短程反硝化/厭氧氨氧化工藝研究進展*

賴 城 張大超# Philip Antwi 董冰巖 周 豪 蘇 昊 石 淼

(1.江西理工大學資源與環境工程學院，江西 贛州341001；2.贛州生態環境工程投資有限責任公司，江西 贛州 341001)

生物脫氮是目前應用最廣的、最經濟有效的廢水脫氮方法[1-4]。在所有的生物脫氮工藝中，硝化-反硝化及以該工藝為基礎的各種改進工藝仍然是污水處理廠的主流脫氮方法[5]。然而硝化的高能耗、反硝化的高藥劑投加量及大量剩余污泥的產生是傳統生物脫氮工藝面臨的一個巨大問題[6-7]。

厭氧氨氧化(ANAMMOX)因不需要外部碳源和極低的污泥產量被譽為非常有前景的生物脫氮工藝[8]。經過近30年的發展，ANAMMOX已經逐漸成為一種可行的主流脫氮技術，到2014年為止，全世界已經有100多個ANAMMOX的廢水處理項目建成[9]。然而還有兩個關鍵問題制約著ANAMMOX的全面推廣，一是需要穩定地提供大量的亞硝酸鹽，二是可能需要進一步處理額外產生的硝酸鹽[10]。

最先，研究者們利用短程硝化(PN)為ANAMMOX提供亞硝酸鹽[11-14]，然而PN/ANAMMOX工藝在實際應用中仍然存在諸多問題，如處理高濃度氨氮廢水時產生附加硝酸鹽[15-16]，處理低濃度氨氮廢水時PN難控制[17]。有研究表明PN的實現需要控制多個參數[18-19]，這增加了實際應用的難度。隨后短程反硝化(PD)被證實可成為給ANAMMOX提供亞硝酸鹽的替代方法[20]。

近些年PD的研究已經取得諸多成果，本研究對PD的起源和研究現狀進行了總結，重點對比了不同的啟動實驗，并對亞硝酸鹽積累的機理進行了分析，提出了未來的研究方向，以促進PD/ANAMMOX工藝的全面推廣。

1 反硝化過程中獲得亞硝酸鹽的途徑

1.1 接種濃縮污泥實現PD

在PD被提出以前，常有研究報道反硝化過程中出現亞硝酸鹽積累的現象，主要影響因素為電子供體數量[22]、電子供體類型[23-24]和pH等[25]。部分研究者通過接種本身具有高亞硝酸鹽積累功能的污泥獲得了穩定的亞硝酸鹽積累[26-28]。但是，接種濃縮污泥顯然不適用于實際工程，通過實驗室研究獲得一種可重復的馴化方式才是PD全面推廣的前提。

1.2 污泥馴化實現PD

1.2.1 馴化實驗對比

LI等[29]10203發現“碳源轉換，電子饑餓”可能是功能菌的選擇壓。LI等[30]隨后發現鹽度可以促進PD細菌的富集。SHI等[31]和SI等[32]發現pH對亞硝酸鹽的積累有顯著影響。但是畢春雪等[33]僅通過時間控制就成功實現了PD。張星星等[34]發現亞硝酸鹽的積累可能和陶厄氏菌屬(Thauera)的存在密切相關。以上研究表明，PD的實現可能受多個因素的影響。表1對各個富集實驗的運行條件和結果進行了歸納。

表1 PD富集實驗對比1)Table 1 PD enrichment experiment comparison

1.2.2 相關菌屬特性及亞硝酸鹽積累機理

反硝化過程涉及各種特定的酶，包括硝酸鹽還原酶(Nar)、亞硝酸鹽還原酶(Nir)、一氧化氮還原酶(NOR)和一氧化二氮還原酶(N2OR)(見圖1)[35]，其中Nir有兩種，分別是Cu型Nir(由nirK基因編碼)和cd1型Nir(由nirS基因編碼)[36]。硝酸鹽的存在會抑制cd1型Nir中nirS基因的表達[29]10208，從而造成亞硝酸鹽的積累；而高pH會抑制Cu型Nir的活性[37]，也會造成亞硝酸鹽的積累。

1.2.3 啟動方法總結

根據以上對富集實驗的條件、菌群特性和亞硝酸鹽積累機理的分析可知，亞硝酸鹽積累是Nar與cd1型Nir的電子競爭或pH對Cu型Nir的抑制作用導致的。所以PD可以通過以下條件實現：(1)選擇優先將電子傳遞給Nar的碳源，如乙酸鹽[38]、甘油[39]等。(2)控制C/N、反應時間等及時終止反應。(3)通過高pH抑制Cu型Nir中nirK基因的表達或者富集只有nirS基因的陶厄氏菌屬[40]。

在以上一個或多個條件下，具有PD功能的菌屬能夠被大量富集，這為實際工程的應用提供了技術基礎，然而PD功能菌的富集機理及微生物的種間選擇機制尚不清楚，仍需進一步探索。

2 外在因素對PD的影響

成功實現PD后，研究者們進一步研究了各種外在因素對亞硝酸鹽積累的影響。研究表明C/N不會影響亞硝酸鹽的積累率，但過量的碳源會使積累的亞硝酸鹽繼續被還原為氮氣[41]。乙酸鹽、甘油、甲醇和乙醇都支持PD作用，而乙酸鹽和甘油是最佳選擇，通過控制碳源投加量就可以維持反應器的長期穩定運行[42]。此外，季節性溫度變化(15～30 ℃)對反應器的長期穩定運行沒有影響[43]46，且分步添加碳源可以提高亞硝酸鹽的積累率，降低氮損失[44]。但相同的碳源投加量下，降低氮損失對TN去除是利是弊還需進一步討論。此外，馴化后的污泥在鹽度脅迫下能夠維持穩定的亞硝酸鹽積累[45]，雖然在鹽度的長期影響下，陶厄氏菌屬的豐度會發生明顯變化，但陶厄氏菌屬的豐度不是影響亞硝酸鹽積累的決定性因素[46]。總而言之，PD啟動后能夠維持穩定的亞硝酸鹽積累，受外界因素影響較小，體現了為ANAMMOX持續、穩定地提供亞硝酸鹽的巨大潛力。

3 PD/ANAMMOX工藝研究現狀

3.1 分段式組合工藝

在PD能夠順利地實現后，研究重點逐漸開始轉向PD/ANAMMOX工藝的耦合。組合工藝中較常見的是分段式工藝，該類型的工藝只需根據PD反應器的出水亞硝酸鹽濃度調整ANAMMOX反應器的進水比例即可，在每個反應器都穩定運行的情況下，就能獲得較高的TN去除率。

CAO等[47]將市政污水與模擬高硝酸鹽廢水送入PD SBR中，廢水在利用市政污水中碳源的同時，只需額外添加少量外部碳源就可以維持90%的亞硝酸鹽積累率，隨后DU等[48]將該反應器的出水送至ANAMMOX反應器，硝酸鹽、氨氮的去除率分別達到了95.8%、92.8%。PD/ANAMMOX工藝為同時處理高硝酸鹽廢水和市政污水提供了一種經濟和技術上具有前景的方法。

此外，利用兩段式PD/ANAMMOX工藝處理城市污水處理廠的二級出水，硝酸鹽、氨氮和COD的平均去除率分別為97.9%、95.2%和81.6%[49]。WU等[50]利用PN/ANAMMOX+PD/ANAMMOX 組合工藝進行垃圾滲濾液的低能耗處理，也取得較好的效果。總而言之，在分段式組合工藝中，可以根據水質選擇不同的組合工藝，也可以根據組合工藝進行各種廢水的同步處理。

3.2 一體式組合工藝

分段式組合工藝易控制，但占用土地面積大，而一體式組合工藝則能夠減少土地成本，提升經濟效益。CAO等[51]將成熟的PD污泥和ANAMMOX污泥接種至同一個SBR中，開發了一種同時進行PD和ANAMMOX的反硝化氨氧化(DEAMOX)工藝。研究者發現DEAMOX工藝中利用乙酸和乙醇培養的陶厄氏菌屬在180 d的長期運行后仍能保持較高豐度(61.53%和45.17%)，而作為ANAMMOX功能菌的CandidatusKuenenia菌屬也共存于反應器中[43]56。因此，在同一個反應器中接種PD污泥和ANAMMOX污泥進行ANAMMOX具有可行性。

陳國燕等[52]利用DEAMOX工藝處理模擬城鎮污水，WANG等[53]利用DEAMOX工藝對垃圾滲濾液進行深度脫氮，JI等[54]開發了一種協同PD、ANAMMOX和原位發酵(SPDAF)工藝處理生活污水和含硝酸鹽的廢水，均取得較好的效果。以上研究再次證明了PD具有為ANAMMOX提供亞硝酸鹽的潛力，可以促進ANAMMOX的全面推廣。

SBR受運行模式影響，每天處理水量有限，因此，能同時進行PD和ANAMMOX的連續流一體式工藝無疑是更好的選擇。LI等[55]將PD種子污泥接種在連續流反應器的下部，將ANAMMOX污泥接種在反應器的上部，開發了一種新型的氨氮和硝酸鹽異養型生物去除(HANBON)工藝。與之類似的是，DU等[56]將DEAMOX工藝中的種子污泥接種在UASB中也達到了較好的氮去除效果。WANG等[57]還將PN、PD、ANAMMOX組合成連續流的PN/ANAMMOX + PD/ANAMMOX的兩段式工藝，在處理垃圾滲濾液的研究中最終出水TN為15.7 mg/L，TN去除率可達到98.8%。表2例舉了現有的PD/ANAMMOX工藝研究成果。

注：虛線框中為PD過程，narG為Nar編碼基因；nirS/nirK為 cd1型和Cu型Nir編碼基因；norB為NOR編碼基因；nosZ為N2OR編碼基因。圖1 反硝化過程涉及的酶和對應的編碼基因Fig.1 Enzymes involved in the denitrification process and corresponding coding genes

表2 PD/ANAMMOX工藝實驗研究Table 2 PD/ANAMMOX process experimental research

3.3 中試及生產性規模研究實例

彭永臻等[58]利用城市污水處理廠實際進水進行了中試規模PD系統的啟動、穩定及調控方法的研究。該研究以污泥消化液為碳源，通過控制進水比例、調節C/N、調整水力停留時間，在125 d時成功啟動PD系統，在300 d的長期觀察中，亞硝酸鹽轉化率維持在75%以上，證明了它為城市污水ANAMMOX脫氮過程提供底物亞硝酸鹽氮的可行性。

目前，關于PD/ANAMMOX工藝中試或生產性規模的專項研究實例少見報道，但根據最新的報道，西安第四污水處理廠為中國較早的主流ANAMMOX工藝污水處理廠[59]。該污水處理廠原為A/A/O工藝，2012年改建為使用流化生物載體的移動床生物膜反應器裝置，缺氧區載體上的生物膜中富集了典型的氨氧化細菌(如亞硝化毛桿菌屬(Nitrosomonas))和一些反硝化細菌(如陶厄氏菌屬)，兩者都能夠產生亞硝酸鹽氮，為ANAMMOX細菌的生長提供底物，最新的研究表明該反應體系中的亞硝酸鹽主要是由PD提供[60]。此外，生物膜中的ANAMMOX細菌豐度比絮凝污泥中高，以及遠高于理論最高水平的TN去除率都證明了ANAMMOX反應的發生。鑒于以上結果，可以對主流污水處理廠進行升級改造，將PD/ANAMMOX工藝融入其中，以達到提高TN去除率和降低成本的效果。

4 PD/ANAMMOX工藝應用前景

現有的組合工藝已經證明了PD的巨大潛力，無論是只含有氨氮的廢水還是既有氨氮又有硝酸鹽氮的廢水，都可以根據不同的水質特征選擇不同的組合工藝。通過各種組合工藝聯合處理不同來源的廢水也具有巨大的經濟優勢。

目前大多數污水處理廠面臨脫氮不完全的情況[61-62]，為了達到國家日益嚴格的污水排放標準，許多污水處理廠都設置了深度脫氮的三級處理單元[63-65]。其中常見的是生物濾池[66-67]。然而傳統生物濾池難以精確地控制碳源投加量，碳源過多會導致COD過量和污泥產量增加，不足則會導致溫室氣體(N2O)的產生[68]。CUI等[69]將傳統的生物濾池改造成PD生物濾池，與ANAMMOX耦合后在深度脫氮方面取得較好的效果。因此，可以嘗試將PD/ANAMMOX工藝應用在城市污水深度脫氮方面。

PD在處理ANAMMOX出水方面也具有良好的應用前景。ANAMMOX主要應用于高氨氮廢水的處理，如污泥厭氧消化液、高氨氮工業廢水和垃圾滲濾液[70-71]等。以氨氮約為3 000 mg/L的垃圾滲濾液為例[72]，理論出水硝酸鹽氮大于300 mg/L，這顯然需要進一步處理，PD/ANAMMOX無疑是一種經濟高效的工藝[73]。

除了高氨氮廢水，還有處理高硝酸鹽工業廢水的應用。據報道，很多工業廢水都含有高濃度的硝酸鹽，如化肥生產、核工業、鋼鐵冶煉、食品加工和炸藥生產廢水等[74-78]。利用PD/ANAMMOX工藝處理高硝酸鹽工業廢水具有可行性[79]。

此外，中國南方的稀土礦山尾水中也具有較高濃度的氨氮和硝酸鹽氮。據統計，中國南方離子型吸附黏土礦中的重稀土元素占世界總量的80%以上[80]。在離子型稀土開采過程中一般使用高濃度的硫酸銨作為浸出劑，使銨離子和稀土離子進行離子交換形成含稀土離子的母液[81-82]，原地浸礦[83]最終會導致高氨氮廢水的形成。土壤中殘留的部分硫酸銨會被氧化成硝酸鹽氮，隨雨水進入地表水和地下水，造成水體污染[84-85]。對于稀土礦山中的富氨廢水，利用生物法進行脫氮無疑是較佳選擇，而生物脫氮工藝中的PN、PD、ANAMMOX及其組合工藝無疑是非常經濟的選擇。然而，重金屬會對微生物的生物過程產生明顯的影響[86-87]，因此，稀土元素的存在可能會是利用生物法處理稀土廢水的一大挑戰。

5 結語與展望

從PD工藝的提出到反應器的成功啟動，從亞硝酸鹽積累機理探究到反應器的運行調控，從分段式反應器的組合控制到一體式反應器的啟動耦合，都表明通過PD為ANAMMOX提供亞硝酸鹽具有巨大的應用潛力。現有的研究為PD/ANAMMOX工藝的實際應用奠定了堅實的基礎，然而PD/ANAMMOX工藝的全面推廣還有很多問題尚待解決，今后的研究可以從以下方面進行：

(1)探明SBR中PD功能菌的富集機理，了解功能菌的種間選擇機制，為SBR的啟動提供理論基礎。

(2)探索出連續流PD反應器的啟動方法，為連續流反應器的啟動提供技術基礎。或者對已有的連續流PD反應器中功能菌的富集機理及種間選擇機制進行探究，為連續流反應器的啟動提供理論基礎。

(3)不接種種子污泥的情況下，直接在連續流ANAMMOX反應器中啟動PD，突破ANAMMOX工藝全面推廣的瓶頸。

(4)探明廢水中各種對微生物不利的因素(如重金屬、抗生素等)對PD/ANAMMOX工藝的性能及微生物群落的影響。

(5)利用實際廢水進行中試規模的研究，為實際應用奠定技術基礎。

(6)進行主流污水處理廠的升級改造，嘗試將PD/ANAMMOX工藝融入其中，探索出一整套合理的改造方案和運行調控方法。