污水回用技术作业王秀杰 S201404092

污水高级处理与回用技术论文姓名:王秀杰学号：S201404092学科:市政工程学院:建筑工程学院Canon 工艺应用及发展王秀杰摘要：阐述了 Canon 工艺的生物化学和微生物学原理，分析了该工艺的技术特征和工艺效能，讨论了温度、pH 、氨氮浓度、溶解氧浓度等因素对工艺效能的影响，介绍了 Canon 工艺的研究和应用现状，指出了该工艺的现存问题及研究方向。

关键词：生物脱氮；氨氧化；废水处理Canon（Completely autotrophic nitrogen removal over nitrite）是一个基于亚硝酸盐的全自养生物脱氮过程，它通过氨氧化细菌(AOB)的作用将氨氧化成亚硝酸盐，再通过厌氧氨氧化细菌(AAOB) 的作用将剩余的氨和亚硝酸盐转化成氮气。

20世纪末荷兰E.B.Muller等[1]和德国 A.Hippen等[2]分别在消化污泥压滤液和垃圾渗滤液的脱氮处理系统中发现了Canon现象。

2002年荷兰Delft工业大学提出并研发了Canon工艺。

[3]由于该工艺不需外源有机物,只需一个反应装置,操作相对简单。

因此受到环境工程界的关注和青睐。

笔者拟对 Canon 工艺的原理、特征、效能及其研究和应用现状作一评述，以期推动该工艺的发展。

1 Canon工艺的原理与特征1.1 Canon工艺的生化原理1.1.1氨氧化反应氨氧化(亚硝化)的化学反应见式(1)。

氨氧化的生化过程为〔4〕：首先，在氨单加氧酶（AMO）的作用下，氨氧化为羟胺（NH2OH）。

再在羟胺氧还酶（HAO）的作用下，羟胺氧化为亚硝酸盐，同时产生4个电子和5个质子。

质子用于建立跨膜质子梯度驱动ATP合成。

产生的4个电子中，2个传至AMO用于启动氨氧化反应，另外2个传至未端氧化酶（Cytaa3）用于氧的还原。

1.1.2 厌氧氨氧化反应厌氧氨氧化（Anammox）化学反应见式（2）M.Strous等基于对基因组的序列分析，提出了Anammox代谢途径〔5-6〕。

该途径主要涉及4步反应：（1）Cytcd1型亚硝酸还原酶（Nir）将NO2－还原成NO；（2）联氨水解酶（HH）将NO 和NH4+缩合成N2H4；（3）联氨氧还酶（HZO）将N2H4氧化成N2；（4）亚硝酸盐氧化酶（Nar）将NO2-氧化成NO3-。

1.2 Canon工艺的微生物学原理目前对Canon工艺的微生物学原理有两种观点：一种观点认为Canon 反应是一类未知微生物的代谢功能〔7〕；另一种观点认为Canon 反应是AOB 和AAOB 的协同作用。

笔者不否认前一种观点，但力推后一种观点。

在Canon工艺中，AOB 将氨氮氧化成亚硝氮并消耗溶解氧（DO），为AAOB 提供了基质且创造了缺氧环境，AAOB 对氨氮和亚硝氮的转化则实现了废水脱氮。

C. Helmer 等〔8〕以NSO1225 探针和Amx-0820-a-A-22 探针检测了生物膜内的功能菌，证实AOB 主要分布于生物膜的好氧表层，而AAOB主要分布于缺氧内层。

M. Nielsen 等〔9〕以同样的探针检测了颗粒污泥内的功能菌，也得到类似的结果。

1.2.1 氨氧化细菌根据《伯杰氏系统细菌学手册》（第2版)，氨氧 化细菌（AOB ）分为3个属，即Nitrosomonas 、Nitrosococcus 和Nitrosospira 。

它们能把氨氧化成亚硝酸盐，但不能继续氧化成硝酸盐。

至今还没有发现能把氨直接氧化成硝酸盐的微生物。

一般认为AOB 是严格好氧的化能自养菌，其典型生理特性：需氧、以氨为能源、以二氧化碳为碳源（电子受体为O 2， 电子供体为NH 4＋， 碳源为CO 2）。

AOB 自养生长时，以氨为唯一能源，以CO 2为唯一碳源；混合营养生长时，可同化有机物质。

适合大多数AOB 生长的条件为： 温度25~30 ℃，pH 在7.5~8.0,氨浓度2~10 mmol/L 。

倍增时间8h 至数天。

1.2.2 厌氧氨氧化细菌1999 年M. Strous 等〔10〕采用分子生物学手段成功鉴定了第一种厌氧氨氧化菌（Candidatus Brocadia anammoxidans ）。

迄今为止，文献报道的AAOB 已有5个属，10个种（表1），并创建了厌氧氨氧化菌科（Anammoxaceae ）。

上述AAOB 大多分离自污水处理厂构筑物或实验室反应器内， 也有分离自海水中。

AAOB的生态分布十分广泛。

在电子显微镜下观察，AAOB 的形态不规则，细胞壁表面有火山口状结构，细胞被质膜分割成不同的区室，细胞内含有特殊细胞器，即所谓厌氧氨氧化 体（Anammoxosome ）。

AAOB 利用亚硝酸盐、氨氮和二氧化碳营化能自养生活〔12〕。

生长条件为：温度20~43 ℃，最佳温度40 ℃；pH 6.7~8.3，最佳pH为8.0。

在不同生境中，AAOB 倍增时间（生长速率）差异很大。

据现有文献报道， 其较短倍增时间为0.23~5.4d ，较长为11.1~28 d 〔15-16〕，但以后者居多。

1.3 Canon 工艺的特征由于Canon 工艺赖以进行的AOB 和AAOB 皆为自养菌，不需要利用有机物，因此Canon 工艺可在完全无机条件下进行。

它特别适合处理低碳氮比含氨废水甚至无机含氨废水， 这既是Canon 工艺显著优势，也是该工艺的一大特征。

在Canon 工艺中，一 边AOB 将氨氮转化为亚硝氮， 另一边AAOB 将剩 余的氨氮和产生的亚硝氮转化成氮气， 两个反应在 同个空间同段时间内完成， 因此Canon 工艺可置于一个反应器内进行。

它可缩短脱氮工艺流程，这既是Canon 工艺另一显著优势， 也是该工艺的另一大特征。

在短程硝化-厌氧氨氧化（Sharon-Anammox ）工艺中，前置短程硝化需为后续Anammox 提供比例合适的氨氮和亚硝氮，给工艺操作带来了很大困难。

在Canon 工艺中，亚硝氮边产生边利用，只要控制DO 浓度即可满足Anammox 对亚硝氮的要求。

它可简化工艺操作，这是Canon 工艺又一显著优势，也是该工艺的又一大特征。

2 Canon 工艺的效能与影响因素2.1 Canon 工艺的效能近20a 来推出了一大批高效生物脱氮工艺，其中以Sharon-Anammox 工艺最引人注目。

Sharon-Anammox 工艺已成功应用于Rotterdam 污水处理厂的污泥消化滤液处理。

其中，Anammox 工艺（反应器有效容积70 m 3）的总氮容积去除速率达9.50g/（L ·d ）， 远远高于传统硝化反硝化工艺0.23g/（L ·d ），其处理费用为0.75/kg ，远远低于传统生物脱氮工艺（ 2~5/kg ）。

但该工程Sharon 工艺（反应器有效容积1800 m 3）为前置工艺。

若综合考虑整个工程的效能， 该Sharon-Anammox 工艺的容积总氮去除速率也只有0.38 g/（L ·d ）。

与相关工艺相比，Canon 工艺的效能处于中间水平， 详见表2。

A.O. Sliekers 等〔18〕运试了Canon 气提式反应器，所取得的最高负荷为1.5 g/（L ·d ）。

2.2 Canon 工艺的影响因素（1）温度。

郭劲松等指出，温度为30℃时有利于保持Canon 系统中短程硝化和Anammox 反应之间的动态平衡；温度低于30 ℃时，升温有助于提高NH4+-N 转化速率和TN 去除率；但温度升至35 ℃时，Anammox 速率低于短程硝化速率而导致NO2-积累。

张杰等认为，Canon 工艺的最适温度范围为26~35 ℃，最佳温度为30 ℃；温度降至20 ℃时，Anammox 反应受到显著影响，造成NO2--N 积累，TN去除率降低。

L. A. van Niftrik 等也认为，Canon 工艺的最佳温度为30 ℃左右。

综上所述，Canon 工艺的操作温度以30 ℃为宜。

（2）pH。

在Canon 工艺中，pH 是一个非常重要的操作条件。

一方面AOB 和AAOB 都要求适宜的酸碱度，另一方面，pH 会对真正的反应基质NH3和HNO2在液相中的分配比例产生影响。

郭劲松等研究了pH 对Canon 工艺的影响，发现将温度控制在30 ℃，pH 控制在6、7、8、9 时，Canon 工艺的平均TN 去除率分别为1.8%、58.8%、78.4%、10%，最适pH 为8。

杨虹等认为Canon 工艺的最适pH 范围为7.5~8.5，最佳pH 在8.0 左右。

K. A. Third 等认为Canon 工艺的最佳pH 为7.8。

综合各文献报道，Canon 工艺的pH 控制在8.0 为宜。

（3）氨氮。

一般认为维持较高的游离氨浓度对Canon 工艺具有重要作用。

高浓度的游离氨对亚硝酸氧化细菌（NOB）的抑制作用强于对AOB 和AAOB的抑制，维持高浓度的游离氨有助于淘汰NOB，在反应器内建立以AOB 和AAOB 为主的菌群结构。

此外，AOB 对氨氮的亲和力强于AAOB，当氨氮浓度成为限制因子时，AAOB 将处于竞争劣势，削弱Anammox 反应，造成亚硝酸盐积累和TN 去除率降低。

K. A. Third 等〔23〕在氨饱和与氨限制条件下运行Canon 恒化器，也印证了氨限制对反应器效率和稳定性的影响，如图1 所示。

（4）溶解氧。

由于AOB 需要氧气，而AAOB 对氧气敏感，因此Canon 工艺必须在低氧条件下实施。

在低DO 浓度下，AOB 可将氨氮氧化成亚硝氮，同时可耗尽DO，为AAOB 创造缺氧环境，使AAOB 发挥正常功能，将氨氮和亚硝酸盐转化成氮气。

低DO 浓度也有利于抑制NOB，从而有利于维持短程硝化，将氨氮氧化控制在亚硝酸盐阶段。

由于AOB对DO的亲和力强于NOB，低DO浓度可以抑制NOB生长。

A.O.Sliekers 等〔3〕采用FISH 技术检测发现，Canon 反应器中可检测到AOB 与AAOB，但不能检测到NOB。

廖德祥等用模拟废水试验了Canon-SBR 反应器的性能，结果表明进水氨氮负荷为60mg/（L·d），DO 控制在0.5~0.7 mg/L 时，氨氮转化率可达90%以上，只有少量亚硝酸盐和硝酸盐积累。

孟了等采用Canon 工艺处理垃圾渗滤液，将DO 控制在1 mg/L 左右，进水NH4+-N ＜800 mg/L，氨氮去除率＞95%，TN 去除率＞90%。

杨虹等〕认为，Canon 工艺的最适DO 范围为0.5~1.5 mg/L，尤以0.8~1.0 mg/L为最佳。

3 Canon 工艺的应用现状目前，Canon 工艺的研发主要停留在实验室试验阶段，所处理的废水主要为模拟废水、厌氧消化污泥压滤液、垃圾渗滤液等。