彭永臻課題組 |主流城市污水部分厭氧氨氧化技術(shù)的研究與工程化應(yīng)用
厭氧氨氧化（Anammox）技術(shù)在低氨氮濃度城市污水處理中的應(yīng)用是現(xiàn)今污水生物處理領(lǐng)域研究和工程前沿。城市污水短程硝化/厭氧氨氧化（Partial Nitrification/Anammox, PN/A）工藝的可行性在實驗室得以驗證，但長期穩(wěn)定維持仍然缺乏有效策略，實現(xiàn)較為理想的主流厭氧氨氧化（Mainstream Anammox）面臨諸多挑戰(zhàn)。近年，短程反硝化耦合厭氧氨氧化（Partial Denitrification/Anammox, PD/A）作為新型污水處理技術(shù)逐漸受到關(guān)注。短程反硝化驅(qū)動的部分厭氧氨氧化機理在中國西北某城市污水處理廠主流區(qū)得以證明。強化城市污水處理廠厭氧氨氧化菌原位富集，可有效提高脫氮效果并降低處理成本�；谥髁鞒鞘形鬯糠謪捬醢毖趸≒artial Anammox）的思路，為污水提質(zhì)增效提供了新的技術(shù)路線，具有重要研究價值與工程應(yīng)用意義。
0 引言
傳統(tǒng)的污水生物處理工藝的改良或升級技術(shù)中，厭氧氨氧化（Anammox）脫氮技術(shù)是最具前景的發(fā)展方向之一。厭氧氨氧化的發(fā)現(xiàn)打破了傳統(tǒng)異養(yǎng)反硝化脫氮的認知，該技術(shù)在城市污水處理中的應(yīng)用入選2019年《研究前沿》與《全球工程前沿》。當前，厭氧氨氧化脫氮技術(shù)在高氨氮廢水處理領(lǐng)域已成功實現(xiàn)一定程度產(chǎn)業(yè)化，若將其推廣應(yīng)用至氮污染排放體量更大的城市污水，對于水處理行業(yè)整體節(jié)能降耗和城市水環(huán)境的改善均具有重要意義。
主流厭氧氨氧化主導的城市污水脫氮工藝一般需要碳氮分離處理。城市污水首先進入預(yù)處理工藝去除有機物，經(jīng)除碳、除磷后的污水全部進入脫氮工藝。脫氮工藝以短程硝化-厭氧氨氧化為主要形式，無需有機物參與即可實現(xiàn)高效脫氮（見圖1）。
圖1 基于碳氮分離的城市污水主流厭氧氨氧化工藝
01城市污水短程硝化/厭氧氨氧化技術(shù)的
發(fā)展及應(yīng)用瓶頸
短程硝化/厭氧氨氧化（PN/A）脫氮工藝較之傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝具有節(jié)省曝氣能耗、不依賴有機碳源、溫室氣體產(chǎn)量少等優(yōu)點。目前兩段式與一體化城市污水短程硝化/厭氧氨氧化自養(yǎng)脫氮工藝的可行性在不同實驗室得以證明，國際一些知名水務(wù)集團相繼建立了中試基地進行技術(shù)驗證探索。我國也較早地構(gòu)建了一體化和兩段式城市污水厭氧氨氧化中試，無論是序批式還是推流式工藝的初期脫氮效果均表現(xiàn)良好，但長期運行過程中時常出現(xiàn)原因不明的脫氮效果惡化甚至完全崩潰的現(xiàn)象，尤其凸顯于推流式活性污泥法工藝過程，其穩(wěn)定性尚需進一步確認。
總體來講，城市污水短程硝化/厭氧氨氧化技術(shù)應(yīng)用存在的瓶頸問題有待突破。
（1）瓶頸1，競爭性微生物定向控制。以短程硝化為基礎(chǔ)的主流厭氧氨氧化技術(shù)的關(guān)鍵之一在于控制競爭性微生物亞硝酸鹽氧化菌NOB的生長和活性。當亞硝酸鹽氧化菌與厭氧氨氧化菌競爭，厭氧氨氧化菌難以得到基質(zhì)而逐漸衰減，短期可引發(fā)系統(tǒng)出水總氮持續(xù)增高，長期可致使系統(tǒng)脫氮性能下降甚至崩潰。
（2）瓶頸2，厭氧氨氧化菌大規(guī)模持留或富集。厭氧氨氧化的污泥停留時間約為2周平均高于傳統(tǒng)活性污泥法的污泥齡8~14 d，并且城市污水處理廠多采用推流式連續(xù)流工藝，絮體污泥會隨剩余排泥及大量出水持續(xù)流失。城市污水氨氮濃度低、水量大、水質(zhì)波動強等特點使得厭氧氨氧化工藝在處理城市污水的控制條件及運行方式比處理高氨氮廢水(游離氨、高溫、水質(zhì)穩(wěn)定)難度陡增。
（3）瓶頸3，出水水質(zhì)一步穩(wěn)定達標。厭氧氨氧化脫氮工藝理論總氮去除率偏低（出水硝酸鹽氮約占總氮損失的11%），且需要嚴格控制進水水質(zhì)條件并實施復(fù)雜的實時控制策略，出水穩(wěn)定達到排放標準較為困難，與傳統(tǒng)活性污泥法的穩(wěn)定脫氮負荷難以形成顯著的競爭優(yōu)勢。
目前城市污水除碳-PN/A技術(shù)路線在世界范圍內(nèi)尚未有可靠的工程運行案例。已報道的城市污水厭氧氨氧化處理系統(tǒng)的出水水質(zhì)和去除負荷與傳統(tǒng)活性污泥法工藝尚不具備顯著的競爭力，而且復(fù)雜的工藝流程和運行控制策略提高了該技術(shù)的應(yīng)用門檻。但是基于短程硝化/厭氧氨氧化技術(shù)強化城市污水脫氮的理論應(yīng)用價值明顯，未來值得關(guān)注和推進。針對城市污水厭氧氨氧化的技術(shù)瓶頸問題，宜進一步開發(fā)不同工藝及過程控制策略以強化系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。
02
城市污水厭氧氨氧化應(yīng)用的新途徑——
短程反硝化耦合厭氧氨氧化
短程反硝化（Partial Denitrification）是指將NO-3-N還原為NO-2-N而不是直接還原為N2的過程（見圖2），是一種產(chǎn)生NO-2-N供給厭氧氨氧化反應(yīng)的新工藝途徑。
圖2 厭氧氨氧化工藝相關(guān)的氮素轉(zhuǎn)化途徑
短程反硝化/厭氧氨氧化（PD/A）技術(shù)的研究近年來不斷取得新的重要進展。研究表明在有機碳源存在的反硝化過程中，硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽的積累效率可以達70%以上，并且亞硝酸鹽積累的特性在反應(yīng)器中能夠長期穩(wěn)定維持。在此基礎(chǔ)上，短程反硝化與厭氧氨氧化耦合脫氮可在同一系統(tǒng)中實現(xiàn)，同步高效去除污水中的氨氮與硝酸鹽氮，工藝取得穩(wěn)定的脫氮效果。針對短程反硝化特性的功能菌群和代謝特性分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢菌屬Thauera可能對高亞硝積累特性的穩(wěn)定維持具有關(guān)鍵作用。試驗證明無論短程反硝化/厭氧氨氧化一體化工藝還是兩段式工藝均可實現(xiàn)穩(wěn)定脫氮。從高氨氮廢水、含硝酸鹽廢水到市政污水及二級出水，短程反硝化耦合厭氧氨氧化強化脫氮的技術(shù)可行性在實驗室不斷得以證明。綜上，短程反硝化耦合厭氧氨氧化是一項具有較強可行性的新型污水處理工藝技術(shù)，有必要推進強化主流城市污水自養(yǎng)脫氮的中試驗證，為未來城市污水處理廠提質(zhì)增效切實提供支撐。03
城市污水厭氧氨氧化應(yīng)用的新思路——
主流部分厭氧氨氧化
就目前的技術(shù)發(fā)展來看，主流厭氧氨氧化仍存在競爭性微生物定向控制難、厭氧氨氧化菌大規(guī)模持留富集難、出水水質(zhì)一步穩(wěn)定達標難等挑戰(zhàn)，在實際工程中應(yīng)用的時機尚不成熟。但是通過強化城市污水處理廠厭氧氨氧化菌的富集，提高系統(tǒng)自養(yǎng)脫氮途徑在氮去除途徑中的比重，仍然可以有效降低脫氮過程對進水碳氮比的依賴程度，從而實現(xiàn)低碳氮比城市污水經(jīng)濟高效的脫氮。這種通過強化現(xiàn)有城市污水處理系統(tǒng)中厭氧氨氧化菌比例，使其對系統(tǒng)總氮去除產(chǎn)生顯著效應(yīng)的技術(shù)路線，為主流部分厭氧氨氧化（Partial Anammox）的核心目標。相對主流厭氧氨氧化技術(shù)實現(xiàn)城市污水完全的自養(yǎng)脫氮，主流部分厭氧氨氧化去除總氮的比例相對較低，但是更具工程應(yīng)用的可行性。耦合異養(yǎng)與自養(yǎng)脫氮過程，不僅有可能實現(xiàn)污水生物脫氮系統(tǒng)的高效處理和出水達標，同時還可能顯著降低工程建設(shè)的造價、處理能耗和運行維護費用等。因此，主流城市污水部分厭氧氨氧化具有重大的研究價值與工程意義。
針對城市污水研發(fā)主流部分厭氧氨氧化高效低耗的生物脫氮新工藝及過程控制，可通過技術(shù)手段優(yōu)化關(guān)鍵功能微生物的系統(tǒng)穩(wěn)定性，強化厭氧氨氧化菌在主流城市污水系統(tǒng)中的豐度和脫氮貢獻。主流污水中短程反硝化推進的部分厭氧氨氧化機理在中國西北某城市污水處理廠厭/缺氧區(qū)得以證明。通過15N穩(wěn)定性同位素示蹤測試與異位活性檢測結(jié)果表明基于缺氧生物膜的短程反硝化耦合部分厭氧氨氧化是該污水處理廠自養(yǎng)脫氮的主要貢獻途徑。物料守恒計算表明，厭氧氨氧化過程對總氮去除的貢獻約占15.9%左右。宏基因組測序和qPCR檢測均證明厭氧氨氧化菌在缺氧生物膜中的富集，在種水平共有7種厭氧氨氧化菌，其豐度約占全菌的0.11%（見圖3）。伴隨該廠進水水質(zhì)、季節(jié)性溫度變化、運行時間的增加等，厭氧氨氧化菌在生物膜和絮體污泥中的豐度出現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢。除了具備厭氧氨氧化菌富集的必要底物條件外，厭/缺氧生物膜自身的重要作用不容忽視，其作為重要的載體能夠有效地持留厭氧氨氧化菌。因此，缺氧區(qū)的微觀環(huán)境和生物膜作用值得進一步持續(xù)深入研究。
圖3 中國西北某城市污水處理廠主流污水短程反硝化耦合部分厭氧氨氧化脫氮
新近研究表明人工環(huán)境中營造條件強化厭氧氨氧化規(guī)�；l(fā)生兼具研究科學性和工程應(yīng)用性。城市污水處理廠的厭/缺氧區(qū)存在短程反硝化與厭氧氨氧化耦合發(fā)生的空間條件，包括低溶解氧、低有機物濃度、適宜的氨氮濃度以及穩(wěn)定的亞硝態(tài)氮產(chǎn)生機制。處理城市污水的推流式連續(xù)流工藝在溫度25 ℃時曾發(fā)現(xiàn)缺氧區(qū)反硝化亞硝積累的現(xiàn)象，如果定向調(diào)控部分NO-2-N經(jīng)厭氧氨氧化途徑轉(zhuǎn)化為氮氣（見圖4），可降低反硝化過程對有機物的依賴并同時氧化氨氮，實現(xiàn)非碳氮分離條件下城市污水部分厭氧氨氧化深度脫氮。
圖4 短程反硝化+部分厭氧氨氧化強化連續(xù)流反應(yīng)器脫氮原理
04主流城市污水部分厭氧氨氧化
是當今研發(fā)與實踐的前沿方向
我國現(xiàn)有城市污水處理廠的脫氮效率較多受限于進水碳源不足，在異養(yǎng)反硝化脫氮途徑的基礎(chǔ)上輔以自養(yǎng)厭氧氨氧化反應(yīng)有利于提高低碳氮比城市污水處理系統(tǒng)的總氮去除率和去除負荷，實現(xiàn)節(jié)能降耗。
如何強化“部分厭氧氨氧化”過程是今后重點關(guān)切的研究方向。
①從碳、氮循環(huán)的角度，不可忽視了微生物本身代謝的基本規(guī)律。城市污水處理廠存在復(fù)雜的微生物群落結(jié)構(gòu)和氮素轉(zhuǎn)化途徑，厭氧氨氧化菌雖普遍存在于城市污水處理廠的各個單元，但厭氧氨氧化菌豐度均較低，其穩(wěn)定富集可能僅在特定的時空和環(huán)境條件下才顯著發(fā)生。
②目前驅(qū)動厭氧氨氧化規(guī)模化效應(yīng)的發(fā)生機制尚不完善，仍需深入探究以為厭氧氨氧化菌的原位富集提供理論和技術(shù)支撐。同時，微生物驅(qū)動的生物反應(yīng)系統(tǒng)處于動態(tài)變化并存在大量冗余功能的體系，厭氧氨氧化菌代謝活性不僅受其他功能微生物代謝的直接影響也受微觀環(huán)境條件的間接影響。
③工藝運行優(yōu)化及適應(yīng)性考察。如研究表明30~40 ℃是厭氧氨氧化比較適宜的生長溫度范圍，但是我國傳統(tǒng)城市污水處理廠的水溫不能穩(wěn)定達到該水平，某些地域多個月份低于15 ℃，探究溫度與微生物代謝的響應(yīng)關(guān)系可為部分厭氧氨氧化工藝的應(yīng)用提供依據(jù)。
5 結(jié)論
（1）污水短程硝化/厭氧氨氧化自養(yǎng)脫氮工藝的可行性在實驗室得以驗證，現(xiàn)階段國內(nèi)外已推進中試技術(shù)驗證，強化城市污水自養(yǎng)脫氮值得關(guān)注。
（2）短程反硝化耦合厭氧氨氧化一體化工藝、兩段式工藝均可實現(xiàn)穩(wěn)定脫氮，是一項具有較強可行性的新型污水處理工藝技術(shù)，有望為未來城市污水處理廠提質(zhì)增效切實提供支撐。
（3）主流污水中短程反硝化驅(qū)動的部分厭氧氨氧化在中國西北某污水處理廠得以證明，為未來城市污水處理提質(zhì)增效開辟了全新的思路。在城市污水處理廠厭/缺氧區(qū)穩(wěn)定實現(xiàn)短程反硝化與厭氧氨氧化的耦合具有工程技術(shù)產(chǎn)業(yè)化潛勢。
（4）主流城市污水部分厭氧氨氧化是當今研究和實踐的前沿方向。不論短程硝化還是短程反硝化耦合厭氧氨氧化途徑，強化低碳氮比主流城市污水自養(yǎng)脫氮凸顯重大的研究價值與工程應(yīng)用意義。
來源：給水排水 李健偉、彭永臻等
