厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation，ANAMMOX)工艺是一种自养脱氮工艺，由于其不需有机碳源^[1]，并作为一种适合高氨氮、 低碳源污水(如垃圾渗滤液^[2]、 污泥消化液^[3])的脱氮工艺，在近些年得以迅速发展^[4]. 在ANAMMOX工艺中，ANAMMOX细菌以NO₂^--N为电子受体，将NH₄⁺-N氧化成氮气，并生成少量的NO₃^--N^[5]，如式(1)所示. 在此基础上，一些新的自养脱氮工艺得以产生，其中包括全程自养脱氮(completely autotrophic nitrogen removal over nitrite，CANON)工艺^[6]. 在CANON工艺中，ANAMMOX细菌与氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria，AOB)存在于同一个反应器中，AOB位于生物膜或絮体的外层，以氧气为电子受体，将NH₄⁺-N氧化为NO₂^--N，并结合ANAMMOX反应，完成脱氮过程. 由于AOB也是自养菌^[7]，因此CANON工艺几乎不需外加碳源、 节省曝气量^[8]、 污泥产量低，是近些年发展最快的生物脱氮工艺之一^[4]，然而要使其脱氮效果好就必须保证短程硝化的稳定性.

对于生物膜反应器而言，填料的选择是生物膜处理技术的关键. 作为生物膜载体，陶粒填料是水处理行业中广泛应用的填料，具有比表面积大、 机械强度高的物理特性和亲微生物的性能. 它能够为微生物提供稳定的栖息环境，对水流有强制性的紊动剪切力，有利于处理水的再分布，并截留处理水中的部分悬浮固体(suspended solids，SS)，减少出水的SS^[9]. 作者之前已经成功将其应用于CANON工艺的启动，总氮(total nitrogen，TN)去除负荷达到0.79 kg ·(m³ ·d)^{-1[10]. 而且，陶粒填料CANON反应器自成功启动以来，一直稳定运行.}

水力停留时间(hydraulic retention time，HRT)是废水生物处理的重要运行参数，直接影响到生物处理的效果和出水水质^[11]. 在活性污泥系统中，例如，SHARON(single reactor high activity ammonia removal over nitrite)工艺中，在控制温度的基础上，可通过控制污泥龄来淘汰亚硝酸盐氧化细菌(nitrite-oxidizing bacteria，NOB)而持留AOB^[12]； 但是在生物膜反应器中，污泥龄理论上是无限长，使得生物膜工艺中短程硝化的控制并不像活性污泥工艺那样简单. 事实上，由于出水中所携带的SS，HRT的长短会影响排出反应器的生物量. 有学者认为，氮去除速率与HRT等运行参数有关，通过适当延长HRT有利于氮去除速率的提高^{[13, 14]}； 而又有学者认为，较低的HRT在一定程度上可以洗出悬浮状微生物，以利于生物膜表面微生物的生长，进而提高脱氮效果^[15]； 另有学者认为^[16]，与悬浮性生物膜反应器相反，HRT对固定化生物膜反应器的生物持留功能影响甚微. 由此可见，目前有关HRT与生物膜反应器运行稳定性的关系，观点并不完全一致，而且，大多数学者集中于HRT对反应器氮去除速率的影响，而其对短程硝化所产生的影响却研究甚少.

短程硝化是应用厌氧氨氧化技术的基础，必须实现稳定的短程硝化才能为ANAMMOX菌实现稳定的总氮去除. 而溶解氧(dissolved oxygen，DO)是影响短程硝化的重要参数之一. 由于AOB对DO的亲和性比NOB较强，可以通过控制反应器中DO来实现短程硝化. 对于不同的反应器方式，其AOB、 NOB对氧的亲和常数不一样，例如，生物膜法中AOB和NOB对氧的亲和常数分别为0.25~0.5 mg ·L^-1和0.34~2.5 mg ·L^-1[17]. 武小鹰等^[18]认为，在MBR反应器中，DO调控在0.5~1 mg ·L^-1范围内，有利于实现稳定的短程硝化. 其他一些研究分别控制各自反应器中DO为0.3~0.5^[19]、 0.5~1.0^[20]、 (1.24±7.1) mg ·L^-1[21]，使出水亚硝氮与氨氮浓度比值接近于1，实现了与ANAMMOX的对接. 由此可见，针对调控DO来实现稳定的短程硝化，各项研究所得出的结论有所不同，并且大多针对于单一的硝化反应器，而少有学者专门针对一体式陶粒填料生物膜CANON反应器进行相关研究.

因此，研究HRT和DO对于生物膜CANON反应器中的短程硝化，对于提升此工艺的运行效果，确定工艺的最优运行参数有重要影响. 作者在前期已成功启动陶粒填料CANON反应器^[10]的基础上，主要研究了控制HRT和DO来实现CANON反应器中稳定的短程硝化，以期为如何实现稳定的短程硝化提供理论依据，为未来应用CANON工艺提供技术参考.

反应器以陶粒为填料，陶粒的规格是Φ为2~4 mm，湿密度是1.0~1.2 g ·cm^-3，孔隙率是40%，填充率是85%. 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，由上部出水口排出，试验装置如图 1所示. 曝气量通过转子流量计控制. 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7.80～8.10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 scheme chart of reactor

试验用水采用人工配水，即向自来水中添加适量的NH₄Cl、 NaHCO₃和Na₂HPO₄等. 自来水中无COD，即试验用水为无机高氨氮废水. 另外，自来水中存在近乎饱和的DO，在试验过程中没有对DO进行吹脱，原水水箱也没有加盖，因此大气中氧气会不断溶解到原水中，造成原水中的部分NH₄⁺-N被氧化成NO₂^--N、 NO₃^--N. 自来水本身含有的NO₃^--N是原水中NO₃^--N的主要来源. 考虑到自来水中含有大量微量元素，因此不再投加微量元素^[22].

原水水质的主要指标如表 1所示.

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 NH 4 +-N NO 2 --N NO 3 --N PO 3- 4-P 碱度 Ca 2+ Mg 2+ DO pH(无量纲) 400~450 0~5 4~10 2 1500 185~220 140~160 3~6 7.80~8.10

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

NH₄⁺-N: 纳氏试剂比色法^[23]； NO₂^--N: N-(1-萘基)-乙二胺光度法^[23]； NO₃^--N: 紫外分光光度法^[23]； pH值: HI 931700型pH计； 溶解氧: HI 2400型溶解氧仪； TN通过紫外分光光度法^[23]，或按下式计算: TN＝NH₄⁺-N+NO₂^--N+NO₃^--N； 温度: 水银温度计.

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^[24]，在温度为30℃±1℃下，直接在好氧条件下启动，反应器历时约60 d即成功启动CANON工艺^[10]，TN去除率达到75%，TN去除负荷达到0.79 kg ·(m³ ·d)^-1.

CANON反应器稳定运行到226 d，控制反应器中DO在1.16~3.20 mg ·L^-1之间，温度控制在30℃±1℃，维持进水中的NH₄⁺-N浓度为400~450 mg ·L^-1左右，通过控制进水的蠕动泵来控制进水量，使反应器的HRT依次为9、 7、 5 h. 具体试验运行参数如表 2.

表 2(Table 2)

表 2 CANON反应器的运行工况 Table 2 Operational conditions for CANON reactor 项目 运行时间/d 226~272 273~303 303~328 DO/mg·L -1 1.25~1.74 1.16~1.60 2.50~3.20 HRT/h 9 7 5

表 2 CANON反应器的运行工况 Table 2 Operational conditions for CANON reactor

HRT对氨氮的去除是一个重要的影响因素. 一方面自养细菌生长繁殖缓慢，另一方面较短的HRT会导致污水中的氨氮没有充分的时间与生物膜中的细菌接触，同时进水流量过大容易引起陶粒上细菌的流失，甚至有可能将填料表面上的生物膜冲刷下来，以上原因可能导致脱氮效果不佳^[25]. 而一定程度上提高DO又可以提高系统内基质的传质效果，有利于总氮去除^[26].

HRT和DO对反应器的NH₄⁺-N、 TN去除率的影响分别如图 2所示.

图 2

Fig. 2

图 2 不同HRT和DO的反应器中NH4+-N、 TN变化 Fig. 2 Variation of NH4+-N，TN in different HRT and DO of reactor

从图 2可以看出，随着HRT缩短，出水中NH₄⁺-N、 TN的浓度逐渐增大，NH₄⁺-N、 TN的去除率也随之下降. 当HRT为9 h，DO为1.25~1.74 mg ·L^-1时，出水中的NH₄⁺-N浓度均低于40 mg ·L^-1，出水中TN浓度均在100 mg ·L^-1以下，NH₄⁺-N的去除率达到90%以上，TN的去除率达到75%以上，NH₄⁺-N、 TN的平均去除率分别为94.20%、 79.16%； 当HRT为7 h，DO为1.16~1.56 mg ·L^-1时，NH₄⁺-N、 TN的去除率均有所下降，但其去除率分别在80%、 65%以上，NH₄⁺-N、 TN的平均去除率分别为84.15%、 71.68%； 当HRT为5 h，DO为2.50~3.20 mg ·L^-1时，出水中的NH₄⁺-N浓度在90~175 mg ·L^-1之间，出水中TN浓度甚至高于200 mg ·L^-1，NH₄⁺-N、 TN去除率均持续下降，NH₄⁺-N、 TN的平均去除率分别为73.61%、 55.46%，表明NH₄⁺-N、 TN的去除率随着HRT缩短而降低，即使DO提高到原来的2倍，NH₄⁺-N和TN的去除率依旧不佳.

第274 d时，DO从1.29 mg ·L^-1下降到1.16 mg ·L^-1，导致NH₄⁺-N、 TN的去除率分别下降到71.97%、 60.54%，之后DO恢复到1.39 mg ·L^-1，反应器中NH₄⁺-N、 TN的去除率迅速恢复至89.93%、 77.21%； 303 d后，DO从1.25 mg ·L^-1提高到2.86 mg ·L^-1，反应器中NH₄⁺-N、 TN的去除率没有上升，反而下降，下降的原因猜测可能是HRT缩短或者是DO提高. 但付昆明等^[26]研究发现CANON工艺在适当的DO情况下，NH₄⁺-N、 TN的去除率随着DO的增大而提高，而超过这个值(极限值)后，CANON反应器中的NH₄⁺-N、 TN 的去除率不再随着DO的增大而提高，反而有下降的趋势或者趋于平衡. 本课题组通过试验证明，当DO维持在1.20~1.75 mg ·L^-1时，陶粒填料CANON反应器的TN去除效果最佳，微生物的活性最强； 当DO维持在1.75~2.50 mg ·L^-1时，其TN去除效果趋于平衡； 而若DO超过2.50 mg ·L^-1，一方面，AOB和ANAMMOX菌的活性受到DO抑制，另一方面，HRT的缩短也使得AOB和ANAMMOX菌的氧化能力未能完全发挥，CANON工艺开始遭到破坏^[27]. 因此，在上述陶粒CANON反应器可承受的DO范围内，其去除效果变差主要是HRT的缩短导致，而当继续提高DO时，TN去除效果变差是DO和HRT共同导致的结果.

综上所述，在适当的DO范围内，即DO为1.20~1.75 mg ·L^-1，尽管提高DO有利于提高AOB的活性和系统内基质的传质效果，但是CANON反应器的NH₄⁺-N、 TN去除效果依然随着HRT的缩短而下降，尤其当DO超过2.50 mg ·L^-1时，TN去除效果大幅度下降. 这说明，HRT和DO均为陶粒填料CANON反应器稳定运行的重要参数，直接影响到生物处理的效果和出水水质，只有协调控制两者的变化范围，才能获得最佳的脱氮效果.

HRT和DO对反应器的出水NO₂^--N、 NO₃^--N浓度的影响如图 3所示.

图 3

Fig. 3

图 3 不同HRT和DO的反应器中NO2--N与NO3--N变化 Fig. 3 Variation of NO2--N and NO3--N in different HRT and DO of reactor

如图 3所示，进水中NO₂^--N浓度维持在5 mg ·L^-1以下，进水中NO₃^--N浓度维持在10 mg ·L^-1以下. 226~303 d时，DO维持在1.20~1.74 mg ·L^-1，随着HRT的缩短，出水中NO₂^--N浓度略微增加，NO₃^--N浓度缓慢下降，这说明在陶粒CANON反应器可承受的DO范围内，HRT的缩短抑制了AOB和ANAMMOX菌的氧化能力，从而导致出水NO₂^--N浓度增加和NO₃^--N浓度下降. 而303 d之后，DO大于2.50 mg ·L^-1，且HRT继续缩短为5 h，出水中NO₃^--N浓度逐渐升高，并达到最高值22.86 mg ·L^-1，NO₃^--N浓度则迅速升高，最高达到76.50 mg ·L^-1，这说明，此时不仅AOB和ANAMMOX菌的氧化能力受到抑制，NOB的活性还因为DO的增加而得以提高，将出水中部分NO₂^--N氧化成NO₃^--N，以上两个原因导致陶粒CANON反应器出现硝化作用，进而使得出水水质变差.

综上所述，当DO维持在1.20~1.74 mg ·L^-1时，HRT是导致陶粒CANON反应器出水水质变差的主要原因； 但当DO超过极限值2.50 mg ·L^-1，HRT继续缩短为5 h时，HRT和DO均是陶粒CANON反应器出水水质变差的原因.

通过厌氧氨氧化的反应方程[式(1)]，发现NO₃^--N与N₂的比例为0.26 ∶1.02，即理论变化的比值δNO₃^--N/δTN=0.26/(1.02×2)=0.127^[28]. 其中:

δNO₃^--N=[{NO₃^--N}_出水]-[{NO₃^--N}_进水]

δTN=[{TN}_进水]-[{TN}_出水]

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[式(1)]导致，若NOB不存在或是NOB作用效果不显著，δNO₃^--N也几乎全部源于ANAMMOX反应[式(1)]，即ANAMMOX会维持稳定，因此δNO₃^--N/δTN也会维持稳定. 此时，NOB与AOB相比不占优势，比值δNO₃^--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δNO₃^--N增加，同时δTN也会受到NOB与ANAMMOX细菌竞争底物NO₂^--N而减少，因此比值δNO₃^--N/δTN增大，甚至远远偏离理论值0.127. 所以可以采用δNO₃^--N/δTN与0.127的差值来判断CANON工艺中短程硝化的稳定性.

HRT对反应器中δNO₃^--N/δTN变化的影响如图 4所示.

图 4

Fig. 4

图 4 不同HRT的反应器中DO与δNO3--N/δTN变化 Fig. 4 Variation of DO and δNO3--N/δTN in different HRT of reactor

Liang等^[29]认为，在控制进水HCO₃^-/NH₄⁺-N=1 ∶1的前提条件下，HRT=12 h时，生物膜反应器中50%的短程硝化保持稳定. 而作者在试验运行时，控制进水HCO₃^-/NH₄⁺-N＞1 ∶1(过量的HCO₃^-对反 应器脱氮效能稳定性无影响^[30])，维持DO为1.20 ~1.75 mg ·L^-1时，可维持短程硝化稳定. Zekker等^[31]认为，在MBBR反应器中，缩短HRT，并结合间歇曝气、 降低DO，运行37 d后，可成功抑制NO₂^--N转化为NO₃^--N. 甚至，还有一些学者通过试验验证缩短HRT对稳定的短程硝化影响甚微，其对ANAMMOX细菌的活性的不利影响可通过降低DO以抵消^[16]. 而作者在降低HRT的同时，为了提高系统内基质的混合效果，适当提高DO，这在一定程度上有利于提高TN去除效果.

从图 4可以看出，δNO₃^--N/δTN的变化受HRT和DO的共同影响，δNO₃^--N/δTN值随着HRT缩短越接近0.127，即反应器中短程硝化稳定性能越好. 在HRT为9 h时，DO控制在1.20~1.74 mg ·L^-1之间，δNO₃^--N/δTN值在0.130~0.201之间波动，平均值为0.154，即反应器中短程硝化的稳定性能不佳，与此同时，δNO₃^--N/δTN随着DO值的增大而增大； 在HRT为7 h时，DO控制在1.16~1.60 mg ·L^-1之间，δNO₃^--N/δTN值在0.115~0.139之间波动，平均值为0.127，即反应器中短程硝化稳定性能最佳； 而在HRT为5 h时，由于DO超过陶粒CANON反应器所能承受的极限值，即2.50 mg ·L^-1，δNO₃^--N/δTN值远远偏离理论值0.127，在0.212~0.280之间波动，平均值为0.239. 本课题组通过试验验证当DO维持在1.20~1.75 mg ·L^-1范围内，陶粒填料CANON反应器的TN去除效果最佳，但是当DO为1.75~2.50 mg ·L^-1时，尽管其TN去除效果可以维持稳定，但是短程硝化性能易遭到破坏^[27]. 所以，303~328 d时，反应器中的ANAMMOX细菌的活性受到DO抑制，同时NOB得以生长繁殖，使得δNO₃^--N/δTN值严重偏离理论值，表明CANON反应器的短程硝化性能受到破坏.

综上所述，HRT和DO对整个CANON反应器影响结果如表 3所示.

表 3(Table 3)

表 3 HRT和DO对反应器的影响 Table 3 Effects of HRT and DO on the CANON reactor HRT TN平均去除负荷/kg·(m 3·d) -1 TN平均去除率/% NH 4 +-N平均去除率/% δNO 3 --N/δTN 5 h 1.189 55.46 73.61 0.239 7 h 1.122 71.68 84.15 0.127 9 h 0.922 79.16 94.2 0.154

表 3 HRT和DO对反应器的影响 Table 3 Effects of HRT and DO on the CANON reactor

从表 3可以看出，CANON反应器中短程硝化的稳定性能随着HRT缩短而增强，但CANON中短程硝化的稳定性能也受到DO的影响. 有研究认为^[16]，相较于缩短HRT，DO对NOB和ANAMMOX细菌的竞争更能产生不利影响. 本课题组研究证明，DO为1.20~1.75 mg ·L^-1时，陶粒CANON反应器中短程硝化稳定性能和脱氮效果较好，而当DO大于1.75 mg ·L^-1时，陶粒CANON反应器的脱氮效果维持不变，但短程硝化稳定性遭到破坏^[27]. 如HRT=5 h时，按理论上说δNO₃^--N/δTN值接近理论值0.127，实际上CANON反应器中δNO₃^--N/δTN值为0.239，远远偏离理论值，其原因是反应器中的DO提高，使得反应器中短程硝化稳定性能较差，对应TN的去除率、 去除负荷分别为55.46%、 1.189kg ·(m³ ·d)^-1； 在HRT=7 h时，DO维持在1.16~1.60 mg ·L^-1之间，此时δNO₃^--N/δTN值为0.127，即反应器中短程硝化稳定性能最佳，对应TN的去除率、 去除负荷分别为71.68%、 1.122 kg ·(m³ ·d)^-1； 在HRT=9 h时，DO控制在1.20~1.74 mg ·L^-1之间，此时δNO₃^--N/δTN值为0.154，也偏离理论值，即反应器中短程硝化稳定性能不佳，对应TN的去除率、 去除负荷分别为79.16%、 0.922 kg ·(m³ ·d)^-1.

因此，陶粒填料CANON反应器中短程硝化稳定性能和去除效果较佳的条件是HRT为7 h，且DO控制在1.20~1.75 mg ·L^-1之间.

(1)当DO为1.20~1.75 mg ·L^-1时，尽管提高DO有利于提高AOB的活性和系统内基质的传质效果，但是陶粒填料CANON反应器的NH₄⁺-N、 TN去除效果依然随着HRT的缩短而下降，尤其当DO超过2.50 mg ·L^-1时，TN去除效果大幅度下降.

(2) 当DO为1.20~1.75 mg ·L^-1时，随着HRT的缩短，陶粒填料CANON反应器的短程硝化性能趋于稳定，而当DO超过1.75 mg ·L^-1时，即使缩短HRT，其短程硝化性能依然遭到严重破坏.

(3) 陶粒填料CANON反应器中短程硝化稳定性能和去除效果较佳的条件是HRT为7h，且DO控制在1.20~1.75 mg ·L^-1之间.