1 、相關(guān)背景

在本世紀初，污水處理領(lǐng)域有兩個非常著名的發(fā)現(xiàn)：第一個是厭氧氨氧化，第二個是好氧顆粒污泥，這給污水處理的發(fā)展帶來非常大的變數(shù)。好氧顆粒污泥和厭氧氨氧化實際已經(jīng)有一二十年的歷史，但是一直沒有引起足夠的關(guān)注。對于厭氧氨氧化的研究，荷蘭代爾夫特理工大學的Mark教授在《Science》上發(fā)表了一篇文章，認為厭氧氨氧化可以使污水處理廠達到凈的產(chǎn)能，這就給污水處理廠下一步的發(fā)展指明了一條道路。

2、主流厭氧氨氧化的發(fā)展

正因為厭氧氨氧化如此重要，所以世界各國比如荷蘭、新加坡、美國等紛紛將其作為研究前沿。著名的Strass污水處理廠利用旁路厭氧氨氧化產(chǎn)生厭氧氨氧化的顆粒污泥，在主流中加入這些顆粒污泥，再利用水力旋流器等將其回收。這一方法存在的問題是無法定量描述和控制厭氧氨氧化在主流中的脫氮效率。

因為中試氮去除率達到60%~70%，但是在不穩(wěn)定的狀態(tài)下可能只有10%~20%。 最近Mark教授提出，顆粒污泥類型的主流厭氧氨氧化今后應(yīng)主要解決運行穩(wěn)定性問題。

3、西安第四污水處理廠是否發(fā)生了主流厭氧氨氧化？

西安第四污水處理廠總處理能力為50萬噸/d，分一期、二期和三期工程，厭氧氨氧化主要在一期25萬噸/d工程改造中實現(xiàn)。一期改造工程將倒置AO改為加填料的AO。西安地處中西部，屬于溫帶地區(qū)，污水水溫在10~20℃之間變化。眾所周知，新加坡的樟宜污水廠已經(jīng)實現(xiàn)了部分厭氧氨氧化，但其水溫常年為30℃左右。相比之下，西安第四污水處理廠這樣的大型污水廠在常溫條件下實現(xiàn)厭氧氨氧化，將具有非常重要的意義。

在改造過程中可以看到，生物池有兩格厭氧段和兩格缺氧段，在缺氧段的第一個格里投放了填料，而在第二個格沒有投放填料。關(guān)于改造項目介紹，參見錢亮發(fā)表在《中國給水排水》的論文。

從三年多的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，一期出水總氮的濃度要顯著低于二期的出水總氮濃度。按平均值來看，平均的出水TN只有5mg/L。第四污水處理廠一期工程按照達到一級A的標準來改造，實際上出水TN能達到5mg/L，其他的指標也都達到Ⅳ類標準，需要認真研究這一特殊現(xiàn)象。

研究發(fā)現(xiàn)：第一，無論在厭氧填料區(qū)還是缺氧填料區(qū)，載體上污泥顏色都變紅了，而紅色是厭氧氨氧化的一個特征顏色；第二，在缺氧區(qū)氨氮濃度發(fā)生了顯著的變化，因為在厭氧和缺氧區(qū)，如果沒有氧的供應(yīng)氨氮不可能發(fā)生變化；第三，把缺氧區(qū)的填料取出來，采用厭氧氨氧化的活性實驗，測試厭氧氨氧化的活性是在52mg/(L·d)，這是非常高的活性數(shù)值。根據(jù)污泥顏色變化、沿程氨氮的監(jiān)測和厭氧氨氧化活性的測試，可以初步判定發(fā)生了厭氧氨氧化反應(yīng)。

為什么會發(fā)生這種反應(yīng)？要對改造過程中的一些問題進行探究。眾所周知，在填料改造過程中，如果不恰當?shù)卦O(shè)置攔網(wǎng)，填料會在攔網(wǎng)處堆積。而攔網(wǎng)設(shè)置的地點和設(shè)置方式非常有講究。好氧區(qū)的填料由于曝氣以后水的密度和填料的密度相接近，所以很容易形成流化。而缺氧區(qū)不采用曝氣，僅僅采用攪拌要實現(xiàn)充分流化，是存在一定難度的。西安第四污水廠的改造過程設(shè)立了吹掃系統(tǒng)，采用攪拌和曝氣雙重吹掃的機制。當然，吹掃設(shè)備一般是在填料攔網(wǎng)發(fā)生堵塞時才啟用。

實際工程運行時，為了運行方便，吹掃系統(tǒng)連續(xù)開啟，所以實際上進行了充氧曝氣，這是一個意外，正是這個意外導(dǎo)致了部分主流厭氧氨氧化的發(fā)生。對缺氧填料區(qū)進行了溶解氧測定，吹掃區(qū)的DO濃度是0.8mg/L，而在整個池子相當一部分DO分為三個區(qū)，分別是0.8、0.4和0.1mg/L，在缺氧區(qū)形成了微氧條件。因此，有理由推論，在微氧條件下氨氮轉(zhuǎn)變成了亞硝酸鹽，而與缺氧區(qū)填料上面的微環(huán)境中形成了有利于發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng)，這是對西安第四污水處理廠發(fā)生厭氧氨氧化的一個判斷。

對填料和懸浮污泥，厭氧區(qū)和缺氧區(qū)的微生物進行了高通量分析，在門水平，缺氧段生物膜中的豐度是非常高的，遠遠高于懸浮態(tài)和厭氧段。而屬的水平也進一步證實了這一點，可以看到K型厭氧氨氧化菌（Candidatus Kuenenia ）的豐度非常高，并且在缺氧區(qū)填料中的豐度是最高的。

2018年，采用同位素示蹤法進一步證實了在缺氧環(huán)境下厭氧氨氧化反應(yīng)，證實了在缺氧區(qū)厭氧氨氧化是一個非常重要的途徑，并且定量測定的結(jié)果厭氧氨氧化過程占脫氮的比例達到30%左右。

清華大學團隊于2015年、2016年、2017年和2018年對載體厭氧氨氧化菌的豐度分別進行了測定，2015年、2016年采用454測序方法，2017年采用lllumina方法，而2018年采用宏基因方法，由于三種方法的精度不同，相互之間的可比性不大。圖中缺氧區(qū)填料上厭氧氨氧化菌的豐度逐漸升高，在2017年已經(jīng)接近10%。進一步來看,在填料中有兩種厭氧氨氧化菌的豐度有很大差別，一種是新加坡樟宜污水廠發(fā)現(xiàn)的B型厭氧氨氧化菌（Ca. Brocadia sp 40），它遠遠低于西安第四污水處理廠發(fā)現(xiàn)的K型厭氧氨氧化細菌。分析主要是溫度所致，新加坡樟宜污水廠的水溫是30°C，而西安第四污水處理廠水溫為11~20°C。

從三年的運行數(shù)據(jù)來看，總的來說，西安第四污水處理廠一期工程COD、總氮和磷均達到準Ⅳ類水體標準，特別是一期的總氮的濃度顯著低于二期，也顯著低于10mg/L。將一期工程與第三污水廠、第五污水廠對比，可以看到在總的停留時間上，其他兩個廠最高是它的1.8倍，而在總的處理效果上四污一期是最好的。所以通過微生物三年連續(xù)的高通量測序、同位素示蹤和宏基因組測定，確定了厭氧氨氧化系的豐度，氮的去除比例和主要功能菌種。上述的研究應(yīng)該說填補了國際上在常溫生產(chǎn)性裝置研究的空白，有些現(xiàn)象還是首次報道。