城市生活污水处理厌氧氨氧化技术

　　近年来，传统的好氧硝化-缺氧反硝化脱氮工艺被广泛用于城市生活污水处理，然而，传统的城市污水处理脱氮技术的好氧阶段需要消耗大量能量用于曝气，而这也成为了污水处理厂最主要的能源消耗，增加了污水处理厂运行成本。自厌氧氨氧化(anaerobicammoniaoxidation，Anammox)于20世纪90年代在污水处理中首次被发现以来，厌氧氨氧化一直是近几十年来污水脱氮研究的热点。厌氧氨氧化工艺具有脱氮效率高、低能耗、经济、低污泥产量等特点，在高氨氮废水处理中得到了广泛关注。因此，城市生活污水厌氧氨氧化研究对于缓解污水处理厂运行成本及开拓厌氧氨氧化研究领域具有重大的现实意义

　　目前针对垃圾渗滤液、污泥消化液、工业废水等高氨氮污水的厌氧氨氧化脱氮研究被广泛开展。然而，针对低氨氮的生活污水，厌氧氨氧化的应用性研究还很缺乏。城市生活污水水质浮动较大、水量变化范围大、氨氮含量低、受温度影响大等特点限制了厌氧氨氧化在主流城市生活污水处理中的应用。

　　基于此，本文从厌氧氨氧化菌在城市污水处理厂中的分布及限制条件、颗粒污泥的影响因素、厌氧氨氧化在城市污水处理厂的应用、厌氧氨氧化组合工艺、厌氧氨氧化工程案例分析等角度出发，探讨厌氧氨氧化脱氮技术在城市生活污水处理方面的影响因素及适用性。

　　一、厌氧氨氧化菌在城市生活污水处理厂中的丰度及多样性

　　厌氧氨氧化菌是属于浮霉菌门类的自养厌氧菌，迄今已有6种具有厌氧氨氧化代谢活动的菌属被发现，如图1所示，厌氧氨氧化菌属属于化能自养微生物，通常是以亚硝酸根作为电子受体，氧化氨根离子为氮气。然而，在不同生态系统中存在的厌氧氨氧化菌属差异性很大，例如海水、淡水、不同来源的污泥、苦咸水及陆生生态系统中菌属差异性较大。与此同时，与厌氧氨氧化菌相关的菌种CandidatusBrocadiacaroliniensis和CandidatusBrocadiasinica已经在世界范围内的污水处理系统中被广泛发现，其中，Leal等已经成功在污水处理厂的剩余污泥中富集培养了厌氧氨氧化细菌，这也为厌氧氨氧化污水处理技术在生活污水处理厂的实际应用提供了可靠的理论支持。

　　1.1生物种群间的影响关系

　　生物种群的多样性是制约厌氧氨氧化技术可行性的关键性因素。在厌氧氨氧化污水处理技术应用过程中，厌氧氨氧化细菌(anaerobicammoniaoxidizingbacteria，AnAOB)与氨氧化细菌(ammoniaoxidizingbacteria，AOB)、亚硝酸盐氧化细菌(nitriteoxidizingbacteria，NOB)、反硝化细菌(denitrifyingbacteria，DNB)之间的协同与竞争关系是实现厌氧氨氧化工程应用的关键性因素。AOB作用主要发挥在厌氧氨氧化反应的准备阶段，通过控制曝气，AOB可以氧化50%的氨氮到亚硝阶段，为后续反应提供足够的电子受体。城市生活污水温度会受季节性波动影响，且在低氨氮负荷下，NOB生长速率会高于AOB，同时，游离氨(freeammonia，FA)和游离亚硝酸(freenitrousacid，FNA)的质量浓度会产生波动，从而对NOB的抑制作用产生极大影响，使得AnAOB失去足够的电子受体，最终会导致硝酸盐累积，进而使得脱氮效率下降。AnAOB生长速度相较于DNB要慢，而且细胞增殖产量也较低，同时，在厌氧条件下DNB主要是通过竞争电子受体(NO-2)而抑制AnAOB活性，但是有研究发现，为了有效地去除城市生活污水中的氨氮和有机物，AnAOB和DNB也可以实现共存。

　　1.2环境因素对生物多样性的影响

　　环境条件的变化(有机物、pH、温度、溶解氧)对厌氧氨氧化生物群落的影响制约着整个反应运行过程及处理效果。城市生活污水有机物化学需氧量(chemicaloxygendemand，COD)质量浓度为600~1400mg/L，有研究表明，当有机物COD的质量浓度超过300mg/L时，会对AnAOB产生明显的抑制作用[38]。Kartal等研究证明，城市生活污水中乙酸和丙酸存在条件下，AnAOB在与反硝化菌竞争过程中显示出明显优势，证实了在高COD存在的城市生活污水中AnAOB可以保持活性。在有机物存在条件下，厌氧氨氧化菌属发生明显转化(CandidatusBrocadiasinica寅CandidatusJetteniacaeni，CandidatusKueneniastuttgartiensis)，这与AnAOB的耐高有机物特性有关。城市生活污水中氨氮质量浓度较低，因此城市生活污水存在普遍的高碳氮比。然而，当碳氮比超过4时将可能影响厌氧氨氧化反应进程，且随着碳氮比增加，AnAOB活性减弱而DNB会更具有竞争性。文献表明，低温和高有机负荷条件下更有利于异养反硝化菌的增殖，从而使得AnAOB失去大量电子受体且造成大量硝酸盐累积，这也是制约Anammox工艺在主流城市生活污水处理厂应用的关键因素。然而，Nejidat等研究了城市污水处理厂(其碳氮比大于13)不同隔间内的厌氧氨氧化菌的丰度和多样性，结果表示，高碳氮比的主流城市污水处理厂中，AnAOB可以生长并具有活性，其中CandidatusBrocadiaflugida在污水处理厂中占主导地位，这也为厌氧氨氧化工艺在高碳氮比的城市生活污水处理厂中的应用提供了参考依据及调控手段。

　　厌氧氨氧化过程的实现需要依靠pH来调节稳定，Anammox对pH变化比较敏感，在厌氧氨氧化工艺运行各个阶段对pH的控制尤为重要。文献指出，pH在6.7~8.3内变化时更适宜AnAOB生长，且在pH=8.0时AnAOB反应速率达到峰值，然而Egli等在旋转生物接触器处理富含高氨氮渗滤液的研究中提出更广的适宜范围(6.5~9.3)。Zhu等指出厌氧氨氧化细菌膜的低渗透性和有限的质子扩散保护细菌不受酸性或碱性条件的影响。厌氧氨氧化工艺运行过程中会消耗一定量的H+，所以随着反应的进行往往伴随着溶液pH的增加，而且强碱强酸条件下可能会对AnAOB有抑制作用，所以在实际工程应用过程中有效的控制pH的变化对于维持厌氧氨氧化工艺的稳定运行至关重要。城市生活污水受季节性影响较大，尤其在低温情况下，适当提高pH有利于维持CandidatusKueneniastuttgartiensis细胞内pH梯度稳定，对于保持处理系统稳定性和良好的处理效果具有重要意义。

　　温度是影响微生物生长的关键因素，也直接影响厌氧氨氧化微生物群落相对丰度。季节性温度变化是制约厌氧氨氧化工艺在实际生活污水处理中应用的主要因素之一。文献表明，温度对AnAOB的影响高于pH。略高温(35~40℃)有利于厌氧氨氧化生物种群的生长并可以缩短倍增时间，但是高温(>45℃)会不可逆地造成细胞裂解，严重影响处理效果。同时，温度的降低也会影响AnAOB的活性，而且低温更有利于异养反硝化菌的繁殖，从而制约厌氧氨氧化工艺在实际城市生活污水处理厂中的运行。然而，Hu等采用配水，研究低温(12℃)下，AOB与AnAOB组合脱氮效能，结果显示AOB和AnAOB都具有较高的活性，厌氧氨氧化反应器中的优势菌CandidatusBrocadiafulgida的相对丰度在温度变化情况下变化不大，由此实现了高氨氮去除率(90%)。虽然低温条件对于AnAOB的生长有很大影响，但是AnAOB可以适应低温环境并保证反应的顺利进行。因此，温度对于厌氧氨氧化虽然存在一定的影响，但通过培养和驯化，AnAOB可以适应一定的低温环境。所以，如何有效地控制温度变化和驯化AnAOB的低温适应性，是发挥AnAOB功能性作用及抑制异养反硝化菌活性的关键性步骤。

　　AnAOB属于厌氧细菌，反应条件中溶解氧(dissdvedoxygen，DO)的控制对于AnAOB活性具有至关重要的作用。DO对于厌氧氨氧化整个生物群落具有一定的影响，其中在有氧限制条件下，AOB和NOB对氧的竞争是实现对NOB有效控制的方法之一。Dytczak等研究发现，当DO的质量浓度大于1.5mg/L时AOB相较于NOB表现出更高的活性，从而对于NOB抑制作用效果俱佳。然而，当操作溶解氧设定点的AOB和NOB的比增长率接近时，如果工艺仅限于氧气限制，则无论液相溶解氧的控制水平如何，都很难抑制NOB。因此，厌氧氨氧化工艺在实际运行过程中，限制氧供量，可以有效地抑制NOB的活性，提高AOB和AnAOB的转化效率。王俊安等在城市生活污水亚硝化反应器的启动与运行研究中，确定的DO控制范围为0.3~0.5mg/L。因此，由于城市生活污水受季节性变化影响较大，可以将AnAOB接种到亚硝化活性污泥反应器中，同时控制DO质量浓度0.5mg/L左右，可以有效地通过短程硝化-厌氧氨氧化实现城市生活污水深度脱氮

　　二、厌氧氨氧化工艺在城市生活污水处理中的应用

　　厌氧氨氧化工艺由于AnAOB倍增时间比较缓慢、微生物群落间的复杂关系、季节性温度变化、生活污水碳氮比变化较大等因素制约着其在主流城市生活污水中的应用与发展。在世界范围内，已有110多座厌氧氨氧化工程在运行，而其中75%的主要应用于城市生活污水的侧流处理。现阶段中国针对厌氧氨氧化在城市生活污水处理的研究还大多停留在实验室水平的人工配水上，然而，人工配水相比于实际城市生活污水污染物而言，其种类单一，水质变化较小，因此，目前对于实际工程应用尚缺少一定的理论依据。张树德等采用城市生活污水处理厂的二级出水来培养AnAOB的研究实验中，采用向下流式生物滤池作为主要的反应容器，论证了Anammox工艺在高氨氮废水的处理中可以起到良好的处理效果，同时也可用于城市污水深度处理中，而这对于城市生活污水的深度脱氮具有深远的现实意义。DeAlmeida等在探讨温度对于处理城市污水的厌氧氨氧化反应器里微生物多样性及脱氮性能影响中指出，在典型的热带温度下，将厌氧氨氧化工艺应用于主流城市污水处理是可行的。

　　污泥消化液的厌氧氨氧化处理属于城市生活污水的侧流应用的一种，可以去除进水总氮负荷的25%，目前已经被广泛研究并已在国外展开了相关应用。Leal等向富含AnAOB菌的序批式反应器(sequencingbatchreactor，SBR)中接种预处理过的城市生活污水，可获得较高的COD、亚硝酸盐和氨氮去除率(分别为80%、90%和95%)，从而论证了厌氧氨氧化工艺实现城市生活污水深度脱氮的可能性。厌氧氨氧化工艺的侧流应用能力有限，厌氧氨氧化在主流城市生活污水中的应用可以很大程度上实现污水处理厂的能源自给自足。

　　三、厌氧氨氧化过程中颗粒污泥的应用

　　在传统的污水生物处理中，通常通过硝化过程将氨氮氧化成硝态氮，而这个过程需要消耗大量的氧气。之后，硝态氮通过反硝化作用转化为氮气，但这一过程还需有机物作为碳源，而通常对于碳氮比较低的污水还需额外添加碳源如甲醇等。在传统的污水生物处理中，通常还会差生大量的剩余污泥，因此还需对剩余污泥进行进一步处理，进一步增大了污水的处理成本。

　　然而，AnAOB生长缓慢，倍增时间为7~12d，因此Anammox工艺剩余污泥量产生少，省去了剩余污泥的处理系统，节约了处理成本。目前Anammox工艺更多的是用于处理含氨氮含量高的污水。但是如果使用快速沉降的硝化细菌和厌氧氨氧化细菌(一种“颗粒污泥冶)共培养的紧密颗粒，可以保留更多的生物量，提高处理效果。颗粒污泥反应器现在已被开发用于在厌氧和好氧条件下去除有机物和营养物。由于颗粒污泥系统具有较高的体积转化率，因此也可在城市污水低温和低氨氮条件下应用富含厌氧氨氧化菌的颗粒污泥处理污水。高梦佳等采用人工配水培养了厌氧氨氧化颗粒污泥，探究了厌氧氨氧化颗粒污泥对于城市生活污水的处理效果，研究表明，AnAOB所占比例下降，AOB和NOB比例增加，有效地控制溶解氧后，会减少出水硝态氮质量浓度，提高总氮去除率。有研究指出，厌氧氨氧化颗粒污泥在耐外部环境波动性方面明显优于絮状污泥，而且AnAOB的活性会随着颗粒污泥粒径的减少而减弱，因此，对于高负荷的城市生活污水来说，Miao等研究发现，COD对胞外聚合物(extracellularpolymericsubstance，EPS)有影响，而EPS通过促进细胞和污泥颗粒的聚集而促进颗粒污泥的形成。由此可知，合理地控制城市污水中有机物的影响进而可通过颗粒污泥实现厌氧氨氧化细菌培养周期的缩短，对于提高实际工程应用也具有一定的现实意义。

　　四、厌氧氨氧化组合工艺在城市生活污水中的应用

　　4.1部分短程硝化-厌氧氨氧化(partialnitrificationanammox，PNA)

　　PNA技术在处理高氨氮废水方面已经取得了长足的发展，但该技术针对城市生活污水处理方面还缺乏有力的理论依据及实际资料的考证。研究表明，超过50%的PNA装置是序批式反应器，88%的装置作为单级系统运行。PNA作为一种高效的生物氮技术，被认为是传统生物脱氮的一种节省成本的替代方法。PNA工艺相较于传统的硝化/反硝化过程，可以实现耗氧量减少60%，有机碳源减少100%，污泥产生量减少90%

　　迄今PNA工艺对于处理城市生活污水的研究已经在实验室小试和中试上取得了很大的进展。Yang等采用生物除磷-部分硝化-厌氧氨氧(EBPR-PNA)化组合工艺，实现了城市污水中有机碳、磷、氮的同步去除。Cao等探讨了PNA处理城市污水的现状、瓶颈，并指出PNA技术广泛应用的瓶颈主要是:1)预处理中碳源的不稳定性;2)在低温下如何实现对NOB的抑制;3)低温条件下AnAOB活性。Ma等采用间歇曝气PNA技术，探讨了进水碳氮比对PNA工艺脱氮的影响，研究发现，当碳氮比从1.1升至2.5时，PNA对生活污水中的总氮(totalnitrogen，TN)的去除率由30.8%升至70.3%，这也为PNA工艺在从城市生活污水中的应用提供了良好的理论研究基础。杨庆等控制持低碳氮比，采用生物滤池为反应装置研究分析了PNA工艺对于生活污水脱氮效率，经过173d的培养试验，PNA工艺在生物滤池实现了快速启动，脱氮效率较高，该系统出水TN平均质量浓度为8mg/L，实现了PNA工艺稳定高效地处理生活污水。

　　4.2同时部分硝化-厌氧氨氧化-反硝化(SNAD)

　　Ma等研究指出，PNA工艺在处理低氨氮污水过程中会出现NO-3-N累积，影响出水TN质量浓度。因此，一种新型的可继续通过反硝化将NO-3-N去除的处理工艺(simulataneouspovrtialnitrification，Ananmoxanddenitrification，SNAD)应运而生。在SNAD中，氨氮在低氧质量浓度下通过AOB部分转化为亚硝酸盐，然后AnAOB菌再利用剩余的氨氮和转化的亚硝酸盐通过厌氧氨氧化反应生成氮气和硝酸盐，最后DNB利用碳源通过反硝化反应将硝酸盐转化为氮气

　　Ding等通过SNAD技术利用悬浮活性污泥处理生活污水，建立了以悬浮活性污泥代替生物膜或培养颗粒污泥的SNAD工艺，在不预处理COD的情况下，碳氮比为3.0~3.5，处理实际生活污水，其研究为实际应用提供了参考。Wang等通过SNAD利用非织造旋转生物反应器处理低碳氮比的城市污水中，实现了好氧外层AOB占微生物菌落的65.13%，厌氧内层以AnAOB(47.17%)和DNB(38.91%)为主，也为SNAD在城市生活污水中的应用提供了技术支持。SNAD生物膜具有良好的厌氧氨氧化和反硝化特性，郑照明等依托生物膜载体通过分批试实验研究了同步亚硝化、厌氧氨氧化耦合反硝化，在处理城市生活污水的脱氮性能，结果表明，SNAD生物膜可减轻pH对厌氧氨氧化菌的抑制，同时该工艺也获得了较好的脱氮效果(NH+4-N、NO-2-N和TIN去除速率分别为0.121、0.180和0.267kg/d。

　　4.3短程反硝化-厌氧氨氧化(partialdenitrificationanammox，PDA)

　　短程反硝化，是指将硝酸盐还原为亚硝酸盐，从而为厌氧氨氧化提供基质。Du等通过2组序批式反应器成功提出了一种创新组合工艺(短程反硝化厌氧氨氧化)，该组合工艺实现了平均出水氮去除率为94.06%，出水总氮平均为10.98mg/L。在低温条件下，短程反硝化-厌氧氨氧化同时处理硝酸盐和生活污水效果明显(NO-3-N、NH+4-N和COD的平均去除率分别为89.5%、97.6%和78.7%)。这也为厌氧氨氧化工艺在低温条件下处理城市生活污水中的应用提供了新方向。污水处理厂出水硝态氮含量高，往往无法满足排放要求，因此对于污水处理厂二级出水可以采用短程反硝化-厌氧氨氧化工艺进行深度处理。Cao等将污水处理厂二级出水(硝酸盐废水)与低碳氮比的城市生活污水相结合产生亚硝酸盐，然后在厌氧氨氧化作用下实现深层次脱氮，在该过程中有少量的N2O产生，论证了短程反硝化-厌氧氨氧化在经济和环境上可行性。短程反硝化-厌氧氨氧化工艺的发展为高质量浓度硝酸盐废水处理、高氨氮废水厌氧氨氧化出水和城市污水深度脱氮的问题提供了新的处理思路。

　　4.4新型组合工艺

　　随着对厌氧氨氧化工艺在实际城市生活污水处理中研究的深入，一些新型组合工艺的提出为厌氧氨氧化技术在实际工程的应用提供了技术支持。为了克服传统城市生活污水处理的高能耗和高污泥产量问题，Gu等将Anammox整合到厌氧固定床反应器(去除COD)-序批式反应器(B1)-厌氧氨氧化移动床生物膜反应器(去除B1出水的NO-3-N)工艺中，从而实现节能运行和减少污泥产量。目前，如何有效地对NOB进行抑制及如何降低出水NO-3-N的质量浓度是厌氧氨氧化研究中比较关注的2个问题。Wang等设计了一种同时去除烟气中氮氧化物和氨水中氮氧化物的新型厌氧氨氧化法，探讨了一氧化氮(NO)作为厌氧氨氧化菌长期稳定的电子受体的可能性，研究表明，对于城市污水，去除氮氧化物的效率为70%~90%，总氮为40%~70%，COD为80%~90%，从而实现了具有潜力的应用技术。

　　五、展望

　　厌氧氨氧化作为一种目前最节能的脱氮工艺，得到了越来越多的专家和学者的关注。虽然厌氧氨氧化技术在实际城市生活污水中的应用性研究已经取得了一定的进步，但是在季节性变化很大的环境条件下，如何在低温低氨氮下高效缩短厌氧氨氧化生物群落的培养周期，如何有效地抑制NOB活性，研究开发高效生物载体，创新适合中国城市污水水质特点的厌氧氨氧化处理工艺是目前尚待解决的问题。（来源：北京建筑大学城市雨水与水环境教育部重点实验室）