不同水力条件对CANON颗粒污泥微生物胞外聚合物的影响

罗小娟

（江西理工大学应用科学学院， 江西 赣州 341000）

0 引言

全程自养脱氮工艺(completely autotrophic nitrogenremovalovernitrite，CANON)是近年发展起来的新型脱氮工艺[1-2]，该工艺的主要原理是通过AerAOB(氨氧化菌)与AnAOB(厌氧氨氧化菌)的协同作用，在同一个反应器中共同完成自养脱氮过程[3]。CANON工艺具有占地少、能耗低、成本低等优点，因而被认为是最具可持续特征的生物脱氮工艺[4-5]。CANON反应的化学计量式为[6]：NH3+0.85O2→0.11NO3-+0.445N2+0.14H++1.43H2O。

目前，CANON工艺主要有生物膜法和活性污泥法2种。生物膜法容易堵塞，一旦堵塞脱氮效果急剧变差，而活性污泥法总氮负荷较低[7-8]。颗粒污泥由于其独特的构造，具有污泥停留时间(SRT)长、沉降性能好、生物量浓度高、抗冲击能力强等优点，理论上比絮状污泥更有优势．因而正逐步成为CANON工艺理想的实现形式[9]。现今针对启动方式、微生物特征以及环境条件等对培养CANON工艺颗粒污泥的影响研究已多有报道[10-11]，但是针对水力条件对CANON颗粒污泥启动及运行的研究还鲜有报道。众所周知，包外聚合物(EPS)可以改变污泥的物理化学特性和细菌絮体的表面特性，对细胞间的凝聚和结构稳定以及污泥系统性能的变化能够起到重要的作用[12]，但国内针对CANON颗粒污泥EPS特性的研究目前还相对较少。

因此，若能开发出一种CANON快速启动工艺及培养具有高效脱氮效能的CANON工艺，并对CANON污泥EPS特性进行剖析，则对高效利用CANON颗粒污泥进行脱氮研究具有重要的意义。针对以上问题，本实验采用间歇式EGSB反应器，通过表面曝气的方式，研究了不同水力条件对CANON颗粒污泥脱氮效能和系统内细菌EPS的影响，以期为CANON工艺颗粒污泥反应器的推广和优化运行提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验装置

本研究的试验装置为3个平行的间歇式EGSB反应器(R1～R3)，由有机玻璃加工制作，反应器装置与流程见图1。反应器的内径为80 mm，总高900 mm，反应区总高800 mm，高.径比为10，有效容积为4 L。反应器外部采用保温避光材料包裹，并用循环加热水浴对保温层中的水进行循环加热，以保持反应区内温度为31±1℃。

图1 EGSB试验装置示意

1.2 接种污泥和进水水质

接种污泥由AnAOB颗粒污泥和市政好氧池污泥组成，AnAOB颗粒污泥取自于ANAMMOX-EGSB反应器，平均粒径约 1.8 mm，ρ（MLVSS）/ρ（MLSS）为0.412～0.445。市政好氧池污泥取自城市污水处理厂好氧池，ρ（MLVSS）/ρ（MLSS）为 0.521 ～ 0.557。R1，R2，R3每个反应器接种0.5 L的ANAMMOX颗粒污泥和0.5 L市政好氧池污泥，试验前将接种的好氧池污泥用蒸馏水冲洗数遍。

进水采用实验室配水，人工模拟高氨氮废水，参考前人已有的研究成果[13]，并结合试验实际情况，确定模拟废水的组成如下：ρ（KH2PO4)=28 mg/L，ρ（CaCl2)=144 mg/L，ρ（MgSO4·7H2O)=316 mg/L，ρ（KHCO3)为 250 ～ 350 mg/L，ρ（NH4+-N)=350 mg/L，φ（微量元素)=1mL/L，进水中不添加NO2-。进水NH4+-N浓度根据反应周期末出水水质确定，使进水保持ρ（NH4+-N）约为 350 mg/L，ρ（C)/ρ（N)约为 1。

1.3 运行工况

3个EGSB均采用间歇进水、间歇出水的方式运行。人工模拟废水无需用纯氮气进行氧气吹脱，通过蠕动泵从反应器底部进水，采用瞬时进水的方式，进水 0.5 h，沉淀0.5 h，出水 0.5 h，其余时间 22.5 h为反应时间，反应周期为24 h。

根据前人提出了升流式反应器平均剪切速率公式[14]，结合本研究EGSB反应器的特性，确定本研究中不同上升流速下反应器速度梯度的平均剪切力如下式：

式中：ψ为水力循环搅拌中单位体积水流消耗的功率，Pa；ρ为混合液的密度，kg/m3；μι为反应器中水流上升流速，m/s；γ为平均剪切速率，s-1；μ为水的动力粘滞系数，Pa·s； τ为反应器中的平均剪切应力，N/m2。

本研究中R1，R2，R3反应器的上升流速、水力剪切力和溶解氧（DO）参数见表1。

表3 超临界水氧化法与焚烧法的技术性对比

1.4 分析方法

NH4+-N,NO2--N,NO3--N,TN等参数采用标准方法测定[15]，NH4+-N：纳氏试剂分光光度法；NO2--N：N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；NO3--N：酚二磺酸分光光度法；TN：过硫酸钾紫外分光光度法；pH值：HACH便携式pH计；DO：HACH便携式溶氧仪。总EPS采用阳离子交换树脂(Cation exchange resin，CER)法[16]提取。 EPS[17]中所含多糖(PS)采用蒽酮比色法测定，以葡萄糖作为标准；蛋白质(PN)和腐殖酸采用改进Lowry法测定[18]，分别以牛蛋白血清与腐殖酸作为标准。EPS含量为PS,PN和腐植酸含量的总和（以COD计），由于试验过程中检测出腐殖酸量较少，故忽略不计。

2 结果与讨论

2.1 CANON系统启动期和稳定期的脱氮效能

本研究根据反应器的运行性能，将不同水力条件下的CANON反应器启动过程分为2个阶段：启动期（I）、稳定期（II）2个阶段的分界点即为启动成功的时期，启动成功的标志为出水水质连续在3个周期以上的时间内基本保持不变[19]。

CANON颗粒污泥工艺首先经过启动阶段，初期污泥富集过程中出水水质波动比较大，随后R1，R2在无机环境中取得了较好的脱氮效率，故成功实现了CANON工艺启动，启动时间分别为109 d和99 d。反应器R1，R2，R3氮素转化过程见图2～图4。

图2 R1反应器脱氮效率

图3 R2反应器脱氮效率

图4 R3反应器脱氮效率

启动阶段开始为微生物适应阶段，接种污泥中存在部分短杆菌，故系统中存在着一定量的异养反硝化菌，由于进水为无机废水，自养微生物逐渐获得优势，接种污泥中的异养菌只能利用接种污泥时带入的部分有机物代谢，这部分有机物消耗殆尽以后，又开始进行内源降解。在缺乏有机物的条件下，异养菌不适应新环境而大量死亡，细胞发生解体，释放出有机碳为反硝化提供碳源，同时解体过程中PN分解释放出NH4+，从而导致出水NH4+浓度较高。

3个反应器启动阶段初期的NO3--N，NO2--N值均处于各自系统最低值，且NH4+-N浓度均处于最高水平，甚至比进水还高。随着微生物逐渐适应无机环境，AnAOB与AerAOB逐渐生长及富集，直至反应稳定运行，其中R1，R2中TN去除率均在50%以上，特别是R2反应器中TN去除率达到76.06%，从而证明表面曝气方式能实现CANON工艺的启动与稳定运行。

当系统进入稳定期后，R1和R2周期性的脱氮速率随着反应进行都逐渐变慢，其中R1和R2分别于一个周期中的14 h和12 h之后，水质基本不发生变化。由R1，R2这2个反应器对比可知，虽然R1，R2均成功启动了CANON颗粒污泥工艺，但是2系统的脱氮效率存在着巨大差异，R2的脱氮效率远大于R1，且能在较短时间内达到反应完全。

2.2 CANON颗粒污泥EPS变化特性

2.2.1 CANON颗粒污泥启动期EPS变化特性

AnAOB和AerAOB在利用基质及自身生长过程中均会产生EPS，EPS能够进行自我保护和黏附基质。AnAOB和AerAOB均属于自养微生物，由于自养菌对环境适应能力差、倍增时间长、污泥产率低，所以自养微生物产生的微生物代谢产物远小于异养微生物[20]，目前关于CANON颗粒污泥工艺运行过程中EPS产生及变化特性的研究还鲜有报道。故本试验对CANON工艺颗粒污泥体系启动期EPS的产生以及变化规律进行了探讨，启动期3个反应器EPS含量变化情况见图5～图7。

图5 R1反应器EPS含量变化

图6 R2反应器EPS含量变化

图7 R3反应器EPS含量变化

由图5～图7可知，系统中微生物产生EPS的主要成分是PS和PN，腐殖酸含量极少，故忽略不计。 PS含量远高于 PN 含量，R1，R2中 EPS，PS，PN的变化趋势是先缓慢增加然后迅速增加最后逐渐平稳，R3中EPS的变化趋势是先增加后降低然后逐渐平稳。

在R1，R2启动期的前15 d内，此时微生物生长处于适应期，在逐渐适应外界环境，故产生的EPS量处于缓慢增长，其中R1由初始的29.3 mg/g升高至30.4 mg/g，其中R2由初始的29.3 mg/g升高至33.5 mg/g。此后微生物已适应了环境，微生物大量繁殖，此时系统发生短程硝化后产生NO-2-N马上进行ANAMMOX反应，基质降解速率不断升高，系统中EPS迅速增加，且EPS中PS和PN均得到增加，R1中EPS升高至最高值44.9 mg/g，PS升高至最高值35.9 mg/g，PN升高至最高值9.0 mg/g；R2中EPS升高至最高值56.6 mg/g，PS升高至最高值45.8 mg/g，PN升高至最高值13.3 mg/g；之后基本维持不变，究其原因是此时系统启动成功，达到稳定期，且达到稳定期的时间与启动成功的时间几乎一致。

同样在R3适应期内，微生物在逐渐适应环境，故产生的EPS含量处于缓慢增长期，其后微生物适应了外界环境，系统内主要发生短程硝化，EPS质量比逐渐升高至最大值45.8 mg/g。其后出现下降的原因可能为：系统内处于较高的DO水平，部分异养菌利用产生的DO降解了EPS，导致EPS量被利用从而出现下降，并保持在较低的水平，此时EPS质量比为35.9 mg/g，为3个系统内最低值。

2.2.2 CANON颗粒污泥稳定期EPS变化特性

AnAOB及AerAOB均属于自养菌，均对环境适应能力较差、倍增时间较长、污泥产率低，所以目前还未见对CANON工艺颗粒污泥周期运行过程中EPS的产生以及变化特性的报道，本试验对CANON颗粒污泥工艺启动成功后体系中EPS的产生以及周期变化规律进行了探讨，由于R3未成功启动CANON反应，故在此仅对R1,R2进行检测及分析，其结果见图8、图9。试验过程中发现系统中微生物产生EPS的主要成分是PS和PN，腐殖酸含量极少，故在此忽略不计。由图8、图9可以看出，PS含量远高于PN含量，EPS的变化趋势是先增加然后降低最后逐渐平稳，与PN的变化趋势非常一致。

图8 R1反应器稳定期EPS周期性含量变化

图9 R2反应器稳定期EPS周期性含量变化

在R1周期的前15 h内，R2周期前9 h内，CANON反应底物充足，即发生短程硝化反应产生NO-2-N就马上进行ANAMMOX反应，此时为基质质降解速率最大的时期，系统中EPS迅速增加，且EPS中PS和PN均得到增加，R1中EPS，PS，PN分别由 35.4，29.0，6.4 mg/g 增至 56.7，41.1，19.1 mg/g，R2 中 EPS，PS，PN 质 量 比 分 别 由 47.2，35.9，11.3 mg/g增至77.3，51.1，26.9 mg/g。究其原因是因为进水中带来了所需的营养物质促使微生物由饥饿状态迅速被激活，营养物质迅速被降解，导致反应生成了大量的EPS，此时的反应速率和微生物活性最大，故此时的EPS增加速率也最大。

R1反应进行15 h，R2反应进行到11 h，根据周期内水质氮素变化，CANON反应完全，即EPS达到最大值的时间与周期内水质反应稳定的时间相同。但此后EPS出现大幅下降，图8和图9均呈现出不同程度的下降，R1反应器中EPS质量比由56.7 mg/g降至41.6 mg/g，R2反应器中EPS质量比由77.3 mg/g降至53.6 mg/g，将其与周期内基质降解变化曲线对比可发现，R1基质降解至12 h后，基质浓度（NH4+-N，NO2--N）之后基本维持不变；R2基质降解至15 h后，基质浓度（NH4+-N，NO2--N）之后基本维持不变，此时反应已结束基本不发生CANON反应。EPS，PS，PN出现下降的原因可能为：随着CANON反应的进行导致此时NO3--N浓度较高，系统内存在部分反硝化菌，能利用这一部分硝酸盐作为电子受体发生反硝化反应，在实验中发现周期内NO3--N浓度出现了少量的下降，验证了以上的假设。

3 结论

（1）通过表面曝气式能够实现CANON颗粒污泥工艺的启动及稳定运行，最佳工况下系统对NH4+-N和TN的去除率可分别达到87.15%和76.06%。CANON颗粒污泥工艺的启动需要保持较低的DO(质量浓度为0.3 mg/L)，也需要较好的传质效果及水力剪切力。

（2）不同水力条件下CANON工艺颗粒污泥启动期EPS，PS，PN的变化趋势是先缓慢增加后迅速增加最后逐渐平稳。EPS达到稳定期的时间与CANON工艺启动成功的时间相近，且达到稳定时EPS，PS，PN 值：R2 ＞ R1 ＞ R3。

（3）不同水力条件下CANON工艺颗粒污泥稳定期EPS的变化趋势是先增加后降低最后逐渐平稳，周期变化特性为PS含量远高于PN含量，与PN的变化趋势非常一致，达到周期内稳定的时间与周期内水质氮素稳定时间相似。

（4）高的水力剪切力一方面能够强化微生物与污染物的传质效果，促进微生物增殖，强化EPS的分泌，增强微生物之间的黏附作用。另一方面也增大了污泥被洗出和碎裂的风险，使微生物与微生物之间存在着静电斥力与水力剪切力的2种阻碍作用。