全程自养脱氮工艺(completely autotrophic nitrogen removal over nitrite, CANON)是近年来受到广泛关注的一种新型脱氮工艺, 与传统工艺相比, 该工艺具有节省曝气量、无需外加碳源、污泥产量低、工艺流程简单等诸多优点, 是近年来生物脱氮研究的重点^{[1, 2]}.

CANON工艺是将亚硝化和厌氧氨氧化这两种完全不同的反应过程结合在一个反应器内, 在好氧条件下AOB以O₂为电子受体, 氧化NH₄⁺-N生成NO₂^--N, 同时避免NO₂^--N被NOB进一步氧化成NO₃^--N, 在厌氧条件下ANAMMOX利用NO₂^--N作为电子受体氧化NH₄⁺-N. CANON工艺成功启动及高效脱氮的关键是控制反应器内合适的DO, 创造一个AOB与ANAMMOX为优势菌种并抑制NOB的微环境, 从而推动反应的顺利进行^[3].因此, 在同一反应器中提供满足好氧与厌氧功能菌不同需求的兼容环境, 是该工艺的一个难点^[4], 间歇曝气作为调控微环境DO的一种重要控制因素, 受到了研究者的广泛关注^[5].研究表明, 间歇曝气工况下, 历经“饥饿”的AOB可更多地利用氨氮氧化产生的能量, 较连续曝气更快实现富集, 更有利于创造CANON工艺的所需的反应环境, 维持CANON工艺的稳定运行, 达到较好的总氮去除效率^[6].目前关于CANON工艺间歇曝气研究大多集中于曝停比这一参数, 李冬等^[7]在曝停比为1(0.5 h :0.5 h)的间歇曝气条件下, 21 d启动CANON工艺, 总氮去除率达到70.75%, 且系统更稳定; 秦宇等^[8]发现曝停比为1(2 h :2 h)时, 系统处于最佳工况, 各菌种互相协同代谢, 使得单级自养脱氮体系高效运行; 郑照明等^[9]发现曝停比为1(0.33 h :0.33 h)时, 反应器可以取得良好的脱氮性能, 反应器的NH₄⁺-N、TN平均去除率分别为95%、89%;李亚峰等^[10]在曝停比为1(0.75 h :0.75 h)时, 22 d成功启动亚硝化, 并有效抑制了硝化反应.这些研究表明, 曝停比为1的曝气工况为CANON工艺中各功能菌提供了良好的耦合条件, 但是上述曝停比为1的间歇曝气具体参数不同, 导致效果差别较大, 不能系统全面地反映最佳曝气参数.

曝气参数对于CANON工艺的影响主要是通过两个因素体现, 即反应器内总曝气量和持续时间; 在最佳曝停比1的条件下, 研究者探究出了最佳曝气量和持续时间的相关参数, 因此想要进一步改善系统曝气工况, 需在该持续时间内合理分配总曝气量, 基于此笔者提出“曝气密度”这一参数, 即在反应器的一个循环周期(忽略进水、静置、排水时间)内, 曝停比α和总曝气量一定的情况下, 在该反应器反应过程中曝气的频率, 叫做曝停比α下该反应器的曝气密度.采用不同曝气密度探究曝气密度对于CANON工艺的影响, 实现在有效时间内, 曝气时间的合理分配, 确定CANON工艺的最佳间歇曝气工况.

1 材料与方法 1.1 实验装置

本实验采用3个相同规格的SBR反应器R1、R2、R3, 有效容积2 L.反应器底部安装曝气盘进行微孔曝气, 由气体流量计控制曝气强度, 由时控开关与电磁阀控制曝气密度; 内置搅拌机使泥、水、气混合均匀.进水、曝气和排水均采用自动控制.反应器内部装有pH、DO及温度在线监测探头.

1.2 接种污泥和实验水质

接种污泥采用实验室稳定运行的厌氧氨氧化颗粒污泥, 其平均粒径为345 μm, 平均氨氮去除率为82.7%以上, 初始污泥质量浓度为1 975 mg ·L^-1.进水采用人工配水, 分别以(NH₄)₂SO₄和NaHCO₃作为NH₄⁺-N和碱度的来源, 营养液Ⅰ、Ⅱ作为营养物质^[11], 实验水质如表 1.

1.3 实验方法

采用SBR反应器, 包括进水阶段2 min、反应阶段12 h、沉淀时间5 min、排水3 min.温度控制在30℃左右.本实验在曝停比为1的基础上, 探究不同曝气密度的间歇曝气对CANON的影响, 本实验中曝气密度定义为在反应器的一个循环周期(忽略进水、静置、排水时间)内, 曝停比α和总曝气量一定的情况下, 在该反应器反应过程中曝气的频率, 叫做曝停比α下该反应器的曝气密度. R1曝停时间比为2 h :2 h, 其曝气密度为3(12 h :4 h), R2曝停时间比为1 h :1 h, 其曝气密度为6(12 h :2 h), R3曝停时间比为0.5 h :0.5 h, 其曝气密度为12(12 h :1 h)实验初期采用较小曝气速率, 随着系统性能提升, 逐步提高曝气速率, 按照曝气速率大小分为3阶段, 低曝气阶段(1~8 d)、中曝气阶段(9~20 d)、高曝气阶段(21~35 d), 不同阶段曝气速率不同, 具体参数如表 2.

1.4 分析方法

DO、温度、pH值均采用WTW在线测定仪测定, 水样分析中NH₄⁺-N的测定采用纳氏试剂光度法, 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, 其余水质指标的分析方法均采用国标方法^[12], CANON速率、厌氧氨氧化反应速率、硝化速率按照李冬等^[13]的方法进行测定.

2 结果与讨论 2.1 CANON工艺的启动

本实验接种的厌氧氨氧化颗粒污泥的性能良好, 氨氮去除率为80%以上.在此基础上, 通过不同密度的间歇曝气逐步富集亚硝化细菌, 实现CANON颗粒污泥工艺的启动.实验初期, 考虑到ANAMMOX菌从厌氧环境突然转换至好氧环境, 为避免较高的曝气对其造成冲击, 将曝气工况下的曝气速率开始设置为30 mL ·min^-1, 随着系统性能的提升, 曝气速率逐步提高至45、60 mL ·min^-1.

启动期间反应器的性能如图 1.实验初期, 污泥的性能骤降, 污泥的氨氮去除率和总氮去除率下降为12%、9%左右, 在此期间反应器性能没有提升甚至出现下降, 为适应阶段.不同曝气密度下, 反应器的适应期不同, R1、R2、R3分别经过了2、3、4 d的适应期, 曝气密度越大适应期越长, 因为实验初期反应器内主导菌种为ANAMMOX菌, 少量的好氧菌即使在较低的曝气速率下, 不能消耗掉相对过量的氧气, 使反应器内氧气积累, 曝气工况下反应器内DO含量达到3.5 mg ·L^-1, 即使在停曝阶段, DO的数值也高达1.3 mg ·L^-1, DO在短时间内也不能降低适宜的数值, 进一步抑制了ANAMMOX菌^[14].随着曝气密度的变小, 系统单个周期内停曝时间逐渐变长, 较长的停曝时间有利于系统中好氧菌及时将曝气阶段积累的氧气消耗, 为此阶段主导的厌氧氨氧化反应创造低DO环境, 减少DO对系统的冲击, 有利于反应的进行, 使得系统较快地适应, 较大的曝气密度, 使得系统单个周期内停曝时间较短, 在停曝阶段系统中好氧菌还未使DO降至适宜厌氧氨氧化反应的浓度, 系统又开始了下一阶段的曝气, 导致反应器内DO一直处于较高水平, 使得该阶段反应器内占主导地位的ANAMMOX菌受到抑制, 从而导致较长的适应阶段, 故适应时间更长.

在1~8 d内, 3个反应器曝气速率为30 mL ·min^-1处于较低的水平, 在该曝气速率下经过适应期后, 反应器的性能逐渐开始提升.在低曝气阶段, R1曝气密度的反应器性能较好, 因为此阶段反应的限制因素为厌氧氨氧化过程, 由于此时反应器内ANAMMOX菌还是优势菌种, 较低曝气密度的反应器, 单个停曝周期内停曝时间较长, 随着系统中AOB等好氧菌开始富集, 数量逐渐增多, 曝气过程中积累的过量的DO逐渐减少, 在停曝期间能够被AOB等好氧菌更快地消耗掉, 为ANAMMOX菌提供逐渐增多的反应时间, 使得曝气阶段产生的亚硝酸盐氮更好地去除, 反应器的总氮去除率逐渐增加; 而在较大曝气密度R3中, 因为停曝时间短, 除去AOB等好氧菌消耗掉曝气阶段产生的过量的DO所需时间, 为厌氧氨氧化过程留下的时间太短, 使得反应器中厌氧氨氧化过程不充分, 最终导致反应器性能提升较慢; 除此之外, 由图 1(e)可知, 由于曝气原因使得污泥粒径较接种时厌氧氨氧化颗粒污泥产生一定的减小, 这因为在曝气工况下气体的剪切力等外力条件下使得颗粒污泥外部松散的部分脱落为絮状污泥, 造成颗粒污泥的粒径变化, 在此阶段, 曝气密度越小污泥粒径减小程度越小, 因为较小曝气密度使得单个曝气周期内停曝时间长.李冬等^[15]的研究表明较长的停曝时间有利于刺激微生物分泌PN与PS, 使污泥颗粒变得紧实, 有利污泥颗粒化的维持; R1反应器中致密的颗粒进一步促进其脱氮性能.

随着反应器性能的提升, 在9~20 d将曝气速率提高为45 mL ·min^-1, 3个反应器的脱氮进一步提升.此时较高曝气密度的R3反应器提升速度最快, 因为经过上一阶段AOB等好氧菌的增殖, 系统内各菌群逐渐平衡.在各曝气密度下, 曝气时反应器DO为0.9 mg ·L^-1左右, 停曝稳定后DO维持在0.02 mg ·L^-1左右, 停曝段DO均迅速降低至适宜厌氧氨氧化过程所需浓度, 给厌氧氨氧化过程提供了充足时间, 这时亚硝化过程成了反应的限制因素.在提升曝气速率后, 促进了亚硝化过程, 为厌氧氨氧化反应提供了充足的底物, 3个反应器氨氮去除率、总氮去除率和总氮去除负荷均呈上升趋势, R3反应器趋势更明显, 因为3个反应器虽然总曝气时间相同, 但是由于初期AOB等好氧菌较少的生物量, 使得反应器内DO在较短的停曝期间内下降较慢, 导致R3较R2、R1相比整体处于较高DO浓度时间较长, 为AOB等好氧菌的生长提供了更有利的环境, 有利于AOB的增殖, 增加了AOB生物量, 为此阶段ANAMMOX菌的反应提供了充足的底物.除此之外, 经过8 d的低曝气阶段的适应, 虽然污泥颗粒经过曝气的吹脱使得污泥粒径变小, 但是颗粒污泥更加密实, 更有利于减少较高DO对ANAMMOX菌的冲击^[16], 另外由于吹脱下来的絮状污泥的存在, 提高了系统内菌种对DO的利用率^[17], 有进一步促进了AOB和ANAMMOX的增殖, 有利于系统高效稳定运行. R2、R3由于被吹脱下来的絮状污泥较少, 加上前8 d处于较高DO的相对时间较短, 使得R2、R3反应器中AOB生物量较低, 在曝气速率提升后不能充分利用DO, 为ANAMMOX菌提供充足的底物, 导致系统性能增长速度相对较慢.

在21~35 d将曝气速率提升至60 mL ·min^-1.曝气速率提升后R3脱氮性能进一步提升, R1、R2反应器在曝气速率的提升后, 表现出一定的迟滞性, 反应器性能没有提升, 甚至在R1中表现出一定的下降, 经过2 d左右的适应期后反应器性能初步提升.这是因为经过前20 d的培养, R1、R2、R3中的好氧菌的数量体现出一定的差异, 好氧菌的数量R3中最多, R2、R1依次减少. R3中相对较多的好氧菌能够在曝气量提升后迅速利用DO, 维持反应器中DO供给与消耗的平衡, 维持系统内适宜的DO浓度. R1、R2由于好氧菌量少, 在此阶段初期系统内DO供给大于消耗, 供给相对过剩, 使得反应器内DO较高, 在此浓度下, 使得NOB活性得到提升, 发生了硝化反应, 减少了作为下一阶段厌氧氨氧化底物的NO₂^--N的产生量, 并且生成了系统无法利用的NO₃^--N, 导致反应器脱氮性能的下降^[18], 在第21 d的时候R1、R2反应器内特征比的突降, 进一步证明了NOB活性的提升.

R1、R2、R3分别在第32、29、23 d时, 特征比稳定在7.7、7.8、7.9左右, 接近理论值8^[19], CANON工艺启动成功.

2.2 反应器典型周期内参数变化

反应器内功能菌的活性和系统的脱氮性能与反应器内DO和pH的变化有着密切联系^[20].由亚硝化过程的反应式(1)可得, 在好氧条件下, AOB以O₂为电子受体氧化NH₄⁺-N, 同时消耗碱度, 生成H⁺, 使得系统内pH下降; 由硝化过程反应式(2)可得, NOB在过量氧气的条件下将NO₂^--N氧化成NO₃^--N; 在厌氧条件下, 由反应式(3)可得, ANAMMOX以NO₂^--N为电子受体, 氧化NH₄⁺-N, 同时消耗H⁺, 产生碱度, 使系统内pH上升; 由CANON工艺总反应式(4)可得, 该工艺是消耗碱度产生H⁺, 反应进行程度可以由产生H⁺的浓度, 即pH的下降值进行表征.

亚硝化过程:

(1)

硝化过程:

(2)

厌氧氨氧化过程:

(3)

CANON过程:

(4)

因此本实验对反应器内DO和pH的变化进行了在线监测, 间接反映底物消耗情况, 从而明确菌种活性变化^[21]. 图 2为3个反应器CANON工艺稳定运行后一个典型周期内pH及DO变化, 3个反应器在曝气期间DO值在最适宜区间范围内为0.45 mg ·L^-1左右, pH值均在曝气阶段出现下降, 停止曝气后系统内剩余的DO被迅速消耗, pH值开始触底反弹, 在图像中出现“氨谷”(pH曲线上出现由下降转为上升的拐点, 称为“氨谷”^[22]).卞伟等^[23]的研究表明, “氨谷”的相关参数可以表征AOB与NOB的竞争关系从而确定最佳曝气参数.

3个反应器在周期实验的初期, pH下降较大, 随着反应的进行pH下降趋势逐渐减缓至稳定, 当初次曝气时间累计达到2 h时, R3的pH降幅为0.74(7.95~7.21), R2的降幅为0.4(7.95~7.55), R1的降幅为0.31(7.95~7.64), 而在周期末期曝气累计时间2 h时, 这个降幅分别为0.15、0.1、0.2, pH降幅的大小反映了系统中AOB活性的变化, pH降幅越大AOB活性越强, 3个反应器在周期实验的初期, 由于基质充足, 为AOB提供了充足的底物, AOB体现出较高的活性, 除此之外, 此时系统中pH最高.付昆明等^[20]的研究表明, 微生物的生长、繁殖和环境中的pH值密切相关, pH值影响微生物细胞膜的通透性及其表面带电性, AOB的生长需要较高的pH^[24], 此外, 较高的pH使得FA维持在较高水平, 此时硝化基质浓度超过NOB的转化利用阈值, 而低于AOB的转化利用阈值, 有利于抑制NOB的活性.随着反应的进行, 基质和pH值降低, AOB优势逐渐丧失, 所以在周期的末期, 在曝气时间、曝气量相同的情况下, pH下降数值较一开始减少, 即AOB活性降低.

由CANON反应式可得, 反应进行得越完全, 产生的H⁺越多, 即pH越低.经过整个周期实验后, R1、R2、R3的pH的总下降值分别为, 0.4(7.95~7.55)、0.55(7.95~7.4)、1.06(7.95~6.89), 3个反应器内pH的下降值随着曝气密度的增大而增大, 采用较大的曝气密度, 可以提高系统中DO的利用率, 即反应器的性能随着曝气密度的增大而增强.

2.3 脱氮路径及功能菌活性分析

为探究不同曝气密度下系统内氮素反应路径, 对3个反应器典型周期内脱氮路径进行分析, 结果如表 3.

在停曝期间, R1、R2、R3反应器内硝酸盐氮的生成量/氨氮的消耗量(0.268、0.264、0.258)的比值接近于厌氧氨氧化反应的理论值0.26, 即此时系统内厌氧氨氧化菌在厌氧条件下, 利用上一阶段曝气产生的NO₂^--N, 发生了厌氧氨氧化反应, 即系统内存在着交替亚硝化/厌氧氨氧化(ANA).

在曝气段, 3个反应器积累的亚硝酸盐氮均远远小于曝气段氨氮的消耗量, 由亚硝化反应式可得, 在亚硝化过程中亚硝酸盐氮的积累量:氨氮消耗量应为1 :1(由于硝酸盐氮生成量相对了较少, 故硝化反应造成的亚硝酸盐氮损失可以忽略不计), 此时R1、R2、R3反应器内亚硝酸盐氮积累量与氨氮的消耗量之间差值分别为15.44、19.60、26.88 mg ·L^-1, 差值是由于颗粒污泥结构致密, 在其内部存在着明显的DO浓度梯度, 不同功能菌在颗粒污泥中呈层状分布, 使得即使在曝气阶段颗粒污泥的内部仍然可以发生厌氧氨氧化反应, 即此时系统中存在着同时亚硝化/厌氧氨氧化(SNA)脱氮路径, 曝气过程中亚硝酸盐氮积累量与氨氮的消耗量之间差值的大小可以间接反映系统中SNA路径所占的比重多少, 以R1为例, 曝气阶段亚硝酸盐氮积累量36.73 mg ·L^-1, 由亚硝化反应式得, 此时用于亚硝化的氨氮也为36.73 mg ·L^-1, 此时曝气段共消耗52.17 mg ·L^-1氨氮, 多余的15.44 mg ·L^-1氨氮为SNA路径所消耗.

图 3为不同脱氮路径所占比例, 3个反应器中主要的脱氮路径为ANA, 但是随着曝气密度的变大, ANA路径的贡献逐渐变小(80.7%、75.5%、66.4%), SNA路径的贡献逐渐变大(19.3%、24.5%、33.6%), 系统性能也逐渐提高, 通过合适比例的ANA和SNA双重路径, 更有利于系统性能的提升, 这与张杰等^[25]的研究一致, 这是因为在连续曝气工况下系统中主要存在着SNA路径, 随着曝气密度增大间歇曝气工况下, 系统内参数逐渐趋同于连续曝气模式, 故随着曝气密度的变大系统中SNA路径所占比率逐步提升, 系统可以通过较高比率的SNA路径来提高性能.

为比较不同曝气密度下反应器内功能菌活性以及NOB被抑制程度, 分别测定了3个反应器的反应速率, 结果如图 4.R1、R2、R3反应器中CANON速率逐渐提高, 但是厌氧氨氧化速率和硝化速率却逐渐降低, R3中CANON速率最高为8.1 mg ·(h ·g)^-1, 厌氧氨氧化速率和硝化速率最低分别为9.6 mg ·(h ·g)^-1和0.19 mg ·(h ·g)^-1, 因为CANON工艺的最终效果取决于亚硝化和厌氧氨氧化过程的配合, 厌氧氨氧化过程中亚硝酸氮的消耗量:氨氮的消耗量为1.32 :1, 即亚硝酸氮的产生量最终决定了氨氮的消耗量, 即CANON工艺的总体性能, 亚硝化过程为此时CANON工艺的限制条件^[26], 应将硝化反应控制在亚硝化阶段, 防止亚硝酸盐氮被亚硝酸盐氧化菌(NOB)进一步氧化为硝酸盐氮^{[27, 28]}. R1、R2虽然厌氧氨氧化速率较高, 但是受到亚硝酸氮供给的影响, 导致其整体CANON工艺性能没有R3高, 除此之外, R1、R2较高的硝化速率说明了系统中NOB的活性增强, 同亚硝化过程争夺底物, 减少了亚硝酸氮供给, 进一步导致CANON工艺的性能降低.这是因为相关研究表明^[21], 曝气时间过长会使亚硝酸盐氮积累率下降, 导致短程硝化向全程硝化转变, 且曝气时间比越小越有利于亚硝酸盐氮积累, R3、R2、R1中的曝气时间逐渐增加, 间歇曝气工况下AOB的“饱食饥饿”优势逐渐减小, 对NOB的抑制能力逐渐减小, 使得系统中NOB活性的提升.

3 结论

(1) 在CANON工艺的启动初期, 限制因素为厌氧氨氧化过程, 此时较低曝气密度有利于系统性能的提升, 随着反应进行, 限制因素变为亚硝化过程, 较大的曝气密度可以促进亚硝化反应.

(2) R1、R2、R3分别在第32、29、23d特征比稳定在7.7、7.8、7.9, 总氮去除率达到72.5%以上, 实现CANON工艺启动, 较大的曝气密度启动更快.

(3) R1、R2、R3在周期实验中pH分别下降了0.4、0.55、1.06, 即较大的曝气密度, 有利于提高系统对DO的利用率, 提高系统的总氮去除率.

(4) R1、R2、R3中SNA所占比重分别为19.3%、24.5%、33.6%, 随着曝气密度的提高, 脱氮路径中SNA所占的比例逐渐提高, NOB的抑制更加彻底.