提升负荷率下 CANDAN 工艺加速污泥颗粒化的关键机制与应用前景

为解决厌氧氨氧化（AnAOB）反应器启动慢、污泥颗粒化难的问题，研究人员开展 CANDAN 工艺污泥颗粒化研究。结果表明提高氮负荷率（NLRs）可加速颗粒化，该成果为优化 CANDAN 系统启动和运行效率提供参考。

　　在过去的几十年里，废水生物处理领域迎来了一项极具变革性的技术 —— 厌氧氨氧化（Anammox）。这项技术被广泛认为是一种经济高效的生物脱氮方法，其中，最早开发的部分硝化厌氧氨氧化（PNA）工艺备受关注，科研人员对其展开了大量研究。然而，PNA 工艺在实际应用中遇到了一个棘手的问题，那就是作为反应底物的 NO₂^?-N 难以稳定供应，这就像给一辆高性能赛车配上了不稳定的燃料供应系统，严重限制了其发挥。

为了解决这一难题，一种名为反硝化脱氮（denitratation）的新技术应运而生，它能够实现稳定高效的 NO₂^?-N 积累。基于此，通过反硝化脱氮厌氧氨氧化亚硝酸盐（Complete Ammonium and Nitrate Removal via Denitratation Anammox Over Nitrite，CANDAN）工艺被开发出来用于脱氮。在这个工艺中，部分反硝化细菌会把 NO₃^?-N 转化为 NO₂^?-N，随后，污泥中的厌氧氨氧化菌（AnAOB）利用这些 NO₂^?-N 来氧化 NH₄⁺-N，最终产生氮气，从理论上来说，该工艺能达到 100% 的脱氮效率，并且在长期稳定运行中保持较高的脱氮速率，在市政和工业废水处理方面展现出巨大的应用潜力。

但理想很丰满，现实很骨感。基于 Anammox 的反应器在实际运行中面临着严峻挑战。AnAOB 的生长速度极其缓慢，就像蜗牛爬行一样，而且它们对环境条件极为敏感，稍微有点 “风吹草动”，比如水质、温度的变化，就很容易受到抑制。这导致 Anammox 工艺启动周期过长，难以实现高氮负荷率。为了有效留住污泥，科研人员常将 AnAOB 培养成颗粒污泥或生物膜，其中颗粒污泥在脱氮负荷、生物量保留和抗冲击能力等方面更具优势。不过，如何实现快速颗粒化却成了研究和应用中的一大瓶颈。虽然已经有多种假说尝试解释颗粒污泥的形成机制，但目前对于 CANDAN 系统中颗粒污泥的快速启动以及系统负荷对胞外聚合物（EPS）分泌的影响，相关研究还非常匮乏。

为了填补这些空白，来自国内的研究人员开展了一项针对 CANDAN 系统快速颗粒化的研究。他们在实验室规模的序批式反应器（SBR）中进行实验，运行时间长达 119 天，探究了负荷增加对颗粒化效率的影响，评估了污泥性质和 EPS 组成的变化，并通过宏基因组分析揭示了背后的机制。该研究成果发表在《Bioresource Technology》上，为优化 CANDAN 系统的启动和运行性能提供了重要的参考依据，有望推动这一技术在实际废水处理中的广泛应用。

研究人员采用了以下几种关键技术方法：首先，搭建了实验室规模的 SBR 反应器，在特定的温度条件下持续运行 119 天，模拟实际的废水处理环境；其次，通过对反应器不同运行阶段的进出水进行监测，分析 NH₄⁺-N 等物质的含量变化，以此评估总氮去除性能；最后，利用宏基因组分析技术，深入探究微生物群落结构以及相关代谢通路的变化情况。

实验装置与 CANDAN 工艺运行

研究人员搭建了一个实验室规模的序批式反应器（SBR），该反应器总高度为 55.0cm，内径 16.0cm，外径 19.0cm，顶部安装有密封盖，确保反应过程中的气密性。反应器内使用带有两个叶片的平板桨式搅拌器，用于混合反应液。在 119 天的运行过程中，反应温度保持在 21.6 - 27.1℃。通过这样的实验装置，研究人员可以精确控制反应条件，模拟不同的运行工况。

长期运行过程中的总氮去除性能

研究人员根据进水氮负荷率（NLR）将反应器 119 天的运行过程划分为五个阶段。在实验初期（1 - 19 天），由于接种污泥在 4.0℃储存导致微生物活性较低，出水 NH₄⁺-N 含量没有明显下降。从第 20 天开始，情况发生了变化，到第 45 天，出水 NH₄⁺-N 含量从 46.6mg/L 降至 20.5mg/L。随着实验的进行，系统的总氮去除率逐渐提高，在实验后期，当 NLR 达到 1.93kg N/m³/d 时，系统平均总氮去除率达到了 89.2%。这表明随着运行时间的增加和系统的适应，CANDAN 工艺的脱氮能力逐渐增强。

污泥颗粒化过程与特性变化

在 119 天的实验过程中，研究人员发现污泥颗粒的粒径显著增大，从最初的 215.6μm 增长到了 924.5μm，并且有 46.9% 的污泥颗粒粒径超过了 1.0mm，这意味着污泥逐渐形成了粒径较大、结构更稳定的颗粒，这种变化对于提高污泥的沉降性能和生物量保留能力具有重要意义。进一步研究发现，较高的 NLR 会显著增加 EPS 的含量，尤其是疏水性蛋白质。EPS 就像是微生物的 “胶水”，能够促进微生物之间的聚集，而疏水性蛋白质的增加使得污泥的疏水性增强，这就好比让原本相互排斥的 “小颗粒” 变得更容易相互吸引，从而加速了污泥的聚集和颗粒化过程。

微生物群落结构与功能分析

研究人员通过宏基因组分析发现，Candidatus Brocadia 和 Thauera 是系统中主要的微生物属，在氮去除过程中发挥着关键作用。Candidatus Brocadia 属于厌氧氨氧化菌，能够直接参与厌氧氨氧化反应，将 NH₄⁺-N 和 NO₂^?-N 转化为氮气；Thauera 则可能在反硝化脱氮过程中发挥作用，将 NO₃^?-N 转化为 NO₂^?-N，为厌氧氨氧化反应提供底物。此外，在较高 NLR 条件下，碳代谢相关基因的表达上调，这促进了疏水性氨基酸的合成，进一步解释了污泥疏水性增强和颗粒化加速的现象。

研究结论与讨论

这项研究表明，提高氮负荷率（NLR）能够显著加速 CANDAN 工艺中的污泥颗粒化过程。通过 119 天的实验，研究人员成功培养出了具有高活性和优良沉降性能的成熟颗粒污泥。高氮负荷增强了微生物的诱导作用，促进了 Ca-P 矿物质的形成，提高了污泥的密度和沉降性能。同时，松散结合的 EPS 疏水性增加更为明显，有利于污泥的聚集和颗粒化。宏基因组分析揭示了关键微生物属以及碳代谢在颗粒化过程中的重要作用。

该研究成果为优化 CANDAN 系统的启动和运行效率提供了理论依据和实践指导。在实际应用中，通过合理调整氮负荷率，可以缩短反应器的启动时间，提高处理效率，降低运行成本。此外，对于其他类似的厌氧氨氧化工艺，该研究结果也具有一定的借鉴意义，有助于推动整个废水生物处理领域的发展，为实现可持续的水资源管理提供有力支持。