匹配厭氧氨氧化—部分亞硝化啟動調(diào)控策略研究

達方華 ，徐樂中 ，2，3，王 垚 ，王超超 ，陳茂林 ，2

（1.蘇州科技大學環(huán)境科學與工程學院，江蘇蘇州215009；2.蘇州淡林環(huán)境科技有限公司，江蘇蘇州215011；3.江蘇省水處理技術與材料協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇蘇州215009）

污水廠傳統(tǒng)的活性污泥法普遍存在能耗高、外碳源投加量大、脫氮效率低下、運行成本高等問題，尋求新型高效低能耗的脫氮工藝迫在眉睫。目前，以厭氧氨氧化（Anammox）為主的脫氮工藝逐漸成為研究熱點〔1〕。該反應是在厭氧條件下，厭氧氨氧化菌（nAOB）以NH4+-N為電子供體，NO2--N為電子受體，產(chǎn)生N2和NO3--N 的過程〔2〕。與傳統(tǒng)硝化反硝化脫氮工藝相比，該工藝可節(jié)省60%的運行成本、100%的氧氣需求量和外碳源電子供體，同時污泥產(chǎn)量可減少80%～90%〔3〕。 然而，Anammox 反應對進水基質(zhì)比〔n（NO2--N）∶n（NH4+-N）〕有嚴格要求（理論值為1.32），如何獲得穩(wěn)定的進水基質(zhì)比是實現(xiàn)Anammox脫氮工藝的關鍵。

在生物養(yǎng)分去除（BNR）過程中，氨氮的部分亞硝化與硝化作用相比可減少25%的耗氧量，也減少了40%的碳源需求〔4〕。近年來，以亞硝酸鹽代替硝酸鹽脫氮被廣泛認為是厭氧氨氧化的前提步驟，因此部分亞硝化成為生物脫氮領域研究的熱點課題之一。亞硝化反應是氨氧化菌（AOB）以NH4+-N為電子受體氧化為NO2--N，同時抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB）對AOB產(chǎn)物進行深度氧化的過程〔見式（1）〕。部分亞硝化（PN）則通過調(diào)控運行參數(shù)，將進水中約50%的NH4+-N氧化為 NO2--N，以保證出水 n（NO2--N）∶n（NH4+-N）為 1～1.32，為Anammox的穩(wěn)定運行提供條件。

目前關于匹配厭氧氨氧化的半亞硝化啟動已有文獻報道〔5〕。筆者總結了部分亞硝化啟動過程的最新發(fā)展情況，討論了近年來PN啟動調(diào)控的研究結果，并對PN研究進行展望，提供可用的優(yōu)化策略，以促進主流PN/AMX工藝的設計和操作，為更好地了解PN/AMX技術的現(xiàn)狀和預測未來研究提供基礎。

1 反應器類型對部分亞硝化工藝啟動的影響

不同反應器將為微生物的生長提供不同微環(huán)境，而實現(xiàn)部分亞硝化的關鍵在于能有效富集AOB，同時抑制NOB的生長。因此，在反應器結構和生物質(zhì)種類的選擇應有利于保留AOB，抑制或淘洗出NOB。目前國內(nèi)外常用的短程硝化啟動反應器主要有序批式反應器（SBR）、連續(xù)流反應器（CSTR）、膜生物反應器（MBR）、移動床生物膜反應器（MBBR）、人工快滲系統(tǒng)（CRI）、混合系統(tǒng)反應器（IFAS）、氣提式反應器等。部分亞硝化反應在不同反應器中的啟動過程和實現(xiàn)情況見表1。

表1 不同反應器中部分亞硝化啟動效果比較

根據(jù)反應器特點及對微生物的截留篩選能力，目前絕大多數(shù)亞硝化工藝都在序批式反應器內(nèi)完成。但實際應用中，由于序批式反應器具有操控復雜、運行不穩(wěn)定等缺點，而連續(xù)流工藝因基建費用低、結構簡潔、調(diào)控簡單等優(yōu)勢，逐漸成為實際工程的首選模式〔13〕。

膜生物反應器作為連續(xù)流工藝，在PN啟動調(diào)控方面具有以下優(yōu)勢：（1）在氨氧化和脫氮方面可滿足與活性污泥系統(tǒng)類似處理目標的能力，但需要比澄清池耦合活性污泥系統(tǒng)更小的罐容量；（2）與活性污泥系統(tǒng)相比，其生物質(zhì)保有量與沉淀池無關，液固分離單元的固體負荷顯著降低；（3）不需要特殊的生物膜厚度、控制操作周期；（4）液固分離可通過常規(guī)方法和緊湊的高速率方法等實現(xiàn)。在間歇式反應器自動控制要求高、活性污泥反應器生物質(zhì)保有量不穩(wěn)定等情況下，膜反應器被越來越多的研究者用于啟動部分亞硝化〔14〕。

Xiaojing Zhang等〔8〕采用高氨氮負荷結合低DO方式在MBR反應器中啟動部分亞硝化，經(jīng)過27 d的啟動，系統(tǒng)實現(xiàn)了 0.52 kg/（m3·d）的氨氧化速率，出水基質(zhì)比維持在1.1～1.3。在MBR穩(wěn)定運行階段，AOB比例上升到31.2%，而NOB僅為1.8%。結果表明，穩(wěn)定運行過程中NOB被徹底洗出反應器，AOB成為微生物中占主導地位的細菌。Yongpeng Ma等〔15〕在MBR中啟動部分亞硝化匹配厭氧氨氧化進水，通過保持反應器中較高質(zhì)量濃度的FA（5.63 mg/L）有效抑制了NOB。經(jīng)過一段時間的連續(xù)運行，反應器出水氨 氮 和 亞 硝 酸 鹽 分 別 為 （87.9±5.5）、（91.9±4.3）mg/L，亞硝酸鹽與氨氮之比為1.05，接近Anammox反應的理論比例。Luwei Shen等〔16〕用MBR反應器啟動部分亞硝化匹配厭氧氨氧化反應，發(fā)現(xiàn)經(jīng)50 d的啟動，反應器中平均82%的銨離子轉化為亞硝酸鹽，銨離子轉換速率約為 0.8 kg/（m3·d），亞硝酸鹽在水中占主導地位（平均為176 mg/L），硝酸鹽較低（10～30 mg/L），說明反應器中的AOB得到增殖和積累，成為主要功能菌種，NOB活性得以抑制。

2 種泥來源對部分亞硝化工藝啟動的影響

通過接種長期儲存的亞硝化絮狀污泥，可快速啟動短程硝化反應〔17〕，但AOB作為自養(yǎng)菌生長速率緩慢，且實際工程中成熟的部分亞硝化污泥供應極少，故種泥來源對AOB的富集和部分亞硝化的啟動影響較大。

根據(jù)不同種泥中功能微生物種類的差異性，可將常用的啟動部分亞硝化的接種污泥分為厭氧污泥、好氧顆粒污泥、好氧絮狀污泥和混合型活性污泥。種泥類型對部分亞硝化啟動情況的影響如表2所示。

表2 不同接種污泥實現(xiàn)部分亞硝化的啟動情況

B.Kim等〔21〕在SBR反應器中分別接種好氧顆粒污泥和厭氧顆粒污泥啟動PN反應，發(fā)現(xiàn)好氧顆粒污泥中硝化單胞菌在30 d后為16%，80 d后達到33%，厭氧顆粒污泥中的硝化單胞菌在50 d后為3%，亞硝化細菌在好氧顆粒污泥中的增殖速率明顯更優(yōu)。 Jianhua Zhang 等〔22〕接種了反硝化除磷（DPR）絮狀污泥，67 d內(nèi)成功啟動部分亞硝化，出水中n（NO2--N）∶n（NH4+-N）約為 1，亞硝酸鹽累積率（NAR）＞95%。微生物定量分析結果表明，污泥中的AOB基因比例從0.21%上升到3.43%，而NOB基因比例逐漸降到0.07%。

研究發(fā)現(xiàn)，好氧顆粒污泥表面結構緊密、內(nèi)部孔隙率大，污泥中的微生物種類豐富，具有較好的短程硝化效果，通過控制HRT可實現(xiàn)部分亞硝化的快速啟動〔23〕。但在部分亞硝化過程中，好氧顆粒污泥因生物量的脫離容易失穩(wěn)，發(fā)生污泥解體現(xiàn)象，而厭氧顆粒污泥即使在低曝氣速率下也能保持穩(wěn)定的顆粒結構〔21〕。同時，對接種不同狀態(tài)好氧污泥啟動部分亞硝化的效果進行比較〔20，24〕，發(fā)現(xiàn)相比于顆粒好氧污泥，絮狀污泥作為接種污泥時部分亞硝化啟動時間更短，推測可能是由于顆粒污泥內(nèi)部結構緊密，氧氣在顆粒污泥內(nèi)的傳遞比在絮狀污泥中更為困難。綜上，種泥選擇對部分亞硝化的啟動和功能菌種的富集具有重要意義，實際工程中應結合廢水特征、場地條件、外界環(huán)境等選取合適的接種污泥。

3 環(huán)境因素對部分亞硝化工藝啟動的影響

3.1 溶解氧

氧是部分亞硝化反應的電子受體，反應器內(nèi)溶解氧（DO）的高低必將影響部分亞硝化反應的進程。且參與該反應的主要微生物AOB和NOB都屬于好氧微生物，因此，如何在反應中合理控制DO，完成AOB富集和NOB抑制，對實現(xiàn)部分亞硝化具有重要意義。

大量研究表明，低氧環(huán)境下AOB對氧的親和力高于NOB，故低DO啟動部分亞硝化已被國內(nèi)外學者廣泛應用〔25〕。 B.Hosseinpour等〔26〕控制反應器內(nèi)DO在0.9～1.2 mg/L，成功解決了NOB快速生長而引起的硝酸鹽積累問題，在限氧條件的35 d內(nèi)，反應器中的硝酸鹽積累量減少，匹配Anammox反應的部分亞硝化成功建立。Rong Chen等〔27〕通過調(diào)節(jié)曝氣量將DO控制在0.6 mg/L，成功啟動部分亞硝化，獲得適合 Anammox 反應的出水〔n（NO2--N）∶n（NH4+-N）=1〕。H.Khan 等〔28〕處理總氨氮為 400 mg/L 的廢水時，控制 DO在 0.6～1.0 mg/L，在 20～80 d內(nèi)獲得 97%的NAR，110 d左右反應器內(nèi)部分亞硝化得以穩(wěn)定維持。Dechao Zhang等〔29〕采用間歇曝氣方式控制DO為0.7 mg/L，有選擇性地抑制了NOB活性，NAR在34 d內(nèi)迅速達到90%以上，成功啟動部分亞硝化，出水基質(zhì)比滿足Anammox要求。

目前大多數(shù)研究均采用低DO控制淘汰NOB。有學者認為高 DO范圍（1.5～2.5 mg/L）亦可促進NOB 從主流脫氮系統(tǒng)中淘汰〔4〕。Hangcheng Jiang 等〔30〕研究發(fā)現(xiàn)，在高 DO（2.5±0.5 mg/L）條件下，經(jīng) 30 d連續(xù)運行AOB成為硝化菌群的優(yōu)勢菌種，NAR保持在90%以上，部分亞硝化系統(tǒng)出水的n（NO2--N）∶n（NH4+-N）保持在 0.96±0.18。 Peng Bao 等〔31〕在 SBR反應器中啟動硝化反應時發(fā)現(xiàn)，隨著DO由低濃度逐漸升至1.8 mg/L，反應器內(nèi)開始發(fā)生部分硝化反應。AOB與NOB之比在高DO期由3∶1增加到23∶1。與低DO期相比，高DO期AOB對溶解氧的競爭能力更強，使得溶解氧優(yōu)先用于氨氧化，抑制了NOB的活性。在高DO階段系統(tǒng)NAR達到80%～98.4%，通過控制系統(tǒng)反應時間可成功實現(xiàn)部分亞硝化。

綜上，溶解氧作為外界環(huán)境因子對PN反應的調(diào)控具有重要作用，但由于污水特性、實驗工況不同，盲目采用低DO方式啟動反應并不可取，應根據(jù)處理目標、水質(zhì)特點等調(diào)控合適的DO濃度。

3.2 碳氮比

為實現(xiàn)部分亞硝化的快速啟動，避免有機物對自養(yǎng)菌AOB的抑制和毒害，常采用配水不投加有機物的方式啟動PN反應，為AOB的富集提供優(yōu)良環(huán)境。但考慮到實際廢水中常含有一定有機物，如何通過調(diào)控進水碳氮比，改變異養(yǎng)菌與硝化菌之間的相對優(yōu)勢，在較短時間內(nèi)實現(xiàn)污泥的功能轉換仍需進一步探索。

M.Capodici等〔32〕研究了不同碳氮比和氨氮負荷（ALR）對SBR處理城市垃圾滲濾液亞硝化性能的影響，發(fā)現(xiàn)ALR與碳氮比之間的適當平衡是提高亞硝化效率的關鍵。ALR和碳氮比的最佳范圍分別約為 0.30～0.50 kg/（m3·d）和 2～4，雖然此數(shù)值范圍內(nèi)NOB沒有被完全抑制，但可觀察到亞硝酸鹽累積（125 mg/L）優(yōu)于硝酸鹽累積（50 mg/L）。同時，在獲得穩(wěn)定亞硝化的基礎上，將碳氮比降低至 1∶1～1.14∶1，經(jīng)一段時間的穩(wěn)定運行可獲得近87%的氨氮轉化率〔33〕，說明在穩(wěn)定的部分硝化反應中調(diào)控合理碳氮比可成功實現(xiàn)部分亞硝化反應。Jianfei Wang等〔34〕在SBR反應器中以碳氮比為2∶1逐步提高進水負荷，經(jīng)21 d獲得90%的亞硝酸鹽累積率，83 d后硝化細菌群落的變化相對簡單，硝化單胞菌成為顆粒中唯一的自養(yǎng)AOB，其中europaea硝化單胞菌為優(yōu)勢種（占98.5%），NOB被有效抑制并從系統(tǒng)中洗出。張敏等〔35〕認為碳氮比通過影響亞硝化系統(tǒng)中異養(yǎng)菌和自養(yǎng)菌對基質(zhì)的競爭，造成酸堿環(huán)境（pH）才是影響亞硝化效能的關鍵因素。

3.3 pH

有研究表明pH對部分亞硝化的影響只是表觀現(xiàn)象，實際起作用的是 NH3（FA）和 HNO2（FNA）〔見式（2）、式（3）〕。FA 對 NOB 和 AOB 產(chǎn)生抑制的質(zhì)量濃度分別為 0.1～10、10～150 mg/L，F(xiàn)NA 完全抑制NOB 和 AOB 生長的質(zhì)量濃度為 0.02、0.4 mg/L〔36〕。通過pH調(diào)控水中FA和FNA濃度，從而實現(xiàn)部分亞硝化〔37〕。

Huosheng Li等〔38〕探討了利用pH維持穩(wěn)定部分亞硝化處理垃圾滲濾液的可行性，發(fā)現(xiàn)控制pH在8.17～8.19可維持較高的FA濃度，抑制NOB菌生長，出水 n（NO2--N）∶n（NH4+-N）穩(wěn)定在 1.10～1.50，成功實現(xiàn)并維持穩(wěn)定部分亞硝化。Dong Wei等〔39〕研究發(fā)現(xiàn)控制進水FA為29.95 mg/L，當pH從7.5增加到8.3時，由于FNA增加（0.002 4 mg/L增至0.017 3 mg/L），亞硝酸鹽積累率可從（1.68±1.51）%增加到（35.46±7.86）%，F(xiàn)A 和 FNA 的共同作用抑制了 NOB的活性，提高了系統(tǒng)中亞硝酸鹽的積累量，為PN的實現(xiàn)提供有利條件。W.Bea等〔40〕發(fā)現(xiàn)最佳操作pH隨TAN的增加而降低，95%硝化反應的最佳pH為8.0，而 55%部分硝化反應的最佳 pH在 7.2～7.8。

3.4 水力停留時間

為使硝化菌群能夠在連續(xù)流反應器內(nèi)存活，微生物在反應器內(nèi)的停留時間必須大于自養(yǎng)型硝化菌的最小世代時間，否則硝化菌群的流失將大于凈增，使功能微生物從系統(tǒng)中流失殆盡。然而過長的HRT易使NO2--N被NOB氧化為NO3--N，大大降低系統(tǒng)NAR，因此，控制合理的HRT對部分亞硝化的實現(xiàn)有重要意義。

Lan Wang 等〔41〕采用 DO-HRT 控制策略來調(diào)節(jié)部分亞硝化出水的基質(zhì)比，將反應器內(nèi)HRT從1.26h降至 0.63 h，氨氮負荷從（2.73±0.16） kg/（m3·d）提高至（4.95±0.14）kg/（m3·d），PN 成功啟動且體系性能優(yōu)良，氨氮轉換率為53.6%～62.1%，亞硝酸鹽積累率＞90%，出水 n（NH4+-N）∶n（NO2--N）為 1∶1.04～1∶1.47。 S.F.Kosari等〔42〕控制 PN 反應器 HRT 為 5 h，將（49.5±1.0）%的銨轉化為亞硝酸鹽，出水基質(zhì)比為1.0～1.2，實現(xiàn)了穩(wěn)定的部分亞硝化反應。P.T.Nhat等〔43〕比較了SBR反應器在不同HRT下出水n（NO2--N）∶n（NH4+-N）情況，當進水氨氮為 500 mg/L時，將HRT從19 h縮短至12 h，運行3 d后達到穩(wěn)態(tài)，n（NO2--N）∶n（NH4+-N）從（2.75±0.87）降至（1.22±0.1），得到接近Amammox進水的化學計量比。

除上述環(huán)境因子外，溫度、堿度、底物濃度等水質(zhì)條件都會影響AOB活性，因此，如何在實際工程應用的不良環(huán)境下維持長期穩(wěn)定的部分亞硝化，以滿足厭氧氨氧化的進水基質(zhì)需求仍需進一步探討。

4 結語與展望

部分亞硝化作為Anammox的前處理工藝，可為Anammox工藝提供理想的進水基質(zhì)濃度，是實現(xiàn)PN-Anammox工藝的關鍵步驟，對該耦合工藝的工程化應用起到?jīng)Q定性作用。筆者綜合PN工藝的啟動條件，得出以下結論：（1）部分亞硝化的啟動和穩(wěn)定運行與反應器的選擇密切相關，反應器的選取應以生物量截留性能好、結構簡單、操控方便、運行成本低等條件為參考，選擇膜生物反應器或序批式反應器為宜；（2）接種污泥的選取應綜合考慮實際工程應用中廢水特征、場地條件、外界環(huán)境等因素，選取能夠快速富集AOB、適應較高水力負荷的接種污泥；（3）注重調(diào)控溶解氧、pH、水力停留時間等多重環(huán)境因子對部分亞硝化快速啟動的影響，控制pH偏堿性，碳氮比為1～2，結合進水條件調(diào)控DO和HRT可為部分亞硝化的實現(xiàn)提供有利條件。

最后，除上述外在影響因素，筆者認為PN工藝未來的發(fā)展可面向NOB的抑制策略和AOB活性改良進一步深入研究：（1）控制污泥停留時間（SRT）以淘洗NOB，利用AOB和NOB污泥齡的差異達到富集AOB、去除NOB的效果；（2）當環(huán)境由厭氧狀態(tài)向好氧狀態(tài)轉變時，NOB較AOB有更長的延遲時間，AOB對環(huán)境變化表現(xiàn)出更強的適應性，因此可采用間歇曝氣抑制NOB生長；（3）可通過添加化學藥劑如羥胺等完成對 NOB 的抑制〔44〕；（4）可通過控制 PN過程低NO2--N暴露，使NOB底物不足達到抑制目的；（5）根據(jù)AOB和NOB涉及的氮元素轉換代謝過程，可知酶的基因表達是其功能核心，針對AOB對環(huán)境敏感的瓶頸，在DNA分子學水平上深入研究改良AOB活性前景廣闊，潛力巨大。