主流厭氧氨氧化工藝的研究與應(yīng)用進(jìn)展
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生物脫氮技術(shù)被廣泛用于廢水中氮的去除，在傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)中，氨氮首先被嚴(yán)格好氧的氨氧化細(xì)菌（ammonia-oxidizingbacteria，AOB）和亞硝酸鹽氧化菌（nitriteoxidizingbacteria，NOB）氧化為亞硝態(tài)氮（NO2－-N）和硝態(tài)氮（NO3－-N），之后異養(yǎng)菌（heterotrophicbacteria，HB）利用有機(jī)物提供的電子將硝酸鹽還原為氮?dú)�。此過(guò)程不僅需要消耗大量能量為硝化反應(yīng)提供氧氣，且常常需要額外補(bǔ)充有機(jī)物保證反硝化脫氮的進(jìn)行。厭氧氨氧化技術(shù)（anammox）是20世紀(jì)90年代由荷蘭代爾夫特大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種新型自養(yǎng)生物脫氮工藝，與傳統(tǒng)脫氮技術(shù)相比，自養(yǎng)型厭氧氨氧化工藝被認(rèn)為是一種更高效、節(jié)能的廢水處理方法，其在厭氧或缺氧條件下以NO2－-N為電子受體，利用厭氧氨氧化細(xì)菌（anaerobicammoniaoxidationbacteria，AnAOB）將氨氮直接氧化為氮?dú)狻Ｔ诠?jié)約了硝化反應(yīng)曝氣能源的基礎(chǔ)上，還無(wú)需外加碳源，且由于AnAOB屬自養(yǎng)型微生物，生長(zhǎng)緩慢，因此，可大大減少工藝的污泥產(chǎn)量。
由于厭氧氨氧化技術(shù)在污水廠節(jié)能降耗、綠色環(huán)保方面表現(xiàn)出來(lái)的顯著優(yōu)勢(shì)，過(guò)去二十年里，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)其展開(kāi)了大量研究。截至2021年3月，根據(jù)WebofScience數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球已發(fā)表厭氧氨氧化相關(guān)科技論文4403篇，其中，中國(guó)是全球發(fā)表厭氧氨氧化相關(guān)文章最多的國(guó)家（共計(jì)2054篇，占46.6%）。論文研究方向涉及環(huán)境微生物學(xué)、水資源、生態(tài)學(xué)等83個(gè)方向，具體可細(xì)分為：
�。�1）研究抑制厭氧氨氧化效果的物質(zhì)及其濃度，如氨氮、NO2－-N、有機(jī)物、鹽、重金屬、磷酸鹽和硫化物等對(duì)厭氧氨氧化過(guò)程的抑制作用影響；
（2）研究自養(yǎng)生物脫氮系統(tǒng)中涉及的主要微生物，如AOB、NOB、AnAOB、HB及其相互作用；
�。�3）研究控制NOB生長(zhǎng)的方法及對(duì)應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)，如改變?nèi)毖?好氧狀態(tài)、維持高氨氮濃度、利用底物如游離亞硝酸（FNA）的抑制作用、控制曝氣時(shí)間等；
�。�4）研究不同的厭氧氨氧化工藝、反應(yīng)器和污泥存在形態(tài)（懸浮污泥，生物膜）對(duì)處理效果的影響；
�。�5）研究維持AnAOB生物量的方法。
基于以上多方面的研究工作，厭氧氨氧化技術(shù)日益成熟，且被廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水、垃圾滲濾液、沼液等高含氮廢水生物處理過(guò)程中，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球已有超過(guò)110座生產(chǎn)性厭氧氨氧化工程，但其中絕大部分用于市政污水的側(cè)流處理。將厭氧氨氧化技術(shù)引入市政污水主流工藝應(yīng)用，不僅可通過(guò)耦合碳濃縮預(yù)處理實(shí)現(xiàn)污水能量回收最大化，而且可顯著減少外加碳源量，從而有效降低污水的脫氮運(yùn)行成本。由于生活污水與工業(yè)廢水、垃圾滲濾液、沼液等高含氮廢水在水質(zhì)、水溫、水量等方面的差異，厭氧氨氧化工藝在污水處理主流工藝應(yīng)用上面臨很多技術(shù)瓶頸。在日益重視污水資源化、能源化發(fā)展的今天，這種綠色低碳且可持續(xù)的脫氮工藝受到越來(lái)越多關(guān)注和研究，主流厭氧氨氧化工藝的工程應(yīng)用也取得很大的進(jìn)步，下文基于現(xiàn)有研究和應(yīng)用成果，對(duì)該工藝基本情況、工程應(yīng)用進(jìn)展和主流工藝應(yīng)用面臨的技術(shù)難點(diǎn)展開(kāi)論述。
1 厭氧氨氧化技術(shù)工藝及反應(yīng)器
1. 1 工藝類型
污水的厭氧氨氧化自養(yǎng)脫氮過(guò)程一般包括兩個(gè)階段：
（1）有氧條件下，約一半的氨氮轉(zhuǎn)化為NO2－-N的部分硝化（partialnitritation，PN）反應(yīng)階段，反應(yīng)方程式如式（1）；
（2）缺氧/厭氧條件下，AnAOB以第一階段產(chǎn)生的NO2－-N為電子受體，將89%左右的氨氮氧化為氮?dú)�、剩下的氨氮氧化為NO3－-N的厭氧氨氧化反應(yīng)階段，反應(yīng)方程式如式（2）。
與一體式系統(tǒng)相比，兩段式系統(tǒng)的反應(yīng)器可以獨(dú)立調(diào)節(jié)和控制，更加靈活穩(wěn)定。將自養(yǎng)脫氮的兩個(gè)反應(yīng)階段分離，不僅可以優(yōu)化富集AOB和AnAOB，而且可以通過(guò)PN段消除一些有毒有機(jī)污染物，避免有毒物質(zhì)和有機(jī)物直接進(jìn)入后續(xù)的厭氧氨氧化反應(yīng)器中。但兩段式系統(tǒng)投資成本更高，且由于PN段形成的NO2－-N容易積聚，產(chǎn)生游離亞硝酸抑制作用，系統(tǒng)需匹配PN和厭氧氨氧化兩反應(yīng)階段的反應(yīng)速率，系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。
目前，在組合PN和厭氧氨氧化反應(yīng)的基礎(chǔ)上，已開(kāi)發(fā)出多種工藝，包括兩段式的SHARON-Anammox工藝、一體式的亞硝酸鹽完全自養(yǎng)脫氮工藝(CANON)、脫氨工藝（DEMON）、限氧自養(yǎng)硝化反硝化工藝（OLAND），以及同步亞硝化、厭氧氨氧化和反硝化工藝（SNAD）等。在厭氧氨氧化發(fā)展的早期階段，研究和應(yīng)用主要以SHARON-Anammox工藝為主，該工藝對(duì)高氨氮、低亞硝酸鹽污水有較好的處理效果。到2001年，可自發(fā)形成厭氧氨氧化顆粒污泥的CANON工藝問(wèn)世，并迅速受到廣泛歡迎，該工藝中氨氮在AOB和AnAOB的共同作用下完成轉(zhuǎn)化，可用于處理有機(jī)質(zhì)含量低的污水，是目前全世界研究應(yīng)用最多的厭氧氨氧化工藝。與CANON工藝相似的OLAND工藝也逐漸受到關(guān)注，該工藝采用生物轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)且運(yùn)行過(guò)程要求嚴(yán)格控制曝氣，因此，在實(shí)際工程中比較少見(jiàn)，但在未來(lái)有望得到更廣泛的應(yīng)用。此外，以控制pH、使用水力旋流器分離AnAOB為特點(diǎn)的DEMON工藝也受到普遍歡迎，已有超過(guò)30個(gè)污水處理廠采用該工藝。
1. 2 反應(yīng)器應(yīng)用
厭氧氨氧化工藝中，反應(yīng)器的選擇必須滿足自養(yǎng)型微生物長(zhǎng)世代周期和污泥截留的需要�；谝陨弦�，工程應(yīng)用中常采用序批式反應(yīng)器（SBR）、序批式生物膜反應(yīng)器（SBBR）、移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR）、上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB）和厭氧膨脹顆粒床反應(yīng)器（EGSB）等。其中，SBR是厭氧氨氧化工藝中應(yīng)用最廣泛的反應(yīng)器，典型的一體式DEMON工藝就是采用SBR運(yùn)行。此外，生物膜反應(yīng)器也非常適合厭氧氨氧化工藝，在生物膜反應(yīng)器中，氧氣可以被膜外層的AOB消耗，而膜內(nèi)部形成的缺氧區(qū)域有利于AnAOB生長(zhǎng)。配備40%~50%的載體、攪拌器和曝氣設(shè)施的MBBR目前已在德國(guó)、瑞典等國(guó)家廣泛應(yīng)用。
2 工程應(yīng)用進(jìn)展
2. 1 國(guó)外工程應(yīng)用
從20世紀(jì)90年代在荷蘭問(wèn)世至今，厭氧氨氧化水處理技術(shù)不斷取得突破，實(shí)際工程應(yīng)用也在全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展。如表1所示，處理對(duì)象已由工業(yè)廢水、污泥脫水液、垃圾滲濾液等高含氮廢水發(fā)展到市政污水處理等領(lǐng)域。2002年，荷蘭鹿特丹Dokhaven市政污水處理廠采用兩段式SHARON-Anammox工藝處理該廠污泥消化液，建設(shè)了全球第一座生產(chǎn)性厭氧氨氧化反應(yīng)器。之后，瑞典馬爾默Sjölunda廢水處理廠采用ANITATM-Mox工藝處理污泥脫水液，荷蘭Apeldoorn采用DEMON工藝對(duì)厭氧消化液進(jìn)行處理，美國(guó)Alex-andria的污水處理廠等采用厭氧氨氧化作為污水處理側(cè)流工藝。
表 1 國(guó)外厭氧氨氧化技術(shù)在不同廢水中的應(yīng)用案例
研究發(fā)現(xiàn)，AnAOB廣泛存在于自然界中，因此，如何將厭氧氨氧化工藝由側(cè)流工藝轉(zhuǎn)為主流脫氮工藝逐漸成為全球厭氧氨氧化技術(shù)研究發(fā)展的重點(diǎn)。奧地利Strass污水廠為厭氧氨氧化的主流工藝應(yīng)用拉開(kāi)了帷幕，成為全球首個(gè)在主流工藝上實(shí)踐厭氧氨氧化的污水處理廠。該廠主體采用AB工藝（圖1），A段污泥停留時(shí)間（SRT）較短（＜0.5d），以保證進(jìn)水有機(jī)物最大程度地進(jìn)入污泥消化系統(tǒng)用于產(chǎn)沼氣；B段停留時(shí)間較長(zhǎng)，以去除大部分的氮。該廠于2004年首先在側(cè)流工藝中引入?yún)捬醢毖趸疍EMON工藝，用于處理高氮負(fù)荷的污泥消化液和脫水液，該工藝含有結(jié)合硝化和厭氧氨氧化過(guò)程的SBR，并通過(guò)控制低溶解氧和維持長(zhǎng)SRT（30d），成功抑制了亞硝酸鹽進(jìn)一步氧化。隨后，該廠進(jìn)一步采用DEMON工藝進(jìn)行主流工藝B段升級(jí)改造，并通過(guò)將側(cè)流工藝穩(wěn)定富集的AnAOB向主流工藝補(bǔ)給，以及主流工藝系統(tǒng)中污泥顆�；男纬桑淇偟耆コ矢哂�80%，在實(shí)現(xiàn)出水TN＜5mg/L，氨氮＜1.5mg/L的同時(shí)，該廠還因?qū)崿F(xiàn)完全能源自給和產(chǎn)能盈余聞名世界。
圖 1 奧地利 Strass 污水廠工藝流程圖
新加坡樟宜污水處理廠實(shí)現(xiàn)了世界首例無(wú)需側(cè)流工藝接種的主流自養(yǎng)氨氧化工程。該廠處理城市污水達(dá)80萬(wàn)t/d，采用分段進(jìn)水活性污泥工藝（SFAS），其工藝流程如圖2所示。
圖 2 新加坡樟宜污水廠工藝流程圖
來(lái)自初沉池的污水被均勻分配到5個(gè)缺氧/好氧池（體積比為1:1），每個(gè)缺氧池又被分為4格；缺氧、好氧區(qū)的SRT各2.5d，水力停留時(shí)間（HRT）為5.7h左右，二沉池污泥以50%回流比返回至第一個(gè)缺氧池。Cao等對(duì)該廠總氮去除途徑進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)37.5%的總氮通過(guò)自養(yǎng)脫氮途徑去除，27.1%的總氮通過(guò)傳統(tǒng)生物脫氮途徑去除，剩下的氮?jiǎng)t隨出水和污泥流出。該廠是迄今為止全球第一座穩(wěn)定運(yùn)行主流厭氧氨氧化的污水處理廠，且實(shí)現(xiàn)了在不外加碳源的條件下市政污水的高效生物脫氮，有學(xué)者認(rèn)為，樟宜污水廠的穩(wěn)定運(yùn)行得益于新加坡得天獨(dú)厚的水溫條件（28~32℃），因?yàn)闇囟葘?duì)AOB、NOB和AnAOB活性有顯著影響。研究報(bào)道，隨著溫度降低至20℃，AOB活性將高于NOB活性；當(dāng)水溫低于15℃時(shí)，AnAOB活性出現(xiàn)明顯下降，AOB變得比AnAOB更活躍，此時(shí)，AOB生成的亞硝酸鹽和NOB、AnAOB消耗的亞硝酸鹽之間的不平衡將造成系統(tǒng)中亞硝酸鹽明顯的積累，從而對(duì)厭氧氨氧化過(guò)程造成明顯抑制。因此，關(guān)于低溫條件下的厭氧氨氧化穩(wěn)定運(yùn)行還有很大的研究空間。2. 2 國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)有超過(guò)8座的生產(chǎn)性厭氧氨氧化污水處理廠（表2），其中，不少由荷蘭帕克公司參與設(shè)計(jì)建造。在通遼市梅花工業(yè)園區(qū)，帕克公司于2009年建了世界上最大的自養(yǎng)脫氮反應(yīng)器，設(shè)計(jì)脫氮能力達(dá)1.1萬(wàn)kgN/d，采用一體式的CANON工藝處理谷氨酸鈉（味精）生產(chǎn)中的廢水。此外，山東湘瑞藥業(yè)有限公司采用4300m3的厭氧氨氧化反應(yīng)器處理玉米淀粉和味精生產(chǎn)相關(guān)的廢水，設(shè)計(jì)氨氮負(fù)荷達(dá)1.42kgN/(m3·d)。山東省濱州市安琪酵母公司引進(jìn)帕克公司的厭氧氨氧化工藝技術(shù)處理高氨氮工業(yè)廢水，該項(xiàng)目是厭氧氨氧化技術(shù)在酵母廢水處理領(lǐng)域的首次工程應(yīng)用，與該公司原AO工藝相比，厭氧氨氧化反應(yīng)器在大大節(jié)省占地的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了2.0kgN/(m3·d)的高氨氮負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，這也是厭氧氨氧化反應(yīng)器目前可承受的最大污泥負(fù)荷，其工業(yè)規(guī)模遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)工藝。這些厭氧氨氧化項(xiàng)目的成功實(shí)施大大加速了厭氧氨氧化工藝在國(guó)內(nèi)污水處理中的應(yīng)用。
表 2 國(guó)內(nèi)厭氧氨氧化工程應(yīng)用案例
除引進(jìn)國(guó)外技術(shù)，國(guó)內(nèi)一些研究團(tuán)隊(duì)正積極進(jìn)行自主創(chuàng)新和技術(shù)實(shí)踐，將厭氧氨氧化污水處理技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室研究逐漸轉(zhuǎn)移到大型污水處理廠中。浙江大學(xué)厭氧氨氧化研究團(tuán)隊(duì)已成功在浙江建設(shè)了兩個(gè)生產(chǎn)性厭氧氨氧化污水處理廠，分別處理義烏市的味精廢水（60m3）和浙江省東陽(yáng)市的制藥廢水（10m3）。北京工業(yè)大學(xué)的彭永臻老師團(tuán)隊(duì)也展開(kāi)了對(duì)基于厭氧氨氧化工藝的城市污水廠實(shí)現(xiàn)能量自給的可行性研究。隨著研究的不斷發(fā)展，2015年湖北十堰垃圾填埋場(chǎng)滲濾液處理廠采用兩段式工藝，將兩級(jí)UASB、厭氧氨氧化、膜生物反應(yīng)器和反滲透（MBR/RO）處理工藝相結(jié)合，設(shè)計(jì)處理量為150m3/d，COD控制在100mg/L，TN控制在40mg/L，氨氮控制在25mg/L，成為國(guó)內(nèi)第一個(gè)使用厭氧氨氧化處理垃圾滲濾液，并解決垃圾滲濾液低碳氮比問(wèn)題的項(xiàng)目。除了將厭氧氨氧化技術(shù)用于工業(yè)廢水和污水處理側(cè)流工藝，我國(guó)在厭氧氨氧化主流工藝應(yīng)用上也邁出了第一步。西安市第四污水處理廠在原有缺氧/厭氧/好氧（倒置AAO）工藝上（圖3），通過(guò)在缺氧及厭氧池投加填料并延長(zhǎng)HRT，利用攪拌+曝氣實(shí)現(xiàn)填料流化，將工藝改造為反硝化/厭氧氨氧化工藝，該廠進(jìn)水氨氮為20.3~40.8mg/L，COD/TN為1.2~7.9，全年水溫為10.7~25.2℃。在連續(xù)運(yùn)行的近兩年時(shí)間里，出水水質(zhì)不僅成功由一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)提升為一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，且出水總氮顯著低于其他工藝，其中，厭氧氨氧化工藝占全廠脫氮份額的15.9%左右。該廠是目前全球第3個(gè)實(shí)現(xiàn)主流厭氧氨氧化工藝的污水處理廠，且全球已有超過(guò)5座污水廠正在嘗試實(shí)踐主流厭氧氨氧化。該廠的實(shí)踐表明，盡管厭氧氨氧化主流工藝應(yīng)用仍存在一些技術(shù)難題，但仍可預(yù)見(jiàn)將會(huì)有更多污水處理廠將其作為主流處理工藝試驗(yàn)推廣。
圖 3 西安第四污水廠工藝流程圖
3 主流厭氧氨氧化工藝技術(shù)難點(diǎn)盡管目前厭氧氨氧化工藝在國(guó)內(nèi)外已有不少工程應(yīng)用案例，但與側(cè)流工藝應(yīng)用不同，主流厭氧氨氧化工藝應(yīng)用中面臨著市政污水氮濃度低、有機(jī)物濃度高、冬季水溫低等技術(shù)難點(diǎn)，導(dǎo)致其在推廣和實(shí)踐上仍存在一定的局限性。下面針對(duì)主流厭氧氨氧化工藝應(yīng)用中出現(xiàn)的AnAOB生長(zhǎng)緩慢、難富集和工藝運(yùn)行不穩(wěn)定等主要問(wèn)題及其研究進(jìn)展展開(kāi)論述。
3. 1 厭氧氨氧化工藝的快速啟動(dòng)
目前已知AnAOB廣泛分布于海洋沉積物、油田、河口沉積物、厭氧海洋盆地、紅樹(shù)林地區(qū)、海洋冰塊、淡水湖、稻田土壤、湖港區(qū)以及海底熱泉等自然環(huán)境中。已明確命名的AnAOB有6類屬，超過(guò)23類種。此外，也有一些文獻(xiàn)相繼報(bào)道了6類屬之外一些未知的菌屬。
反應(yīng)器中AnAOB的生長(zhǎng)和富集是實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化自養(yǎng)脫氮的基本前提，然而，AnAOB屬于自養(yǎng)型微生物，在自然環(huán)境條件下，其生長(zhǎng)速率緩慢，倍增時(shí)間較長(zhǎng)，難以進(jìn)行快速增殖，同時(shí)，其對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境（如溫度、溶解氧、pH等）的要求近乎苛刻，導(dǎo)致厭氧氨氧化工藝的啟動(dòng)要比傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝慢，限制了其在污水處理中的工程應(yīng)用。在荷蘭鹿特丹的世界第一座生產(chǎn)性厭氧氨氧化污水廠中，由于AnAOB生長(zhǎng)速度緩慢且當(dāng)時(shí)缺乏菌種污泥，原本計(jì)劃兩年啟動(dòng)反應(yīng)器，但啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)亞硝酸鹽抑制和硫化物抑制等問(wèn)題，實(shí)際用了3~5年才完成啟動(dòng)工作。第一個(gè)采用DEMON工藝的奧地利Strass污水廠也花了2.5年左右才完成厭氧氨氧化啟動(dòng)。為加快啟動(dòng)時(shí)間，研究人員對(duì)不同接種種泥、不同反應(yīng)器類型、不同載體中厭氧氨氧化工藝的啟動(dòng)效果展開(kāi)了大量研究。Wett等在Glarnerland污水處理廠啟動(dòng)中，通過(guò)接種現(xiàn)有厭氧氨氧化工藝種泥，將其啟動(dòng)時(shí)間縮短到50d。Christensson等為減少新反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間，采用MBBR開(kāi)發(fā)了一種ANITA™Mox工藝，其原理是在啟動(dòng)新反應(yīng)器時(shí)，投加3%~15%已經(jīng)形成了AnAOB生物膜的載體，剩下的則加入新載體材料。為了驗(yàn)證這一工藝的可行性，2010年瑞典馬爾默的Sjölunda污水廠首次采用這種方法，在4個(gè)月內(nèi)完成了厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動(dòng)，氨氮去除率達(dá)90%，且系統(tǒng)運(yùn)行非常穩(wěn)定；之后在瑞典的Sundets污水處理廠再次驗(yàn)證了這種啟動(dòng)方式的可行性，該廠在2個(gè)月內(nèi)便實(shí)現(xiàn)了滿負(fù)荷生產(chǎn)。此外，一些研究者通過(guò)將微生物固定在聚乙烯醇（PVA）-海藻酸鈉（SA）凝膠中，實(shí)現(xiàn)了上升流塔式反應(yīng)器中厭氧氨氧化工藝的快速啟動(dòng)；也有研究發(fā)現(xiàn)，AnAOB的生長(zhǎng)嚴(yán)重依賴含鐵蛋白，鐵鹽的添加有利于促進(jìn)AnAOB的生長(zhǎng)富集，當(dāng)添加0.09mmol的Fe2+時(shí)，厭氧氨氧化啟動(dòng)由70d縮短至50d。還有一些研究結(jié)果表明，AnAOB的最大生長(zhǎng)速率并非受其細(xì)胞內(nèi)在特性限制，而與細(xì)胞培養(yǎng)條件有關(guān)，當(dāng)對(duì)AnAOB施加適宜的培養(yǎng)條件時(shí)，其生長(zhǎng)速率可以顯著提高，部分AnAOB細(xì)胞倍增時(shí)間可縮短至2~5d。這些研究成果為厭氧氨氧化工藝的快速啟動(dòng)運(yùn)行和推廣奠定了理論基礎(chǔ)，但在實(shí)際應(yīng)用中，AnAOB的快速生長(zhǎng)與污水的pH、溫度、亞硝酸鹽濃度、溶解氧、SRT、有機(jī)物濃度、鹽度等因素緊密相關(guān)。此外，污水的組成、有毒化合物的存在和反應(yīng)器的類型等因素也會(huì)影響AnAOB的活動(dòng)，并改變其群落結(jié)構(gòu)。盡管目前實(shí)驗(yàn)室已提出了一些縮短厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間的方法，但未來(lái)仍需工程實(shí)踐來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證這些方法的可行性。
3. 2 AnAOB 的富集
AnAOB的富集方法可大致分為兩大類。一類是通過(guò)將懸浮態(tài)的活性污泥固定，形成生物膜或顆粒污泥，實(shí)現(xiàn)AnAOB的截留，由于細(xì)菌種群的緩慢生長(zhǎng)，保持厭氧菌生物量對(duì)于厭氧氨氧化工藝的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。Jia等研究發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)器內(nèi)投加載體材料形成生物膜，或通過(guò)培養(yǎng)形成顆粒污泥的方法可有效避免AnAOB的流失。目前，已有多種載體材料被用于AnAOB的富集。Fernández等用沸石顆粒作為載體材料，發(fā)現(xiàn)帶負(fù)電荷的沸石能夠吸引并聚集帶正電荷的銨離子，沸石的投加可提高反應(yīng)器內(nèi)AnAOB的富集度，隨出水流失的生物質(zhì)量顯著降低。Miao等用聚乙烯海綿作載體材料處理滲濾液，發(fā)現(xiàn)基于該載體的處理工藝能實(shí)現(xiàn)很高的脫氮效率，形成的生物膜使AnAOB的基因比例從1.3%增加到13.3%。此外，由緊密的微生物聚集體組成的顆粒污泥不僅具有較高的沉降速度，而且可以避免生物量隨出水流失，形成的厭氧氨氧化顆粒污泥具有較高的沉降速度、較高的脫氮率、較低的基礎(chǔ)設(shè)施成本的顯著優(yōu)勢(shì)。為了優(yōu)化實(shí)際工程應(yīng)用效果，涌現(xiàn)出大量關(guān)于厭氧氨氧化顆粒污泥的研究。Tang等認(rèn)為，選擇合適的接種污泥，同時(shí)增加進(jìn)水氮負(fù)荷可以有效提高顆粒污泥的形成速率，從而提高反應(yīng)器的脫氮性能。但顆粒污泥的實(shí)際應(yīng)用也存在一些局限性，Chen等研究表明，這種厭氧菌顆粒浮選和后續(xù)的沖洗過(guò)程會(huì)破壞厭氧氨氧化工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。此外，顆粒污泥的尺寸大小也會(huì)影響厭氧氨氧化反應(yīng)的進(jìn)行，過(guò)大的顆粒污泥會(huì)影響基質(zhì)的擴(kuò)散和反應(yīng)速率，反而抑制了AnAOB的活性。An等研究了不同大�。�0.5~1.0、1.0~1.5、>1.5mm）的顆粒污泥的物理性質(zhì)和反應(yīng)性能，結(jié)果表明，1.0~1.5mm的顆粒污泥AnAOB活性最高，3種尺寸的顆粒污泥的氮負(fù)荷分別為0.55、0.62、0.52gN/(gVSS·d)。
另一類AnAOB富集的方法是利用NOB、HB和AnAOB之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，保證AnAOB在體系中成為優(yōu)勢(shì)菌屬，三者之間的關(guān)系如圖4所示。目前，已發(fā)現(xiàn)可通過(guò)減少SRT、降低pH、控制曝氣時(shí)間降低DO等方法來(lái)調(diào)控NOB和HB的生長(zhǎng)，以增加體系中AnAOB的生物量。這些方法可分為兩大途徑：（1）通過(guò)調(diào)控工況促進(jìn)AOB和AnAOB的生長(zhǎng)活性，并通過(guò)調(diào)控NO2－-N和NO3－-N濃度，在降低HB的同時(shí)抑制NOB的生長(zhǎng)；（2）從系統(tǒng)中清除NOB（NO2－-N→NO3－-N）和HB，同時(shí)保留AOB（NH4+-N→NO2－-N）和AnAOB。但由于這些方法要求特殊的生長(zhǎng)條件，如低pH值和較高水溫，或是只適用于間歇曝氣的反應(yīng)器中（嚴(yán)格控制曝氣時(shí)間），甚至可能會(huì)降低AOB活性（如較低DO），因此，這類富集方法還不能廣泛在全規(guī)模污水廠中采用。
圖 4 脫氮關(guān)鍵功能微生物相互關(guān)系示意圖
進(jìn)水有機(jī)物的濃度也會(huì)對(duì)AOB和AnAOB的生長(zhǎng)造成顯著影響。由表3可知，厭氧氨氧化工藝適用于處理進(jìn)水C/N較低的廢水，因?yàn)樵诟哂袡C(jī)物濃度條件下，HB會(huì)與自養(yǎng)的AOB和AnAOB競(jìng)爭(zhēng)底物（DO和NO2－-N）和生存空間，不利于自養(yǎng)脫氮過(guò)程。Chen等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)水C/N從0.5:1增加到0.75:1時(shí)，硝化/厭氧氨氧化工藝的脫氮效率從79%降低到52%。但對(duì)主流厭氧氨氧化工藝的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，實(shí)際市政污水的進(jìn)水有機(jī)物含量（一般C/N為4:1~12:1）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自養(yǎng)微生物生長(zhǎng)所需的有機(jī)物含量。因此，一些研究者提出，可在PN/厭氧氨氧化工藝之前進(jìn)行脫碳預(yù)處理（如進(jìn)行消化產(chǎn)能等），以降低進(jìn)入?yún)捬醢毖趸に囍械挠袡C(jī)物含量。但關(guān)于脫碳預(yù)處理工藝的實(shí)際應(yīng)用和控制條件等仍需要進(jìn)行實(shí)踐研究。
注:UMSR 為上流式微需氧污泥反應(yīng)器;IFAS 為一體式固定膜活性污泥反應(yīng)器
表 3 厭氧氨氧化技術(shù)應(yīng)用中最佳進(jìn)水碳氮比
3. 3 厭氧氨氧化工藝的穩(wěn)定運(yùn)行3. 3. 1 穩(wěn)定NO2－-N供應(yīng)
NO2－-N和氨氮是厭氧氨氧化反應(yīng)的底物，由于氨氮是污水中含氮化合物的主要存在形式，因此，穩(wěn)定地為厭氧氨氧化反應(yīng)提供NO2－成為了污水自養(yǎng)脫氮工藝的關(guān)鍵。污水中NO2－-N有兩個(gè)形成途徑：其一是通過(guò)將氨氮氧化為NO2－的亞硝化過(guò)程產(chǎn)生（NH4+-N→NO2－-N）；其二是通過(guò)將NO3－還原為NO2－的部分反硝化過(guò)程產(chǎn)生（NO3－-N→NO2－-N）。后者可同時(shí)實(shí)現(xiàn)NO3－-N的去除和NO2－-N的供應(yīng)，且相較于完全反硝化過(guò)程，部分反硝化過(guò)程還可減少N2O等溫室氣體的排放以及減少40%左右的碳源投加量，大幅節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本。因此，作為一種綠色經(jīng)濟(jì)有效的主流脫氮工藝替代方式，基于部分反硝化/厭氧氨氧化的工藝得到了全球研究者的廣泛關(guān)注。
盡管NO2－是厭氧氨氧化過(guò)程的重要底物，但過(guò)量的NO2－累積在厭氧氨氧化系統(tǒng)內(nèi)時(shí)會(huì)對(duì)AnAOB有毒害作用。不同來(lái)源的AnAOB以及不同污水處理系統(tǒng)中NO2－的抑制濃度不同（表4）。此外，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器中氨氮的存在與否也會(huì)顯著影響NO2－對(duì)AnAOB的毒害作用。在氨氮存在的條件下，抑制50%的AnAOB活性需要384mg/L的NO2－-N。但在無(wú)氨氮的條件下，質(zhì)量濃度為53mg/L的NO2－-N就能降低AnAOB一半的活性。
表 4 亞硝酸鹽對(duì)厭氧氨氧化性能的影響
3. 3. 2 低溫運(yùn)行 AnAOB的最適生長(zhǎng)溫度為30~40℃，如何在低溫（10~16°C）條件下實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化工藝的穩(wěn)定運(yùn)行是厭氧氨氧化技術(shù)主流工藝應(yīng)用和推廣的瓶頸之一。盡管已有一些實(shí)驗(yàn)室研究報(bào)道厭氧氨氧化工藝在低溫下也可取得較好的脫氮效果，但由于AnAOB在低溫下的低活性、低生長(zhǎng)速率，以及市政污水水溫的季節(jié)性波動(dòng)，主流工藝應(yīng)用中可能還需要延長(zhǎng)生物膜SRT來(lái)保證反應(yīng)器內(nèi)有足夠量的AnAOB。
3. 3. 3 主流工藝應(yīng)用
目前，全球范圍內(nèi)正在積極展開(kāi)對(duì)主流厭氧氨氧化工藝的試點(diǎn)和工程化研究，但還沒(méi)有能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的成熟主流厭氧氨氧化技術(shù)。因此，為了推進(jìn)主流工藝應(yīng)用的進(jìn)程，一些研究者提出，可以通過(guò)將側(cè)流工藝中的優(yōu)勢(shì)微生物接種至主流工藝中，增強(qiáng)主流工藝系統(tǒng)中有益的微生物群落（如AOB和AnAOB），從而加速反應(yīng)器的啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行。此外，在線監(jiān)測(cè)和智能化控制也是保障主流厭氧氨氧化工藝穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行必須依靠在線傳感器對(duì)NH4+-N、NO3－-N、NO2－-N、pH和DO含量的及時(shí)測(cè)定和調(diào)控。
4 結(jié)語(yǔ)與展望
盡管目前厭氧氨氧化技術(shù)的主流工藝應(yīng)用技術(shù)還不十分成熟，但經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，厭氧氨氧化技術(shù)工程應(yīng)用已遍布全球，近幾年國(guó)內(nèi)對(duì)厭氧氨氧化的研究和工程應(yīng)用也取得了很大的進(jìn)展和突破。鑒于市政污水處理廠主流工藝應(yīng)用與側(cè)流工藝應(yīng)用在水質(zhì)、水溫、處理規(guī)模等方面的差異，針對(duì)主流厭氧氨氧化工藝面臨的工藝啟動(dòng)較慢、AnAOB富集、硝酸鹽濃度控制困難、冬季水溫低等技術(shù)難點(diǎn)，現(xiàn)有研究已發(fā)現(xiàn)，可通過(guò)接種現(xiàn)有厭氧氨氧化工藝種泥、形成生物膜或顆粒污泥、調(diào)控微生物種群、組合其他工藝等方法破解以上難題。面對(duì)巨大的污水處理市場(chǎng)，預(yù)計(jì)我國(guó)將在不久的將來(lái)成為厭氧氨氧化技術(shù)應(yīng)用的主要市場(chǎng)，未來(lái)的研究在優(yōu)化操作條件和開(kāi)發(fā)智能化控制系統(tǒng)的同時(shí)，還可在以下幾方面作進(jìn)一步研究。
（1）一體式厭氧氨氧化工藝由于具有較低的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本，在實(shí)際應(yīng)用中受到歡迎，未來(lái)可針對(duì)一體式厭氧氨氧化系統(tǒng)過(guò)程控制和工藝操作參數(shù)優(yōu)化做進(jìn)一步研究，在保障穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，還應(yīng)強(qiáng)化控制N2O的排放。
�。�2）盡管實(shí)驗(yàn)室研究已經(jīng)證明厭氧氨氧化工藝適用于處理各類廢水，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，面對(duì)污水復(fù)雜的組成成分，厭氧氨氧化工藝的成功穩(wěn)定運(yùn)行仍面臨巨大的技術(shù)難題。例如，目前尚未對(duì)抗生素、各種藥物和酚等與厭氧氨氧化系統(tǒng)的相容性進(jìn)行充分的研究，未來(lái)應(yīng)擴(kuò)大各種新興污染物對(duì)厭氧氨氧化工藝影響及機(jī)理的研究。
�。�3）將厭氧氨氧化工藝由側(cè)流工藝轉(zhuǎn)向主流工藝應(yīng)用已經(jīng)成為全球厭氧氨氧化技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，但主流工藝應(yīng)用仍面臨著啟動(dòng)緩慢、市政污水有機(jī)物濃度高、低溫與低氮條件難運(yùn)行等問(wèn)題，除解決這些問(wèn)題，未來(lái)還應(yīng)加強(qiáng)厭氧氨氧化工藝生物除磷效果和機(jī)理的研究。
作者：王 胤1，吳嘉利1, 2，陳 一2，周克釗1，趙曉龍1，趙志勇1
(1. 中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，四川成都 610084；2. 重慶大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，重慶 400030）
來(lái)源： 凈水技術(shù)
