扬州大学环境科学与工程学院 于连泽

一、研究背景及意义

近年来，氮素污染现象在水体中日益普遍。我国2002年颁发的《城镇污水处理厂污染物排放标准》正式为排水标准提出了新要求——一级A标准，即所有排污单位的出水总氮应小于15 mg/L等[1]。较高的排放标准对水处理新技术提出了挑战。而采用硝化-反硝化系统的废水处理厂中，大约一半的能量输入被消耗在曝气上。而随着近期“碳中和”概念的提出，迫切需要一种新的污水处理厂配置来实现节能脱氮从占主导地位的传统模式转向新一代污水处理厂，解决的众多方法中，短程硝化耦合厌氧氨氧化十分适合这样的需求，其通过氨氧化细菌(AOB)的硝化作用(将部分NH4+氧化为NO2-)和c的厌氧氨氧化作用(将部分NH4+和NO2-转化为氮气)之间的协同作用进行自养脱氮。能够节约60%的曝气，减少80%的剩余污泥量，更能降低100%的碳源投加量。

二、技术控制指标

PN-ANAMMOX一体法在节能除氮环节中，具有相当大的潜力，理论上不需碳源投加，不需建造大的反应池空间，在投资造价和节能减排方面有着得天独厚的优势。

（1）温度。AOB和NOB对环境的敏感性不同，郭宁等[2]采用平行试验研究了3种不同温度(15℃,25℃,35℃)对短程硝化的影响，结果发现35℃为AOB的最适温度，平均氨氧化率为50.9%。Balmelle等[3]认为在10——20℃下，NOB菌的生存条件比较理想，适合生长繁殖，在这个过程中，能吸收亚硝酸盐氮，而后转化释放硝酸盐氮；温度处于20——25℃时，AOB菌的生存条件较NOB更理想，当温度>30 ℃时，由于没有反硝化过程亚硝酸盐氮的产生大于消耗量而积累。宋成康等[4]在SBR反应器的单极自养脱氮实验温度为22——33℃下，达到稳定高效运行，当温度下降至10℃时，反应器失稳崩溃。PN-ANAMMOX一体式工艺的一般运行温度为在30到35度之间，既满足了AOB、ANAMMOX菌的良好生长环境，又同时满足了对NOB在最适温度上的限制，维持反应系统较好的脱氮效果。但已有实践证明PN-ANAMMOX反应在较低温度下也能达到效果，Lotti等人[5]在10——20℃下利用颗粒污泥研究PN-ANAMMOX反应时也发现了系统良好的脱氮效果，在0.4gN/(L·d)的总氮去除负荷(NRR)下，脱氮效率始终保持在75%以上。

（2）溶解氧。Laanbroekt[6]发现AOB相较 NOB具有更低的氧饱和常数，利用AOB对低氧条件具有更高的耐受力，控制溶解氧在有限水平，从而抑制NOB的活性来实现短程硝化。但是Liu等[7]研究发现反应器在低溶解氧条件下长期运行后，NOB对氧的亲和力逐渐增强，甚至在低溶解氧条件下表现出比AOB更高的亲氧性。AnAOB只能在氧饱和度低于5%的条件下生存，当氧饱和度超过18%的空气饱和度时，会对AnAOB造成不可逆的影响[8]。在实际工程应用中，厌氧氨氧化反应器内通常投加好氧菌，好氧菌利用反应器中的溶解氧从而使ANAMMOX不受到溶解氧的抑制，维持厌氧环境，保持稳定运行。张姚等[9]运行PN-ANAMMOX一体式反应器，探究不同DO浓度对反应器的脱氮效果的影响，结果表明在DO为0.46 mg/L条件下，该工艺的脱氮速率最高，达到50.88 mg/(L·h)，污泥脱氮负荷为0.45 kgN/(kg·d)。Lotti等[5]在DO浓度达到1 mg/L左右的条件下，利用颗粒污泥的优势，启动了PN-ANAMMOX一体式反应器并使其总氮去除负荷达到了0.4 gN/(L·d)，脱氮效率达到了75%——85%。总的来说，低氧有利于加快并维持PN-ANAMMOX一体式反应器的启动，以及后续的稳定运行，但目前不论是生物膜系统还是活性污泥系统均无直接采用控制溶解氧的方式来实现短程硝化的实例。

（3）游离氨(FA)和游离亚硝(FNA)。对AOB和NOB来说，FA对它们的生长繁殖都有抑制作用，但程度不同，AOB和NOB对FA不同浓度下的抑制作用，耐受范围差距不小[10]，AOB对其耐受度只有在超过150 mg/L时才会受到明显影响，相比之下NOB的耐受范围仅在1 mg/L以内[11]。FA更为敏感这一特征，可以通过控制反应器中FA浓度恰好介于AOB、ANAMMOX的忍受范围内，而不利于NOB细菌，从而抑制其生长造成的亚硝酸积累。然而这种控制方法仅在理论上可行，目前有研究表明FA对NOB的抑制是实际是有限的[12]，因此单靠控制FA实现短程硝化的稳定的现实性并不强。Yao等[13]研究FA对部分硝化反应器中AOB的影响时发现，游离氨的浓度刚刚达到40 mg/L时，部分硝化反应器中AOB的活性就下降了50%。Strous等[14]研究，提出了不同的观念，氨氮浓度即便高达一千毫克升，厌氧氨氧化也并不会抑制。而Waki等[15]认为厌氧氨氧化过程和进水氨氮之间的关联性不大，真正起作用的是FA，FA浓度只需达到13mg/L，厌氧氨氧化的效能就会被抑制。Fernández等[16]的研究持相同意见，在研究FA的长期和短期的影响时发现在短期运行时，FA浓度达到38 mg/L时，会使厌氧氨氧化比速率减少50%。在反应器长期运行下，FA 浓度超过20——25 mg/L时就会抑制厌氧氨氧化的活性。如果 FA浓度长期维持在35——40 mg/L时，脱氮系统就会运行不稳定，氮去除率下降为零。

FNA浓度为0.0015 mg/L会导致反应系统中氮去除率下降以及反应系统失稳，当FNA浓度下降到0.00005 mg/L以下，反应系统会恢复稳定运行[16]。Strous等[14]研究表明AnAOB对亚硝酸盐比较敏感，当亚硝酸盐浓度达到100 mg/L，AnAOB的活性会被完全抑制。Fux等[17]发现当ANAMMOX系统在亚硝酸盐浓度为40 mg/L条件下运行几天就会造成ANAMMOX菌的不可逆性失活。

（4）PH。适宜AOB和NOB生长的pH分别为7.0——8.5、6.5——7.5。作为Anammox过程的反应底物，pH影响着系统内FNA的变化。当pH较低时，部分亚硝酸盐会转换成FNA，高浓度亚硝酸盐的存在对于AOB、NOB以及AnAOB都具有抑制作用。当然，pH也会影响污水中FA浓度的变化，FA和pH浓度呈正相关，可以通过提高pH值影响FA浓度，从而来控制AOB和NOB的活性。由于氨和NO2-在水溶液中会发生离解，因此pH值对厌氧氨氧化过程有明显影响，其适应pH值范围为7.5——8.3，最适应pH值为8。

（5）污泥龄。较长的污泥龄无法淘汰NOB，而较短的污泥龄又会造成ANAMMOX菌的流失，合适的污泥停留时间能够为PN-ANAMMOX一体式工艺保驾护航，使其维持高效稳定运行。

三、总结

在高氨氮环境下，通过控制溶解氧、pH、游离氨、游离亚硝酸和污泥龄等措施均可抑制或淘汰NOB，从而达到PN-ANAMMOX一体式反应器的现实实现。然而，在中低浓度下，一段式短程硝化-厌氧氨氧化工艺的长期稳定性尚在研究中，因此要想实现短程硝化-厌氧氨氧化过程稳定运行，探究相关的运行参数和稳定性具有重要的意义，需将各个控制因素综合考虑才行。除了控制以上影响因素外，接种污泥的种类、反应器器型的选择也对实验有着至关重要的作用。此外，启动PN-ANAMMOX一体式反应器所参考和考虑的填料种类丰富，包括活性炭、火山岩、陶粒、石英砂、悬浮塑料填料、海绵填料等，这些填料的使用在一定程度上对AnAOB的富集起促进作用，但也容易堵塞，造成传质不均匀，影响反应器的脱氮效果。