基于側(cè)流富集/主流強(qiáng)化的CANON工藝處理常溫低氨氮廢水的穩(wěn)態(tài)控制

曹麗娟，陳杰，姜廣萌，常青龍，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家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

基于側(cè)流富集/主流強(qiáng)化的CANON工藝處理常溫低氨氮廢水的穩(wěn)態(tài)控制

曹麗娟，陳杰，姜廣萌，常青龍，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家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

采用側(cè)流富集/主流強(qiáng)化方式，研究了全程自養(yǎng)脫氮工藝（CANON）用于常溫（25℃）、低氨氮（約60 mg主流線生物脫氮的可行性。結(jié)果表明，通過7 d更換主流反應(yīng)器40%污泥混合液方式可實(shí)現(xiàn)維持主流反應(yīng)器總氮去除負(fù)荷（TNRR）在80 g N·m-3·d-1左右，總氮去除率（TNRE）在70%左右，主流反應(yīng)器厭氧氨氧化比活性持續(xù)升高。16S rDNA高通量測序結(jié)果表明，主流和側(cè)流 CANON系統(tǒng)中起亞硝化作用的氨氧化細(xì)菌（AOB）主要是Nitrosomonas屬，進(jìn)行Anammox反應(yīng)的厭氧氨氧化菌（AnAOB）主要是CandidatusJettenia屬，60 d的運(yùn)行過程中主流反應(yīng)器Nitrospira屬的亞硝酸鹽氧化菌（NOB）豐度始終小于1%?？梢娫诒緦?shí)驗(yàn)條件下，采用7 d為頻率主流和側(cè)流換泥方式，能夠保證主流反應(yīng)器中Anammox活性，確保主流CANON反應(yīng)器的脫氮性能。

CANON；側(cè)流富集/主流強(qiáng)化；常溫低氨氮；高通量測序

引 言

全程自養(yǎng)脫氮工藝（CANON）將亞硝化與厭氧氨氧化（Anammox）耦合于一個體系中，利用好氧氨氧化細(xì)菌（AOB）和厭氧氨氧化菌（AnAOB）的協(xié)同作用，在不消耗有機(jī)碳源的條件下實(shí)現(xiàn)脫氮[1]，具有細(xì)胞產(chǎn)率低、污泥產(chǎn)量少和成本降低等優(yōu)勢[2]。目前CANON工藝主要用于高溫（＞30℃）高氨氮廢水處理，包括污泥消化液[3]、垃圾滲濾液[4]、畜禽廢水[5]等，截至2014年，已有100多座應(yīng)用Anammox技術(shù)處理高氨氮廢水的污水處理廠成功運(yùn)行[6]。

CANON工藝在污泥消化液側(cè)流線的處理應(yīng)用已日趨成熟，然而其在市政污水主流線的應(yīng)用方面依然面臨很大挑戰(zhàn)，主要存在2個問題：（1）常溫低氨氮條件下如何維持穩(wěn)定的短程硝化。短程硝化控制關(guān)鍵在于創(chuàng)造有利于AOB而不利于NOB（亞硝酸鹽氧化細(xì)菌）的生境，實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定積累。側(cè)流線條件下能維持穩(wěn)定的短程硝化首先得益于側(cè)流線高氨氨濃度（500～1500 mg·L-1）[6]形成的FA與FNA濃度均高于NOB抑制濃度（FA=0.08～0.82此外，側(cè)流線高溫條件下AOB生長較NOB快[8]，可有效淘洗出NOB。然而，市政污水氨氮濃度較低（30～100 mg·L-1）[9]，同時污水處理廠生反池開放式運(yùn)行導(dǎo)致了溫度波動（10～30℃），都使得短程硝化穩(wěn)定控制較為困難。（2）常溫下如何保障CANON功能微生物的活性。AnAOB最佳生長溫度通常為30～40℃[10-11]，降低溫度會導(dǎo)致厭氧氨氧化活性顯著下降[12-14]。這無疑限制了CANON工藝在常溫下的高效應(yīng)用。

目前實(shí)驗(yàn)室常溫低氨氮條件下的研究中，通過對反應(yīng)器構(gòu)型和污泥形態(tài)的優(yōu)化，CANON功能微生物活性可得到有效保障，成功實(shí)現(xiàn)CANON工藝的穩(wěn)定運(yùn)行[15-18]。實(shí)際工程中對自養(yǎng)脫氮工藝在污水廠主流線的應(yīng)用也處于探索階段。奧地利的Strass污水處理廠通過水力旋流器分離來自側(cè)流脫氮系統(tǒng)的 AOB和厭氧氨氧化污泥，隨后將其補(bǔ)充到主流自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)中，以此維持主流系統(tǒng)可持續(xù)的硝化活性[19]。這對于CANON在市政污水脫氮處理中的應(yīng)用有很大的啟發(fā)。

本實(shí)驗(yàn)借鑒污水處理廠為確保冬季好氧池硝化活性而采用的側(cè)流富集/主流強(qiáng)化工藝新思路[20-21]，通過側(cè)流線（高溫、高氨氮）富集CANON顆粒污泥，移泥入主流線用于強(qiáng)化主流線（常溫、低氨氮）CANON反應(yīng)器生物活性并且達(dá)到抑制 NOB活性增長的目的。為此，本研究使用SBR分別建立主流和側(cè)流CANON反應(yīng)器，通過定期交換2個反應(yīng)器中部分污泥混合液方式達(dá)到側(cè)流富集/主流強(qiáng)化的效果，確保主流反應(yīng)器的脫氮性能。最后通過高通量測序技術(shù)分析運(yùn)行過程中微生物種群的變化來驗(yàn)證側(cè)流富集/主流強(qiáng)化工藝的可行性與穩(wěn)定性，為CANON工藝在市政污水主流線中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與運(yùn)行

采用兩個完全相同的序批式反應(yīng)器（SBR），分別模擬主流和側(cè)流線污水自養(yǎng)脫氮生物反應(yīng)器。SBR反應(yīng)器為圓柱形有機(jī)玻璃容器，有效容積為2.5 L，充水比為0.5。反應(yīng)器底部設(shè)曝氣頭，連接氣泵供氣，供氣管路中間設(shè)置流量計控制曝氣量。反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置攪拌槳，以100 r·min-1的速度均勻攪拌保持反應(yīng)器內(nèi)部混合均勻；采用水浴方式保證反應(yīng)器的恒溫條件（主流反應(yīng)器為25℃，側(cè)流反應(yīng)器為30℃）。

主流和側(cè)流反應(yīng)器共運(yùn)行60 d。其中第7、14、29、37、44和53 天的周期末互換主側(cè)流反應(yīng)器中1 L污泥混合液，即采用污泥投配比為0.4。主流和側(cè)流反應(yīng)器在運(yùn)行過程中控制 DO在 0.1～0.2 mg·L-1內(nèi)。主流反應(yīng)器進(jìn)水mg·L-1，溫度一直控制在25℃，采用間歇曝氣方式運(yùn)行，其中每個周期分為進(jìn)水、反應(yīng)、靜沉、出水和閑置5個階段。啟動一周內(nèi)，為了達(dá)到脫氮平衡，反應(yīng)器每天運(yùn)行6個周期，每個周期4 h，1個周期的曝氣時間根據(jù)脫氮情況控制在 60～80 min；8～46 d時間段內(nèi)，一天運(yùn)行3個周期，每個周期8 h，1個周期內(nèi)總曝氣時間70～80 min；47～60 d時間段內(nèi)，一天運(yùn)行4個周期，每個周期6 h，1個周期內(nèi)總曝氣時間144 min。

1.2 污泥來源與實(shí)驗(yàn)用水

接種污泥是本實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)馴化成熟的 CANON顆粒污泥，取自本實(shí)驗(yàn)室中穩(wěn)定運(yùn)行的CANON母反應(yīng)器。分別接種2 L污泥混合液至主流和側(cè)流反應(yīng)器。

實(shí)驗(yàn)用水采用人工合成無機(jī)廢水（不含COD），由蠕動泵在進(jìn)水階段連續(xù)泵入反應(yīng)器中。進(jìn)水桶中配有加熱棒，保證維持與反應(yīng)器中相同的恒定溫度。配水組分如下（以 g·L-1為單位）：KH2PO40.05，CaCl20.3，MgSO4·7H2O 0.3，NaHCO31.25，F(xiàn)eSO4·7H2O 0.00625，Na2EDTA 0.00625 以及 1.25 ml·L-1的微量元素。微量元素具體組分如下（以g·L-1為單位）：Na2EDTA 15，H3BO40.014，MnCl2·4H2O 0.99，CuSO4·5H2O 0.25，ZnSO4·7H2O 0.43，NiCl2·6H2O 0.19，Na2SeO4·10H2O 0.21，Na2MoO4·2 H2O0.22 ， Na2WO4·2H2O 0.050 。 以NH4Cl為基質(zhì)，投加量根據(jù)所需進(jìn)水桶中的濃度確定。通過滴加 0.2 mol·L-1的 HCl和 0.2 mol·L-1的NaOH來調(diào)節(jié)進(jìn)水桶中的pH，使其穩(wěn)定在8.0左右。

1.3 樣品采集與分析方法

1.3.1 樣品采集 第 15、31、45、60 天周期末分別從主流和側(cè)流反應(yīng)器中取出50 ml污泥混合液測定MLVSS。第15、25、31、38、45、52、58、60 天測定了主流反應(yīng)器中最大比厭氧氨氧化活性。此外，對接種CANON污泥以及第60 天的主流和側(cè)流反應(yīng)器中的污泥進(jìn)行了16S rDNA高通量測序。

1.3.2 基于16S rDNA的Illumina平臺高通量測序

（1）樣品采集及保存

在所需測試的時間點(diǎn)提取微生物樣品，一般為改變工況前的1個周期末。為了保證取樣均勻，從反應(yīng)器的3個不同高度取樣混合，將取得的15 ml的污泥混合液置于10 ml離心管中，離心去除上清液，將離心管按順序編號，存放于-20℃冰箱保存，待實(shí)驗(yàn)全部完成后將全部樣品送到美吉生物科技醫(yī)藥公司（上海）進(jìn)行高通量測序的分析。

（2）實(shí)驗(yàn)流程

① DNA抽提：采用DNA提取試劑盒對預(yù)處理后的污泥樣品進(jìn)行DNA提取，然后利用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測獲得的基因組DNA，從而確定基因組 DNA的完整性，在經(jīng)過試劑盒定量后，確定PCR反應(yīng)加入的DNA量。

② PCR擴(kuò)增：針對細(xì)菌的16S rDNA的V3～V4區(qū)，合成帶有barcode的特異引物。采用融合F引物的341F(CCTACACGACGCTCTTCCGATCTN)和融合 R引物的 805R (GACTACHVGGGTATCTAATCC)進(jìn)行PCR擴(kuò)增。

全部污泥樣本按照正式實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行，每個污泥樣本3個重復(fù)，將同一污泥樣本的PCR產(chǎn)物混合后用 2%瓊脂糖凝膠電泳檢測，使用 AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒（AXYGEN公司）切膠回收 PCR產(chǎn)物，Tris_HCl洗脫；2%瓊脂糖電泳檢測。

③ 熒光定量：參照電泳初步定量結(jié)果，將PCR產(chǎn)物用 QuantiFluor?-ST藍(lán)色熒光定量系統(tǒng)（Promega公司）進(jìn)行檢測定量，之后按照每個污泥樣本的測序量要求，進(jìn)行相應(yīng)比例的混合。

④ 構(gòu)建Illumina平臺文庫，采用Illumina平臺測序。

⑤ 序列優(yōu)化處理：為了獲得質(zhì)量更高的序列，需對各污泥樣本序列做質(zhì)量控制處理。包括如下 4個步驟：去除各污泥樣本中的 barcode；去除小于50 bp短片段序列；去除低復(fù)雜度序列；提取高質(zhì)量的測定序列。對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾處理后，得到優(yōu)化序列。然后在去除嵌合體序列后進(jìn)行 OTU聚類分析，對OTU的代表序列作分類學(xué)分析。

1.3.3 水質(zhì)指標(biāo) 根據(jù)反應(yīng)器的性能每周進(jìn)行 3～4次典型周期監(jiān)測，水質(zhì)指標(biāo)包括濃度以及MLSS和MLVSS濃度，這些指標(biāo)的檢測均根據(jù)國家環(huán)保局發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)方法，分別如下。納氏試劑分光光度法；N-(1-萘基)-乙二胺光度法紫外分光光度法；總氮馬弗爐燃燒減重法。DO濃度使用溶解氧探頭在線監(jiān)測(WTW Multi350i,WTW公司)；pH采用pH探頭在線監(jiān)測(WTW Multi350i,WTW公司)。

1.3.4 比厭氧氨氧化速率（SAA）測定 在測定SAA批次實(shí)驗(yàn)時，先將不含基質(zhì)的配水加入反應(yīng)器（其他成分與常規(guī)進(jìn)水相同），然后用 100% N2充氣20 min，吹脫體系中的溶解氧；之后快速向2.5 L反應(yīng)器中加入25 ml已配置好的濃縮液（1 g·L-1），使得體系濃度均為 100 mg·L-1；同時使用 0.2 mol·L-1的 HCl和 0.2 mol·L-1的NaOH調(diào)節(jié)初始pH為7.0。反應(yīng)開始后，每隔30 min取一個水樣，測定其和濃度。

1.4 指標(biāo)計算

功能微生物理論原位活性：對脫氮微生物活性計算過程，本研究采用了理論活性計算公式，有兩個假設(shè)條件，首先由于本實(shí)驗(yàn)未引入有機(jī)物，因此可認(rèn)為系統(tǒng)為自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)，即認(rèn)為系統(tǒng)中氮素減少全部由AnAOB通過Anammox反應(yīng)以N2形式脫除；其次，本計算完全按照Anammox的理論計量學(xué)方程式[22][式（1）]推算，即（2.04表示轉(zhuǎn)換1對應(yīng)總氮的換算系數(shù)）。表征功能微生物理論原位活性的指標(biāo)包括，氨氧化速率（AOR）、亞硝酸鹽氧化速率（NOR）、脫氮速率（NRR）、最大比厭氧氨氧化速率(SAA)。

1.5 游離氨（FA）

本實(shí)驗(yàn)中按式(2)計算FA濃度[7]

2 結(jié)果與討論

2.1 側(cè)流富集/主流強(qiáng)化過程中脫氮性能的變化

2.1.1 主流反應(yīng)器的脫氮性能 圖1（a）顯示了主流反應(yīng)器在60 d運(yùn)行過程的脫氮效果。可以看出，通過7 d一周期更換主流反應(yīng)器40%污泥混合液的方式能夠使主流反應(yīng)器 TNRR維持在 80 g N·m-3·d-1左右，TNRE 在 70%左右。反應(yīng)器出水濃度一直小于1 mg·L-1。前一周內(nèi)（第1～7 天）為反應(yīng)器脫氮性能調(diào)試階段，進(jìn)水桶中濃度配置偏高，保證出水有足夠因此反應(yīng)器TNRE較低，維持在42%左右。前一周每天總曝氣時間在360～480 min，TNRR 為 100 g N·m-3·d-1。第 8～14天，將反應(yīng)器周期調(diào)整為 8 h，一天總曝氣時間為240 min，進(jìn)水桶濃度回到設(shè)定值（65±4）mg·L-1，TNRE上升至80%左右。然而，反應(yīng)器整體脫氮性能后續(xù)出現(xiàn)了較明顯的下降。第 14 天，TNRR下降至70 g N·m-3·d-1，出水升高至10.95 mg·L-1。由此可見，常溫、低氨氮條件對CANON反應(yīng)器性能的穩(wěn)定維持影響較大。整個過程中，反應(yīng)器內(nèi)幾乎未見積累，可以推斷本階段反應(yīng)器內(nèi) NOB比較活躍，由 AOB氧化生成的部分可能被NOB利用生成了使得AnAOB可利用的的量減少，最終導(dǎo)致TNRR降低。

圖1 CANON反應(yīng)器運(yùn)行過程氮素（進(jìn)、出水濃度、出水濃度和出水濃度）轉(zhuǎn)化以及TNRR和TNRE的變化Fig.1 Profiles of nitrogen compounds (expressed as influent and effluent ammonium concentration,effluent nitrite concentration and effluent nitrate concentration),TNRR and TNRE of CANON system over 60 days’ operation

為維持CANON反應(yīng)器的高效脫氮，第14 天將主流反應(yīng)器中40%的污泥更換為側(cè)流反應(yīng)器中的污泥。換泥后主流CANON反應(yīng)器的TNRR逐漸回升，最高可達(dá)90 g N·m-3·d-1，證明了換泥的確可以強(qiáng)化主流反應(yīng)器性能。如圖1（a）所示，主流反應(yīng)器換泥后的第1周（15～21 d），反應(yīng)器TNRR穩(wěn)定在80 g N·m-3·d-1左右，TNRE在70%以上。但是在第2周（22～29 d），CANON反應(yīng)器性能開始下降，反應(yīng)器在第 29 天時的 TNRR降低至 60 g N·m-3·d-1，TNRE 降低至 60%。以上結(jié)果表明，2周換泥頻率不足以保證主流反應(yīng)器脫氮性能。值得注意的是，此階段CANON反應(yīng)器出水基本保持穩(wěn)定，說明 NOB活性已得到有效抑制。此外，TNRR、TNRE各項(xiàng)性能指標(biāo)的變化情況也反映了換泥后的一周內(nèi)，主流反應(yīng)器的厭氧氨氧化性能得到了有效增強(qiáng)。

接下來兩周時間（30～44 d），每隔7 d主流和側(cè)流反應(yīng)器換一次泥，反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定，TNRR穩(wěn)定在80 g N·m-3·d-1左右，TNRE達(dá)到70%左右。出水和分別穩(wěn)定在5 mg·L-1左右和14.6 mg·L-1左右。可見，通過換泥主流反應(yīng)器可至少在一周內(nèi)維持穩(wěn)定運(yùn)行。為進(jìn)一步提高反應(yīng)器脫氮性能，第47～60天將周期時間調(diào)整為6 h，每天曝氣總時間576 min。如圖1（a）所示，反應(yīng)器TNRR逐漸升高至100 g N·m-3·d-1左右。同時曝氣時間增加后，反應(yīng)器出水濃度也有所上升，曝氣時間對NOB的影響還有待進(jìn)一步研究。

2.1.2 側(cè)流反應(yīng)器的脫氮性能 圖1（b）顯示了側(cè)流CANON反應(yīng)器60 d的脫氮效果。側(cè)流CANON反應(yīng)器TNRR在60 d內(nèi)運(yùn)行穩(wěn)定，保持在（370±30）g N·m-3·d-1，TNRE 也都高于 70%。同時可以看到，反應(yīng)器出水濃度維持穩(wěn)定，說明反應(yīng)器NOB活性穩(wěn)定。可見，以7 d為頻率的換泥方式未對側(cè)流反應(yīng)器的性能產(chǎn)生顯著影響，側(cè)流反應(yīng)器運(yùn)行良好，脫氮穩(wěn)定。

2.2 側(cè)流富集/主流強(qiáng)化過程中功能微生物活性變化

2.2.1 主流反應(yīng)器中功能微生物活性變化 圖 2（a）顯示了主流 CANON反應(yīng)器運(yùn)行過程各功能微生物的活性變化。前兩周（第1～14天）內(nèi)AOR基本保持穩(wěn)定，維持在（7.4±0.8）g N·m-3·h-1，未出現(xiàn)顯著下降。接下來 2周內(nèi)（15～29 d），AOR出現(xiàn)了明顯下降，即從第15天的7.7 g N·m-3·h-1降至第29天的4.7 g N·m-3·h-1，降低幅度達(dá)到40%。以時間為橫軸，AOR為縱軸直線擬合 15～21 d的活性數(shù)據(jù)得到R2?0.1；同樣擬合21～29 d數(shù)據(jù)得到斜率為-0.43（R2=0.99）。擬合結(jié)果說明，第1周內(nèi)的AOR基本穩(wěn)定，而第2周AOR呈直線下降。

圖2 CANON反應(yīng)器運(yùn)行過程中AOR、NOR、NRR 以及比值變化Fig.2 Changes of AOR,NOR,NRR and ratio of CANON system over 60 days of operation

接下來的兩周內(nèi)（30～44 d）恢復(fù)7 d一次的換泥頻率，可以看出 AOR在這兩周內(nèi)保持穩(wěn)定，維持在（5.4±0.8）g N·m-3·h-1。但是 30～44 d 內(nèi)的AOR卻低于1～14 d內(nèi)的AOR。這可能是由于周期的變化使得一天內(nèi)總曝氣時間從 1～14 d 的480 min降至30～44 d的210 min所致。但總體來看，保持7 d換泥頻率可以保證主流CANON反應(yīng)器中AOR的穩(wěn)定。接下來的兩周（45～59 d）內(nèi)，AOR有所上升，AOR基本維持在（7.4±0.7）g N·m-3·h-1，該值與 1～14 d的 AOR 值接近，高于30～44 d的（5.4±0.8）g N·m-3·h-1。這是由于周期改變之后，一天的總曝氣時間從8～46 d的210～240 min增加至46～60 d的576 min，可見AOR與曝氣時間呈正比。

運(yùn)行過程中NOR變化不大，且基本小于2 g N·m-3·h-1[圖 2（a）]，說明 NOB 活性已得到有效抑制的比值也被認(rèn)為是衡量厭氧氨氧化性能的一個重要指標(biāo)，Miao等[23]的研究發(fā)現(xiàn)，NOB活性得到有效抑制時，的比值為0.30。從圖2（a）中可以看到，本研究中主流反應(yīng)器的比值在整個過程中基本穩(wěn)定在0.2左右，雖然略高于CANON系統(tǒng)厭氧氨氧化反應(yīng)的理論值 0.11[1]，但比值的穩(wěn)定表明主流反應(yīng)器中NOB活性已得到有效抑制。

如圖2（a）所示，NRR在1～14 d內(nèi)基本保持穩(wěn)定，維持在 9.0 g N·m-3·h-1左右。15～29 d 內(nèi) NRR出現(xiàn)了顯著下降，從第15天的9.0 g N·m-3·h-1降低至第29天的3.9 g N·m-3·h-1，下降了56%。同樣，在換泥后第 1 周（15～21 d），NRR 維持在（7.8±1.7）g N·m-3·h-1；而后一周（21～29 d）的 NRR 在（6.4±2.2）g N·m-3·h-1?？梢姷?2周內(nèi) NRR 波動更厲害，表明2周14 d左右的運(yùn)行時間會消極影響主流AnAOB活性。在接下來的幾周內(nèi)，換泥頻率恢復(fù)至7 d一次，NRR基本穩(wěn)定在（7.3±1.5）g N·m-3·h-1。因此，本實(shí)驗(yàn)中7 d換泥頻率可以維持主流反應(yīng)器AnAOB的活性。

2.2.2 側(cè)流反應(yīng)器中功能微生物活性變化 與脫氮性能相似，側(cè)流反應(yīng)器在運(yùn)行過程中各微生物活性保持穩(wěn)定[圖2（b）]。這再次證明了7 d換泥頻率對側(cè)流反應(yīng)器影響不大，側(cè)流反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定。本實(shí)驗(yàn)中側(cè)流反應(yīng)器進(jìn)、出水FA濃度分別為20.8～和整個反應(yīng)過程中FA普遍高于NOB抑制濃度（FA=0.08～0.82 mg N·L-1）[7]，并且側(cè)流反應(yīng)器溫度一直控制在30℃，接近AnAOB的最佳生長溫度[24]，說明側(cè)流高溫高氨氮條件能很好地維持CANON反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 側(cè)流富集/主流強(qiáng)化脫氮效果分析

圖3顯示了運(yùn)行過程中（60 d）主流和側(cè)流反應(yīng)器污泥濃度的變化以及主流 CANON反應(yīng)器中SAA的變化。主流反應(yīng)器在15～60 d中MLVSS基本穩(wěn)定在（1.32±0.06）g·L-1，說明主流反應(yīng)器污泥得到了較好持留效果。側(cè)流反應(yīng)器污泥濃度持續(xù)升高，從第15天的1.5 g·L-1上升至第60天的2.7 g·L-1。說明側(cè)流工藝污泥增長良好，達(dá)到了很好的側(cè)流富集CANON污泥（包括亞硝化菌和厭氧氨氧化菌）的效果。

圖3 主側(cè)流反應(yīng)器運(yùn)行過程中MLVSS變化以及主流反應(yīng)器運(yùn)行過程中SAA的變化Fig.3 Changes of MLVSS of mainstream and sidestream CANON system and SAA of mainstream CANON system over 60 days’ operation

如圖3所示，主流CANON反應(yīng)器SAA從第15 天的 7.07 kg N·(kg VSS)-1·d-1降低至第 31 天的4.24 kg N·(kg VSS)-1·d-1，即 SAA 逐漸降低了近40%，可見，AnAOB在主流反應(yīng)器中面臨著常溫低基質(zhì)濃度的不利條件活性降低非常明顯。但當(dāng)反應(yīng)器采取了7 d一次的換泥措施后，SAA逐漸上升；到第 60 天上升至 10.4 kg N·(kg VSS)-1·d-1?？梢娫诒緦?shí)驗(yàn)條件下，采用7 d為頻率的換泥方式，能夠保證主流反應(yīng)器中Anammox活性，有利于AnAOB的生長，確保主流CANON反應(yīng)器的脫氮性能。

2.4 側(cè)流富集/主流強(qiáng)化系統(tǒng)功能微生物群落結(jié)構(gòu)的變化

圖4 ZCL0、CL60、ZL60 3個污泥樣品微生物群落結(jié)構(gòu)組成變化Fig.4 Changes of microbial community taxonomic compositions from three samples of ZCL0,CL60 and ZL60(Mainstream and sidestream reactor were inoculated with sludge from mother CANON reactor on day 0,named ZCL0;sludge samples of mainstream and sidestream reactor on day 60 were named ZL60 and CL60 respectively)

本實(shí)驗(yàn)在第0天和第60天分別從主流和側(cè)流反應(yīng)器中取泥樣進(jìn)行16S rDNA高通量測序分析。圖4（a）顯示了16S rDNA高通量測序結(jié)果在門分類水平的豐度對比。其中浮霉菌門（Planctomycetes）和變形菌門（Proteobacteria）兩者總和超過了50%，說明這兩個菌門在系統(tǒng)中占優(yōu)勢地位，而這正是CANON系統(tǒng)中的功能微生物 AnAOB（屬于Planctomycetes門）和AOB（屬于Proteobacteria門）所在的兩個菌門。除此之外，綠彎菌門（Chloroflexi）和綠菌門（Chlorobi）這兩類環(huán)境中常見的不產(chǎn)氧光合細(xì)菌在系統(tǒng)中的豐度也較高。這兩類細(xì)菌在自養(yǎng)系統(tǒng)中廣泛存在[25]，它們被認(rèn)為通過利用自養(yǎng)菌的可溶性細(xì)胞產(chǎn)物（SMP）和胞外多聚物（EPS）存活。同時系統(tǒng)中還存在少量（＜1%）的硝化螺菌門（Nitrospirae）（部分NOB，如Nitrospira屬屬于Nitrospirae門）。

圖4（b）顯示了16S rDNA高通量測序結(jié)果在屬分類水平的豐度對比。結(jié)果表明，本實(shí)驗(yàn)CANON系統(tǒng)中起亞硝化作用的 AOB主要是Nitrosomonas屬，進(jìn)行 Anammox反應(yīng)的 AnAOB主要為CandidatusJettenia屬，這兩類菌種常作為主要的脫氮功能微生物出現(xiàn)在CANON系統(tǒng)中[26]；同時系統(tǒng)中還存在少量Nitrospira屬的NOB（＜1%）。值得注意的是，在主流反應(yīng)器中，Denitratisoma和SJA-28_norank兩類微生物的豐度發(fā)生了較為顯著的變化，分別從 12.38%、2.21%上升至 18.92%、7.08%，這兩類異養(yǎng)微生物在 CANON系統(tǒng)中都有所報道[27]。SJA-28_norank屬于Chlorobi門，該菌門的微生物被報道具有降解復(fù)雜有機(jī)物的能力[28]。主流反應(yīng)器中溫度低，基質(zhì)濃度低，微生物容易處于衰減狀態(tài)。因此SJA-28_norank和Denitratisoma可能協(xié)同合作，SJA-28_norank降解衰亡微生物供Denitratisoma使用，從而影響主流系統(tǒng)主要脫氮功能微生物的豐度。

如圖 4（b）所示，側(cè)流反應(yīng)器中CandidatusJettenia豐度隨運(yùn)行時間呈明顯提高趨勢，從第0天的42.3%上升至第60天的57.2%，可見AnAOB在馴化過程中均處于優(yōu)勢地位；Nitrosomonas豐度有小幅下降，從6.65%下降到5.97%。結(jié)合脫氮效果[圖1（b）]，可以發(fā)現(xiàn)側(cè)流CANON反應(yīng)器在運(yùn)行過程得到不斷強(qiáng)化。同時注意到側(cè)流反應(yīng)器中Denitratisoma和SJA-28_norank豐度降低而主流增加，可見在側(cè)流反應(yīng)器中由于功能微生物生長良好使得這些異養(yǎng)菌沒有生存空間，無法成為優(yōu)勢菌種。而主流反應(yīng)器中CandidatusJettenia在常溫低氨氮條件下運(yùn)行并采用換泥強(qiáng)化后，豐度略有下降，從42.3%下降到 34.7%；Nitrosomonas的豐度也從6.65%下降到 2.67%，但是其脫氮效果并未大幅下降，TNRR 維持在 80 g N·m-3·d-1左右，TNRE 在70%左右[圖1（a）]。這一結(jié)果說明，采用7 d換泥一次方式，主流反應(yīng)器低氨氮和常溫條件下的自養(yǎng)脫氮效果得到了強(qiáng)化。同時注意到整個過程中主流反應(yīng)器Nitrospira豐度雖有一定程度的增加，但始終小于1%，可見NOB已得到有效控制，證明了本實(shí)驗(yàn)中側(cè)流富集/主流強(qiáng)化的方式有效抑制了 NOB增殖，有效控制了NOB豐度。

3 結(jié) 論

（1）通過側(cè)流富集/主流強(qiáng)化工藝能夠?qū)崿F(xiàn)CANON工藝在常溫（25℃）、低濃度（約60 mg·L-1）條件下的穩(wěn)定運(yùn)行。在60 d運(yùn)行過程中，通過7 d更換主流反應(yīng)器40%污泥混合液的方式能夠維持主流反應(yīng)器總氮去除負(fù)荷在 80 g N·m-3·d-1左右，總氮去除率在70%左右，也可有效維持主流反應(yīng)器中Anammox活性，主流反應(yīng)器SAA持續(xù)升高。說明采用側(cè)流富集/主流強(qiáng)化的運(yùn)行方式來實(shí)現(xiàn)CANON工藝在市政污水主流線的應(yīng)用是可行的。換泥頻率可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)節(jié)優(yōu)化。

（2）16S rDNA高通量測序結(jié)果表明，主流和側(cè)流CANON系統(tǒng)中起亞硝化作用的AOB主要是Nitrosomonas屬；進(jìn)行Anammox反應(yīng)的AnAOB 主要是CandidatusJettenia屬。通過控制低DO（0.1～0.2 mg·L-1）和側(cè)流富集/主流強(qiáng)化手段有效抑制了NOB增殖，有效控制了NOB豐度，60 d運(yùn)行過程中主流反應(yīng)器Nitrospira豐度一直小于1%。換泥方式?jīng)]有影響側(cè)流反應(yīng)器 AnAOB的優(yōu)勢地位，CandidatusJettenia的豐度明顯提高。

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date:2017-05-22.

Prof.WANG Yayi,wyywater@126.com

supported by the National Natural Science Foundation of China (Outstanding Young Foundation)(51522809).

Controlling strategy for a CANON system treating wastewater with low ammonium concentration at room temperatureviabio-augmentation batch enhance method

CAO Lijuan,CHEN Jie,JIANG Guangmeng,CHANG Qinglong,WANG Yayi
(State Key Laboratory of Pollutant Controlling and Resource Reuse,College of Environmental Science and Engineering,Tongji University,Shanghai200092,China)

The feasibility of the completely autotrophic nitrogen removal over nitrite (CANON) process for removal of nitrogen from mainstream wastewater (～60 mg) at room temperature (25℃) was investigated using bio-augmentation batch enhanced (BABE) controlling strategy.The results indicated that through changing 40% sludge of the mainstream reactor from sidestream reactor every 7 d,the total nitrogen removal rate (TNRR) and the total nitrogen removal efficiency (TNRE) stabilized at about 80 g N·m-3·d-1and 70%.The specific anammox activity in mainstream reactor increased continuously.16S rDNA gene high-throughput sequencing results showed that the functional microorganisms involved in both mainstream and sidestream reactor wereCandidatusJettenia like anammox bacteria andNitrosomonaslike ammonia-oxidizing bacteria (AOB),and the abundance ofNitrospiralike nitrite-oxidizing bacteria (NOB) always maintained below 1% during 60 days’ operation.It can be concluded that the operational mode of changing sludges between mainstream and sidestream every 7 d guarantees anammox activity and good nitrogen removal performance of mainstream CANON reactor under the experimental conditions herein.

CANON; bio-augmentation batch enhanced; room temperature and low ammonium concentration;high-throughput sequencing

X 703.1

A

0438—1157（2017）12—4723—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20170663

2017-05-22收到初稿，2017-07-15收到修改稿。

聯(lián)系人：王亞宜。

曹麗娟（1993—），女，碩士研究生。

國家自然科學(xué)基金（優(yōu)秀青年基金）項(xiàng)目（51522809）。