短程反硝化的影響因素及其耦合工藝的研究進(jìn)展

徐云翔，李天皓，郭之晗，黃子川，劉文如，2，3，沈耀良，2，3

（1.蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.城市生活污水資源化利用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215009；3.江蘇省水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 蘇州 215009）

氮以NH4+-N、NO2--N、NO3--N等多種形式溶解于各類廢水中，這些形式的氮會對人體、動植物造成不同程度的危害，例如飲用水中高濃度的NO3--N和NO2--N會導(dǎo)致嬰兒患上高鐵血紅蛋白血癥，并且NO3--N會刺激藻類生長，導(dǎo)致河流和湖泊富營養(yǎng)化等〔1〕。受嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)及水資源短缺兩方面的驅(qū)動，生物脫氮技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生〔2〕。

傳統(tǒng)硝化反硝化脫氮技術(shù)不僅需要消耗大量能量〔3〕，而且在處理低C/N的生活污水時(shí)無法達(dá)到污水排 放 標(biāo) 準(zhǔn)〔4〕。在 厭 氧 氨 氧 化（Anaerobic ammonia oxidation，Anammox）工藝中，厭氧氨氧化菌可分別利用NH4+-N和NO2--N作為電子供體及電子受體，在厭氧條件下生成氮?dú)狻Ｅc傳統(tǒng)脫氮工藝相比，該工藝無需曝氣及投加有機(jī)碳源，可節(jié)省污水處理廠42%～77%的能量輸入〔5〕及化學(xué)投藥成本，因此被認(rèn)為是更有前途以及環(huán)境友好型的生物脫氮工藝〔6〕。由于城市污水中NH4+-N的含量要遠(yuǎn)高于NO2--N，這將會造成底物NO2--N不足，從而影響Anammox的反應(yīng)進(jìn)程。因此反應(yīng)底物NO2--N可成為Anammox反應(yīng)的“晴雨表”。

短程硝化（Partial nitrification，PN）工藝常被用作Anammox的預(yù)處理工藝，盡管與傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)相比，PN工藝可以節(jié)省60%的曝氣消耗及100%的碳源需求，但較為苛刻的運(yùn)行條件制約了該工藝的推廣〔7〕。有關(guān)反硝化反應(yīng)中NO2--N的積累早在20世紀(jì)80年代就有報(bào)道，J.M.BOLLAG等〔8〕在農(nóng)藥衍生物存在條件下的反硝化反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)了NO2--N的積累，但當(dāng)時(shí)的研究主要是為了避免這種現(xiàn)象的產(chǎn)生。隨著Anammox工藝的提出及發(fā)展，這種積累現(xiàn)象為獲得Anammox所需反應(yīng)底物NO2--N提供了一條新思路：即通過對反硝化反應(yīng)的干預(yù)，將反應(yīng)控制在只生成NO2--N的階段，這種工藝被稱作短程反硝化（Partial denitrification，PD）〔9〕。PD因?qū)μ荚吹男枨罅枯^少（內(nèi)源PD能夠充分利用廢水中已有的難降解碳源）〔10〕、反應(yīng)速率快、溫室氣體排放低以及操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是與Anammox耦合的最佳工藝。目前關(guān)于PD的研究進(jìn)展較為迅速，比如從外源性碳源驅(qū)使到內(nèi)源性碳源驅(qū)使（Endogenous partial denitrification，EPD）、PD污泥顆?；Ⅰ詈瞎に嚨?。因此有必要更新現(xiàn)階段關(guān)于PD的研究進(jìn)展，為后續(xù)PD耦合Anammox工藝的全面推廣提供理論基礎(chǔ)。

1 短程反硝化的研究進(jìn)展

1.1 工藝原理

圖1為完全反硝化與短程反硝化的原理圖〔11〕。

如圖1所示，完整的反硝化反應(yīng)是將NO3--N依次還原為NO2--N、NO、N2O，并最終還原成N2的過程。在多種細(xì)菌參與的情況下，這4個(gè)還原步驟由幾種關(guān)鍵酶催化〔12〕，而短程反硝化終止于反應(yīng)進(jìn)行到生成NO2--N階段。

圖1 完全反硝化與短程反硝化原理Fig.1 Principle of denitrification and partial denitrification

關(guān)于反硝化過程中NO2--N的 積 累 機(jī) 理，J.S.ALMEIDA等〔13〕首先提出了一種硝酸鹽競爭性抑制亞硝酸鹽還原的動力學(xué)模型，硝酸鹽還原酶（Nitrate reductase，Nar）和亞硝酸鹽還原酶（Nitrite reductase，Nir）會競爭由共同的電子供體（有機(jī)物）氧化產(chǎn)生的電子，一旦Nar在競爭中占據(jù)主導(dǎo)地位，系統(tǒng)將生成更多的NO2--N。隨后，J.VAN RIJN等〔14〕對這種競爭機(jī)制做了進(jìn)一步闡釋，他們發(fā)現(xiàn)在乙酸鹽存在時(shí)，NO3--N的還原速率遠(yuǎn)大于NO2--N的還原速率，這種差異導(dǎo)致了NO2--N的積累；造成該現(xiàn)象的原因是某些有機(jī)底物在氧化過程中會限制電子流向Nir，導(dǎo)致缺乏電子供應(yīng)的Nir在競爭中處于劣勢。M.MARTIENSSEN等〔15〕在處理垃圾填埋場滲濾液時(shí)發(fā)現(xiàn)NO2--N的積累可能與系統(tǒng)中存在的微生物群落相關(guān)。

綜上，通過對Nar與Nir的競爭進(jìn)行針對性干預(yù)，可以實(shí)現(xiàn)PD反應(yīng)的發(fā)生，具體有3種手段：（1）通過調(diào)節(jié)進(jìn)水C/N、碳源類型等使Nar與Nir之間的活性失衡；（2）通過控制外部條件抑制Nir；（3）選擇和富集培養(yǎng)出有利于NO2--N積累的相關(guān)微生物群落〔16〕。

1.2 工藝啟動

1.2.1 污泥源

PD 反應(yīng)中NO2--N的積累與反硝化生物群落有密切關(guān)系。M.MARTIENSSEN等〔17〕發(fā)現(xiàn)某些不完全反硝化菌（硝酸鹽呼吸菌，種屬為葡萄球菌）只能還原NO3--N，而不能進(jìn)一步還原NO2--N。因此，污泥源中若能富集足夠多的硝酸鹽呼吸菌，將會對PD的啟動起到極大的促進(jìn)作用。張星星等〔18〕研究了不同污泥源對PD快速啟動的影響，反硝化除磷污泥、污水廠剩余污泥以及河涌底泥均能在以乙酸鈉為碳源的SBR反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)對PD的快速啟動，亞硝酸鹽積累率（Nitrite accumulation rate，NAR）均高于70%，其中以反硝化除磷污泥培養(yǎng)的反應(yīng)器的平均NAR最高，而以河涌底泥培養(yǎng)的反應(yīng)器在持續(xù)低溫條件下仍能保持活性。Miao ZHANG等〔19〕通過接種反硝化除磷污泥，在進(jìn)水C/N為2.5時(shí)實(shí)現(xiàn)了82.18%的NAR；微生物群落結(jié)構(gòu)分析表明，由于優(yōu)勢菌群的選擇和富集，微生物種群多樣性降低，主要菌屬為Thauera（14.10%）、Terrimonas（9.40%）、Saprospiraceae（13.50%）和Flavobacterium（28.23%）。此外，初級污泥也可作為PD的接種污泥，Liangliang SHI等〔20〕結(jié)合水解酸化作用，將初級污泥中富含的難溶性有機(jī)物轉(zhuǎn)化為易吸收的醋酸鹽、溶解糖和細(xì)胞內(nèi)聚羥基脂肪酸（Polyhydroxyalkanoates，PHAs），實(shí)現(xiàn)了將外部碳源轉(zhuǎn)化為內(nèi)部碳源，并獲得了61.3%的NAR。

目前，PD工藝的啟動污泥源可以分為2種：（1）比較常見的污泥源，如污水廠普通活性污泥、初級污泥、濃縮池剩余污泥、反硝化除磷污泥等；（2）實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)培養(yǎng)好的具有良好NAR效果的PD污泥。反硝化除磷污泥由于長時(shí)間處于厭氧/缺氧馴化條件，有利于微生物多樣性及反硝化細(xì)菌的富集，且可獲得較高的NAR，在理論上更適合作為PD啟動的接種污泥。但需要注意的是，在實(shí)際應(yīng)用中反硝化除磷污泥并不是隨處可得、大量存在的，亟需尋找更加高效快速的方法來馴化培養(yǎng)反硝化除磷污泥。

1.2.2 反應(yīng)器

作為一種實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程的設(shè)備，反應(yīng)器由于具有不同的運(yùn)行方式，對PD的啟動有著不同的影響。目前關(guān)于PD的研究中，最常見的反應(yīng)器為SBR、UASB、反硝化生物濾池、序列式移動床生物膜反應(yīng)器等。Zhaoxu PENG等〔21〕在SBR反應(yīng)器中接種污水廠A/A/O缺氧池污泥，在控制C/N為5.5時(shí)實(shí)現(xiàn)了82.3%的NAR。Shengbin CAO等〔22〕使用UASB反應(yīng)器處理生活污水，取得了NAR達(dá)到80%的效果，并驗(yàn)證了Anammox耦合PD工藝的可行性。上述研究往往僅針對某一種反應(yīng)器進(jìn)行研究，而Rui DU等〔23〕運(yùn)用控制變量法對SBR反應(yīng)器和UASB反應(yīng)器進(jìn)行了驗(yàn)證對比，填補(bǔ)了反應(yīng)器同步對比實(shí)驗(yàn)的空白，并發(fā)現(xiàn)SBR的NAR（83.3%）高于UASB（51%～71.3%），而UASB中PD污泥顆?；男Ч?.0～3.0 mm）優(yōu)于SBR（1.5～2.0 mm）。田夏迪等〔24〕解釋這可能是由反應(yīng)器內(nèi)生物群落與底物間的傳質(zhì)效果決定的，即UASB由于無攪拌裝置，傳質(zhì)效果劣于充分混合的SBR反應(yīng)器。Bin CUI等〔25〕使用反硝化生物濾池成功啟動了PD，并發(fā)現(xiàn)生物膜生長過程中結(jié)構(gòu)的變化會影響反應(yīng)器性能，在濾速為3.86 m/h時(shí)實(shí)現(xiàn)了NAR達(dá) 到60%的 效 果。Jinfeng GAO等〔26〕在 內(nèi) 置BWTX塑料生物膜載體的移動床生物膜反應(yīng)器中接種污水廠二沉池污泥，在30 d內(nèi)成功啟動了PD，且平均NAR為76.95%。

可作為啟動PD的反應(yīng)器種類很多，但生物濾池和生物膜反應(yīng)器的共同弊端是過濾器易堵塞造成膜污染〔27-28〕，并且生物膜的形成過程較為復(fù)雜〔29〕，系統(tǒng)性能難以控制。與傳統(tǒng)懸浮污泥相比，顆粒污泥擁有良好的沉降性能、高生物量保留、致密且堅(jiān)固的微生物結(jié)構(gòu)、耐有機(jī)負(fù)荷及耐毒性等優(yōu)越性〔30-32〕，在NAR較高的SBR反應(yīng)器中培養(yǎng)出PD顆粒污泥將有助于PD的啟動。

1.3 工藝影響因素

1.3.1 碳源

碳源能為異養(yǎng)細(xì)菌提供生長和反應(yīng)必需的物質(zhì)和能量〔33〕，因此PD過程中使用的碳源的類型將顯著影響NO2--N的高效穩(wěn)定積累。反硝化可利用的碳源通常分為易生物降解有機(jī)物、緩慢降解有機(jī)物以及細(xì)胞內(nèi)PHAs等〔34〕。

（1）外源性PD。

甲醇由于低成本和低產(chǎn)泥量的優(yōu)點(diǎn)被選為反硝化的碳源〔35〕，但其在毒性和運(yùn)輸儲存方面的缺點(diǎn)制約了自身的發(fā)展〔36〕。醋酸鹽作為最常見的易降解有機(jī)物，一度被視為PD的最佳電子供體。Lingxiao GONG等〔9〕通過外加醋酸鹽作為碳源研究了醋酸鹽飽和和饑餓條件下 的PD效果，在C/N為2.5時(shí) 實(shí)現(xiàn)了NAR為71.7%的效果。在之后的研究中，醋酸鹽的潛力被逐漸挖掘，醋酸鹽驅(qū)動的PD可以更有效地實(shí)現(xiàn)NAR達(dá)到90%的效果〔37-38〕。對于葡萄糖驅(qū)動的研究也有報(bào)道，Xiujie WANG等〔39〕以葡萄糖為電子供體，在3個(gè)SBR反應(yīng)器中控制不同的馴化條件，運(yùn)行120 d后3個(gè)反應(yīng)器內(nèi)均實(shí)現(xiàn)了80%以上的NAR。

（2）內(nèi)源性PD（EPD）。

雖然易生物降解的有機(jī)物可實(shí)現(xiàn)更高的NAR，但是通常廢水中易生物降解有機(jī)物的含量較少，這就需要外加碳源，導(dǎo)致運(yùn)行成本增加。相比較而言，緩慢降解有機(jī)物在各類廢水中的含量都較為豐富，通常占進(jìn)水碳源的30%～85%〔40〕，且出水中殘存的COD也多為難降解有機(jī)物〔41〕，若能夠充分利用這部分有機(jī)物作為PD的碳源，就有可能實(shí)現(xiàn)資源再利用的目標(biāo)。圖2展示了EPD的原理，聚糖菌（Glycogen accumulating organisms，GAOs）可以在厭氧期以PHAs的形式吸收和儲存有機(jī)物（主要是揮發(fā)性脂肪酸，VFA），并在隨后的缺氧期利用積累的PHAs進(jìn)行糖原再合成和細(xì)胞生長，由此被發(fā)現(xiàn)具有反硝化能力〔42〕。Jiantao JI等〔43〕證實(shí)GAOs可在內(nèi)源性反硝化中發(fā)揮重要作用，并在A/A/O活性污泥系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了EPD新策略，穩(wěn)定階段NAR達(dá)到87%左右；隨后他們首次將EPD與主流Anammox相結(jié)合，取得了80%的NAR，微生物群落中負(fù)責(zé)EPD的主要功能屬GAOs占微生物群落的36.6%。

圖2 EPD原理Fig.2 Principle of endogenous partial denitrification

水解酸化（Hydrolytic acidication，HA）是一種將難生物降解有機(jī)物轉(zhuǎn)化為易降解有機(jī)物的方法，在污水處理廠中常被作為一種預(yù)處理方式〔44〕。Liangliang SHI等〔45〕通過引入緩慢降解有機(jī)物（使用淀粉顆粒作為底物進(jìn)行模擬）的HA作用成功建立了PD，典型循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，醋酸鹽和可溶性糖是主要的HA產(chǎn)物，分別占淀粉顆粒降解產(chǎn)物的33.9%和19.3%。

可溶性微生物產(chǎn)物（Soluble microbial products，SMP）指的是在廢水生物處理過程中由微生物進(jìn)行底物代謝（通常伴隨生物量增長）以及微生物自身衰變所產(chǎn)生的有機(jī)化合物〔46-47〕。Wenming XIE等〔48〕通過建模量化得出SMP在污水處理廠出水COD中的平均占比為61%，說明出水COD中不僅含有來自進(jìn)水的不可生物降解成分，還含有占主要成分且可生物降解的SMP。Jixian YANG等〔49〕的研究表明，在外部碳源缺乏狀態(tài)下，SMP可作為替代碳源為反硝化提供電子供體，實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用。此外，Xuening ZHANG等〔50〕進(jìn)一步對SMP中的主要組分進(jìn)行相對定量分析，明確了其中的蛋白質(zhì)、多糖和黃腐酸類化合物可作為有效碳源和電子供體的潛在候選組分，且SMP驅(qū)動的反硝化作用可去除約24.6%的進(jìn)水總氮，驗(yàn)證了SMP在就地原位利用方面的可行性。目前越來越多的研究〔51-52〕開始關(guān)注SMP在作為反硝化替代碳源時(shí)應(yīng)對復(fù)雜工況時(shí)的表現(xiàn)，若能將SMP引入EPD工藝中，不僅能極大地豐富EPD工藝的碳源選擇，而且還能拓寬去除SMP的途徑，但是這些都亟需進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

EPD因可節(jié)約成本和降低能耗的優(yōu)勢，發(fā)展前景要優(yōu)于外源性PD。但目前的研究中EPD的轉(zhuǎn)化效率要低于外源性PD，因此未來的研究應(yīng)注重對EPD中NO2--N轉(zhuǎn)化效率的優(yōu)化。

1.3.2 pH

pH 對PD中NO2--N的積累有重要影響。早期，C.GLASS等〔53〕研究了混合液pH對硝酸鹽廢水脫氮能力的短期影響，發(fā)現(xiàn)隨著pH的增加，NO2--N積累量以及NO3--N還原速率都隨之增加。由此得到啟發(fā)，高pH可能有利于反硝化過程中NO2--N的積累。Zheng SI等〔54〕通過實(shí)驗(yàn)確定pH對PD啟動的影響，發(fā)現(xiàn)pH為9.0時(shí)PD過程可在100個(gè)循環(huán)內(nèi)迅速建立，功能菌Thauera迅速富集并發(fā)展為優(yōu)勢菌（相對豐度＞65%），平均NAR為83.86%。但是上述研究只是針對pH對反硝化的短期影響，Wenting QIAN等〔55〕的研究填補(bǔ)了pH對反硝化過程長期影響的空白，他們對比了反應(yīng)器運(yùn)行420 d期間不同進(jìn)水pH（pH=5、7、9）對反硝化性能的影響，結(jié)果表明，pH=9時(shí)的NO2--N積累率不僅高于pH=5和7，而且培養(yǎng)的污泥還具有抗pH沖擊的能力。

深入分析，pH可影響PD工藝有3個(gè)原因：（1）Nir在高pH下更敏 感〔56〕，Wei LI等〔57〕發(fā)現(xiàn)隨 著pH從7.2上升到9.2，Nar活性無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但單位質(zhì)量蛋白質(zhì)的Nir活性從（0.067±0.004）μg（/g·h）急劇下降到（0.023±0.005）μg（/g·h）；（2）較高的pH可能會影響生物化學(xué)反應(yīng)的平衡，將NO3--N還原為NO2--N的過程不消耗酸，而將1 mol NO2--N還原為N2會 消 耗0.625 mol的H+〔53〕，因 此 高pH會 抑 制 后 者的反應(yīng)；（3）pH還會影響反硝化酶間對電子的競爭〔54〕，J.K.THOMSEN等〔58〕的研究表明，隨著pH的增加，Nir分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移速率急劇下降，由此造成Nar分子對電子的競爭優(yōu)勢。

1.3.3 鹽度

通常實(shí)際生活廢水及工業(yè)廢水成分較為復(fù)雜，因此有必要研究廢水成分對PD工藝的潛在影響。某些類型的廢水中含有鹽分，例如食品加工廢水、海鮮工業(yè)廢水等〔59-60〕，鹽度范圍通常為3.5%～20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。高鹽度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞1%）會導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)壁分離和細(xì)胞活性喪失〔61〕。Siyuan ZHAI等〔62〕研究了電極生物膜反應(yīng)器（BER）在鹽度脅迫（0～3.5%）下的反硝化性能，反應(yīng)系統(tǒng)在鹽度為2.5%時(shí)依舊能夠保持相對穩(wěn)定的性能，且NO3--N去除率約為80%。目前，關(guān)于鹽度對PD的影響研究較為有限。Jiantao JI等〔63〕首次研究了鹽度對PD性能的毒性機(jī)理，通過設(shè)置0～3%的鹽度梯度發(fā)現(xiàn)，鹽度＜1.5%時(shí)未馴化的PD污泥活性被完全抑制，而馴化后的PD污泥在鹽度增加的情況下仍能保持較高的反硝化活性，120 d內(nèi)NAR穩(wěn)定在90%。Chunxue BI等〔64〕提出利用逐漸增加鹽度梯度（0.25%～1.25%）的方式對微生物進(jìn)行鹽度馴化，并通過高通量測序分析了微生物隨鹽度增加的適應(yīng)趨勢，結(jié)果顯示PD在每個(gè)鹽度梯度開始時(shí)會表現(xiàn)出短暫波動，但經(jīng)過適應(yīng)期后表現(xiàn)出對鹽度的耐受性，從而保證了較高的NAR，馴化成功后在鹽度高達(dá)1.25%時(shí)NAR仍保持在80%以上，優(yōu)勢功能菌Thauera（相對豐度43.99%）可能對鹽度具有耐受性。

以上關(guān)于鹽度對反硝化及PD影響的研究〔62-64〕中均提到了馴化能夠有效緩解鹽度沖擊的影響，因此在處理含鹽廢水時(shí)可以考慮采用適當(dāng)?shù)鸟Z化策略，如稀釋初始含鹽廢水、鹽度分級馴化等〔65〕，使PD生物菌能夠有效地處理鹽度閾值以下的廢水，目前有限的研究中閾值大約為1.5%，具體數(shù)值取決于系統(tǒng)內(nèi)功能菌的含量。

1.3.4 重金屬

隨著工業(yè)的發(fā)展，許多重金屬從冶煉、機(jī)械制造、化工等工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)入生物廢水處理系統(tǒng)〔66〕。重金屬（如鉻、鎳、銅、鋅等）具有較強(qiáng)的細(xì)胞毒性，高濃度的重金屬可以通過與細(xì)胞內(nèi)官能團(tuán)的相互作用破壞蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能〔67〕。李鴻等〔68〕研究了不同濃度Cd2+對PD穩(wěn)定性和微生物的影響，結(jié)果顯示PD性能的惡化趨勢與Cd2+濃度呈正相關(guān)，但由于受脅迫的微生物產(chǎn)生的EPS可與Cd2+結(jié)合起到減輕毒性的作用，在高質(zhì)量濃度Cd2+（5、10 mg/L）條件下系統(tǒng)仍能保持較高的NAR（70%左右）；群落結(jié)構(gòu)分析顯示受Cd2+脅迫的系統(tǒng)內(nèi)仍保持高含量的變形菌門，這保證了PD系統(tǒng)高效的NAR表現(xiàn)。賴城等〔69〕研究了不同濃度的重稀土元素Y（Ⅲ）對PD的短期和長期影響，短期實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低于50 mg/L的Y（Ⅲ）對PD無明顯影響，而100 mg/L的Y（Ⅲ）嚴(yán)重抑制了PD的性能，NAR僅為3.15%；長期實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，反應(yīng)器性能在添加5 mg/L Y（Ⅲ）后的20 d內(nèi)嚴(yán)重下降，且停止添加后PD功能仍未恢復(fù)，由此推斷Y（Ⅲ）對PD的抑制是不可逆的。目前，關(guān)于重金屬毒理作用的研究大部分都是針對Anammox的〔70-71〕，而針對PD的報(bào)道還十分匱乏，因此未來應(yīng)針對各種常見重金屬對PD的短期和長期影響進(jìn)行研究，同時(shí)可通過基因組解析的多組學(xué)來表征群落中個(gè)體分類群對環(huán)境刺激的反應(yīng)〔72〕。

1.4 PD污泥顆?；?/h3>

1980年顆粒污泥首次被用于厭氧系統(tǒng)中，直到20世紀(jì)90年代后期才有好氧顆粒污泥的研究報(bào)道〔30〕。表1總結(jié)了近幾年不同運(yùn)行條件下PD顆粒污泥的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展。

表1 PD顆粒污泥研究進(jìn)展Table 1 Research progress of PD granular sludge

Shenbin CAO等〔73〕首次報(bào)道了SBR系統(tǒng)中PD污泥的顆粒化過程，基于粒徑逐增提出造粒三階段理論，即發(fā)育期、成型期和成熟期；EPS變化與污泥粒徑呈正相關(guān)，表明EPS（主要是PN）對顆粒污泥的形成和維穩(wěn)至關(guān)重要，并且在PD過程中形成的CaCO3沉淀可作為細(xì)胞附著的載體，對初始造粒起到重要作用。Shenbin CAO等〔74〕在其前期研究基礎(chǔ)上探討了硝酸鹽負(fù)荷對SBR系統(tǒng)中PD顆粒污泥的影響，合適的負(fù)荷對制備沉淀性能良好的顆粒污泥有重要作用，但不能一味追求大顆粒，因?yàn)榭漳z囊的存在和不利的傳質(zhì)作用會降低顆粒污泥的沉降性能以及破壞微生物活性，因此獲取合適的污泥粒徑對于PD的穩(wěn)定高效至關(guān)重要。這與Rui DU等〔75〕得出的結(jié)果相對應(yīng)，即低進(jìn)水負(fù)荷有助于形成沉降性能更好的顆粒污泥，而高進(jìn)水負(fù)荷則能更快形成較大顆粒污泥。Jiantao JI等〔76〕首次研究了EPD顆粒污泥在低溫（13.5～25℃）下的穩(wěn)定性，溫度降低時(shí)顆粒污泥的存在避免了絲狀菌膨脹的發(fā)生，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定（NAR達(dá)到88.7%），EPD顆粒污泥對低溫有一定的抗沖擊能力。

關(guān)于PD顆粒污泥中微生物的代謝活動也有報(bào)道。Jiuzhou QIAN等〔78〕探究了半 饑 餓波動（進(jìn) 水COD以3 d為一周期遞減）條件下原位快速培養(yǎng)PD顆粒污泥的可行性，創(chuàng)新性地將PD系統(tǒng)與高絲氨酸內(nèi)酯（Acyl-homoserine lactones，AHLs）聯(lián)系起來，提出半饑餓波動會促使細(xì)菌群落產(chǎn)生危險(xiǎn)信號分子AHLs，刺激EPS分泌，從而快速形成PD顆粒污泥。Chenyang MA等〔80〕對EPS中蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，證實(shí)了結(jié)構(gòu)松散的PN對顆粒污泥沉降有促進(jìn)作用，并通過代謝組學(xué)發(fā)現(xiàn)了AHLs主要通過上調(diào)氨基酸合成途徑促進(jìn)蛋白質(zhì)的產(chǎn)生。

目前關(guān)于PD顆粒污泥的研究幾乎都是以乙酸鹽作為碳源驅(qū)動的，而Teng ZHANG等〔79〕研究了以甘油驅(qū)動PD顆粒污泥的形成，相比于一些乙酸鹽驅(qū)動的系統(tǒng)，該系統(tǒng)獲得了沉降時(shí)間更短以及可避免污泥膨脹和上浮的PD顆粒污泥，平均粒徑為468.1 μm，平均NAR為87.3%，證實(shí)了甘油驅(qū)動PD顆粒污泥的可行性、優(yōu)越性及經(jīng)濟(jì)成本方面的優(yōu)勢。

目前關(guān)于PD顆粒污泥的研究大多集中在顆粒化過程及機(jī)理上，未來的研究可以在實(shí)際廢水中驗(yàn)證其實(shí)際應(yīng)用的可行性和穩(wěn)定性。此外，顆粒污泥的特性與碳源的組成密切相關(guān)，探索多種合適的替代碳源對PD顆粒污泥的形成以及相關(guān)特性的研究也很重要。

2 PD耦 合Anammox工 藝

PD與Anammox耦合工藝（PD/A）具有巨大的應(yīng)用潛力，目前耦合方式主要分為2種：分離式工藝和組合式工藝。

2.1 分離式PD/A工藝

由于PD菌（PDB）是 異 養(yǎng) 菌，而Anammox菌（AnAOB）是自養(yǎng)菌，在有機(jī)物存在時(shí)，這2類菌存在空間競爭，即PD菌可利用有機(jī)物導(dǎo)致增殖速度遠(yuǎn)大于AnAOB，從而壓縮后者生存空間〔81〕。而分離式PD/A工藝通過將兩者分別放置在各自獨(dú)立的反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)，有效避免了PD優(yōu)勢菌群與AnAOB優(yōu)勢菌群之間的競爭。圖3展示了PD/A工藝的原理，廢水首先進(jìn)入PD反應(yīng)器，在PDB的作用下進(jìn)行PD反應(yīng)，消耗廢水中有機(jī)物或者外加有機(jī)碳源，將廢水中的NO3--N還原成NO2--N，同時(shí)出水有機(jī)物水平大幅降低，減輕了對后續(xù)Anammox反應(yīng)的影響；PD反應(yīng)器出水進(jìn)入Anammox反應(yīng)器，調(diào)控進(jìn)水n（NO2--N）/n（NH4+-N）盡可能接近理想化學(xué)計(jì)量比1.32，通過Anammox反 應(yīng) 將NO2--N和NH4+-N氧化還原成N2；最后，根據(jù)出水中各形式氮的含量確定是否要將部分出水回流至PD反應(yīng)器以及回流比大小，以便進(jìn)行深度脫氮〔82〕。

圖3 分離式PD/A工藝原理Fig.3 Principle of separated PD/A process

Rui DU等〔83〕建立了一種分離式PD/A工藝同時(shí)處理硝酸鹽廢水和生活廢水并考察低溫下的系統(tǒng)表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了NO3--N、NH4+-N、COD去除率分別為89.5%，97.6%、78.7%的效 果；Anammox對TN的去除貢獻(xiàn)（＞70%）證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且鑒于Anammox反應(yīng)器內(nèi)存在PD現(xiàn)象，即使在PD工藝性能惡化時(shí)，仍能實(shí)現(xiàn)理想的出水TN效果。Shenbin CAO等〔84〕對分離式PD/A的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了討論，基于對外加碳源量和污泥處理費(fèi)用等方面的考量，分離式PD/A與傳統(tǒng)硝化反硝化相比在經(jīng)濟(jì)效益方面是有利的；并且在運(yùn)行過程中由于溫室氣體N2O的低產(chǎn)出，其也在環(huán)境友好性上表現(xiàn)較為出色。Bin CUI等〔85〕首次在2個(gè)生物濾池內(nèi)實(shí)現(xiàn)PD/A工藝處理模擬生活污水，最終Anammox對脫氮的貢獻(xiàn)率達(dá)74.6%，證實(shí)了PD/A生物濾池可以有效實(shí)現(xiàn)脫氮。

2.2 組合式PD/A工藝

由于分離式PD/A工藝存在占地面積大、投入成本高等問題，將PDB與AnAOB放置于同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行馴化培養(yǎng)的組合式PD/A工藝取得了長足的發(fā)展。AnAOB可以及時(shí)將PD產(chǎn)生的NO2--N反應(yīng)去除，有效提升總氮去除率。但PD/A工藝的穩(wěn)定性高度依賴于反應(yīng)器中生物質(zhì)（主要指AnAOB）的保留，已有報(bào)道〔86〕證實(shí)通過形成顆粒污泥 可 以 實(shí) 現(xiàn)AnAOB的 良 好 保 留。Xinxin XU等〔87〕通過利用在PD/A反應(yīng)器中添加活性炭顆粒的方式來促進(jìn)PD/A顆粒污泥的形成，最終獲得平均粒徑為1.92 mm且沉降性能良好的污泥顆粒，AnAOB的豐度為7.79%，并且長期運(yùn)行時(shí)Anammox對脫氮的貢獻(xiàn)率穩(wěn)定達(dá)到90%。

Rui DU等〔88〕報(bào)道了一種在UASB反應(yīng)器內(nèi)使用氣體自循環(huán)技術(shù)改善連續(xù)流PD/A的工藝，提出使用氣體混合策略可以保持合適的基質(zhì)結(jié)構(gòu)以及充分的傳質(zhì)，從而最大限度地減少系統(tǒng)內(nèi)AnAOB和PDB之間的生存空間競爭，提高Anammox對脫氮效果的貢獻(xiàn)（從86.5%提高至92.3%），并且氣體混合有效防止了常見的污泥上浮現(xiàn)象，促進(jìn)了PD/A污泥顆粒中EPS的產(chǎn)生，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。以往通過原位富集培養(yǎng)AnAOB的方法周期較長，Hao JIANG等〔89〕使用細(xì)胞固定法固定并快速富集污水廠剩余污泥中的PD/A功能菌，在20 d內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)了組合式PD/A的快速啟動，且凝膠基質(zhì)提高了AnAOB的耐溫性能，Anammox的脫氮貢獻(xiàn)率為77.1%。H.A.AHMAD等〔90〕在研究外磁場與納米級零價(jià)鐵耦合作用對Anammox的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)了PDB與AnAOB的協(xié)同共存，且脫氮率較高（80%）。

基于內(nèi)碳源驅(qū)動的EPD/A工藝可以進(jìn)一步減少碳源消耗。Wenkang LU等〔91〕通過接種含有反硝化聚糖菌的污泥開發(fā)出一種新型EPD/A工藝，反硝化聚糖菌可將廢水中的外部碳源轉(zhuǎn)化為內(nèi)部碳源儲存，微生物群落分析結(jié)果表明AnAOB可以和反硝化聚糖菌在組合式系統(tǒng)內(nèi)共存并協(xié)同作用，Anammox的脫氮貢獻(xiàn)率為76%。

以上研究都是基于有機(jī)物驅(qū)動（外源性或內(nèi)源性）的組合式PD/A工藝，但目前降碳需求愈來愈烈，基于部分硫氧化細(xì)菌能夠?qū)U水中的硫化物氧化成元素硫且元素硫可作為電子供體進(jìn)行PD反應(yīng)，衍生出關(guān)于硫化物驅(qū)動的組合式SPD/A工藝的研究。Yangfan DENG等〔92〕對SPD/A工 藝 的 長 期 穩(wěn) 定 性 進(jìn)行了研究，盡管硫化物會對Anammox產(chǎn)生抑制作用，但系統(tǒng)內(nèi)硫氧化菌能及時(shí)氧化硫化物為反應(yīng)器提供理想的競爭環(huán)境，因此該工藝能在長期運(yùn)行下高效完成脫氮除硫。Yingwen MAI等〔93〕通過添加不同n（N）/n（S+Fe）的硝酸鈣來處理河流黑臭水體沉積物，提出在n（N）/n（S+Fe）為0.9和1.2時(shí)形成了利用硫化物/亞鐵來驅(qū)動的自養(yǎng)PD/A系統(tǒng)，S優(yōu)先與NO3--N反應(yīng)緩解硫自養(yǎng)反硝化菌與AnAOB對NO2--N的競爭，進(jìn)一步激活A(yù)nammox反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了黑臭沉積物處理的高效性和低成本。

表2總結(jié)了最近幾年有關(guān)PD/A工藝研究在不同組合方式及運(yùn)行條件下的性能表現(xiàn)。

表2 分離式與組合式PD/A工藝研究Table 2 Research on separated and combined PD/A process

2.3 PD/A工藝與其他工藝的耦合

主流污水廠的處理系統(tǒng)中往往有多種工藝協(xié)同發(fā)揮作用，因此在PD/A工藝推廣的進(jìn)程中有必要對其與多種工藝耦合的效果進(jìn)行研究。在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的研究中，由于能精確控制進(jìn)水C/N，碳源可得到適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充；而在處理實(shí)際生活污水時(shí)，由于C/N無法精確控制，Anammox對脫氮的貢獻(xiàn)通常會大打折扣，對PD/A工藝進(jìn)行升級改進(jìn)將有助于拓展其運(yùn)用領(lǐng)域。Qi ZHAO等〔94〕將曝氣生物濾池與A/A/O反應(yīng)器結(jié)合處理實(shí)際生活污水，通過富集反硝化除磷菌、AnAOB及PDB，成功實(shí)現(xiàn)了將PD/A集成到改進(jìn)工藝中與反硝化除磷工藝相結(jié)合，與單獨(dú)脫氮除磷工藝相比，該工藝更具有可持續(xù)性的優(yōu)勢，符合未來污水處理廠的理念。Huihui CUI等〔97〕通過在SBR反應(yīng)器內(nèi)集成固定膜接種活性污泥開發(fā)了PN/A與EPD/A組合工藝，將生物膜與懸浮污泥結(jié)合的形式有助于維持AnAOB的生物量以及活性，在處理實(shí)際生活廢水時(shí)脫氮率為90.1%，Anammox貢獻(xiàn)率高達(dá)89.9%，這種PN/A耦合EPD/A工藝可作為傳統(tǒng)A/B工藝的替代工藝。

以上2種方案均符合污水廠綜合養(yǎng)分去除的要求，極有可能成為污水處理廠升級改造的有效方法。

3 結(jié)語與展望

隨著工業(yè)化的發(fā)展以及農(nóng)作物產(chǎn)量的增長，許多工業(yè)產(chǎn)品（例如食品防腐劑、爆炸材料、肥料等）都會帶來大量硝酸鹽廢水。傳統(tǒng)生物脫氮工藝受高處理成本及適用范圍的限制難以持續(xù)發(fā)展，PD工藝可以高效穩(wěn)定地為Anammox提供NO2--N，兩者耦合的PD/A工藝不僅為處理硝酸鹽廢水帶來了曙光，而且其目標(biāo)符合可持續(xù)發(fā)展的理念。然而該工藝目前還面臨很多挑戰(zhàn)，未來可以從以下幾方面著手研究：

（1）在抑制機(jī)理方面，研究重金屬等抑制劑對PD生產(chǎn)NO2--N的單獨(dú)影響和對PD/A耦合工藝的整體影響，以及在毒性機(jī)制下進(jìn)行可控的性能恢復(fù)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)健性。

（2）在微生物方面，目前關(guān)于PD/A工藝內(nèi)各種優(yōu)勢菌的研究大多停留在微生物群落結(jié)構(gòu)層面，隨著測序技術(shù)的發(fā)展，通過綜合多組學(xué)的方法能夠?qū)D/A工藝內(nèi)微生物之間復(fù)雜的相互作用進(jìn)行更加全面的深度解讀。

（3）在實(shí)際運(yùn)行方面，可以通過對耦合過程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，優(yōu)化運(yùn)行處理參數(shù)，指導(dǎo)工藝穩(wěn)定運(yùn)行。

（4）在工藝推廣方面，探索PD/A工藝與更多主流工藝聯(lián)合作用的可行性，考慮將實(shí)際城市污水作為處理對象，為未來推廣主流PD/A工藝提供更多有價(jià)值的理論基礎(chǔ)。

（5）在資源化利用方面，目前的研究往往僅考慮污染物的去除效能，而忽略了資源的回收利用，未來研究中可通過引入成本和能值分析，探索資源化利用的可行性。