CANON工艺（completely autotrophic nitrogen removal over nitrite）是指在同一个反应器内通过控制溶氧量实现同步短程硝化和厌氧氨氧化（Anammox），短程硝化反应将部分氨氮转化为亚硝酸氮，Anammox反应再将氨氮和亚硝酸氮转化为氮气，实现完全自养脱氮^〔1〕，比传统工艺具有更低的能耗和更高的脱氮效率^〔2〕。在处理高氨氮废水或者低碳氮比废水时，CANON工艺表现出脱氮效率高、剩余污泥产量少、无需额外补充有机碳源等优点^〔3〕，其在技术和经济方面具有很大优势，目前已发展成为污水生物脱氮工艺中一个重要的研究方向。

CANON工艺功能菌为厌氧氨氧化菌（Anammox菌）和氨氧化菌（AOB），但是，这2种细菌的生长较缓慢，特别是Anammox菌，一般情况下其生长速率仅为0.002 7 h^-1〔4〕，即14 d才分裂1次，这对CANON工艺的启动造成了很大困难。有些研究者通常接种好氧活性污泥启动CANON工艺，但启动时间较长^〔5-6〕。与好氧污泥相比，接种Anammox污泥和亚硝化污泥混合污泥，可以提高反应器内AOB与Anammox菌的含量，实现快速启动。

对生物膜和活性污泥的研究发现，在反应器中限氧条件下，生物膜表层因与空气接触，好氧的亚硝化细菌成为表层优势菌种，而生物膜内部的厌氧区生长着Anammox菌，表层产生的亚硝酸盐可以通过自由扩散的方式进入厌氧区发生Anammox反应^〔7〕。这一发现为CANON工艺的提出打下了基础。为避免生物量流失，加快生物膜形成，本研究采用固定床反应器（FBR）。在填料的选择上，刘涛等^〔8〕和付昆明^〔9〕使用火山岩填料启动CANON工艺，但是均出现了填料堵塞的现象；李思敏等^〔10〕以石英砂-海绵填料成功启动了CANON工艺，但海绵填料内部面积大，存在容易磨损、传质效率低等缺点。蜂窝状改性聚乙烯填料结构稳定、不易堵塞且价格低廉，能为微生物提供充足的表面积，多孔结构则有利于微生物产气的快速排出，加速生物膜形成。因此，本研究采用FBR填充蜂窝状填料，接种Anammox污泥和亚硝化污泥的混合污泥，培养CANON生物膜，从而快速启动CANON工艺。

实验装置示意见图1。

反应器容积为2.6 L，材料为有机玻璃，高径比为2.5:1。填料为蜂窝状改性聚乙烯填料，填充比为80%。该填料为多孔结构，有利于微生物附着生长，并提高氧传质能力。

设备进水为人工配制的模拟废水，水力停留时间（HRT）为1 d，每2 d更新1次模拟废水，通过提高进水氨氮浓度来提高进水氮负荷。配成的模拟废水在使用之前需经N₂曝气以排除水中溶解氧，并曝CO₂气体为AOB和Anammox菌补充部分碳源。通过恒温水浴，反应器温度控制在32 ℃。反应器pH控制在7.8~8.0。反应器表面用黑布覆盖避免光线对反应的影响。模拟废水自反应器下部通过蠕动泵进入，至反应器上部自然溢流出水，有利于废水与功能菌的充分接触，提高传质效果。空气通过转子流量计进入，反应器内溶氧质量浓度约为0.5~1 mg/L。

接种污泥为Anammox污泥与亚硝化污泥按1:1体积比混合而成的污泥。固定床反应器中污泥接种量为500 mL。模拟废水中氨氮由（NH₄）₂SO₄提供，主要成分见表1。

模拟废水中还需添加1.25 mL/L的微量元素液，主要成分见表2。

每天自固定床反应器取进出水样进行测定，测定内容主要包括：进水氨氮浓度、出水氨氮浓度、出水亚硝酸氮浓度、出水硝酸氮浓度、进出水pH及温度等。测定方法：氨氮采用纳氏试剂光度法；亚硝酸氮采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法；硝酸氮采用酚二磺酸光度法。

进水氨氮恒定为50 mg/L，HRT为1 d，温度控制在32 ℃，考察启动阶段氮浓度及其去除效果变化，结果见图2。

由图2可知，运行第1 d，氨氮转化率和总氮去除率分别达到65.34%和6.94%，表现出了脱氮性能。氨氮转化产物主要为亚硝酸氮，出水亚硝酸氮质量浓度为28.82 mg/L，出水硝酸氮质量浓度很低，仅为0.37 mg/L，说明此时反应器中AOB为优势菌种，限氧条件下，亚硝酸盐氧化菌（NOB）的活性被抑制^〔11〕。同时由于亚硝酸盐的浓度较高，一定程度上也抑制了Anammox菌的活性。随着运行时间增加，出水氨氮、亚硝酸氮质量浓度呈现波动下降的趋势，在第9 d时分别为13.38、15.65 mg/L。张沙等^〔12〕的研究中也出现了类似的波动现象，其原因可能是反应器内的AOB与Anammox菌相互竞争。此时氨氮转化速率逐步上升，直至13 d，氨氮转化率和总氮去除率大幅提升，这表明Anammox菌在菌群中的优势进一步提高，同时与AOB的协同作用增强。而且，由于Anammox反应的发生，产生了少量的硝酸氮，导致出水硝酸氮浓度上升。

总氮去除率的最大值出现在第19 d，达到了88.82%，氨氮转化率达到96.54%。自第17 d起，出水亚硝酸氮浓度接近于0，此时AOB产生的亚硝酸氮几乎完全被用于Anammox反应。经过21 d，总氮去除速率稳定在44 g/（m³·d）左右，其他指标也趋于稳定，表明FBR内菌群及其生化反应达到平衡状态，成功启动CANON工艺。

本研究运行第1 d即出现Anammox活性，21 d成功一步启动CANON工艺，主要原因分析如下。

（1）研究表明，功能菌数量要达到1×10¹⁰~1× 10¹¹ mL^-1时，才能表现出活性^〔13〕。接种混合污泥可大幅提高反应器中AOB和Anammox功能菌的含量，实现一步快速启动。

（2）细胞自溶是淘汰杂菌的过程，其间会产生有毒物质，从而延迟启动^〔14〕。CANON工艺的启动本质上是功能菌AOB和Anammox菌富集和杂菌淘汰的过程，接种由Anammox污泥和亚硝化污泥混合而成的污泥，可以减少自溶产物，从而减少其对AOB和Anammox菌等功能菌的不利影响。

（3）FBR能有效截留微生物，蜂窝状填料多孔结构有利于氧传质和Anammox菌产气快速排出。

第23 d起开始，以提高进水氨氮浓度的方式提高进水负荷，HRT保持不变仍为1 d。当总氮去除率大于90%，且出水亚硝酸氮质量浓度低于5 mg/L时提高进水浓度。考察负荷提高阶段氮浓度及其去除效果变化，结果见图3。

由图3可知，进水浓度一共提高了4次，分别提高至70、100、150、200 mg/L，各阶段平均总氮去除速率分别为58.30、83.73、135.83、179.10 g/（m³·d），脱氮效果明显。整个负荷提高阶段出水亚硝酸氮质量浓度最大不超过7 mg/L，即没有表现出明显的Anammox活性抑制。

在各个负荷提升周期内，均呈现出一些相似的现象。在每次提升负荷（23、31、43、53 d）后，氨氮转化率和总氮去除率总是呈现先下降再升高的趋势，同时出水亚硝酸氮和硝酸氮浓度均呈现先升高再下降的趋势。这是因为突然的进水负荷提高对菌群产生了抑制作用，导致处理效果暂时下降，而维持一段时间稳定的进水浓度后，反应器内的菌群逐渐适应了浓度变化，处理效果即恢复正常。表明本研究CANON固定床反应器能有效地抵抗负荷变化。

本研究耗时42 d成功将进水氨氮质量浓度由50 mg/L提升至200 mg/L，氨氮转化率达到98.04%，总氮去除率达到91.04%。活性提高期内平均氨氮转化率达95.89%，平均总氮去除率为87.05%，基本满足对高氮废水的处理要求，相较传统工艺缺氧-好氧生物膜法^〔15〕可处理更高负荷，且无需外加有机碳源，运行成本大大降低。

实验第67 d，进水氨氮质量浓度提升至250 mg/L。在负荷提升后的几天，氨氮转化率与总氮去除率有小幅下降趋势，属于负荷突然提升时的正常现象。但在一段时间后，处理效果并未逐渐恢复正常，反而下降幅度越来越大。最严重的情况出现在第79 d，氨氮转化率低至62.68%，总氮去除率低至42%，系统呈现出明显的失稳状态。考察失稳恢复阶段氮浓度及其去除效果变化，结果见图4。

由图4可知，失稳时出水水质下降明显，出水氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮质量浓度都显著上升，峰值分别达到93.31、32.26、26.62 mg/L。亚硝酸氮浓度过高，意味着系统内Anammox反应被抑制，同时NOB活性有一定的提高，导致硝酸氮浓度升高。这种抑制会很大程度上影响系统运行性能，必须及时做出调整^〔16〕。

在第81 d，进水氨氮质量浓度下调至150 mg/L，即进水氨氮负荷为150 g/（m³·d）。在进水负荷下降后，系统逐渐恢复稳定，仅用时4 d，氨氮转化率即提升至95.83%，氨氮转化速率也达到143.74 g/（m³·d）。由于及时的补救，未造成严重后果。第85 d，总氮去除率达到91.13%，出水亚硝酸氮质量浓度为3.43 mg/L，满足提升进水负荷条件，进水氨氮质量浓度在87 d再一次调整至200 mg/L。此次负荷提升未出现失稳现象，处理效果在暂时的下降后迅速恢复正常，95 d时氨氮转化率和总氮去除率分别达到96.82%和91.81%，与失稳前基本持平，说明此时系统已成功恢复稳定状态。

此次失稳虽然成功恢复，但浪费了28 d的宝贵时间。这表明：一是要正确设定负荷提升幅度，随着进水负荷的不断提高，系统内菌群的处理能力提升空间逐渐变小，不能再按照之前的大幅度提升，应适当减小提升幅度，20~30 mg/L为宜；二是要时刻注意系统处理效果的变化，一旦出现抑制现象，立刻要做出调整。否则，不但会浪费大量时间，甚至会造成不可逆的后果，导致系统崩溃，造成极大的损失。

（1）在HRT为1 d、温度为32 ℃条件下，使用FBR和蜂窝状改性聚乙烯填料接种亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥等体积比混合污泥，耗时21 d可一步快速启动CANON工艺。

（2）实验运行第1 d即表现出活性，氨氮转化率、总氮去除率分别为65.34%、6.94%。

（3）启动成功后又历时42 d成功将进水氨氮质量浓度提升至200 mg/L，最终实现了98.04%的氨氮转化率和91.04%的总氮去除率，基本满足对高浓度氨氮废水脱氮的需求。

（4）第67 d，HRT不变，进水氨氮质量浓度从200 mg/L提升至250 mg/L，产生失稳现象。到第79 d，氨氮转化率、总氮去除率分别低至62.68%、42%。第81 d，降低进水氨氮浓度至150 mg/L，用时4 d，处理效果恢复正常。第87 d，进水氨氮质量浓度回调至200 mg/L，直至95 d，系统恢复到失稳前状态，表明CANON固定床反应器在进水氨氮质量浓度达到200 mg/L时运行平稳。