實(shí)現(xiàn)短程硝化的方法有控制溫度（temperature)、溶解氧、游離氨 等.其中控制FA是重要的一種方法，許多短程硝化研究通過(guò)控制FA實(shí)現(xiàn)，其原理是利用FA對(duì)氨氧化細(xì)菌 和亞硝酸鹽氧化菌 的抑制濃度不同，且NOB更為敏感的特點(diǎn)，在啟動(dòng)初期，控制FA實(shí)現(xiàn)短程硝化非常有效，但由于NOB會(huì)逐漸對(duì)FA產(chǎn)生適應(yīng)性而最終導(dǎo)致短程硝化失效.很少有學(xué)者研究短程硝化失效后，尤其在生物膜反應(yīng)器中，失效后嘗試恢復(fù)短程硝化的過(guò)程.即，當(dāng)NOB適應(yīng)高濃度的FA，嘗試再次建立短程硝化并穩(wěn)定的過(guò)程，這對(duì)于短程硝化的穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)、以及后續(xù)可能的厭氧氨氧化工藝段具有重要意義，沒(méi)有穩(wěn)定的短程硝化，也就無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行后續(xù)的厭氧氨氧化.
1 材料與方法1.1 試驗(yàn)裝置
反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，有效容積為5.90 L，內(nèi)部裝有改性聚乙烯填料，填料為圓柱形，圓柱內(nèi)部有支撐，側(cè)邊沿不同徑向伸展許多尾翅用于增加填料的比表面積，直徑約10 mm，高度約8 mm，密度約為0.96 g ?cm-3.廢水由反應(yīng)器底部進(jìn)入，由上部出水口排出，試驗(yàn)裝置如圖 1所示.曝氣量通過(guò)轉(zhuǎn)子流量(單位:立方米每秒)計(jì)控制.反應(yīng)器內(nèi)的溫度通過(guò)水浴調(diào)節(jié)，恒溫加熱棒控制水溫，使反應(yīng)器溫度在30℃±1℃.反應(yīng)器內(nèi)pH控制在7.80~8.12之間.
1.原水水箱;2.進(jìn)水泵;3.空氣泵;4.恒溫加熱棒;5.改性聚乙烯填料
圖 1 反應(yīng)器試驗(yàn)裝置及工藝流程示意
1.2 試驗(yàn)用水
試驗(yàn)用水采用人工配水，配水由自來(lái)水中添加適量的NH4C
L、NaHCO3與KH2PO4配置而成.進(jìn)水中沒(méi)有額外添加有機(jī)物，即試驗(yàn)用水為無(wú)機(jī)高氨氮廢水.水箱沒(méi)有密封，大氣中氧氣會(huì)不斷溶解到原水中，造成原水中的部分NH4+-N被氧化成NO2--N，進(jìn)水在一個(gè)配水周期內(nèi)，NO2--N濃度會(huì)逐漸攀升，最高可到10 mg ?L-1;自來(lái)水本身含有的NO3--N是原水中NO3--N的主要來(lái)源.原水水質(zhì)的主要指標(biāo)如表 1所示.
表 1 反應(yīng)器的原水水質(zhì)
1.3 分析項(xiàng)目及檢測(cè)方法
NH4+-N：納氏試劑比色法;NO2--N：N--乙二胺光度法;NO3--N：紫外分光光度法;氫離子濃度指數(shù)：pHTestr30型pH計(jì);溶解氧：Multi350i型溶解氧儀;TN按下式計(jì)算：TN=++;溫度：水銀溫度計(jì);FA通過(guò)式 計(jì)算;亞硝酸化率 通過(guò)式 計(jì)算.
式中，[NH4+-N]表示NH4+-N濃度 ，T表示溫度 .
式中，ΔNO2--N表示出水NO2--N濃度與進(jìn)水NO2--N濃度之差，ΔNO3--N表示出水NO3--N濃度與進(jìn)水NO3--N濃度之差.
1.4 試驗(yàn)方法
反應(yīng)器接種污泥來(lái)自于本實(shí)驗(yàn)室內(nèi)SBR反應(yīng)器的普通活性污泥.為了研究短程硝化恢復(fù)過(guò)程，首先采用調(diào)整大曝氣量的方式，控制DO在5.0 mg ?L-1以上，破壞原有短程硝化至本試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，短程硝化幾乎被完全破壞，NAR僅為13%.此后，通過(guò)(tōng guò)控制F
A、D
O、溫度（temperature)和曝氣方式方法等嘗試重新建立短程硝化.
根據(jù)進(jìn)水NH4+-N濃度將試驗(yàn)過(guò)程分為3個(gè)階段：第1階段 ，進(jìn)水NH4+-N濃度在200 mg ?L-1左右;第2階段 ，進(jìn)水NH4+-N濃度在300 mg ?L-1左右;第3階段 ，進(jìn)水NH4+-N濃度在400 mg ?L-1左右.
2 結(jié)果與討論
試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中的進(jìn)水流量與曝氣量如圖 2所示，NH4+-N與F
A、NO2--N與NA
R、NO3--
N、TN的變化分別如圖 3~6所示.
圖 2 反應(yīng)器各階段進(jìn)水流量和曝氣量的變化
圖 3 反應(yīng)器NH4+-N濃度、去除率及FA的變化
圖 4 反應(yīng)器NO2--N濃度及第1階段NAR的變化
圖 5 反應(yīng)器NO3--N濃度的變化
圖 6 反應(yīng)器TN濃度及去除率的變化
2.1 第1階段
反應(yīng)器在第1階段運(yùn)行初期 ，控制DO在0.5mg ?L-1以下，溫度維持在30℃，F(xiàn)A在1.5 mg ?L-1以上，最高可達(dá)到7.77mg ?L-1，在這種情況下非常容易建立短程硝化. FA對(duì)NOB和AOB的抑制濃度分別為0.1~1.0 mg ?L-1和10~150 mg ?L-1，當(dāng)FA達(dá)到6 mg ?L-1時(shí)幾乎可完全抑制NOB的生長(zhǎng)，此時(shí)的FA濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高過(guò)NOB的抑制濃度.如圖 3所示，在這個(gè)過(guò)程(guò chéng)中，為保證較高FA濃度，NH4+-N去除率基本控制在50%以下，但NAR一直比較低，都在50%以下，如圖 4所示.出水NO2--N仍然沒(méi)有顯著積累，說(shuō)明NOB已經(jīng)對(duì)高濃度的FA產(chǎn)生了適應(yīng)性. 78~84 d，NAR甚至為0.
此外，在此過(guò)程中，DO控制在0.5mg ?L-1以下，溫度在30℃. Laanbroek等和楊學(xué)志等的研究表明，低DO 下AOB對(duì)DO的親和力較NOB強(qiáng);Hellinga等發(fā)現(xiàn)短程硝化的適宜溫度為30~35℃.但是，在諸多有利條件下，始終沒(méi)有再次建立短程硝化.可能的原因是，由于采用生物膜，附著在填料上的NOB不能被及時(shí)淘洗出，且由于NOB對(duì)FA產(chǎn)生了適應(yīng)性及其他環(huán)境因素，造成短程硝化無(wú)法恢復(fù).
85d，嘗試采用間歇曝氣方式來(lái)實(shí)現(xiàn)短程硝化，在連續(xù)流反應(yīng)器中是連續(xù)進(jìn)氣14 h，停止10 h，持續(xù)3 d.通過(guò)圖 4可以發(fā)現(xiàn)，出水NO2--N出現(xiàn)明顯積累，NAR達(dá)到6.8%，至87 d時(shí)，NAR達(dá)到24.5%，這表明間歇曝氣對(duì)于短程硝化有正面影響(influence)，此后，恢復(fù)為連續(xù)曝氣狀態(tài)，但NAR也在一直波動(dòng)，并在隨后接近為0，為了進(jìn)一步驗(yàn)證(Experimental)這一規(guī)律，在142 d時(shí)，再次改為間歇曝氣，停止曝氣時(shí)間8 h，果然又出現(xiàn)了NO2--N積累的情況，NAR達(dá)到26.4%，可見(jiàn)，在其他常規(guī)條件恢復(fù)短程硝化失效的情況下，采用間歇曝氣是一個(gè)有效的方法.
間歇曝氣有效的原因可能有二：其一，缺氧環(huán)境下AOB和NOB的活性均受到抑制，氨氧化過(guò)程受阻，而一旦恢復(fù)曝氣，經(jīng)歷長(zhǎng)期“饑餓”的AOB可以更多地利用氨產(chǎn)能大量增殖，而NOB不能很快恢復(fù)活性;停曝還會(huì)使系統(tǒng)中出現(xiàn)厭氧環(huán)境，這種低溶解氧的條件也有利于AOB對(duì)基質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)，并且曝停時(shí)間比越小越有利于抑制NOB的生長(zhǎng).其二，這個(gè)過(guò)程也有可能導(dǎo)致FA的進(jìn)一步升高，間歇曝氣后，F(xiàn)A濃度大幅度增加至5.02 mg ?L-1，盡管NOB對(duì)于一定濃度的FA抑制產(chǎn)生了適應(yīng)性，但是高濃度的FA還是可能對(duì)于NOB產(chǎn)生選擇性抑制. Zhang等研究表明在高NH4+-N濃度 下NOB活性明顯抑制;委燕等發(fā)現(xiàn)在添加高濃度NO2--N 時(shí)，NOB活性降低了83.57%;Wang等通過(guò)人為向CANON系統(tǒng)中添加NH2OH, 實(shí)現(xiàn)NOB的抑制，另外，有的研究者發(fā)現(xiàn)通過(guò)添加NO或者N2H4可以降低NOB的生長(zhǎng)速率.間歇曝氣的方式抑制NOB與上述幾種方式相比具有優(yōu)越性：其一，控制曝氣方式不受進(jìn)水水質(zhì)的影響;其二，間歇曝氣非常容易操作，無(wú)論實(shí)驗(yàn)室還是實(shí)際應(yīng)用中都容易實(shí)現(xiàn).經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的正常運(yùn)行，從圖 5可以看出出水NO3--N濃度逐漸下降，而NAR也逐漸上升，表明NOB在生物膜系統(tǒng)中逐漸喪失優(yōu)勢(shì)（解釋:能壓倒對(duì)方的有利形勢(shì)).
需要說(shuō)明的是，NAR在179 d達(dá)到40.8%后，又繼續(xù)下降，如圖 4所示.從圖 6可以看出，142 d以后TN去除率也小幅度提高，由于本試驗(yàn)采用無(wú)機(jī)高NH4+-N廢水，反硝化作用和微生物生長(zhǎng)繁殖去除總氮有限，據(jù)此推測(cè)該反應(yīng)器可能存在厭氧氨（化學(xué)式：NH3） 氧化脫氮效果. ANAMMOX菌的作用，導(dǎo)致NAR已經(jīng)不能代表真正的亞硝酸化 ，因此，NAR在圖 4中，只給出了第1階段數(shù)據(jù).事實(shí)上，在生物膜系統(tǒng)中，在NH4+-N和NO2--N同時(shí)存在，且無(wú)有機(jī)碳源，而生物膜內(nèi)部存在厭氧條件，為ANAMMOX菌生長(zhǎng)提供了必要條件.
2.2 第2階段
將進(jìn)水NH4+-N濃度提高到約300 mg ?L-1，NH4+-N去除率先降低后升高，從80.96%下降到41.22%，大約10 d后又升高到70%左右，此后，NH4+-N去除率有所波動(dòng)，但在本試驗(yàn)中，并未刻意追求較高NH4+-N去除率，造成了相對(duì)較高的FA濃度，由于微生物對(duì)較高濃度的FA產(chǎn)生較強(qiáng)適應(yīng)性，所以并未對(duì)反應(yīng)器的性能造成影響，到295 d時(shí)，出水NH4+-N濃度降到較低水平，NH4+-N去除率約在80%以上.從圖 3~5可以看出，提高進(jìn)水負(fù)荷后，NH4+-N去除率很快恢復(fù)原來(lái)的水平，NO2--N沒(méi)有過(guò)多積累，進(jìn)一步推斷AOB和ANAMMOX菌在其中起了較大的作用;出水NO3--N濃度略有升高，這與生物膜中還存在少量NOB有關(guān)，并且在其中生存下來(lái)的NOB對(duì)FA有了更強(qiáng)的適應(yīng)性，所以在NH4+-N濃度改變時(shí)，其作用效果比較明顯，使得NO3--N濃度略有上升，如圖 5所示;NO2--N和NO3--N出水濃度也逐漸降低，TN去除率逐漸升高，從31.10%提高到78.83%，并最終趨于穩(wěn)定，TN去除率在75%左右.此時(shí)，該反應(yīng)器已經(jīng)具有了顯著的厭氧氨氧化特征.
為了進(jìn)一步驗(yàn)證該生物膜反應(yīng)器的脫氮性能，在311 d時(shí)，將進(jìn)水負(fù)荷增加一倍，從圖 3和圖 6可以看出，由于進(jìn)水負(fù)荷的加大，去除基質(zhì)的總量是一定的，所以出水NH4+-N和TN濃度上升，NH4+-N和TN去除率明顯下降，但是如圖 4和圖 5出水NO2--N和NO3--N濃度并沒(méi)有波動(dòng)，TN去除負(fù)荷[0.68 kg ?-1]也沒(méi)有下降.由此可見(jiàn)，在增大進(jìn)水負(fù)荷后，反應(yīng)器并沒(méi)有受到太大影響，并且很快適應(yīng)，NH4+-N去除率達(dá)到70%以上，TN去除率也恢復(fù)到60%以上，去除負(fù)荷穩(wěn)步提高，TN去除負(fù)荷最高達(dá)到1.06 kg ?-1.
2.3 第3階段
進(jìn)一步提高進(jìn)水NH4+-N濃度在400mg ?L-1后，由圖 3和圖 6可以看出，這一階段提高NH4+-N濃度后反應(yīng)器變化和第二階段明顯不同，第二階段改變進(jìn)水NH4+-N濃度后，NH4+-N和TN篩除率都出現(xiàn)較大波動(dòng)，經(jīng)過(guò)短期的適應(yīng)恢復(fù)并有所提高.但是此次改變卻沒(méi)有引起較大波動(dòng)，這是由于此時(shí)達(dá)到較多生物量，如圖 7所示，填料內(nèi)部已經(jīng)充滿了紅色的生物膜，這是ANAMMOX的典型特征之一.
圖 7 填料掛膜前后的變化
在鑒別反應(yīng)器中是否存在ANAMMOX現(xiàn)象時(shí)，通常在厭氧條件下以NO2--N與NH4+-N同比例去除為標(biāo)志[式 ]，但在CANON反應(yīng)器中，由于存在好氧條件，NO2--N來(lái)源于NH4+-N的氧化，不僅ΔNO2--N無(wú)從知曉，ΔNH4+-N也反映了AOB與ANAMMOX菌共同作用的結(jié)果.因此，判定CANON反應(yīng)器中是否存在ANAMMOX現(xiàn)象，也不宜采用ΔNO2--N/ΔNH4+-N為衡量指標(biāo).但是，通過(guò)式 可以發(fā)現(xiàn)，ΔNO3--N/ΔTN應(yīng)該趨于一個(gè)定值，其理論穩(wěn)定值可通過(guò)ANAMMOX的理論反應(yīng)方程[式 ]計(jì)算得出，即ΔNO3--N/ΔTN=026/≈0.127，這是CANON反應(yīng)器中判定ANAMMOX反應(yīng)存在的又一特征.由圖 8可以看出，反應(yīng)器在第1階段 ΔNO3--N/ΔTN變化非常大，經(jīng)歷了先升高后降低的過(guò)程，并逐漸在第1階段后期，逐漸穩(wěn)定，但TN去除率與TN去除負(fù)荷有限;至第2、3階段時(shí)，TN去除負(fù)荷也逐漸上升，而ΔNO3--N/ΔTN更加穩(wěn)定，均低于理論值0.127，結(jié)合ANAMMOX的紅色特征，可確認(rèn)反應(yīng)器存在ANAMMOX細(xì)菌，即短程硝化工藝已經(jīng)轉(zhuǎn)化為CANON工藝.
圖 8 ΔNO3--N/ΔTN及去除負(fù)荷的變化
在運(yùn)行到450 d時(shí)，加大進(jìn)水量，使其進(jìn)水負(fù)荷增加原來(lái)的一半左右，從圖 3~6看來(lái)，出水NH4+-
N、NO2--
N、NO3--N濃度均未出現(xiàn)大的波動(dòng).面對(duì)較強(qiáng)的負(fù)荷沖擊并沒(méi)有對(duì)其造成影響，并且在較短時(shí)間去除負(fù)荷增加一倍 .這是由于改性聚乙烯填料覆蓋了較厚生物膜，內(nèi)層能夠保持厭氧(Oxygen)環(huán)境，ANAMMOX菌（fungus)占有優(yōu)勢(shì)，即使后期提高曝氣量也不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大影響.雖然TN去除率還是維持在50%~60%，但是其去除負(fù)荷大大提高，TN去除率達(dá)到64.03%，去除負(fù)荷高達(dá)2.52 kg ?-1，此值大于許多同行的研究結(jié)果，由此看出該生物膜反應(yīng)器已經(jīng)具有較高總氮去除負(fù)荷和較強(qiáng)的抗沖擊能力.
2.4 短程硝化分析
在獨(dú)立的短程硝化反應(yīng)器中，通常采用NAR來(lái)表述亞硝酸化水平，如2.1節(jié)所示.但隨著反應(yīng)器的運(yùn)行，短程硝化逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镃ANON反應(yīng)后，NAR無(wú)法繼續(xù)使用.一方面，產(chǎn)生的NO2--N會(huì)迅速為ANAMMOX菌所利用;另一方面，還會(huì)產(chǎn)生少部分NO3--N.當(dāng)CANON反應(yīng)器中的短程硝化被破壞，NO2--N會(huì)被進(jìn)一步氧化成NO3--N，使ΔNO3--N增加，而ΔTN會(huì)因?yàn)镹O2--N減少而減少，ΔNO3--N/ΔTN會(huì)增加，反之亦然.因此，ΔNO3--N/ΔTN是否趨于穩(wěn)定，趨于或小于0.127，也可作為CANON工藝中短程硝化是否穩(wěn)定的一個(gè)指示指標(biāo).當(dāng)然，在實(shí)際的CANON反應(yīng)器中，可能會(huì)由于部分NO3--N參與內(nèi)源反硝化而導(dǎo)致ΔNO3--N/ΔTN稍微偏低.
第1階段，在ΔNO3--N/ΔTN相對(duì)較低，但其中的TN損失主要源于硝化反硝化，且此值在前80 d平均為1.03，依然遠(yuǎn)大于0.127，短程硝化并不穩(wěn)定.此后，短程硝化更加不穩(wěn)定，在109 d時(shí)，ΔNO3--N/ΔTN高達(dá)39.68，短程硝化完全失效，此后，此值開(kāi)始逐漸下降;第2階段，在215 d，ΔNO3--N/ΔTN為0.93，此后，該值在波動(dòng)中繼續(xù)下降，至405 d，該值進(jìn)一步降低至0.11，低于0.127，顯示此時(shí)，短程硝化已經(jīng)趨于穩(wěn)定;至第3階段，ΔNO3--N/ΔTN比值在0.10左右，顯示反應(yīng)器中的短程硝化在這個(gè)過(guò)程中非常穩(wěn)定.
本反應(yīng)器能夠恢復(fù)建立短程硝化并最終穩(wěn)定的原因，一方面，在于通過(guò)調(diào)控間歇曝氣，開(kāi)始逐步恢復(fù)短程硝化性能，另一方面，在生物膜系統(tǒng)(system)中，內(nèi)部存在厭氧條件，適宜的NO2--N與NH4+-N存在為ANAMMOX菌是生長(zhǎng)準(zhǔn)備了適宜的條件，隨著ANAMMOX菌的逐漸生長(zhǎng)，ANAMMOX菌開(kāi)始強(qiáng)化與NOB對(duì)于NO2--N的競(jìng)爭(zhēng)，形成了對(duì)NO2--N “疏”而不是“堵”的積累策略，導(dǎo)致(cause)了短程硝化工藝的恢復(fù)與最終穩(wěn)定.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或
3 結(jié)論
在NOB對(duì)于FA的抑制產(chǎn)生適應(yīng)性后，控制DO在0.5mg ?L-1以下，溫度在30℃，F(xiàn)A在1.5mg ?L-1，仍然沒(méi)有恢復(fù)短程硝化，間歇曝氣是恢復(fù)短程硝化的有效手段.
生物膜(英文：Biofilm)短程硝化經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，為ANAMMOX菌提供必要的基質(zhì)和生存條件，發(fā)生厭氧氨氧化作用，其結(jié)果朝著CANON的方向轉(zhuǎn)化，這最終幫助實(shí)現(xiàn)了非常穩(wěn)定（解釋:穩(wěn)固安定；沒(méi)有變動(dòng))的短程硝化.
本反應(yīng)器經(jīng)過(guò)間歇曝氣后，運(yùn)行256 d，在溫度30℃±1℃，pH為7.96，DO為3.87的條件下，以改性聚乙烯為填料的CANON生物膜反應(yīng)器的TN去除負(fù)荷最高達(dá)2.52kg ?-1.
