全程自养脱氮(completely autotrophic nitrogen removal over nitrite，CANON)工艺是指以厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation，ANAMMOX)技术为基础，结合短程硝化，在一个反应器中反应的新型脱氮工艺^[1].短程硝化中氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria，AOB)位于生物膜、 絮体的外层，以氧气为电子受体，将NH⁺₄-N氧化成NO^-₂-N； 而对于位于生物膜、 絮体内层的ANAMMOX菌，其作为细菌域浮霉菌门的成员^[2]，在厌氧条件下，以NO^-₂-N为电子受体^[3]，将剩余NH⁺₄-N氧化成氮气，并生成少量的NO^-₃-N. CANON工艺是目前脱氮工艺中最简捷的脱氮途径，且具有不需要外加碳源、 节省57.5%的曝气量和污泥产量少^[4]等优点.

CANON工艺运行条件较为苛刻，近几年快速发展^[5]，主要应用于污泥消化液^[6]和垃圾渗透液^[7]等高氨氮废水的处理.CANON根据微生物是否包含载体，分为2种，一种是活性污泥系统，另一类是生物系统，在处理高氨氮废水时，可能会遇到各种各样的水质情况.例如，对污泥消化液^[6]而言，往往含有大量的磷酸盐和硝酸盐； 对于垃圾渗透液^[7]而言，往往含有大量金属离子，这些金属离子易于形成沉积物.对于活性污泥CANON反应器而言，这些沉积物可以作为进一步形成颗粒污泥的晶核，颗粒污泥也是应用ANAMMOX技术的主要形式，因此，沉积物对于CANON反应器是有益的.但对于生物膜CANON反应器而言，运行安全性方面要优于颗粒污泥反应器，而沉积物却未必对CANON反应器有利.此外，CANON工艺的脱氮绝大部分最终是由ANAMMOX反应实现的，金属离子可能形成沉积物或者是絮凝剂，对ANAMMOX产生影响，从而影响脱氮效果.

作者在运行生物膜CANON反应器的过程中，发现沉积物的产生，并持续增长.关于这些沉积物质是什么，对于CANON反应器有哪些影响，目前仅有少量报道，例如，Trigo等^[8]采用MSBR反应器启动厌氧氨氧化反应器，发现了沉积物的产生，分析沉积物是磷酸钙.Xiong等^[9]发现在ANAMMOX颗粒污泥表面出现了Fe-Zn沉积物.世界上目前已有约100座应用ANAMMOX工艺的污水处理厂，其中有35%污水处理厂出现结垢现象，并会影响管道、 泵及曝气，还可能影响依靠密度分离的生物膜系统^[5].作者在成功启动聚氨酯海绵填料CANON反应器的基础上，发现运行过程中填料表面出现白色沉积物，由此集中讨论了沉积物对生物膜CANON反应器的影响，以及沉积物形成的原因，以期指导工程实践.

反应器由有机玻璃制成，总体积为5.90 L，废水由反应器底部进入后，由上部出水口排出，试验装置如图 1所示.反应器内添加规格为1.5 cm×1.5 cm×1.5 cm的聚氨酯海绵填料，堆积孔隙率≥50%，填充率85%，水力停留时间为9 h，曝气量则通过转 子流量计调节并计量.反应器内的温度通过水浴调节，使反应器内的温度控制在30℃±1℃，pH控制在6.92～8.52之间.

图 1

Fig. 1

1.原水水箱； 2.进水泵； 3.空气泵； 4.恒温加热棒； 5.填料 图 1 反应器试验装置及工艺流程 Fig. 1 Experimental apparatus and process flow chart of the reactor

试验用水采用人工配水，进水量维持在15.7 L ·d^-1，配水由自来水中添加适量的NH₄Cl、 NaHCO₃、 NaCl与NaH₂PO₄配置而成(表 1).由于自来水中存在几乎饱和的溶解氧，试验过程中也没有对水体溶解氧进行吹脱，同时原水也会吸收空气中的氧气，从而导致原水中NH⁺₄-N被AOB菌氧化成NO^-₂-N.进水中NO^-₃-N主要来源于自来水中的NO^-₃-N，也有少部分NO^-₃-N可能源于NH⁺₄-N的氧化.由于自来水中含有大量微量元素，因此不再投加微量元素.

表 1(Table 1)

表 1 CANON反应器的原水水质 /mg ·L-1 Table 1 Water quality of influent for CANON reactor/mg ·L-1 项目 NH+4-N NO-2-N NO-3-N PO3-4-P 碱度 Ca2+ Mg2+ pH DO 数值 350~500 0~10 4~10 2 约1500 185~220 140~160 6.92~8.52 5~8

表 1 CANON反应器的原水水质 /mg ·L-1 Table 1 Water quality of influent for CANON reactor/mg ·L-1

生物膜CANON反应器接种污泥采用作者首次启动CANON反应器的污泥^[10](作者已经通过试验^[10]验证此CANON污泥中存在ANAMMOX细菌)，在HRT=9 h，温度为30℃±1℃下，在好氧条件下直接启动，历时62 d时间成功启动CANON工艺，TN去除负荷可达到0.73 kg ·(m³·d)^-1，TN去除率为70.21%.

NH⁺₄-N：纳氏试剂比色法^[11]； NO^-₂-N：N-(1-萘基)-乙二胺光度法^[11]； NO^-₃-N：紫外分光光度法^[11]； pH值：pHTestr 30型pH计； 溶解氧：HI2400型溶解氧仪； 温度：水银温度计； MLSS、 MLVSS：重量法^[11]； 硬度(Ca、 Mg)：络合滴定法^[11]. TN按下式计算：

TN＝NH⁺₄-N+NO^-₂-N+NO^-₃-N

反应器运行时，控制DO在1~2 mg ·L^-1. 在反应器运行到167 d时，发现反应器底部填料表面产生白色沉积物，随着反应器运行至262 d时，整个反应器中填料都形成白色沉积物.

由图 2(a)可以看出，海绵填料呈现红色，符合ANAMMOX菌的特征^[12]； 而形成沉积物后，图 2(b)显示海绵填料被一层白色沉积物所覆盖，显然将阻碍物质的传递过程，而填料内部也结了白色沉积物，这导致海绵填料的表面积和空隙率下降，同时使填料密度增大，严重时使海绵填料物理性能发生改变.

图 2

Fig. 2

(a)正常挂膜海绵填料； (b)形成沉积物海绵填料 图 2 海绵表面变化过程 Fig. 2 XRD diffraction pattern calcium carbonate in the precipitate

通过重量法测量发现，正常情况下(140~171 d) [如图 2(a)]，平均单个海绵中的VSS为0.289 g； 形成沉积物后(203~297 d) [如图 2(b)]，生物量下降到了原来的一半，即平均单个海绵中的VSS量为0.142 g.

沉积物对CANON反应器的影响主要反映在NH⁺₄-N、 TN去除，NO^-₂-N和NO^-₃-N变化以及pH值和δNO^-₃-N/δTN变化，如图 3~6所示.

图 3

Fig. 3

图 3 CANON反应器中NH+4-N变化 Fig. 3 Variations of NH+4-N in CANON reactor

图 4

Fig. 4

图 4 CANON反应器中TN变化 Fig. 4 Variations of TN in CANON reactor

NH⁺₄-N变化如图 3所示，正常情况下(140~171 d)，CANON反应器NH⁺₄-N去除率达到80%以上，平均去除率达到91%； 形成过程中(172~202 d)，NH⁺₄-N去除率开始下降，从92.38%下降到58.16%； 形成沉积物后(203~297 d)，NH⁺₄-N去除率继续下降，并维持在较低的水平，最低可达41%.CANON工艺中，有两方面原因会导致NH⁺₄-N的去除，一方面是好氧条件下的硝化反应[式(1)]，另一方面是厌氧条件下的ANAMMOX反应[式(2)]^[13].沉积物形成后，会覆盖在海绵填料上，阻止氧气的传递，进而影响微生物的硝化反应，导致NH⁺₄-N去除率下降.同时，沉积物还会阻止NH⁺₄-N和NO^-₂-N的传递，从而抑制ANAMMOX反应，也导致NH⁺₄-N去除率下降.

如图 4所示，正常情况下(140~171 d)，CANON反应器TN去除率达到70.00%以上，平均去除率达到81.19%； 形成过程中(172~202 d)，TN去除率开始下降，由82.09%下降到49.27%； 形成沉积物后(203~297 d)，TN去除始终较低，平均TN去除率仅为50.47%.这与Trigo等^[8]所得结论基本一致，即沉积物的产生干扰了微生物的活性，并导致了脱氮性能的下降.另外，沉积物阻止基质的传递亦会影响ANAMMOX反应的顺利进行，进而导致TN去除率下降.

图 5

Fig. 5

图 5 CANON反应器中NO-2-N与NO-3-N变化 Fig. 5 Variations of NO-2-N与NO-3-N in CANON reactor

NO^-₂-N与NO^-₃-N变化如图 5所示，正常情况下(140~171 d)，CANON反应器出水NO^-₂-N浓度基本稳定在11 mg ·L^-1，出水NO^-₃-N浓度一般在35.00 mg ·L^-1左右； 形成过程中(172~202 d)，出水中NO^-₂-N浓度开始升高，从12.63 mg ·L^-1上升到20.64 mg ·L^-1，而出水NO^-₃-N浓度开始下降，从35.00 mg ·L^-1降至26.00 mg ·L^-1，这说明硝化作用和厌氧氨氧化作用均开始受到抑制； 形成沉积物后(203~297 d)，出水NO^-₂-N浓度和NO^-₃-N浓度均出现波动，变化可能是曝气不稳定导致的.当曝气量提高时，硝化反应会产生较多NO^-₂-N，一部分随出水排出，一部分传递至生物膜内层，作为ANAMMOX反应的电子受体，将NH⁺₄-N转化为氮气，并产生NO^-₃-N，导致出水NO^-₃-N增加； 当曝气量减少时，硝化反应受到抑制，出水NO^-₂-N减少，进而抑制了ANAMMOX反应，导致出水NO^-₃-N减少.但是总体趋势上，沉积物导致出水NO^-₂-N增加、 出水NO^-₃-N减少.一方面，沉积物阻止氧气和底物的传递，抑制硝化反应和ANAMMOX反应； 另一方面，沉积物会干扰微生物的活性，导致脱氮性能下降^[8].

pH的变化如图 6所示，正常情况下(140~171 d)，CANON反应器出水的pH值都低于进水的pH值，这是吻合CANON方程式[式(3)]^[14]； 在形成过程中(172~202 d)及形成沉积物后(203~240 d)，出水pH值大于进水pH值，表明CANON工艺的运行效果紊乱，这与TN的去除效果变差的趋势一致.因此，一旦沉积物开始形成，CANON反应器的进水pH值、 出水pH值出现高低交错变化，进一步说明沉积物干扰CANON反应.

图 6

Fig. 6

图 6 CANON反应器中pH与δNO-3-N/δTN变化 Fig. 6 Variations of pH and δNO-3-N/δTN in CANON reactor

在CANON工艺中，由于ANAMMOX菌以NO^-₂-N为电子受体氧化NH⁺₄-N^[3]，所以必须首先进行短程硝化，在只进行硝化时，亚硝酸化率[NO^-₂-N/(NO^-₃-N+NO^-₂-N)]是衡量短程硝化效果的重要指标，其中NO^-₂-N是变化的，而由于没有TN损失，(NO^-₃-N+NO^-₂-N)可认为是常量，因此NO^-₂-N/(NO^-₃-N+NO^-₂-N)反映了亚硝酸化的程度，但在CANON工艺中，无法采用亚硝酸化率来衡量，因为在CANON工艺中：存在TN损失，即(NO^-₃-N+NO^-₂-N)是变化的.为衡量CANON反应器中的短程硝化效果，必须寻找新的参数.

由厌氧氨氧化反应方程式[式(2)]^[13]得出，NO^-₃-N与N₂的比例为0.26 ∶1.02，即理论变化的比值δNO^-₃-N/δTN=0.26/(1.02×2)=0.127^[15].其中δNO^-₃-N=(NO^-₃-N)_出水-(NO^-₃-N)_进水； δTN=(TN)_进水-(TN)_出水； δNO^-₃-N/δTN的变化如图 6所示.

在本试验中，由于采用无机高氨氮废水为原水，TN损失可认为全部由ANAMMOX反应导致[式(2)]，若NOB不存在或是NOB效果不显著，δNO^-₃-N也几乎全部源于ANAMMOX反应[(式(2)]，即ANAMMOX会维持稳定，因δNO^-₃-N/δTN也会维持稳定，此时，NOB与AOB相比不占优势，比值δNO^-₃-N/δTN与0.127接近； 如果短程硝化遭到了破坏，即NOB开始发挥作用，不仅仅δNO^-₃-N增加，同时δTN也会受到NOB与ANAMMOX细菌竞争底物NO^-₂-N而减少，因此比值δNO^-₃-N/δTN就急速增大，远远偏离理论值0.127.所以可以采用δNO^-₃-N/δTN 与0.127的差值来判断CANON工艺中短程硝化的稳定性.如果差值显著大于或小于0，均表明短程硝化不完全，差值越大，短程硝化效果也就越差.但是在实际情况下，比值δNO^-₃-N/δTN略小于理论值0.127.这是由于微生物自身降解等原因，非常少量的反硝化作用依然会存在而导致的.

由此，正常情况下(140~171 d)，δNO^-₃-N/δTN值维持在0.06~0.07之间，都偏低于理论值0.127^[15].而形成过程中(172~202 d)，δNO^-₃-N/δTN值先是上升，之后波动变化，但均低于理论值0.127； 形成沉积物后(203~297 d)，δNO^-₃-N/δTN值波动较大，最高值超过理论值0.127.上述情况下，δNO^-₃-N/δTN值基本维持在0.127以下，表明对短程硝化影响不大.

形成沉积物后CANON反应器NH⁺₄-N、 TN去除效果是正常情况下的2/3，单个海绵填料的生物量也降低了一半.这是由于形成沉积物后的聚氨酯海绵物质传递受到影响，DO和基质很难进入好氧层中进行氧化，同时海绵表面空隙也被阻塞，氧化后基质也难进入到厌氧层中进行反应，使厌氧层中的ANAMMOX细菌受到影响，造成反应器去除效果下降，使得聚氨酯海绵中的微生物量从0.289 g下降到0.142 g，表明微生物也难在被沉积物覆盖的海绵附着生长. 试验发现，沉积物一旦形成，很难自行解决，只能经过酸洗才能恢复聚氨酯海绵的特性，而这意味着重新挂膜和启动，耗费相当长的时间，应该予以避免.

由于反应器进水是由自来水与碳酸氢钠和氯化铵组成的，自来水含有少量阳离子与阴离子，阳离子主要是Na⁺、 Ca²⁺、 Mg²⁺，其Ca²⁺、 Mg²⁺含量分别为210 mg ·L^-1、 150 mg ·L^-1左右，阴离子主要含有Cl^-、 SO^2-₄、 HCO^-₃、 OH^-、 CO^2-₃.因此产生沉积物的主要物质是碳酸钙、 碳酸镁、 氢氧化镁.但是通过盐酸浸泡，沉积物消失并产生气泡，推测沉积物可能为碳酸钙或者碳酸镁.为了确定沉积物的成分，对沉积物进行XRD衍射分析，如图 7所示，结果显示只有碳酸钙(文石)，含量为100%.为了分析沉积物的结构，对沉积物做扫描电镜，发现碳酸钙的结构是棒条体晶体微观结构(图 8).上述结果与Trigo等^[8]发现沉积物为磷酸钙，Xiong等^[9]在ANAMMOX菌颗粒污泥表面发现Fe-Zn沉积物不相同. Song等^[16]认为，影响磷酸钙沉积物出现的可能因素包括pH值、 离子强度、 温度和钙离子、 磷酸盐浓度等，当pH值为7.0~9.0、 n(Ca)/n(P)值为1.5时，磷酸钙沉积物最易形成.而试验原水中，[Ca²⁺]=210.00 mg ·L^-1，[PO^3-₄-P]=2.00 mg ·L^-1，n(Ca)/n(P)约为32.30，远远大于1.5，故不易生成磷酸钙沉积物.

图 7

Fig. 7

图 7 沉积物中碳酸钙的XRD衍射图 Fig. 7 Deposits of calcium carbonate in the XRD diffraction diagram

图 8

Fig. 8

图 8 海绵中沉积物的形态 Fig. 8 Precipitations in sponge

CANON反应器是由AOB细菌和ANAMMOX细菌结合在一个反应器中，但是AOB细菌与ANAMMOX细菌都有自己的适应环境，其中pH值就是其中的一个关键因素.短程硝化工艺的适宜pH范围为7.0~8.0之间^[17]，ANAMMOX工艺的适宜pH范围在6.7~8.3之间，最适宜pH为8.0^[13]，因此CANON工艺最适宜的pH在7.6~8.2之间^[18].为使CANON反应器成功运行，就必须控制pH值，因此在试验中投加碳酸氢钠来维持CANON反应器中的pH，同时满足 CANON反应器中AOB细菌与ANAMMOX细菌所需的无机碳源.作者推测沉积物形成可能是物理化学作用导致的； 也有可能与微生物的pH调节作用相关，因为有学者发现微生物参与文石形成过程^[19]. 而Song等^[16]也认为沉积物的形成与pH值、 或者海绵填料的吸附作用有关. 也有可能是EPS导致的，因为矿物学(方解石与球霰石)、 形态学(球晶和菱面体)和结晶相是由EPS的数量和质量控制^[20]的，本研究将在以下方面展开分析.

微生物活动对反应器pH值的改变由特定的代谢类型决定，CANON工艺是由AOB细菌和ANAMMOX细菌共同作用，其中AOB细菌是好氧自养细菌，且AOB细菌代谢活动使pH值下降，而ANAMMOX细菌是厌氧自养细菌，且ANAMMOX细菌代谢活动使pH值上升； 同时CANON反应器中可能存在反硝化菌，反硝化细菌代谢活动会使pH值升高.然而，微生物代谢改变pH最显著的地方是细胞周围微环境.因此分别对它们进行研究分析.

(1)硝化反应和反硝化反应

硝化作用如式(1)所示.从硝化角度来看，硝化细菌会使反应器中的pH值下降.因此，硝化细菌的细胞周围微环境可能出现酸性，使HCO^-₃变化成CO^2-₂.而从反硝化角度[式(4)]来看，反硝化细菌使反应器中的pH值升高，因此在厌氧层中反硝化细菌周围可能会出现碱性，使HCO^-₃变化成CO^2-₃.由此，CO^2-₃能与反应器中的金属离子形成沉积物.

(2)ANAMMOX反应

ANAMMOX作用如式(2)^[13]所示.从厌氧氨氧化角度来看，ANAMMOX菌会使反应器中的pH值升高，因此，在厌氧层中ANAMMOX菌周围可能会出现碱性，使HCO^-₃变化成CO^2-₃，因此CO^2-₃能与反应器中的金属离子形成沉积物.

如果CANON反应器中只含AOB菌和ANAMMOX菌，则反应器中的pH值是下降的，但如果还存在反硝化细菌或者其他厌氧细菌，则反应器中的pH值有可能是上升也可能是下降的，这就要根据反硝化的程度而定.而反硝化的程度可以根据δNO^-₃-N/δTN值来反映.如δNO^-₃-N/δTN比理论值大的话，则CANON反应器中NOB的活性强，因此反应器中的pH值是下降的； 如δNO^-₃-N/δTN比理论值小且偏差较大的话，则CANON反应器中反硝化细菌活性强，而反应器中的pH值可能上升，如图 6所示.

另一方面，由于AOB和ANAMMOX菌都是自养细菌^[13]，能够消耗反应器中的无机碳源，使反应器中的CO^2-₃与HCO^-₃发生变化.在CO₂浓度降低时，自养微生物能够浓缩CO₂^[20]，从而使CO₂的利用效率有所提高，维持细胞周围微环境高浓度的CO^2-₃，进而促进碳酸盐矿物的形成.

特定的EPS特性可能调节微生物的生理和微生物种群的相互作用，EPS作为阳离子螯合剂和成核晶体^{[21, 22]}； 某些大分子EPS含有羟基和羧基，它能让Ca²⁺与其他阳离子紧密链接在一起，从而使细菌的周围微环境产生沉积物^[22].EPS变异导致沉积物主要有3种类型：①微生物调节使EPS分解，释放出金属离子和HCO^-₃，使SI提高产生沉积物^[23]； ②在化学反应或微生物活动中，EPS矩阵会发生改变，使细菌周围微环境的HCO^-₃和CO^2-₃改变，从而产生沉积物^[23]； ③沉积物是由外部阳离子和EPS的结合产生的，当可利用的带负电基团充满了阳离子就能产生沉积物^[24].沉积物主要是通过EPS对阳离子吸附和提供晶核位点.

在CANON工艺中，pH值的变化还受微生物的代谢作用和吹脱作用的影响.微生物代谢作用指微生物代谢产生CO₂，使得系统内的 pH 值降低； 吹脱作用指微生物代谢产生的 CO₂气体被吹脱出反应器，使得系统的pH 值上升^[25].同样，以上pH值的变化均引起反应器中的CO^2-₃与HCO^-₃发生变化，进而促进碳酸盐矿物的形成.

Trigo等^[8]认为，在MSBR反应器中，膜填料可能会持留盐类物质而导致沉积物的形成.与聚氨酯海绵CANON生物膜反应器相比，在同样的进水条件下，陶粒填料CANON生物膜反应器^[26]所产生的沉积物要少得多.陶粒填料CANON生物膜反应器在维持稳定的短程硝化时，填料表面同样产生了白色沉积物，但是数量较少，对反应器的处理效果影响较弱.由此推测沉积物形成还有可能与聚氨酯海绵填料的结构有关.陶粒表面是一层坚硬的外壳，具有较高的硬度，而聚氨酯海绵是一种疏松多孔的软性材料，其独特的孔隙易吸附Ca²⁺、 Mg²⁺，致使海绵表面及内部Ca²⁺、 Mg²⁺浓度升高，进而与AOB、 ANAMMOX菌或者反硝化细菌微环境中的CO^2-₃生成沉积物.由此势必造成微孔阻塞，进而影响基质的传递，造成CANON反应器处理效果下降.

在以上综合作用下，细胞周围微环境的[CO^2-₃]、 [HCO^-₃]得以改变.另外，温度为30℃，出水pH值为7.36，此时CaCO₃的KS0=3.93×10^-9，pKw=13.83，pK2a=10.29，出水中碱度为290.21mg ·L^-1(6.0 mmol ·L^-1)，出水中的[Ca²⁺]为210.00 mg ·L^-1，通过式(5)和式(6)^[27]计算得出出水中[HCO^-₃]、 [CO^-₃]浓度分别为6.00 mmol ·L^-1、 7.00×10^-6 mol ·L^-1，而出水中[Ca²⁺]为2.10×10^-3 mmol ·L^-1，即CaCO₃的溶度积为1.47×10^-8，即大于CaCO₃的K_S0，会产生CaCO₃沉积物.因此物理化学作用会导致沉积物形成.

综上所述，微生物的pH调节作用、 吹脱作用和胞外聚合物(EPS)作用使得CANON反应器的CO^2-₃与HCO^-₃发生变化，而填料的吸附作用造成海绵填料表面及内部Ca²⁺、 Mg²⁺浓度升高，然后在物理化学作用下，CO^2-₃与Ca²⁺、 Mg²⁺形成沉积物.

为了避免沉积物的产生而又不影响CANON工艺，可以采取以下措施：①对原水进行预处理，降低Ca²⁺和Mg²⁺等的浓度； ②保证短程硝化效果完好，避免因短程硝化效果破坏而要降低DO，造成pH升高，并导致沉积物产生； ③在保证反应器良好的总氮处理效果、 稳定的短程硝化下，可选用其他合适的填料，以减缓沉积物的积累程度.

(1)在生物膜CANON反应器中，填料表面沉积物成分是碳酸钙(文石).

(2) 生物膜CANON反应器中，形成CaCO₃沉积物会使微生物浓度降低，影响TN去除效果，在本反应器中，微生物量降到原来的一半，TN去除率从76.07%下降至50.75%.

(3) 微生物的pH调节作用、 吹脱作用和胞外聚合物(EPS)作用使得CANON反应器的[CO^2-₃]与[HCO^-₃]发生变化，而填料的吸附作用造成海绵填料表面及内部Ca²⁺、 Mg²⁺浓度升高，然后在物理化学作用下，CO^2-₃与Ca²⁺、 Mg²⁺形成沉积物.

(4) CaCO₃沉积物一旦在生物膜CANON反应器中形成，很难清除，系统难以恢复，应该予以避免.