CANON颗粒污泥工艺的启动与负荷提高策略

为缩短工程应用中CANON颗粒污泥工艺的启动时间及提高总氮去除负荷,利用SBR反应器,研究了CANON颗粒污泥工艺启动规律与负荷提高策略.试验过程中,温度控制在30℃±1℃,pH 7~8,根据反应器内污泥形态及脱氮效果,调整沉淀时间及曝气量.结果表明,反应器运行55 d后,实现了絮体和颗粒污泥共生系统向颗粒污泥系统的转变;117 d时,总氮去除负荷达到0.32 kg·(m~3·d)~(-1),并能稳定维持,CANON颗粒污泥工艺启动成功.通过采取不断提高曝气量的方式,运行77 d后,总氮去除负荷能平均维持在1.35 kg·(m~3·d)~(-1),实现了工艺负荷的提高.试验中发现总氮去除负荷和DO之间具有较好的相关性,可以简单地通过观察DO浓度掌握脱氮效能,维持工艺的稳定运行.     

生物膜强化推流式颗粒污泥自养脱氮反应器启动

提出了一种推流式一体化短程硝化厌氧氨氧化颗粒污泥反应器的强化启动策略.第1步，在推流式反应器内接种活性污泥并投加固定生物膜填料，通过逐渐提高进水氨氮浓度和曝气量并控制溶解氧在0.2mg/L以下，自养脱氮反应器成功启动并稳定运行，总无机氮去除负荷达1.7kgN/（m³·d）.运行期间生物膜逐渐生长、成熟并出现脱落，同时悬浮污泥出现红色颗粒.第2步，填料填充比从20%降低至0，系统的总无机氮去除负荷短暂下降至0.85kgN/（m³·d），平均污泥粒径从270μm降低至163μm.但系统脱氮负荷随着曝气量的增加可迅速恢复，且平均污泥粒径逐渐增加至195μm.结果表明，推流式反应器中悬浮絮体污泥与颗粒污泥可稳定存在，且悬浮污泥系统的脱氮负荷可达1.5kgN/（m³·d），与固定生物膜-活性污泥系统相当.本研究为推流式厌氧氨氧化颗粒污泥工艺的启动提供了可行的方案.     

全自养脱氮颗粒污泥的培养及脱氮性能的恢复与强化

采用交替限氧-厌氧和低充放比(30%)运行模式,在SBR反应器中成功启动全自养脱氮(CANON)工艺,启动过程经历常规硝化主导阶段、短程硝化主导阶段和全自养脱氮阶段,总氮去除速率和总氮去除效率分别达到(312±15)mg/(L·d)和(71.2±4.3)%.培养得到的污泥中颗粒污泥(粒径3300μm)和絮状污泥(粒径<300μm)体积分别占污泥总体积的39%和61%.在自养脱氮性能恶化的SBR反应器进水中长期添加适量N2H4,反应器脱氮性能得以恢复甚至强化,反应器总氮去除速率升高到(480±34)mg/(L·d),颗粒污泥的比例增加到污泥总体积的51%.     

CANON中试反应器启动及性能优化

以青岛某污水处理厂污泥消化液为连续进水,控制温度在(30±3)℃,接种污水厂普通活性污泥,驯化启动CANON反应器.为解决菌种流失、优化反应器性能,向CANON反应器内投加悬浮生物载体,转换为生物膜CANON反应器.结果表明,经过130 d运行培养,总氮去除负荷达到0. 03 kg·(m~3·d)~(-1),硝酸盐生成量与氨氮减少量的比值(RNaA)平均为0. 09,接近理论值0. 11,由此判断CANON反应器启动成功. CANON活性污泥反应器共运行300 d,稳定运行时总氮去除负荷为0. 20kg·(m~3·d)~(-1).投加悬浮载体后,经过30d运行培养,系统成功转换为纯膜系统,载体表面生物膜转为淡红色,TN平均去除负荷达到0. 17 kg·(m~3·d)~(-1),RNaA平均为0. 14,略大于理论值0. 11.由此判断CANON污泥在MBBR工艺中逐渐适应并得以稳定运行. CANON-MBBR反应器共运行200 d,稳定运行期间,总氮去除负荷为1. 15 kg·(m~3·d)~(-1).高通量测序结果表明,CANON-MBBR成功启动后,AOB和An AOB是系统中的优势菌种,相对丰度分别达到26. 24%和30. 08%,NOB被成功抑制.以上结果表明,以高密度聚乙烯填料为悬浮载体的CANON-MBBR具有良好的脱氮效能,有利于自养脱氮工艺的稳定运行.     

上升流速对CANON工艺稳定性及微生物群落的影响

采用膨胀颗粒污泥床（EGSB）反应器作为全程自养脱氮（CANON）工艺启动运行的装置,考察了不同上升流速对CANON工艺脱氮性能的影响,并对固定生物膜-活性污泥（IFAS）系统内颗粒污泥粒径的变化和生物膜上的生物量进行定量分析,同时对颗粒污泥和生物膜上的微生物进行高通量分析,探究在不同聚集体上微生物群落结构的特点.结果表明,在连续运行过程中,上升流速由2m/h增加至6m/h的过程中,总氮去除负荷由0.20kg/（m³·d）逐渐增加至0.66kg/（m³·d）,而ΔNO₃^--N/ΔNH₄⁺-N的比值稳定在0.11,成功实现了CANON的高效稳定运行.当上升流速增加至8m/h时,CANON工艺脱氮性能失稳,总氮去除负荷（NRR）降低至0.42kg/（m³·d）,污泥平均粒径由1.3mm减小到0.9mm.上升流速恢复至6m/h后,CANON脱氮工艺脱氮性能逐渐恢复,最终NRR稳定在0.60kg/（m³·d）以上,污泥平均粒径恢复至1.2mm,生物膜生物量的比生长速率为0.0024d^-1.高通量测序显示,颗粒污泥中主要以氨氧化细菌（AerAOB）功能菌Nitrosomonas（2.45%）,和厌氧氨氧化细菌（AnAOB）功能菌Candidatus Kuenenia（2.38%）为主要菌属;而生物膜中主要是AnAOB功能菌Candidatus Kuenenia（9.78%）、Candidatus Brocadia（4.23%）,同时还检测出少量AerAOB功能菌Nitrosomonas（0.40%）.结果表明两种微生物在不同聚集体上存在一定的差异性.     

MBR系统CANON工艺的快速启动及微生物种群特征

为了考察CANON工艺的快速启动策略及功能微生物的种群特征,在常温MBR反应器内接种普通活性污泥后间歇运行.启动策略为以调控曝气时间和曝气量作为主要方法,首先在限氧条件下启动亚硝化,之后进一步降低DO启动CANON工艺.在CANON工艺启动成功后,通过调整曝气时间和无机碳源浓度提高了总氮去除负荷,并采用PCR-DGGE技术分析了稳定运行的CANON工艺内功能微生物的种群特征.结果表明,CANON工艺经36d成功启动,NH4+-N去除率和总氮去除率最终稳定在99%和84%左右,氮去除负荷达到0.41kg/(m3·d).DGGE测序结果表明,Nitrosomonas和Candidatus Kuenenia stuttgartiensis是反应器内的优势菌种,两种微生物协同作用,共同在MBR内完成了高效的自养脱氮.     

基于MBBR的CANON工艺处理消化液中试启动

基于移动床生物膜反应器（MBBR）成功启动了自养脱氮工艺（CANON）处理污泥消化上清液.采用8.55m³中试系统,反应器内部填充SPR-Ⅲ填料,填充率44%,通过动态流接CANON污泥（接种比例<1%）,经过70d成功启动CANON工艺.运行至200d,TN去除负荷稳定在0.9kgN/（m³·d）,出水氨氮浓度均值63.9mg/L,氨氮和总氮去除率均值分别为91%和85%.进水中存在的少量有机物使系统同时存在反硝化和厌氧氨氧化两种脱氮途径,促进了总氮的去除,对总氮去除的贡献分别占5%~7%和93%~95%.通过对pH值和曝气强度的控制,防止了悬浮载体结垢,平衡了DO、曝气强度以及生物膜厚度三者之间的关系,使生物膜始终处于适宜的厚度,稳定了系统的处理效果.高通量测序表明悬浮载体上的优势菌种为氨氧化菌（AOB）和厌氧氨氧化菌（AnAOB）,其丰度整体呈增长趋势,至稳定运行期可达到17%和14%.系统无NOB存在,短程硝化效果良好,反硝化菌群丰度在2%~3%并相对稳定,进水中存在的少量有机物不会影响厌氧氨氧化菌的增殖.     

不同方式启动全自养脱氮组合工艺对比研究

为探究不同进水方式实现快速启动全自养脱氮工艺(CANON)处理高含氮有机废水的可行性,该研究分别采用直接高浓度进水和梯度浓度进水在2个完全相同的ABR-CSTR组合一体式反应器(1#、2#反应器)中启动反应,考察系统中全自养微生物活性和总氮去除性能。结果表明,在相同水力停留时间和间歇曝气的条件下,2组反应器均能在较短时间内成功启动,但相较于直接高浓度启动,逐步提高进水浓度更有利于脱氮功能菌的生长富集;1#反应器受到高负荷启动的限制,运行44 d总氮去除率(NRR)始终低于50%,但接种污泥经连续培养驯化后,最终NRR逐步升高并稳定在80%左右;2#反应器在梯度浓度进水状态下运行至第39天时,NRR达到88%,氨氮去除率达到99%,总氮去除负荷达到0.863 4 kg/(m~3·d),反应器内壁出现较多红色污泥,成功启动CANON;微生物高通量测序表明,不同的进水模式下CANON系统中优势功能菌属均为Nitrosomonas和Candidatus Kuenenia。     

生活污水SNAD颗粒污泥快速启动及脱氮性能研究

采用SBR装置,接种CANON絮状污泥,通过控制沉淀时间、HRT、DO及进水基质组成（配水与实际生活污水的比例）,实现具有SNAD性能颗粒污泥的快速培养,并进一步通过降基质的方式,考察SNAD颗粒污泥在处理实际生活污水时的脱氮性能.结果表明：在反应器运行至第34d时,成功培养出具有SNAD性能的颗粒污泥;颗粒粒径最大可达1103μm,最大总氮去除负荷可达1.03kg/（m³·d）;同时在降基质运行过程中,CANON脱氮始终在反应器总氮去除中占优势地位,并最终实现生活污水中氮素、有机物的同步有效去除,出水TN平均为10mg/L,出水COD平均为40mg/L,达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A排放标准.     

机械搅拌对CANON污泥快速颗粒化的影响

采用单纯依靠曝气的SBR反应器(R1)与曝气和机械搅拌联合的SBR反应器(R2),研究了不同控制方式对CANON污泥颗粒化的影响.结果表明,R2仅用40d即成功实现颗粒化,比R1用时减少三分之一;颗粒化期平均总氮去除率为83.07%,平均总氮容积负荷为0.26kgN/(m3·d),比R1脱氮效果更加稳定高效,证实了机械搅拌有利于提高粒径增长速率及脱氮能力.采用曝气和机械搅拌联合方式可有效缩短CANON污泥颗粒化的时间,并能实现稳定高效的总氮去除,是CANON污泥颗粒化的有效手段.     

耦合反硝化的CANON生物滤池脱氮研究

为探究有机物对全程自养脱氮(CANON)工艺的脱氮性能的影响,采用上向流火山岩填料反应器处理模拟废水,在反应器最优工况下实现亚硝化、厌氧氨氧化与反硝化的耦合.结果表明,滤柱在氨氮浓度为200mg/L时的最优总氮去除率均值可达76.73%,总氮去除负荷为2.82kgN/(m3·d).C/N为0.2的有机物水平对反应器的脱氮效果具有促进作用,并可通过HRT的调节实现总氮去除率大于89%(理想条件下CANON的最大脱氮率).因此,通过控制C/N可以提升滤柱氮素去除效率.     

污泥比例强化CANON系统抵御快速降温效能及机理

探究了3种不同颗粒及絮状污泥比例（高颗粒系统10：1~30：1;等量系统1：1~1：1.5;高絮状系统1：10~1：30）的单级自养脱氮系统（CANON）抵御快速降温的效能和机制.结果表明,CANON系统在30℃稳定运行后快速降温至10℃时,各系统的总氮去除负荷（NRR）均大幅下降,但等量系统的NRR始终高于其他系统.各系统的功能菌活性均与温度呈现出正相关关系,AAOB活性的下降幅度大于AOB和NOB的幅度,但等量系统中AAOB活性的下降幅度小于其他系统;快速降温不影响颗粒与絮状污泥功能菌的空间异质性和活性分布情况,但等量系统的空间异质性最为显著,能够较好的发挥颗粒和絮状污泥各自的作用,抵御快速降温的能力优于其他系统.     

基于不同污泥量间歇饥饿的CANON工艺启动

为了探究不同污泥量间歇饥饿对于全程自养脱氮（CANON）工艺启动的影响,R1、R2和R3反应器分别采用水力筛分间歇饥饿、部分污泥间歇饥饿和全部污泥间歇饥饿3种不同的方式启动CANON工艺.结果显示,R1、R2和R3反应器分别在第44,66和58d顺利启动,第70d时,其总氮去除率分别达到73.63%、71.56%和67.40%左右,粒径分别达到了404,359和306μm.分析表明,水力筛分间歇饥饿方式可以选择性地针对絮状污泥进行饥饿,避免间歇饥饿对于污泥EPS及粒径的负面影响,在有效抑制NOB菌活性的同时易于保持相关功能菌的活性;部分污泥间歇饥饿的方式在一定程度上避免了AOB和ANAMMOX活性的衰减,但同时NOB的抑制效果也较差;整体间歇饥饿策略对于NOB的抑制效果最好,但同时也不利于CANON工艺相关功能菌的活性保持.     

ABR除碳-CANON耦合工艺除碳脱氮特性

CANON工艺如能处理低氨氮城市生活污水,将大幅度降低市政污水处理能耗.故以纤维载体为填料,在CSTR反应器中同时接种亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥启动CANON反应器,且在CANON系统前端添加ABR除碳系统,构建ABR除碳-CANON耦合工艺,研究ABR除碳-CANON耦合工艺除碳脱氮性能,并采用MiSeq高通量测序技术分析污泥中微生物菌群结构的变化情况.结果表明,通过同时接种亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥,控制DO为0. 5～2 mg·L-1、HRT为6h、p H值为8左右等措施,在55 d内成功启动CANON系统,TN去除率为81%～87%,氨氮负荷为0. 195 kg·(m3·d)-1. ABR除碳系统出水有机物浓度(120 mg·L-1)不会对后续CANON系统产生不利影响,一体式ABR除碳-CANON工艺TN去除率在74%～87%,出水COD平均浓度为40 mg·L-1.同时,CANON系统启动后变形菌门(Proteobacteria)得到了显著提升,鞘脂杆菌纲(Sphingobacteria)所占比例下降为6. 8%,CANON系统中亚硝化菌和厌氧氨氧化菌不断淘汰劣势菌群成为反应器内优势菌群,一体化ABR除碳-CANON工艺对城市污水具有良好的脱氮除碳效果.     

EGSB-CANON工艺启动及动力学特性

采用EGSB（Expanded Granular Sludge Bed）反应器,在启动全程自养脱氮（CANON）工艺中通过改变曝气方式以及优化曝气/非曝气逐步实现CANON工艺的稳定运行.通过研究不同曝气/非曝气条件下CANON工艺的脱氮性能的变化,探究系统内不同污泥粒径中功能菌的活性,揭示EGSB反应器不同的运行条件以及系统内不同粒径的微生物聚集体在CANON工艺启动过程中的影响机制与菌群结构特性.结果表明,当恒定曝气量为0.5L/min,曝气/非曝气为2：1（60min：30min）时,实现了AerAOB（Aerobic Ammonia-Oxidizing Bacteria）与AnAOB（Anaerobic Ammonium-Oxidation Bacteria）协同脱氮的目的,并成功将NOB（Nitrite-Oxidizing Bacteria）的活性由3.41mgN/（h·gVSS）抑制到0.75mgN/（h·gVSS）.在对AnAOB的双底物（NO₂^--N和NH₄⁺-N）抑制动力学结果进行Haldane拟合时,得到NH₄⁺-N和NO₂^--N的半饱和常数（k_s）、抑制动力学常数（k_h）分别为106.8,331.9mg/L,272.4,66.61mg/L,相关性系数（R²）分别为0.98133和0.99142.在CANON污泥颗粒化形成过程中,污泥粒径在0.154~0.335mm范围内主要以AerAOB为主,污泥粒径在1mm以上主要以AnAOB为主.不同粒径下微生物聚集体的协同作用以及稳定的群落结构实现了CANON工艺的稳定运行.     

Performance of completely autotrophic nitrogen removal over nitrite process under different aeration modes and dissolved oxygen

In this study, three sequential batch biofilm reactors (SBBRs) were operated for 155 days to evaluate the performance of completely autotrophic nitrogen removal over nitrite (CANON) process under different aeration modes and dissolved oxygen (DO). Synthetic wastewater with 160-mg NH4 ⁺-N/L was fed into the reactors. In the continuously-aerated reactor, the efficiency of the ammonium nitrogen conversion and total nitrogen (TN) removal reached 80% and 70%, respectively, with DO between 0.8–1.0 mg/L. Whereas in the intermittently-aerated reactor, at the aeration/non-aeration ratio of 1.0, ammonium was always under the detection limit and 86% of TN was removed with DO between 2.0–2.5 mg/L during the aeration time. Results show that CANON could be achieved in both continuous and intermittent aeration pattern. However, to achieve the same nitrogen removal efficiency, the DO needed in the intermittently-aerated sequential batch biofilm reactor (SBBR) during the aeration period was higher than that in the continuously-aerated SBBR. In addition, the DO in the CANON system should be adjusted to the aeration mode, and low DO was not a prerequisite to CANON process.     

序批式生物膜CANON工艺的运行与温度的影响

通过序批式生物膜反应器,研究了CANON工艺的运行规律,并研究了温度对CANON工艺的影响.研究发现,通过序批式生物膜反应器反应器可以成功实现CANON工艺,TN去除率可达到88.3%,TN去除负荷达到0.52kg/(m3·d).系统中的NO2--N变化规律可以分为浓度上升期,浓度稳定期与浓度下降期.pH值先降低后升高的拐点与DO突跃的拐点均可作为反应结束的指示参数,DO拐点比pH值拐点出现要提前.在26~35℃之间,可以获得较好的硝化效果与TN去除效果,温度降低到20℃时,厌氧氨氧化性能开始受到显著影响,造成反应器中大量NO2--N积累,而硝化效果在15℃才受到显著影响.反应器中厌氧氨氧化细菌的最适温度约为30℃.     

低温对CANON型序批式生物膜反应器脱氮的影响

探究了4种低温水平下基于亚硝化的全程自养脱氮（CANON）型序批式生物膜反应器（SBBR）的运行效果及其氮素转化机制.结果表明,当CANON型SBBR在不同的低温水平下稳定运行后,其脱氮微生物优势菌群发生了不同程度的变化,随之改变了系统的氮素转化途径及其脱氮性能.当温度>15℃时,SBBR中AOB和anammox菌的丰度与活性未受到明显抑制,CANON作用始终是系统脱氮的主要途径,SBBR对TN的平均去除率亦较为理想;而当温度<15℃时,anammox菌的丰度与活性在10,5℃下分别出现不同程度的降低,进而改变了SBBR的氮素转化途径,使其脱氮性能出现不同程度的恶化.在10℃时,NOB的增殖及其活性的提高使硝化/反硝化作用取代CANON作用成为SBBR脱氮的主要途径,此时系统对TN的去除率骤降至（16.87±4.79）%;在5℃时,反硝化过程中第1步还原反应的停滞与反硝化菌对NO₂^--N利用率的提高使SBBR中氮素的去除依赖于CANON作用和短程硝化/反硝化作用的协同,系统对TN的去除率为（54.83±3.68）%.