANON系統(tǒng)中DO濃度對(duì)AOB的影響,DO對(duì) AOB的影響符合莫諾方程,對(duì)1/AORAOB和1/DO進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖4b所示.R2為 0.979,p=1.55×10-5＜0.05,顯著相關(guān).根據(jù)擬合直線的截距和斜率,求得AOB對(duì)DO的半飽和常數(shù)K為0.77mg/L.而文獻(xiàn)報(bào)道AOB的溶解氧半飽和常數(shù)介于 0.2～0.5mg/L[25-29],推測(cè)是由于本試驗(yàn)CANON污泥多以顆粒形態(tài)存在,對(duì) DO傳質(zhì)存在一定阻力,因而在表觀上降低了AOB對(duì)DO的親和能力.

2.3.2 anammox菌活性影響 從圖5a可以看出,當(dāng) DO濃度小于 0.46mg/L時(shí),TNRR下降緩慢,說(shuō)明該濃度條件下的DO對(duì)anammox菌影響較小;當(dāng)DO濃度大于0.46mg/L時(shí),隨DO濃度的上升,TNRR迅速下降;而當(dāng)DO濃度大于1.0mg/L時(shí),TNRR值降至DO為0mg/L時(shí)TNRR的7.3%左右,anammox菌基本失活.該現(xiàn)象表明,對(duì)于CANON顆粒污泥, AOB主要生長(zhǎng)于污泥顆粒表面和絮體污泥中,厭氧氨氧化細(xì)菌位于顆粒污泥的內(nèi)部,當(dāng) DO濃度較低時(shí),DO在向顆粒內(nèi)部擴(kuò)散的過(guò)程中,AOB消耗大部分DO,從而使顆粒內(nèi)部的anammox菌處于缺氧狀態(tài),保證了脫氮活性.而當(dāng)DO濃度大于1mg/L時(shí),DO向顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散速度大于其消耗速率,從而使anammox菌完全失活[30-31].Vazquez-Padin等[32]研究表明,DO 從液相主體向顆粒表面?zhèn)鬟f過(guò)程存在一個(gè)100 μm的邊界層,在此邊界層內(nèi)DO濃度迅速降低,液相主體濃度為1.8mg/L時(shí),顆粒表面DO濃度僅為0.7mg/L.

圖4 不同DO值對(duì)AOB活性影響Fig.4 Effects of different DO values on AOB activity

為衡量 DO濃度對(duì) CANON系統(tǒng)中anammox菌的抑制效果,引入 DO半抑制常數(shù)KDO,采用式8對(duì)1/TNRR和DO進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖5b所示(僅對(duì)DO小于1.0mg/L的5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行擬合).

圖5 不同DO值對(duì)anammox菌活性影響Fig.5 Effects of different DO values on anammox bacteria activity

對(duì)式(7)兩邊同時(shí)求倒數(shù)得：

根據(jù)擬合直線的截距獲得 TNRRmax,再根據(jù)擬合曲線的斜率,計(jì)算獲得KDO為0.27mg/L.值得注意的是,本試驗(yàn)獲得的 KDO代表的是表觀常數(shù),并非反映DO對(duì)anammox菌代謝方式的影響,它實(shí)際表征DO向CANON顆粒污泥擴(kuò)散的難易程度.當(dāng) DO濃度為 0.27mg/L時(shí),DO可穿透顆粒污泥表層,使 50%的厭氧氨氧化菌失活.由圖5a可知,即使 DO濃度為 0.46mg/L時(shí),TNRR仍為 0mg/L時(shí)的 67%,擬合所得的KDO明顯偏小.并且擬合所得的R2也只有0.702,P=0.048,在 0.05水平上顯著相關(guān).說(shuō)明anammox菌的活性不僅受氧氣的影響,還受其他復(fù)雜因素的限制.

Nielsen 等[33]和 Vázquez-Padín 等[3]各自結(jié)合熒光原位雜交和微電極兩種技術(shù)探究CANON顆粒污泥形態(tài)特征,結(jié)果表明,CANON顆粒污泥存在明顯的分層現(xiàn)象,即顆粒外圍以AOB為主,而anammox菌主要集中在顆粒內(nèi)部.由于系統(tǒng)內(nèi)顆粒污泥的粒徑分布較廣,且當(dāng)顆粒粒徑較小時(shí),DO擴(kuò)散到顆粒內(nèi)部的可能性越大.因此推測(cè),DO對(duì)anammox菌的活性抑制還與污泥顆粒粒徑有關(guān)：顆粒粒徑越大,氧氣越不易進(jìn)入顆粒內(nèi)部,anammox菌的活性越高.顆粒粒徑越小,氧氣進(jìn)入顆粒內(nèi)部的可能性越大,即anammox菌受氧的抑制越明顯,因此活性有可能越低.這些研究結(jié)果表明,需要根據(jù)CANON顆粒污泥粒徑來(lái)控制恰當(dāng)?shù)腄O濃度.

2.4 不同DO值對(duì)系統(tǒng)脫氮性能的影響

根據(jù)表1線性擬合結(jié)果,經(jīng)單位換算后獲得了不同DO濃度水平下的AOR、NAR、NOR和TNRR,并根據(jù)AOB和anammox菌氨氧化反應(yīng)和厭氧氨氧化反應(yīng)的計(jì)量方程式計(jì)算出 AORAOB和TNRRtheo,計(jì)算結(jié)果如表2所示.

表2 不同DO濃度下氮素轉(zhuǎn)化速率Table 2 Nitrogen conversion rates at different DO levels

圖6 DO變化對(duì)系統(tǒng)脫氮性能影響Fig.6 Effect of different DO concentrations on nitrogen removal performance

由圖6可知,TNRR隨著DO值的增大而逐漸降低.AORAOB和NAR均隨著DO濃度增加而增加;當(dāng) DO 值足夠高時(shí)(約大于 1.4mg/L),AORAOB和 NAR近似相等,此時(shí)AORAnAOB趨近于零,即亞硝酸鹽未消耗,厭氧氨氧化反應(yīng)不再進(jìn)行.綜合考慮NAR、TNRR和 AORAOB,可將 DO濃度對(duì)系統(tǒng)脫氮性能的影響分為 3個(gè)階段,不同階段DO對(duì)CANON工藝的影響作用不同.

第I階段,DO＜0.46mg/L.NAR小于0,即短程硝化產(chǎn)生的亞硝酸鹽均被用于厭氧氨氧化,此時(shí)亞硝酸鹽無(wú)積累.TNRRtheo隨DO濃度迅速上升,與AORAOB呈正比.在該范圍內(nèi),DO濃度較低,可被CANON顆粒污泥外層的AOB迅速消耗,僅有少量厭氧氨氧化菌受到 DO的抑制,TNRR下降緩慢,AOB轉(zhuǎn)化氨氮生成的亞硝酸鹽可被anammox菌完全轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂拖跛猁}.在該階段,由于亞硝酸鹽產(chǎn)生速率小于亞硝酸鹽消耗速率,所以反應(yīng)器可維持較低亞硝酸鹽濃度,可采用連續(xù)曝氣的運(yùn)行方式,實(shí)現(xiàn)總氮完全在曝氣階段去除.

第II階段,DO=0.46～1.0mg/L.理論總氮去除速率有所下降.在該范圍內(nèi), DO迅速向CANON顆粒污泥內(nèi)部擴(kuò)散,TNRR迅速下降,當(dāng)DO濃度為1.0mg/L時(shí),TNRR僅為0mg/L時(shí)的7.3%,說(shuō)明DO可穿透大部分 CANON顆粒,導(dǎo)致大部分anammox菌失活;而AORAOB則繼續(xù)上升,亞硝酸鹽產(chǎn)生速率大于亞硝酸鹽消耗速率,NAR＞0.此時(shí),為保證出水亞硝酸鹽濃度為 0,必須采用間歇曝氣的方式,在缺氧段將積累的亞硝酸鹽消耗.

第III階段,DO＞1mg/L,理論總氮去除速率基本不變.此時(shí),DO可完全擴(kuò)散至顆粒污泥內(nèi)部,anammox菌基本失去活性,TNRR趨近于 0;DO對(duì) AOB來(lái)說(shuō)已接近飽和,不再是氨氧化的限制性因素,所以AORAOB上升緩慢.此時(shí),為保證出水亞硝酸鹽為 0mg/L,必須采用間歇曝氣的方式運(yùn)行CANON反應(yīng)器,總氮全部在缺氧階段去除.

綜上,在本實(shí)驗(yàn)條件下, DO濃度與CANON工藝的運(yùn)行方式密切相關(guān).當(dāng) DO 濃度為 0～0.46mg/L時(shí),CANON工藝可實(shí)現(xiàn)連續(xù)曝氣,CANON系統(tǒng)的脫氮速率隨DO濃度的提高而提高;當(dāng)DO濃度為0.46～1.0mg/L時(shí),CANON工藝必須采取間歇曝氣的運(yùn)行方式,CANON脫氮速率隨 DO濃度的提高而下降;當(dāng) DO濃度大于1.0mg/L時(shí),CANON系統(tǒng)脫氮速率基本保持不變.CANON系統(tǒng)的脫氮速率在DO為0.46mg/L時(shí)達(dá)到最大值,最大值為50.88mg N/(L·h);如果反應(yīng)器每天運(yùn)行 4個(gè)周期,每個(gè)周期運(yùn)行時(shí)間 6h,反應(yīng)時(shí)間按 5h計(jì)算,反應(yīng)器容積脫氮負(fù)荷可達(dá)1.02kg N/(m3·d),污 泥 負(fù) 荷 為 0.45kg N/(kg MVSS·d).

3 結(jié)論

3.1 本研究條件下的CANON系統(tǒng),污泥多以顆粒污泥形式存在,粒徑多集中在0～1mm之間.16S rDNA高通量測(cè)序結(jié)果表明,Candidatus_Jettenia約占細(xì)菌總數(shù)的 29.52%,Nitrosomonas和Nitrospira分別占細(xì)菌總數(shù)的9.2%和0.06%.氨氧化和厭氧氨氧化過(guò)程保持良好,硝化反應(yīng)得到有效控制.

3.2 CANON工藝中,DO對(duì)AOB的影響符合莫諾方程,AOB溶解氧半飽和常數(shù)為 0.77mg/L.anammox菌的活性除了受 DO影響外,還與CANON污泥顆粒粒徑及結(jié)構(gòu)有關(guān). 在DO濃度低于某一臨界值時(shí),厭氧氨氧化菌活性下降緩慢;高于某一臨界值時(shí),厭氧氨氧化菌活性迅速下降;臨界值的大小取決于粒徑大小及顆粒外部 AOB層的厚度.

3.3 當(dāng)DO濃度在0.46mg/L左右時(shí),CANON系統(tǒng)脫氮性能最高,可達(dá) 50.88kg N/(L·h).DO 濃度低于 0.46mg/L時(shí),CANON系統(tǒng)脫氮性能隨著DO濃度增高而增強(qiáng),此時(shí)可采用連續(xù)曝氣的方式運(yùn)行CANON反應(yīng)器.DO值大于0.46mg/L時(shí),anammox菌活性受到嚴(yán)重抑制,脫氮性能持續(xù)降低,必須采用間歇曝氣的方式運(yùn)行反應(yīng)器.CANON工藝最高設(shè)計(jì)污泥負(fù)荷為0.45kg N/(kg MLVSS·d).

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