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2014年11月CIESCJournalNovember2014第65卷第11期化工学报Vol.65No.11改性聚乙烯填料CANON反应器的启动与运行付昆明1,2，张杰2，曹相生2，李冬2，左早荣1，王会芳1（1北京建筑大学环境与能源工程学院，城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室，北京100044；2北京工业大学水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室，北京100124）摘要：以人工配制无机高氨氮废水为进水，通过接种CANON污泥，研究了改性聚乙烯填料CANON反应器的启动过程。为避免初期溶解氧的抑制作用，启动采用先厌氧后好氧的方式，以加速ANAMMOX细菌的增殖。首先，在室温[(20±5)℃]、厌氧条件下，历经300d依然不能启动厌氧氨氧化，TN去除负荷仅为0.12kg·(m3·d)−1；当提高温度至30℃后，30d后，TN的去除负荷达到0.23kg·(m3·d)−1；改为好氧条件后，经过38d后，TN的去除负荷达到1.01kg·(m3·d)−1，TN去除率达到77.61%，3NO-N/TN−δδ的平均值为0.122，接近理论值0.127，表明CANON反应器的脱氮效果良好，短程硝化稳定。通过分析认为，采用先厌氧后好氧的方式启动，并没有达到加速培养ANAMMOX细菌的预期目的，改性聚乙烯填料不适用在厌氧条件下培养ANAMMOX细菌。改性聚乙烯填料CANON反应器启动成功后，需要的曝气量少，但运行不易稳定，应对于CANON反应器形式予以改进，建议将改性聚乙烯填料结合UASB反应器采用，使污泥免于流失。关键词：CANON工艺；改性聚乙烯；厌氧氨氧化；短程硝化；氨氮DOI：10.3969/j.issn.0438-1157.2014.11.027中图分类号：X703文献标志码：A文章编号：0438—1157（2014）11—4406—07Start-upofCANONreactorwithmodifiedpolyethylenecarrieranditsperformanceFUKunming1,2,ZHANGJie2,CAOXiangsheng2,LIDong2,ZUOZaorong1,WANGHuifang1(1KeyLaboratoryofUrbanStormWaterSystemandWaterEnvironment,MinistryofEducation,SchoolofEnvironmentandEnergyEngineering,BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,China;2KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentalRecoveryEngineering,SchoolofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)Abstract:ACANONreactorwithmodifiedpolyethylenecarrierwasstartedupbyseedingsludgefromanothermatureCANONreactorandusingartificialinorganicammonia-richwastewaterasinfluent.ToaccelerateANAMMOXbacteriacultivation,thestart-upwasunderanaerobicconditionsfirsttoavoiddissolvedoxygeninhibitiononANAMMOXbacteria,andthenunderaerobicconditions.ThereactorwasfirstunderanaerobicconditionstostartANAMMOXprocessatroomtemperature[(20±5)℃]infirst300days,however,totalnitrogenremovalloadwasonly0.12kg·(m3·d)−1,whichmeantfailureofANAMMOX.Whentemperaturewasincreasedto30℃,30dayslater,totalnitrogenremovalloadwasupto0.23kg·(m3·d)−1.Thenanaerobicconditionswaschangedtoaerobicconditions,andtotalnitrogenremovalloadwasupto1.01kg·(m3·d)−1,whilenitrogen2014-04-28收到初稿，2014-07-22收到修改稿。联系人及第一作者：付昆明（1981—），男，博士，讲师。基金项目：国家自然科学基金项目（51308025）；北京高等学校青年英才计划项目（YETP1649）。Receiveddate:2014-04-28.Correspondingauthor:FUKunming,[e-mail]:supportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(51308025),BeijingHigherEducationYoungEliteTeacherProject(YETP1649).第11期付昆明等：改性聚乙烯填料CANON反应器的启动与运行·4407·removalefficiencywas77.61%,andaveragevariationratioofnitrateandnitrogen(3NO-N/TN−δδ)was0.122,closetotheoreticalvalue0.127,showingbothgoodstabilityofnitritationandgoodnitrogenremoval.AdoptingthewayofanaerobicstagefirstandthenaerobicstagecouldnotaccelerateANAMMOXbacteriacultivationasexpected,andmodifiedpolyethylenecarrierwasnotasuitablecarriertostartANAMMOXprocessunderanaerobicconditions.However,oncethereactorwassuccessfullystartedup,aerationcouldbesaved,thoughitmightperformunstably.ModifiedpolyethylenecarrierwassuggestedtocombinewithUASBreactortokeepbacteria.Keywords:CANONprocess;modifiedpolyethylene;ANAMMOX;nitritation;ammonia引言全程自养脱氮(completelyautotrophicnitrogenremovalovernitrite，CANON）工艺是一种新型生物脱氮工艺。CANON工艺的原理是：氨氧化细菌（ammonia-oxidizingbacteria，AOB）和厌氧氨氧化（ANAMMOX）细菌共同作用，AOB首先执行短程硝化功能，将部分4NH-N+氧化为2NO-N−；而后ANAMMOX细菌执行厌氧氨氧化功能，将2NO-N−与剩余的4NH-N+一起转化为氮气以及少量的3NO-N−[1]。由于AOB与ANAMMOX细菌均是自养菌[2]，尤其是ANAMMOX细菌倍增时间长达11d[3]，因此产生污泥量非常少，有利于克服目前污水厂面临的剩余污泥不易处理的难题。但同时，相对于普通活性污泥/生物膜的容易获取与培养，CANON工艺中的污泥/生物膜，尤其是ANAMMOX细菌量少而不易持留。付昆明等曾采用聚氨酯海绵为填料成功启动CANON工艺[4]，TN去除率可以达到80%，海绵为填料具有比表面积大、微生物吸附能力强和存在DO梯度的优点，但同时具有易磨损、传质效率低等缺点，同时，一旦海绵填料的微孔堵塞，其比表面积大的优势将丧失，作者也尝试火山岩为填料研究CANON工艺，常温下TN去除率达到67.03%，但火山岩填料也容易堵塞[5]。刘涛等[6]采用火山岩填料也出现同样的问题；Liu等[7]和Furukawa等[8]以无纺布为填料，同样面临易堵塞的缺点。因此，堵塞问题是大多数采用填料的CANON反应器共同面临的问题。因此，需要选择一种合适的CANON反应器填料：既能持留污泥，又能保证脱氮效率。塑料填料是近些年来的新兴填料，包括聚乙烯、聚丙烯、增强聚丙烯、聚氯乙烯、氯化聚氯乙烯等，已经在污水处理中获得了广泛的应用，具有耐腐蚀、空隙大、阻力小、能耗低、质量轻、可重复使用等诸多优点，如果应用于CANON工艺，可以预期将能克服上述堵塞问题。采用塑料填料启动CANON工艺的文献较少，目前仅廖德祥等[9]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去除率可以达到90%。本文在以聚氨酯海绵填料成功启动的基础上，采用改性聚乙烯填料，研究塑料填料在CANON反应器的启动与运行的规律，探讨实际应用塑料填料的可行性，以期为工程应用提供理论依据；考虑到塑料填料不易附着的特点，改变之前以好氧直接启动[4]的模式，以先厌氧、后好氧的模式启动，试图加速CANON反应器的启动，并探讨启动方式对于CANON工艺的影响。目前，在国外已经有不少工程应用的实例，主要应用于污泥消化液[10]和垃圾渗透液[11]等高氨氮废水的处理，其中有88%是采用CANON工艺的形式，且其中75%用于侧流工艺的市政污水厂[12]。可见CANON工艺是应用ANAMMOX技术的主流工艺。而在国内，具有自主知识产权的CANON反应器仍很少见。因此，本研究对于CANON理论与实践的发展有重要意义。1材料与方法1.1试验装置反应器内填料为改性聚乙烯填料，填充率为80%。改性聚乙烯填料近似为圆柱形，直径约10mm，长度约8mm，圆柱体中心有十字支撑，侧边沿不同径向伸展许多尾翅，密度约为0.96g·cm−3，如图1所示。反应器由有机玻璃制成，总体积为5.72L，进水流量为20L·d−1，废水由反应器底部进入后，由上部出水口排出，其装置如图2所示。曝气量通过转子流量计调节并计量，采用反应器底部普通砂芯曝气头向反应器曝气。考虑到有ANAMMOX种泥接种，反应器前300d并没有升温，而是维持在室温[(20±5)℃]下运行，300d后采用恒温加热棒控制，保持温度为(30±1)℃，以加速启动。化工学报第65卷·4408·图1CANON反应器所采用的改性聚乙烯填料Fig.1ModifiedpolyethylenecarrierinCANONreactor图2CANON反应器试验装置Fig.2SchematicdiagramoftestequipmentofCANONreactor1—rawwatertank;2—waterpump;3—airpump;4—modifiedpolyethylenecarrier;5—thermostatheater;6—samplingcock1.2接种污泥与启动方法接种污泥采用付昆明等[4]首次启动海绵CANON反应器的污泥，将脱落的约500ml（MLSS=5g·L−1）CANON污泥置于改性聚乙烯填料CANON反应器中，由于改性聚乙烯填料自身的特点，相对不易持留污泥，将首次启动中10块2cm×2cm×2cm海绵填料一并置入反应器中，以在启动初期兼行接种与截流污泥的功能，启动运行两个月后，填料海绵被完全取出。采用先厌氧、后好氧的方式启动CANON反应器，具体运行工况分为3个阶段，如表