主流厭氧氨氧化及其組合工藝研究進(jìn)展

運紅穎， 汪濤， 王賢， 邢芳華

（河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院 天津市清潔能源利用與污染物控制重點實驗室， 天津 300401）

厭氧氨氧化（Anammox）工藝作為一種新型的可持續(xù)的污水生物脫氮工藝， 因其綠色高效的特點備受研究人員的青睞。 Anammox 工藝指厭氧氨氧化菌（AnAOB）以作為電子供體以及作為電子受體， 將污水中的氨氮和亞硝酸氮轉(zhuǎn)化為氮氣排出水體。 相較于基于硝化反硝化原理的傳統(tǒng)污水生物脫氮工藝， Anammox 工藝表現(xiàn)出脫氮速率高、 無需外加有機碳源、 無需額外曝氣、 酸堿調(diào)節(jié)劑投加量少、 污泥產(chǎn)量少以及不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點［1］。

側(cè)流污水最初指活性污泥法中的污泥消化液，現(xiàn)在泛指溫度較高（30 ～37 ℃）同時氮素質(zhì)量濃度達(dá)到每升幾百甚至幾千毫克的污水， 通常采用膜生物反應(yīng)器（MBR）以及序批式反應(yīng)器（SBR）等運行硝化反硝化或Anammox 等工藝進(jìn)行處理， 世界上已有采用側(cè)流Anammox 工藝的150 余座規(guī)?；鬯幚韽S投入運行［2-3］。 主流污水作為市政污水處理廠主要處理對象， 有著水溫波動大以及基質(zhì)濃度低等特點，導(dǎo)致主流Anammox 工藝存在AnAOB 富集困難、 工藝啟動慢及運行穩(wěn)定性差等問題［4］。 本文對如何提高Anammox 及其組合工藝對主流污水低溫、 低基質(zhì)的適應(yīng)性進(jìn)行總結(jié)與分析， 以期為主流Anammox 及其組合工藝的工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 主流Anammox 工藝研究

1.1 低基質(zhì)Anammox 工藝

低基質(zhì)作為主流污水區(qū)別于側(cè)流污水的一大特征， 對Anammox 工藝有重要影響。 主流污水總氮質(zhì)量濃度一般為20 ～75 mg／L， 低基質(zhì)濃度導(dǎo)致AnAOB 活性減弱， 原倍增時間（10 d 左右）延長，增 加 了Anammox 工 藝 啟 動 難 度［5］。 經(jīng) 試 驗 證 實，通過縮短HRT， 提高TN 容積去除負(fù)荷， 可以在一定程度上提高AnAOB 活性， 有助于篩選富集AnAOB， 從而可以實現(xiàn)低基質(zhì)Anammox 工藝的快速啟動和穩(wěn)定運行［6-8］。

黃巍等［9］在厭氧SBR 中成功啟動低基質(zhì)Anammox 工藝， 反應(yīng)器在（30±1）℃運行， 采用序批式進(jìn)水， 其初始氮負(fù)荷為0.025 kg［N］／（m3·d），運行51 d 后， TN 去除率達(dá)到84.2%， Anammox 工藝成功啟動， 此后， 再通過逐步縮短HRT 的方式（反應(yīng)周期分別為24、 12、 8 h）提高氮負(fù)荷， 當(dāng)TN負(fù)荷達(dá)到0.075 kg［N］／（m3·d）時， TN 去除效果雖略有下降但去除率仍維持在82% 以上， 表明通過縮短HRT 可以實現(xiàn)低基質(zhì)Anammox 工藝的快速啟動和穩(wěn)定運行。

Lu 等［10］也通過縮短HRT 的方法利用快速生物濾池在（30±2）℃環(huán)境中啟動運行低基質(zhì)Anammox工藝， 進(jìn)水和的質(zhì)量濃度分別控制在（50±3）mg／L 和（53±3）mg／L， 初始HRT 為8 h， 反應(yīng)器運行16 d 后，和去除率皆達(dá)到93% 以上， 表明Anammox 工藝已成功啟動， 反應(yīng)器運行至第53 天時逐步縮短HRT， 當(dāng)HRT 縮短至0.53 h 時， 其TN 去除率達(dá)到86.2% 以上， 進(jìn)一步佐證了上述觀點。

以上研究表明， 通過調(diào)控HRT 實現(xiàn)低基質(zhì)高負(fù)荷的運行策略， 能夠?qū)崿F(xiàn)長期穩(wěn)定運行Anammox 工藝， 達(dá)到較為理想的脫氮效果。

1.2 低溫Anammox 工藝

低溫是主流污水區(qū)別于側(cè)流污水的另一大特征， 也是影響主流Anammox 工藝的主要因素之一。主流污水溫度較低且隨季節(jié)變化， 一般處于10 ～25 ℃的范圍［11］。 低溫會顯著降低AnAOB 活性和菌群競爭優(yōu)勢， 影響Anammox 工藝啟動效能和脫氮性能［12］。 AnAOB 屬于廣溫微生物， 能夠適應(yīng)各種生存溫度條件， 低溫條件下也可以存活， 可以通過低溫馴化和逐步降溫馴化實現(xiàn)低溫Anammox 工藝的穩(wěn)定運行。

通過優(yōu)化反應(yīng)器和優(yōu)選接種污泥可以縮短直接低溫馴化時菌種富集時間。 Wu 等［13］在自主研發(fā)的新型復(fù)合反應(yīng)器CAMBR（ABR 與MBR 耦合形成的反應(yīng)器） 中啟動運行低溫Anammox 工藝， 分別接種絮狀硝化污泥、 厭氧顆粒污泥以及絮狀反硝化污泥， 在溫度為（13±2）℃， 初始和的質(zhì)量濃度均為50 mg／L， HRT 為24 h 的條件下，分別在75、 45 和90 d 成功啟動Anammox 工藝，表明低溫條件下可以直接馴化AnAOB， 且接種厭氧顆粒污泥的反應(yīng)器啟動速度最快。

Fernandes 等［14］研究了逐步降溫對Anammox 工藝脫氮性能和微生物多樣性的影響， 試驗結(jié)果表明， 溫度由35 ℃降到20 ℃時（先降至25 ℃， 運行63 d 后降溫至20 ℃），去除率從96.5%略微增加到98.5%， 而去除率從98.2% 降低到89.3%， 此時AnAOB 優(yōu)勢菌種為Ca.Brocadia和Ca. Anammoximicrobium， 研究發(fā)現(xiàn)通過逐步降溫改變了微生物的群落結(jié)構(gòu)和多樣性， 從而提高了AnAOB 對低溫的適應(yīng)性， 為逐步降溫馴化AnAOB提供了理論依據(jù)。

Cheng 等［15］在 升 流 式 厭 氧 污 泥 床 反 應(yīng) 器（UASB）中接種Anammox 顆粒污泥啟動運行主流Anammox 工藝， 對比研究從35 ℃開始以10 ℃梯度逐步降溫至15 ℃的降溫啟動策略， 以及直接在15 ℃條件下的低溫啟動策略對Anammox 脫氮效果的影響， 表明2 種方式均可啟動低溫Anammox 工藝， 且采用逐步降溫策略的最大反應(yīng)器脫氮速率約是低溫啟動策略的2 倍。

1.3 低溫低基質(zhì)Anammox 工藝

為綜合主流污水的低溫低基質(zhì)雙重因素， 研究人員針對低溫低基質(zhì)條件下AnAOB 形態(tài)以及菌種截留效果進(jìn)行研究。 由于顆粒狀污泥具有緊密型結(jié)構(gòu)， 較好的代謝活性以及沉降性能， AnAOB 能更好保留在反應(yīng)器中［16］。 因此， 許多研究者通過培養(yǎng)Anammox 顆粒污泥來提高反應(yīng)器中AnAOB 的生物量和環(huán)境耐受性， 從而提高主流Anammox 工藝的脫氮性能和穩(wěn)定性。

Lotti 等［17］采用流化床反應(yīng)器在20 ℃條件下啟動運行主流Anammox 工藝以處理市政污水， 其質(zhì)量濃度為8 ～65 mg／L， 同時投加適量保證Anammox 工藝穩(wěn)定運行， 逐步降溫至10 ℃， 發(fā)現(xiàn)其平均Anammox 活性（SAA）達(dá)到（50±7）mg［N］／（g［VSS］·d）， 是同等溫度條件下SAA 的2 ～3 倍， 且形成的顆粒狀能夠?qū)nAOB 有效截留在反應(yīng)器中。

Pedrouso等［18］將側(cè)流工藝條件下（ρ（TN）＞200 mg／L， T ＝30 ℃）運行的Anammox 反應(yīng)器中的顆粒污泥接種到SBR 反應(yīng)器中， 結(jié)果表明， 顆粒污泥能夠自主適應(yīng)主流工藝條件（ρ（TN）＝50 mg／L， T ＝15 ℃）， 出水TN 質(zhì)量濃度低于10 mg／L。

以上研究表明， 通過培養(yǎng)顆粒污泥可以緩解低溫以及低基質(zhì)對Anammox 工藝的不利影響， 同時通過將側(cè)流工藝條件直接轉(zhuǎn)變?yōu)橹髁鞴に嚳梢约涌霢nammox 工藝啟動進(jìn)程， 這為主流Anammox 工藝的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

2 主流Anammox 組合工藝研究

2.1 PN-Anammox 工藝

在低溫低基質(zhì)條件下， NOB 生長速率大于AOB， 且污水中較低含量的游離氨（FA）以及游離亞硝酸（FNA）無法抑制NOB 的生長繁殖， 因此，AOB 很難競爭過NOB［23-24］。 這些情況都將導(dǎo)致污水中的積累不足， 大部分無法經(jīng)Anammox反應(yīng)轉(zhuǎn)化為N2， 而是轉(zhuǎn)化為， 使得TN 的去除率大幅降低。 PN-A 工藝處理主流污水的重難點為低溫低基質(zhì)條件下如何在亞硝化階段兼顧富集AOB 和抑制NOB， 以及如何減少AOB 和AnAOB等功能菌種流失［24-25］， 現(xiàn)階段通過間歇曝氣以及優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)等方式可以提高主流PN-A 工藝的啟動運行效能。

目前， 根據(jù)不同的工藝耦合形式， 主流PN-A工藝可以分為單級和兩級工藝［23］。 單級PN-A 工藝是在同一個反應(yīng)器內(nèi)通過控制曝氣量， 在低濃度溶解氧下使PN 和Anammox 同步發(fā)生［26］， 包括CANON、OLAND 等。 Xu 等［27］研究結(jié)果表明， 在常溫下于固定生物膜-活性污泥復(fù)合反應(yīng)器中運行單級PN-A工藝， 處理低濃度（45.2 ～56.5 mg／L）污水，采用優(yōu)化間歇曝氣方式（缺氧段20 min， 好氧段40 min， 平均溶解氧質(zhì)量濃度為0.45 mg／L）可以有效抑制NOB 的富集， 從而提高單級主流PN-A 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性， TN 負(fù)荷達(dá)到0.12 kg［N］／（m3·d）， 脫氮速率達(dá)到0.10 kg［N］／（m3·d）， 脫氮效率保持在80%～89%。 Gilbert 等［28］對比研究SBR 和MBBR 運行PN-A 工藝時對溫度降低（從20 ℃降至10 ℃）的適應(yīng)性及脫氮性能的變化情況， 在進(jìn)水質(zhì)量濃度為50 mg／L 的條件下， 以MBBR運行的單級主流PN-A 工藝對溫度變化有更好的適應(yīng)性， TN 去除率在75% 以上， MBBR 可以通過形成生物膜截留更多AnAOB， 并且建立更加穩(wěn)定的微生物群落， 從而提高了功能菌的低溫適應(yīng)性， 特別是AnAOB 的低溫適應(yīng)性。

兩級PN-A 工藝是指PN 反應(yīng)和Anammox 反應(yīng)在2 個獨立的反應(yīng)器中進(jìn)行， 其優(yōu)勢在于2 個反應(yīng)器互不干擾， 可控性強， 可以為2 個反應(yīng)器中不同的功能菌營造各自最適的生長環(huán)境［29］。 為了有效截留AnAOB 和AOB 等功能菌， 研究人員設(shè)計新型反應(yīng)器或不斷優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。 李建啟等［30］設(shè)計并采用序批式-折流板-分置膜生物反應(yīng)器運行兩級PN-A 工藝處理經(jīng)過預(yù)處理的城鎮(zhèn)污水， 在水溫為24 ～33 ℃， TN 質(zhì)量濃度為15 ～45 mg／L，質(zhì)量濃度為12 ～38 mg／L 的條件下， 經(jīng)過逐步縮短HRT（由12 h 縮短至3 h）提升負(fù)荷， 穩(wěn)定運行后，TN 去除率達(dá)到80%～85%。 Ma 等［31］以控制溶解氧濃度的方式（ρ（DO） ＜0.2 mg／L）啟動PN 工藝，同時， 在UASB 反應(yīng)器中啟動Anammox 工藝， 構(gòu)建兩級PN-A 工藝處理低氮污水， 在進(jìn)水TN 和平均質(zhì)量濃度分別為45.87 和44.30 mg／L，溫度為27 ～30 ℃的條件下， 控制HRT 為4.6 h，經(jīng)過120 d 的運行， TN 去除率達(dá)到88.38%。

2.2 PD-Anammox 工藝

短程反硝化（PD）-Anammox（PD-A）工藝是一種可以處理低濃度、 低碳氮比市政污水的新型組合工藝， PD 和Anammox 工藝耦 合而成［32］。PD 是指利用反硝化菌將還原為。PD-A 工藝通過PD 實現(xiàn)的積累， 從而為后續(xù)的Anammox 反應(yīng)提供基質(zhì)條件［33］。 在處理主流污水時， PD-A 工藝相比于PN-A 工藝能更加穩(wěn)定地提供， 保證Anammox 反應(yīng)的快速啟動及穩(wěn)定運行。 采用適合的反應(yīng)器類型對特定功能菌進(jìn)行馴化和富集是PD-A 工藝穩(wěn)定運行的關(guān)鍵［34-36］。

研究人員采用SBR 反應(yīng)器運行兩級PD-A 工藝， 控制進(jìn)水、的質(zhì)量濃度分別為30、 40 mg／L， Anammox 工藝和PD 工藝的溫度分別為（30±1） ℃以及20 ～26 ℃， 反應(yīng)器運行225 d，TN 平均去除率達(dá)到90%［33］。 Du 等［37］采用UASB 反應(yīng)器在低溫（12.9 ～15.1 ℃）下運行兩級PD-A 工藝，處理含有和的生活污水， 得到了較好的脫氮效果，去除率達(dá)到97.6%， 表明PD-A 工藝在處理主流污水方面有較大潛力。 為了更加高效地富集功能菌以及為后續(xù)Anammox 反應(yīng)提供穩(wěn)定， 有研究人員對工藝運行過程進(jìn)行優(yōu)化， 采用乙酸鈉作為唯一碳源， 再加入生物載體以截留功能菌， 從而實現(xiàn)了特定功能菌的馴化和富集， 在主流條件下實現(xiàn)了兩級PD-A 工藝的啟動運行， 且證實了該工藝有良好的脫氮潛力［38-40］。

2.3 SNAD 工藝

PN-Anammox-反硝化工藝（SNAD）是一種新型的單級生物脫氮工藝， 指在限氧條件下利用PN 工藝將污水中部分轉(zhuǎn)化為， 隨后污水中的和經(jīng)Anammox 反應(yīng)轉(zhuǎn)化為N2實現(xiàn)脫氮， Anammox 反應(yīng)生成的還原成N2從而提高了TN 去除率。 該工藝在PN-A 工藝中引入反硝化過程， 解決了PN-A 工藝出水含量高 的 問 題［41］。 SNAD 工 藝 中 的 功 能 菌 種AOB、AnAOB 以及反硝化菌（DNB）存在于同一反應(yīng)器中，維持AOB、 AnAOB 的菌群競爭優(yōu)勢， 以及DNB 與這2 種功能菌的協(xié)作共生關(guān)系對系統(tǒng)的脫氮效果非常重要［42］。 顆粒污泥反應(yīng)器和生物膜反應(yīng)器可以形成好氧、 缺氧的微環(huán)境， 有助于富集AOB 和AnAOB、 建立DNB 與這2 種菌的共生關(guān)系。

李 冬 等［43］在 低 溫（17.2 ～23.6 ℃）條 件 下 啟 動SNAD 顆粒污泥工藝， 進(jìn)水初始質(zhì)量濃度為120 mg／L， 啟動后逐步降低至80 mg／L， TN 去除率為89%左右； 隨后通入質(zhì)量濃度為52 ～63 mg／L 的生活污水， TN 去除率達(dá)到86.5%。 Zheng等［44］通過間歇曝氣控制溶解氧濃度， 在生物膜反應(yīng)器中也成功促進(jìn)了AOB 生長增殖、 抑制了NOB 活性， 保證了Anammox 過程和反硝化過程的運行效果。 SNAD 工藝進(jìn)一步提高了城市污水的TN 去除效果， 有助于加快Anammox 工藝在城市污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)程。

3 結(jié)語

綠色、 高效的主流Anammox 工藝及其組合工藝已發(fā)展為主流污水脫氮的重要技術(shù)， 也為城市污水處理的能源化和資源化提供新的思路。 現(xiàn)階段針對主流污水低溫低基質(zhì)的特性， 主流Anammox 工藝及其組合工藝主要從條件控制及反應(yīng)器優(yōu)化2 個方面進(jìn)行探究， 條件控制方面主要包括： 通過縮短HRT 緩解低基質(zhì)問題； 通過逐步降溫及低溫馴化方式克服低溫問題； 通過階段曝氣控制溶解氧濃度， 進(jìn)一步解決AOB 與NOB 競爭問題等。 反應(yīng)器優(yōu)化方面主要包括： 通過選擇能夠富集抗外界環(huán)境變化的顆粒污泥的反應(yīng)器快速啟動主流Anammox工藝； 通過對原有反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)改造或2 種反應(yīng)器耦合以減少菌種流失。

主流Anammox 工藝及其組合工藝的技術(shù)推廣和工程應(yīng)用仍然存在一些問題， 應(yīng)針對實際主流污水多因素的復(fù)雜作用開展深入研究， 為主流Anammox 工藝的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用積累工程經(jīng)驗；同時應(yīng)深入探究優(yōu)勢功能菌群落結(jié)構(gòu)及形態(tài)， 如主流Anammox 工藝及其組合工藝的優(yōu)勢功能菌菌種的分離鑒定、 關(guān)鍵功能基因的分析， 以及基于功能基因表達(dá)的氮代謝通路的構(gòu)建等， 為其工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。