运红颖， 汪涛， 王贤， 邢芳华

（河北工业大学 能源与环境工程学院 天津市清洁能源利用与污染物控制重点实验室， 天津 300401）

厌氧氨氧化（Anammox）工艺作为一种新型的可持续的污水生物脱氮工艺， 因其绿色高效的特点备受研究人员的青睐。 Anammox 工艺指厌氧氨氧化菌（AnAOB）以作为电子供体以及作为电子受体， 将污水中的氨氮和亚硝酸氮转化为氮气排出水体。 相较于基于硝化反硝化原理的传统污水生物脱氮工艺， Anammox 工艺表现出脱氮速率高、 无需外加有机碳源、 无需额外曝气、 酸碱调节剂投加量少、 污泥产量少以及不产生二次污染等优点［1］。

侧流污水最初指活性污泥法中的污泥消化液，现在泛指温度较高（30 ～37 ℃）同时氮素质量浓度达到每升几百甚至几千毫克的污水， 通常采用膜生物反应器（MBR）以及序批式反应器（SBR）等运行硝化反硝化或Anammox 等工艺进行处理， 世界上已有采用侧流Anammox 工艺的150 余座规模化污水处理厂投入运行［2-3］。 主流污水作为市政污水处理厂主要处理对象， 有着水温波动大以及基质浓度低等特点，导致主流Anammox 工艺存在AnAOB 富集困难、 工艺启动慢及运行稳定性差等问题［4］。 本文对如何提高Anammox 及其组合工艺对主流污水低温、 低基质的适应性进行总结与分析， 以期为主流Anammox 及其组合工艺的工程应用提供理论基础。

1 主流Anammox 工艺研究

1.1 低基质Anammox 工艺

低基质作为主流污水区别于侧流污水的一大特征， 对Anammox 工艺有重要影响。 主流污水总氮质量浓度一般为20 ～75 mg／L， 低基质浓度导致AnAOB 活性减弱， 原倍增时间（10 d 左右）延长，增 加 了Anammox 工 艺 启 动 难 度［5］。 经 试 验 证 实，通过缩短HRT， 提高TN 容积去除负荷， 可以在一定程度上提高AnAOB 活性， 有助于筛选富集AnAOB， 从而可以实现低基质Anammox 工艺的快速启动和稳定运行［6-8］。

黄巍等［9］在厌氧SBR 中成功启动低基质Anammox 工艺， 反应器在（30±1）℃运行， 采用序批式进水， 其初始氮负荷为0.025 kg［N］／（m3·d），运行51 d 后， TN 去除率达到84.2%， Anammox 工艺成功启动， 此后， 再通过逐步缩短HRT 的方式（反应周期分别为24、 12、 8 h）提高氮负荷， 当TN负荷达到0.075 kg［N］／（m3·d）时， TN 去除效果虽略有下降但去除率仍维持在82% 以上， 表明通过缩短HRT 可以实现低基质Anammox 工艺的快速启动和稳定运行。

Lu 等［10］也通过缩短HRT 的方法利用快速生物滤池在（30±2）℃环境中启动运行低基质Anammox工艺， 进水和的质量浓度分别控制在（50±3）mg／L 和（53±3）mg／L， 初始HRT 为8 h， 反应器运行16 d 后，和去除率皆达到93% 以上， 表明Anammox 工艺已成功启动， 反应器运行至第53 天时逐步缩短HRT， 当HRT 缩短至0.53 h 时， 其TN 去除率达到86.2% 以上， 进一步佐证了上述观点。

以上研究表明， 通过调控HRT 实现低基质高负荷的运行策略， 能够实现长期稳定运行Anammox 工艺， 达到较为理想的脱氮效果。

1.2 低温Anammox 工艺

低温是主流污水区别于侧流污水的另一大特征， 也是影响主流Anammox 工艺的主要因素之一。主流污水温度较低且随季节变化， 一般处于10 ～25 ℃的范围［11］。 低温会显著降低AnAOB 活性和菌群竞争优势， 影响Anammox 工艺启动效能和脱氮性能［12］。 AnAOB 属于广温微生物， 能够适应各种生存温度条件， 低温条件下也可以存活， 可以通过低温驯化和逐步降温驯化实现低温Anammox 工艺的稳定运行。

通过优化反应器和优选接种污泥可以缩短直接低温驯化时菌种富集时间。 Wu 等［13］在自主研发的新型复合反应器CAMBR（ABR 与MBR 耦合形成的反应器） 中启动运行低温Anammox 工艺， 分别接种絮状硝化污泥、 厌氧颗粒污泥以及絮状反硝化污泥， 在温度为（13±2）℃， 初始和的质量浓度均为50 mg／L， HRT 为24 h 的条件下，分别在75、 45 和90 d 成功启动Anammox 工艺，表明低温条件下可以直接驯化AnAOB， 且接种厌氧颗粒污泥的反应器启动速度最快。

Fernandes 等［14］研究了逐步降温对Anammox 工艺脱氮性能和微生物多样性的影响， 试验结果表明， 温度由35 ℃降到20 ℃时（先降至25 ℃， 运行63 d 后降温至20 ℃），去除率从96.5%略微增加到98.5%， 而去除率从98.2% 降低到89.3%， 此时AnAOB 优势菌种为Ca.Brocadia和Ca. Anammoximicrobium， 研究发现通过逐步降温改变了微生物的群落结构和多样性， 从而提高了AnAOB 对低温的适应性， 为逐步降温驯化AnAOB提供了理论依据。

Cheng 等［15］在 升 流 式 厌 氧 污 泥 床 反 应 器（UASB）中接种Anammox 颗粒污泥启动运行主流Anammox 工艺， 对比研究从35 ℃开始以10 ℃梯度逐步降温至15 ℃的降温启动策略， 以及直接在15 ℃条件下的低温启动策略对Anammox 脱氮效果的影响， 表明2 种方式均可启动低温Anammox 工艺， 且采用逐步降温策略的最大反应器脱氮速率约是低温启动策略的2 倍。

1.3 低温低基质Anammox 工艺

为综合主流污水的低温低基质双重因素， 研究人员针对低温低基质条件下AnAOB 形态以及菌种截留效果进行研究。 由于颗粒状污泥具有紧密型结构， 较好的代谢活性以及沉降性能， AnAOB 能更好保留在反应器中［16］。 因此， 许多研究者通过培养Anammox 颗粒污泥来提高反应器中AnAOB 的生物量和环境耐受性， 从而提高主流Anammox 工艺的脱氮性能和稳定性。

Lotti 等［17］采用流化床反应器在20 ℃条件下启动运行主流Anammox 工艺以处理市政污水， 其质量浓度为8 ～65 mg／L， 同时投加适量保证Anammox 工艺稳定运行， 逐步降温至10 ℃， 发现其平均Anammox 活性（SAA）达到（50±7）mg［N］／（g［VSS］·d）， 是同等温度条件下SAA 的2 ～3 倍， 且形成的颗粒状能够将AnAOB 有效截留在反应器中。

Pedrouso等［18］将侧流工艺条件下（ρ（TN）＞200 mg／L， T ＝30 ℃）运行的Anammox 反应器中的颗粒污泥接种到SBR 反应器中， 结果表明， 颗粒污泥能够自主适应主流工艺条件（ρ（TN）＝50 mg／L， T ＝15 ℃）， 出水TN 质量浓度低于10 mg／L。

以上研究表明， 通过培养颗粒污泥可以缓解低温以及低基质对Anammox 工艺的不利影响， 同时通过将侧流工艺条件直接转变为主流工艺可以加快Anammox 工艺启动进程， 这为主流Anammox 工艺的应用提供了理论依据。

2 主流Anammox 组合工艺研究

2.1 PN-Anammox 工艺

在低温低基质条件下， NOB 生长速率大于AOB， 且污水中较低含量的游离氨（FA）以及游离亚硝酸（FNA）无法抑制NOB 的生长繁殖， 因此，AOB 很难竞争过NOB［23-24］。 这些情况都将导致污水中的积累不足， 大部分无法经Anammox反应转化为N2， 而是转化为， 使得TN 的去除率大幅降低。 PN-A 工艺处理主流污水的重难点为低温低基质条件下如何在亚硝化阶段兼顾富集AOB 和抑制NOB， 以及如何减少AOB 和AnAOB等功能菌种流失［24-25］， 现阶段通过间歇曝气以及优化反应器结构等方式可以提高主流PN-A 工艺的启动运行效能。

目前， 根据不同的工艺耦合形式， 主流PN-A工艺可以分为单级和两级工艺［23］。 单级PN-A 工艺是在同一个反应器内通过控制曝气量， 在低浓度溶解氧下使PN 和Anammox 同步发生［26］， 包括CANON、OLAND 等。 Xu 等［27］研究结果表明， 在常温下于固定生物膜-活性污泥复合反应器中运行单级PN-A工艺， 处理低浓度（45.2 ～56.5 mg／L）污水，采用优化间歇曝气方式（缺氧段20 min， 好氧段40 min， 平均溶解氧质量浓度为0.45 mg／L）可以有效抑制NOB 的富集， 从而提高单级主流PN-A 系统的稳定性和灵活性， TN 负荷达到0.12 kg［N］／（m3·d）， 脱氮速率达到0.10 kg［N］／（m3·d）， 脱氮效率保持在80%～89%。 Gilbert 等［28］对比研究SBR 和MBBR 运行PN-A 工艺时对温度降低（从20 ℃降至10 ℃）的适应性及脱氮性能的变化情况， 在进水质量浓度为50 mg／L 的条件下， 以MBBR运行的单级主流PN-A 工艺对温度变化有更好的适应性， TN 去除率在75% 以上， MBBR 可以通过形成生物膜截留更多AnAOB， 并且建立更加稳定的微生物群落， 从而提高了功能菌的低温适应性， 特别是AnAOB 的低温适应性。

两级PN-A 工艺是指PN 反应和Anammox 反应在2 个独立的反应器中进行， 其优势在于2 个反应器互不干扰， 可控性强， 可以为2 个反应器中不同的功能菌营造各自最适的生长环境［29］。 为了有效截留AnAOB 和AOB 等功能菌， 研究人员设计新型反应器或不断优化反应器结构。 李建启等［30］设计并采用序批式-折流板-分置膜生物反应器运行两级PN-A 工艺处理经过预处理的城镇污水， 在水温为24 ～33 ℃， TN 质量浓度为15 ～45 mg／L，质量浓度为12 ～38 mg／L 的条件下， 经过逐步缩短HRT（由12 h 缩短至3 h）提升负荷， 稳定运行后，TN 去除率达到80%～85%。 Ma 等［31］以控制溶解氧浓度的方式（ρ（DO） ＜0.2 mg／L）启动PN 工艺，同时， 在UASB 反应器中启动Anammox 工艺， 构建两级PN-A 工艺处理低氮污水， 在进水TN 和平均质量浓度分别为45.87 和44.30 mg／L，温度为27 ～30 ℃的条件下， 控制HRT 为4.6 h，经过120 d 的运行， TN 去除率达到88.38%。

2.2 PD-Anammox 工艺

短程反硝化（PD）-Anammox（PD-A）工艺是一种可以处理低浓度、 低碳氮比市政污水的新型组合工艺， PD 和Anammox 工艺耦 合而成［32］。PD 是指利用反硝化菌将还原为。PD-A 工艺通过PD 实现的积累， 从而为后续的Anammox 反应提供基质条件［33］。 在处理主流污水时， PD-A 工艺相比于PN-A 工艺能更加稳定地提供， 保证Anammox 反应的快速启动及稳定运行。 采用适合的反应器类型对特定功能菌进行驯化和富集是PD-A 工艺稳定运行的关键［34-36］。

研究人员采用SBR 反应器运行两级PD-A 工艺， 控制进水、的质量浓度分别为30、 40 mg／L， Anammox 工艺和PD 工艺的温度分别为（30±1） ℃以及20 ～26 ℃， 反应器运行225 d，TN 平均去除率达到90%［33］。 Du 等［37］采用UASB 反应器在低温（12.9 ～15.1 ℃）下运行两级PD-A 工艺，处理含有和的生活污水， 得到了较好的脱氮效果，去除率达到97.6%， 表明PD-A 工艺在处理主流污水方面有较大潜力。 为了更加高效地富集功能菌以及为后续Anammox 反应提供稳定， 有研究人员对工艺运行过程进行优化， 采用乙酸钠作为唯一碳源， 再加入生物载体以截留功能菌， 从而实现了特定功能菌的驯化和富集， 在主流条件下实现了两级PD-A 工艺的启动运行， 且证实了该工艺有良好的脱氮潜力［38-40］。

2.3 SNAD 工艺

PN-Anammox-反硝化工艺（SNAD）是一种新型的单级生物脱氮工艺， 指在限氧条件下利用PN 工艺将污水中部分转化为， 随后污水中的和经Anammox 反应转化为N2实现脱氮， Anammox 反应生成的还原成N2从而提高了TN 去除率。 该工艺在PN-A 工艺中引入反硝化过程， 解决了PN-A 工艺出水含量高 的 问 题［41］。 SNAD 工 艺 中 的 功 能 菌 种AOB、AnAOB 以及反硝化菌（DNB）存在于同一反应器中，维持AOB、 AnAOB 的菌群竞争优势， 以及DNB 与这2 种功能菌的协作共生关系对系统的脱氮效果非常重要［42］。 颗粒污泥反应器和生物膜反应器可以形成好氧、 缺氧的微环境， 有助于富集AOB 和AnAOB、 建立DNB 与这2 种菌的共生关系。

李 冬 等［43］在 低 温（17.2 ～23.6 ℃）条 件 下 启 动SNAD 颗粒污泥工艺， 进水初始质量浓度为120 mg／L， 启动后逐步降低至80 mg／L， TN 去除率为89%左右； 随后通入质量浓度为52 ～63 mg／L 的生活污水， TN 去除率达到86.5%。 Zheng等［44］通过间歇曝气控制溶解氧浓度， 在生物膜反应器中也成功促进了AOB 生长增殖、 抑制了NOB 活性， 保证了Anammox 过程和反硝化过程的运行效果。 SNAD 工艺进一步提高了城市污水的TN 去除效果， 有助于加快Anammox 工艺在城市污水处理领域的应用进程。

3 结语

绿色、 高效的主流Anammox 工艺及其组合工艺已发展为主流污水脱氮的重要技术， 也为城市污水处理的能源化和资源化提供新的思路。 现阶段针对主流污水低温低基质的特性， 主流Anammox 工艺及其组合工艺主要从条件控制及反应器优化2 个方面进行探究， 条件控制方面主要包括： 通过缩短HRT 缓解低基质问题； 通过逐步降温及低温驯化方式克服低温问题； 通过阶段曝气控制溶解氧浓度， 进一步解决AOB 与NOB 竞争问题等。 反应器优化方面主要包括： 通过选择能够富集抗外界环境变化的颗粒污泥的反应器快速启动主流Anammox工艺； 通过对原有反应器的结构改造或2 种反应器耦合以减少菌种流失。

主流Anammox 工艺及其组合工艺的技术推广和工程应用仍然存在一些问题， 应针对实际主流污水多因素的复杂作用开展深入研究， 为主流Anammox 工艺的大规模工业化应用积累工程经验；同时应深入探究优势功能菌群落结构及形态， 如主流Anammox 工艺及其组合工艺的优势功能菌菌种的分离鉴定、 关键功能基因的分析， 以及基于功能基因表达的氮代谢通路的构建等， 为其工程应用提供理论基础。