工艺技术 全程自养脱氮[CANON]工艺研究进展

传统脱氮工艺主要包括硝化和反硝化两个过程，而这需要消耗氧气和有机碳源，但某些工业废水C/N比较低，使得该工艺的应用增加了有机碳源这一成本。传统脱氮工艺现在已取得了较广泛的应用，但仍然有不少问题:如反硝化时碳源不足，需要外加碳源，反硝化不彻底;曝气量大，供氧费用高等。基于这样的背景，学者们各自提出了不同的新型的生物脱氮技术，在这些技术中，基于亚硝化的全程自养脱氮工艺被认为是目前最为简捷的脱氮工艺。CANON工艺是全程自养的，相比于传统脱氮工艺，可以节省63%的氧和将近100%的外加碳源，是一种非常节能、经济的脱氮工艺。

1 工艺原理


1.1  ANAMMOX的原理


厌氧氨氧化反应是近年来发展出来的新工艺。它是指在厌氧或者缺氧条件下，厌氧氨氧化微生物以NO－2为电子受体，将NH+4－N氧化为氮气的反应过程。

1.2 CANON工艺的原理

全程自养脱氮(CANON)工艺就是基于厌氧氨氧化技术发展起来的新工艺，它结合了短程反硝化，使亚硝化和厌氧氨氧化在一个反应器中反应，通过控制反应器中的溶解氧的含量造成能使短程硝化与厌氧氨氧化同步进行的厌氧环境。其化学计量方程式为:




2 CANON工艺的研究进展

2.1  影响短程硝化的因素


CANON工艺良好运行的关键就在于能够稳定的为ANAM-MOX菌提供NO－2，而废水中氮的存在形式主要是氨氮，因此需要通过AOB(氨氧化菌)将NH+4氧化为NO－2，再通过适当的工况调整使得NH+4，NO－2以最佳的计量比反应，从而有效的去除TN。但是，水体中AOB与NOB(亚硝酸盐氧化菌)通常是共生的，短程硝化就是要通过控制条件抑制NOB的生长，稳定的积累NO－2，使氨氮不再被NOB进一步氧化为NO－3，最终稳定的进行ANAMMOX反应。

目前主要采用三种方式来实现短程硝化:

(1)提高游离氨(FreeAmmonia，FA)浓度。
AOB与NOB均会被FA(NH3)所抑制，但FA对NOB的抑制更显著。因此在较高浓度的游离氨环境下可以实现亚硝酸盐的积累。游离氨浓度与进水总氨(TAN)浓度、pH和温度(T)有关。

(2)控制操作温度。
王敏等研究表明温度超过28℃时，硝化反应速率降低，亚硝化反应速率增大。这是因为在硝化反应的两个过程中，氨氧化反应速率受到的影响比亚硝酸氧化反应更大，因此亚硝酸盐氧化菌生长的更好，氨氧化菌生长受到了抑制。

(3)降低溶解氧。
由于低溶解氧条件下，氨氧化菌比亚硝酸盐氧化菌更容易与氧气结合，因此，降低溶解氧也就使得氨氧化菌争夺氧气的优势受到限制，对亚硝酸盐氧化菌而言更有利。

2.2  CANON工艺运行参数的研究


Sliekers等研究表明气提式CANON反应器中氮转化率是SBＲ型反应器的20倍，适合作为CANON工艺的反应形式。

在最佳DO浓度研究方面，Hippen等认为，DO浓度在0．8～1．0mg/L时会有60%的氨氮转化为氮气;pH值对CANON工艺同样也具有重要的影响，因为pH值对系统内NH+4－N和NH3之间的平衡影响较大。

一般认为CANON系统中合适的pH值在7～8之间，最佳值为8。

此外，温度对CANON也同样具有影响。

郭劲松等人研究温度和pH值对CANON工艺的影响时指出，在一定温度范围内(＜30℃)，温度升高有利于CANON系统内氨氮转化速率和脱氮效能的提高。当温度为30℃时，CANON系统的最适宜pH值为8;张杰等对序批式生物膜CANON工艺的运行与受温度影响的研究表明温度在26～35℃之间，CANON工艺可保证较好的TN去除效果。

在CANON工艺的启动方面，通常是在亚硝化反应器中接种anammox菌并厌氧运行，或者是在anammox反应器中接种亚硝化污泥并适当曝气而如果直接接种运行良好的CANON污泥则可能会缩短启动时间。

王俊安等研究了在常温(8～25℃)低氨氮(60～90mg/L)条件下，通过普通活性污泥直接启动CANON工艺，并取得了较好的结果。

2.3  CANON工艺的改进研究


2.3.1  耦合反硝化的CANON工艺


理论上，采用CANON工艺TN的去除率极限仅为89%，根据反应式:




可以知道最终仍然会有NO－3残留，所有总氮的去除率无法进一步提高，为了突破这一理论极限，就必须在反应器中引入有机碳源培养一定的反硝化菌，将生成的NO—3N去除掉。李东等通过调节HＲT及曝气量的方式找到常温(25±2)℃中等氨氮浓度(200mgN/L)条件下的最优运行工况为曝气量(4．4±0．1)L/min，HＲT1．44h，在此工况条件下连续7d总氮去除率均值为76．73%，总氮去除负荷为2．82kgN/(m3·d)，氨氮去除率94．98%，氨氮去除负荷为3．32kgN/(m3·d);

徐峥勇从亚硝化菌和厌氧氨氧化菌的富集入手逐步深入实现了亚硝化、厌氧氨氧化和反硝化工艺的耦合，在SBBＲ中对总氮的最大去除能力达到了95%，而SBＲ中也达到了90．64%。

2.3.2  加入适当填料


由于氨氧化菌和厌氧氨氧化菌都是自养菌，增殖速度缓慢，因此加入一些填料能够更利于微生物的富集生长，也能够使CANON反应器更快的启动。付昆明等使用陶粒作为CANON反应器的填料，温度通过水浴控制在30℃±1℃，HＲT为9h、pH控制在7．00～8．08之间，经过60d成功启动了CANON反应器，TN的去除率达到75．57%;廖德祥等在单级SBＲ生物膜中全程自养脱氮的研究中采用某悬浮塑料填料，TN去除率达到了90%。

3 CANON工艺的实际应用现状


CANON工艺运行条件较为苛刻，目前应用较少，主要应用于污泥消化液和垃圾渗透液等高氨氮、低C/N比废水的处理中。Y．H．Ahn等用CANON上流式污泥床反应器处理消化污泥压滤液运行130d后出水氨氮、亚硝氮、硝氮分别为6．0、2．1、1mg/L;相应的氨氮去除率和总氮去除率分别为94．5%和91．7%。

孟了等试验了CANON－SBＲ处理垃圾渗滤液的性能。当进水氨氮＜800mg/L，氨氮负荷＜0．46g/(L·d)时，将DO控制在1mg/L左右，氨氮和总氮去除率分别达95%、90%。

JossA等在SBＲ反应器中通过CANON工艺处理污泥消化液，TN去除率达到了90%以上。

CANON工艺的提出为污废水的脱氮提供了一条新的途径，它体现了能耗低、投资少、易于操作控制等一些新特点。目前在我国，关于CANON的研究主要还是处于实验室研究阶段，实际应用并不多。

这主要是由于稳定富集NO2－的限制条件较多，需要考虑游离氨、温度、DO等多方面因素。

另外，由于反应的理论限制，TN去除率较难提高，有效提高TN去除效果的方法并不是很多，现在的研究方向主要集中于CANON工艺与反硝化的耦合、低温高负荷进水条件下CANON反应器如何稳定运行以及怎样富集培养能同步实现亚硝化、厌氧氨氧化、反硝化的菌种。虽然各个学者都取得了一些成果，但是CANON工艺的工程化应用还有不少限制需要克服，这也是未来研究的主攻方向。