1 引言
全程自養(yǎng)脫氮(completely autotrophic nitrogen removal over nitrite，CANON)是將厭氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation，ANAMMOX)和短程硝化(partial nitrification，PN)結合到一個反應器內的新型生物脫氮工藝(Third et al.，2001;周少奇，2000).部分氨氮首先通過氨氧化細菌(ammonia-oxidizing Bacteria，AOB)轉化為亞硝態(tài)氮，剩余的氨氮和亞硝態(tài)氮被ANAMMOX菌轉化為氮氣而實現(xiàn)對氮素的去除，是一種簡捷的脫氮途徑，且ANAMMOX菌與AOB菌屬于自養(yǎng)菌，倍增時間較長，故CANON工藝具有不消耗有機碳源、污泥產(chǎn)量少、降低曝氣量等優(yōu)點.但CANON工藝的運行條件極為苛刻，導致CANON工藝的應用較少，目前主要應用于垃圾滲濾液和污泥消化液)等高氨氮廢水的處理.
CANON工藝的關鍵在于AOB菌與ANAMMOX菌的協(xié)作共生，任何一方受到不利影響時，整個工藝都不能有效運行，而ANAMMOX菌的影響因素眾多，其中磷酸鹽對ANAMMOX菌有一定的抑制作用(Oshiki et al.，2011;鮑林林等，2013).CANON是多因素影響的生物脫氮過程，先前的研究主要集中在溶解氧、pH、溫度和基質濃度等對該工藝的脫氮特性影響，而磷酸鹽對CANON工藝的脫氮特性是否有影響，目前尚未見報道.
工業(yè)上的化肥廠廢水(主要指復合肥)和制藥行業(yè)都含有較高濃度的氮和一定濃度的磷酸鹽(王元月等，2013)，故研究磷酸鹽對CANON工藝的影響，可為CANON處理含氮磷廢水提供依據(jù)，具有重要的理論和現(xiàn)實意義.本實驗利用穩(wěn)定運行的CANON工藝，考察磷酸鹽對CANON工藝脫氮特性的影響，以期為實際廢水的工程應用提供理論基礎.
2 材料與方法
2.1 實驗廢水
試驗采用模擬廢水，主要成分為(NH4)2SO4，進水磷酸鹽(以P計)濃度通過投加KH2PO4來調整，其他礦質元素為CaCl2為120 mg·L-1，NaHCO3為1600 mg·L-1，MgSO4為150 mg·L-1.微量元素Ⅰ(EDTA為5000 mg·L-1，F(xiàn)eSO4為5000 mg·L-1)和微量元素Ⅱ(CuSO4·5H2O為250 mg·L-1，ZnSO4·7H2O為430 mg·L-1，MnCl2·4H2O為990 mg·L-1，NiCl2·6H2O為190 mg·L-1，CoCl2·6H2O為240 mg·L-1，H3BO4為14 mg·L-1，NaMoO4·2H2O為220 mg·L-1)均為1.2 mL·L-1.
2.2 實驗裝置
實驗裝置和工藝流程如圖 1所示，反應器由有機玻璃制成，有效容積2.4 L，見圖 1.廢水通過恒流泵(BT—100B)將模擬廢水從反應器底部泵入，出水由出水口流出，反應器內添加BM填料，規(guī)格為φ10×8，比表面積為1200 m2·m-3，載體平均濕密度約為1 mg·cm-3.用增氧泵(海利，中國)進行曝氣，曝氣量通過轉子流量計調節(jié)，反應器底部有微孔氣泡石，可以將空氣進行分散.反應器中有在線工業(yè)pH計和DO溶氧儀對混合液中的pH和溶解氧實時在線監(jiān)控;pH的范圍保持在7.60～7.80，當混合液的pH在7.60以下時，電腦會啟動加堿泵自動加入NaHCO3堿液(1 mol·L-1)進行控制;溶解氧一般通過調節(jié)曝氣量控制在0.5~1.0 mg·L-1.為防止光能自養(yǎng)菌的生長，反應器外部包裹黑布遮光，反應器外圍設有循環(huán)水套管，外接恒溫水箱使反應器內溫度保持在(30±1)℃.
圖 1 實驗裝置和工藝流程圖
2.3 分析項目和方法
NH4+-N：納氏試劑分光光度法(國家環(huán)保局 ，2002);NO2--N：N-(1-萘基)-乙二胺光度法(國家環(huán)保局 ，2002);NO3--N：紫外分光光度法(國家環(huán)保局，2002);MLSS、MLVSS：重量法(國家環(huán)保局 ，2002);總磷:鉬銻抗分光光度法(國家環(huán)保局 ，2002);pH值：PHG8006型在線pH計;電導率：DDG8103A電導率儀;溶解氧DO：DOG8008A全自動工業(yè)溶氧儀;TN通過下式計算：TN=NH4+-N+NO2--N+NO3--N
在反應器啟動時，往反應器內加入硝化污泥和少量的ANAMMOX污泥，保持反應器內的溶解氧溶度在0.5~1.0 mg·L-1左右，整個試驗分為啟動運行和磷酸鹽試驗兩個階段，第1～31 d為反應器的啟動運行階段(A階段)，32～113 d為磷酸鹽實驗階段(B階段).
3 結果
3.1 CANON反應器的啟動與穩(wěn)定運行階段(A階段)
NH4+-N、NO2--N、NO3--N和TN的變化情況分別如圖 2～3所示.由圖 2和圖 3可知，通過增大反應器NH4+-N濃度和減小水力停留時間(hydraulic retention time，HRT)來提高反應器內的氮容積負荷，每次增大氮容積負荷時，反應器內的脫氮效率出現(xiàn)短期的降低后得到快速提升，CANON反應器內的脫氮效率和負荷逐漸提高.
圖 2 進出水基質濃度和NH4+-N去除率
圖 3 氮去除負荷、HRT和進出水磷酸鹽濃度
在此階段進水磷酸鹽濃度(以P計)為8 mg·L-1，作為微生物生長所需的元素.在第20 d，反應器進水NH4+-N濃度達到850 mg·L-1，HRT達到16.5 h，總氮去除負荷(NRR)達到1.1 kg·m-3·d-1，NH4+-N去除率為95.1%，TN去除率達到83.3%，之后至第31 d，反應器內的NH4+-N去除率為92.9%，NRR為1.1 kg·m-3·d-1，TN去除率達到84.1%，反應器內的脫氮效率始終保持著高效穩(wěn)定的趨勢，證明CANON工藝已成功啟動.
3.2 磷酸鹽對CANON反應器的脫氮特性影響
在實驗第32 d開始(B階段)，保持其他試驗條件不變，進行磷酸鹽投加實驗.試驗第32～35 d，反應器內的磷酸鹽濃度增至20 mg·L-1(圖 2～圖 3)，反應器的NH4+-N去除率保持在92.1%以上，平均出水濃度為59.9 mg·L-1，NRR保持在1.0 kg·m-3·d-1，平均TN去除率為84.3%，在磷酸鹽濃度為20 mg·L-1時，對反應器的影響不大.
在第36～45 d，將磷酸鹽的濃度增至30 mg·L-1期間出水NH4+-N明顯降低，平均NH4+-N出水濃度達到14.2 mg·L-1，平均NO3--N出水濃度為81.6 mg·L-1，NO2--N出水濃度平均在27.7 mg·L-1，NH4+-N去除率明顯升高，平均值去除率為98.3%，TN平均去除率85.3%，NRR平均在1.1 kg·m-3·d-1，可知適當增加磷酸鹽的濃度，有利于促進反應器的脫氮活性.試驗第46～49 d，磷酸鹽的濃度升至40 mg·L-1，反應器的脫氮性能發(fā)生輕微的變化，平均出水的NH4+-N濃度為47.9 mg·L-1，NRR平均去除1.0 kg·m-3·d-1，暫時還未受到明顯影響，但NH4+-N和TN的去除效果較低于磷酸鹽濃度為30 mg·L-1的階段.
試驗第50 d，磷酸鹽的濃度升至50 mg·L-1(圖 2～圖 3).第51 d，反應器NH4+-N的出水濃度突增至225.5 mg·L-1，NH4+-N去除率從95.3%下降至72.8%，TN去除率從86.5%降至65.8%，NRR從1.1 kg·m-3·d-1減至0.8 kg·m-3·d-1，CANON工藝的脫氮性能開始受到影響.第54 d，反應器的出水NH4+-N濃度為179.1 mg·L-1左右，NRR為0.8 kg·m-3·d-1.保持反應器的運行條件不變，在第55 d繼續(xù)增大進水磷酸鹽的濃度至60 mg·L-1，反應器的出水NH4+-N濃度逐漸提高，第57 d時，出水升高至387.0 mg·L-1，去除率為54.9%，NRR為0.6 kg·m-3·d-1，隨著磷酸鹽的增加，反應器的脫氮效果逐漸變差.
第58 d，NH4+-N去除率為59.9%，TN去除率為54.4%，反應器內的NRR達到0.4 kg·m-3·d-1，保持磷酸鹽和氨氮的進水濃度不變，增大HRT至28.8 h，之后第59 d，反應器內的脫氮效率得到很大的提高，NH4+-N和TN去除率分別升至89.7%和78.8%.第61～75 d，保持HRT在28.8 h，繼續(xù)提高磷酸鹽的進水濃度至70 mg·L-1，此時NH4+-N和TN的平均去除率為88.9%和79.7%，NRR達到0.5 kg·m-3·d-1，NH4+-N的平均出水濃度為88.9 mg·L-1，NO2--N平均出水濃度在1.2 mg·L-1，NO3--N平均出水濃度為74.4 mg·L-1.
第76 d，磷酸鹽濃度升至80 mg·L-1.第77 d時，出水NH4+-N增至243.4 mg·L-1，NRR降至0.4 kg·m-3·d-1，至76～85 d，平均出水NH4+-N在190 mg·L-1以上，TN去除率升至68.0%.在第86 d將HRT增大至38.4 h，第88 d時出水氨氮逐漸降低至51.9 mg·L-1，NRR為0.4 kg·m-3·d-1，TN去除率升至84.2%.
第89～98 d，使進水磷酸鹽濃度升至90 mg·L-1，出水NH4+-N較前一個階段有所升高，平均出水濃度為113.3 mg·L-1，TN去除率降至66.6%，NRR為0.3 kg·m-3·d-1.試驗第99 d，再次將磷酸鹽的濃度提高到100 mg·L-1，反應器的出水效果進一步惡化，TN去除率和NRR逐漸降低，到試驗113 d時，出水的NH4+-N達到351.4 mg·L-1，NH4+-N和TN去除率為58.8%和52.8%，NRR降至0.28 kg·m-3·d-1.第114 d開始，停止磷酸鹽實驗，恢復磷酸鹽進水濃度8 mg·L-1.綜合以上分析，隨著磷酸鹽濃度的增加，反應器的脫氮性能逐漸降低，磷酸鹽對CANON工藝的脫氮有一定的抑制作用.
3.2 磷酸鹽對短程硝化和ANAMMOX穩(wěn)定性的影響
由3.1節(jié)可知，磷酸鹽對CANON反應器的脫氮效果有影響，可知當磷酸鹽濃度增大到一定濃度時，反應器的脫氮性能效果變差，故磷酸鹽可能對反應器內的菌群有一定的抑制作用，而CANON工藝的運行主要需AOB菌和ANAMMOX菌的協(xié)同作用，因此，通過分析短程硝化和ANAMMOX的穩(wěn)定性來推斷磷酸鹽對兩種菌的影響.
短程硝化的穩(wěn)定性可通過進出水Δ(NO3--N)的變化與進出水Δ(TN)變化的比值來判斷短程硝化的穩(wěn)定性(付昆明等，2012)，當Δ(NO3--N)/Δ(TN)與0.127的差值大于0時，表明短程硝化不完全，差值越大，短程硝化的效果越不理想.
在整個實驗階段，進出水Δ(NO3--N)/Δ(TN)的比值如圖 4所示.由圖 4可知，在整個實驗階段，Δ(NO3--N)/Δ(TN)的比值大部分都小于理論值0.127，平均值是0.109，其差值大部分小于0，故在整個磷酸鹽實驗階段，短程硝化的效果較為穩(wěn)定.
圖 4 Δ(NO3--N)/Δ(TN)的化學計量比
ANAMMOX的效果主要通過TN的去除效果來衡量(付昆明等，2012).由圖 3可知，隨著磷酸鹽濃度的增加，NRR的去除效果逐漸降低.如在試驗第99 d，保持曝氣量等其他條件不變，增大磷酸鹽的濃度至100 mg·L-1時，反應器的出水氨氮進一步升高，NRR和TN去除率逐漸降低，故在磷酸鹽試驗中ANAMMOX的運行表現(xiàn)較不穩(wěn)定，磷酸鹽對ANAMMOX菌的穩(wěn)定性有影響.因此可知，磷酸鹽對CANON反應器的影響，主要是磷酸鹽對ANAMMOX菌有一定的抑制作用.
3.3 反應器內微生物濃度變化
由下圖可知，在反應器啟動期間的第11 d和19 d，進水磷酸鹽濃度保持在8.0 mg·L-1，11 d比19 d的微生物濃度有所降低，這可能是在啟動階段時，在新的環(huán)境下較適合AOB菌和ANAMMOX菌的生長，污泥中原有的微生物菌群大部分不適應環(huán)境而死亡，其他菌的主導優(yōu)勢逐漸消失或者被淘汰，且AOB菌和ANAMMOX菌的倍增時間較長，故導致CANON工藝內微生物的濃度降低.
圖 5 CANON反應器內微生物隨時間的變化
第36 d，磷酸鹽濃度達到30 mg·L-1，反應器內的微生物濃度比前期的較高，反應器內的AOB菌和ANAMMOX菌在適宜的條件下得到快速的增長.在磷酸鹽濃度達到30 mg·L-1的期間，反應器呈現(xiàn)出穩(wěn)定高效的脫氮效率.第56 d，當磷酸鹽濃度達到60 mg·L-1時，微生物受到明顯抑制，反應器微生物濃度降低，脫氮效果變差，出水NH4+-N濃度升高，NRR下降至0.7 kg·m-3·d-1.第71 d時微生物濃度比56 d低，主要的原因可能是受磷酸鹽或HRT變化的影響，第94 d和113 d在相同的HRT的條件下，隨著磷酸鹽濃度的增加，微生物的濃度逐漸降低.第113 d時，磷酸鹽濃度達到100 mg·L-1時，反應器內的微生物濃度達到最低，脫氮效率持續(xù)降低.
4 討論
CANON工藝是依靠AOB菌和ANAMMOX菌的協(xié)同作用進行生物脫氮，任何一種細菌受到不利影響時都會導致工藝的脫氮效果變差.不少學者研究了磷酸鹽對ANAMMOX的影響作用(見表 1).從表 1可知，多數(shù)研究得出：一定濃度下，磷酸鹽對ANAMMOX菌有一定的抑制作用，會導致ANAMMOX菌的活性降低，但影響的濃度和程度都說法不一.
表 1 磷酸鹽對ANAMMOX菌的影響研究
磷酸鹽對Anammox菌的影響機理目前尚未得知.可能的原因有三：其一是磷酸鹽在厭氧條件下，可能轉化為磷化氫，而磷化氫對厭氧微生物有一定的抑制作用.研究發(fā)現(xiàn)磷化氫可由厭氧微生物還原磷酸鹽形成，在厭氧環(huán)境中普遍存在(Roels et al.，2011)，且郭夏麗等發(fā)現(xiàn)磷化氫對厭氧微生物(硫酸鹽還原菌)有抑制作用(郭夏麗等，2013)，磷化氫可能對ANAMMOX菌有抑制作用，導致反應器的脫氮性能變差.其二是當磷酸鹽濃度較高時，細菌表面可能吸附較多的磷酸鹽，降低了微生物與氮素、或營養(yǎng)元素的接觸，也能使微生物的活性受到影響.第三個可能的原因是在高濃度磷酸鹽條件下，反應器內可能生成鳥糞石為主的晶體，這些晶體可能附著在微生物表面，導致微生物的反應基質缺乏，從而導致反應器的脫氮效果下降.有學者認為當磷酸鹽濃度達到一定范圍時，反應器內將會產(chǎn)生鳥糞石為主的晶體，這些晶體占據(jù)污泥之間的部分空隙后，將會阻塞水流通道，使得Anammox反應基質缺乏，從而影響反應器脫氮效果(王俊安等，2009;鮑林林等，2013)，而有外國學者得出當pH值大于8.00時才較易形成鳥糞石(Doyle et al.，2002)，因此，反應器內生成磷酸鹽物質而附著在微生物表面，導致反應效果變差的說法有待進一步研究.
在運行過程中，有些時候磷酸鹽的出水濃度高于進水濃度，特別是當反應器受到不利影響時，容易使反應器的出水磷酸鹽濃度大于進水濃度，可能的原因是：當反應器受到不利影響時，微生物的正常功能受到影響，將原先吸附在微生物表面的磷酸鹽釋放出來或者微生物部分死亡后裂解，釋放出細胞內含磷物質，從而使出水磷酸鹽濃度升高.而是否是因為磷化氫的抑制作用導致反應器的脫氮效果變差，使得出水磷酸鹽濃度高于進水，也只是一種可能性的猜測.
通過對短程硝化和ANAMMOX的穩(wěn)定性分析可知，在磷酸鹽試驗中，Δ(NO3--N)/Δ(TN)的比值大部分都小于理論值0.127，短程硝化的效果較為理想，并沒有受到磷酸鹽的明顯影響.而反應器TN的去除效果受到較為明顯的影響，主要原因就是ANAMMOX菌受到不利影響，從而導致脫氮效果變差.這也驗證了磷酸鹽對ANAMMOX有抑制作用.
試驗中改變HRT后，仍能說明磷酸鹽對反應器的脫氮性能有影響.在實驗第50 d，由于反應器受到磷酸鹽的不利影響，脫氮性能逐漸下降，反應器內的微生物受到較大影響，為了防止反應器的繼續(xù)惡化，恢復反應器的穩(wěn)定性，故此時增大HRT，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增強反應器對不利影響的抵抗力，以便于后續(xù)試驗的進行.等到反應器的脫氮效率得到恢復后，保持在相同的HRT的條件下，進一步增大磷酸鹽濃度，研究反應器的脫氮性能，試驗的結果也證明，當試驗第76 d時，保持HRT為28.8 h時，增大磷酸鹽的濃度時，反應器的脫氮效果進一步變差.說明試驗中改變反應器的HRT后，仍能得出磷酸鹽對反應器的脫氮性能有影響.
在試驗中發(fā)現(xiàn)，當磷酸鹽濃度為30 mg·L-1時，反應器的脫氮性能達到最高，出水NH4+-N濃度降至10 mg·L-1以下，比其它濃度下的處理效果都要好.第94 d，磷酸鹽濃度達到90 mg·L-1，反應器的微生物濃度比第71 d時的微生物濃度低，TN去除率降至72.6%，之后隨著磷酸鹽濃度的增加，CANON的脫氮性能逐漸變差，出水氨氮升高，TN和NRR逐漸降低，結果顯示磷酸鹽在一定的濃度下，將有利于微生物的生長，提高工藝的處理效果，而磷酸鹽超過一定的濃度后，將會影響ANAMMOX菌活性，不利于工藝的穩(wěn)定運行.
運用CANON工藝處理實際含氮廢水時，如化肥廠廢水(主要指復合肥)和制藥廢水都含有較高濃度的氮和一定濃度的磷(王元月等，2013)，此時需注意磷酸鹽對CANON工藝的影響，采取相應措施，使得磷酸鹽的濃度不抑制污泥的活性，或者適宜于污泥的生長.具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關技術文檔。
5 結論
1)由于并未檢測CANON反應器內微生物的種類和數(shù)量，所得結論并不一定具有普適性，所得結論僅代表本實驗所得結果.在本研究中發(fā)現(xiàn)，CANON工藝在pH在7.60～7.80，HRT為16.5 h和溫度T保持在(30±1)℃的條件下，當磷酸鹽濃度為30 mg·L-1時，微生物濃度達到最大，反應器的脫氮效率達到最高，NH4+-N的平均出水濃度達到14.2 mg·L-1，平均值去除率為98.3%，TN平均去除率85.3%，NRR平均在1.1 kg·m-3·d-1.
2)在整個磷酸鹽試驗過程中，短程硝化的效果較穩(wěn)定，而ANAMMOX的表現(xiàn)效果則較差，故磷酸鹽對CANON工藝的不利影響，主要是由于磷酸鹽對ANAMMOX菌有一定的抑制作用.
3)適當?shù)牧姿猁}濃度對CANON工藝有促進作用，過量的磷酸鹽則會對工藝有抑制作用.在HRT保持為16.5 h，當磷酸鹽濃度大于40 mg·L-1時，反應器內的微生物濃度和總氮去除效果開始逐漸降低;在第113 d，磷酸鹽濃度達到100 mg·L-1時，NRR和TN去除率持續(xù)下降，分別為0.28 kg·m-3·d-1和52.8%，微生物濃度達到最低.
