城市污水主流亞硝化-厭氧氨氧化的關鍵影響因素綜述

閆江龍

（深圳市浩瑞泰科技有限公司，廣東 深圳 518000）

自20 世紀初活性污泥法誕生以來，厭氧-缺氧-好氧法（A2O）、序批式活性污泥法（SBR）、氧化溝等傳統生物脫氮技術承擔著城市污水處理廠有機物去除和脫氮除磷的重任。有機物和氨的好氧氧化與反硝化脫氮過程造成大量資源浪費，曝氣過程能耗、剩余污泥排放及溫室氣體排放已使得城市污水處理廠成為資源浪費的主體之一，也成為生態環境的重要污染源[1]。為降低傳統處理過程的能耗與剩余污泥產生量，人們積極探索新工藝。厭氧氨氧化工藝與其功能微生物厭氧氨氧化細菌（AnAOB）的問世被認為是水污染控制領域的重大發現[2]。在全球海洋氮循環過程中，厭氧氨氧化過程導致的N2產量占海洋N2釋放量的30%～50%。這些發現宣告了該工藝的誕生，它逐漸成為人們關注的焦點。

氨氧化細菌（AOB）和AnAOB 是兩種功能菌，城市污水低溫（10～25 ℃）和低氨氮濃度（30～100 mg/L）會影響其處理效果，要采取應對措施。一是培養生物膜或顆粒污泥，延長微生物停留時間，獲得高活性菌群，并完成反應器的高氨氮啟動和低氨氮馴化。二是優化運行參數，提高生物膜或顆粒污泥對低氨氮污水的脫氮能力。無論是采用生物膜還是顆粒污泥，低氨氮條件下，該系統脫氮效率均有提高，但它隨進水氨氮濃度降低而降低，優化工藝運行條件可提高脫氮效率。作為城市污水主流處理工藝，亞硝化-厭氧氨氧化工藝在能量節約與資源回收利用方面具有優勢，也存在發展瓶頸，其也是學者關注的焦點。本文結合研究現狀，綜述城市污水主流亞硝化-厭氧氨氧化的關鍵影響因素，指出已有研究的缺陷，并就未來研究給出建議。

1 溫度

亞硝化-厭氧氨氧化反應器運行溫度多為30～35 ℃，此條件下，AOB 比亞硝酸鹽氧化菌（NOB）生長更快，同時也接近AnAOB 最佳生長溫度（25～40 ℃）。而城市污水主流溫度為10～20 ℃，低于AOB 和AnAOB 生長最佳溫度，會降低氨氮轉化率。AnAOB 活化能與AOB 接近，大于NOB，因此溫度降低會導致NO2-積累不足，無法為厭氧氨氧化反應提供足夠底物。在移動床生物膜反應器（MBBR）中，當厭氧氨氧化溫度由30 ℃向10 ℃變化時，AnAOB依舊可以保持良好活性，AnAOB 優勢菌屬發生轉變，說明某些AnAOB 可以在低溫下進行有效的厭氧氨氧化。但是，亞硝化受溫度降低的影響很明顯。低溫條件只會抑制AOB 和AnAOB 活性，對二者種群豐度影響不大。調節其他運行條件，使AOB 和AnAOB 生物活性恢復，系統在低溫條件下重新獲得穩定脫氮能力。目前，大多研究分析溫度瞬間降低或短時間內低溫對亞硝化-厭氧氨氧化工藝脫氮效果的影響，無法準確反映長期低溫條件對工藝脫氮效能的影響。如何保證低溫條件下（25 ℃以下）系統中AOB 和AnAOB 生物活性同時抑制NOB 生長是利用該工藝進行城市污水脫氮的主要難題之一。有研究認為，只要保證充足生物量，低溫條件所導致的低微生物活性不會對該工藝脫氮能力產生影響，此觀點還需要試驗論證。

2 進水氨氮濃度

進水氨氮濃度是通過影響AOB 和AnAOB 細菌活性及其種群度來影響亞硝化-厭氧氨氧化工藝脫氮能力和穩定性，進水氨氮濃度越低，對AnAOB 生長活性的抑制作用越強，若長期運行，該抑制不可逆。一方面，進水氨氮濃度升高會產生大量游離氨，高濃度游離氨會抑制AOB 和AnAOB 活性。研究指出，當游離氨濃度大于100 mg/L 時，AOB 活性會受到明顯抑制[3]；當游離氨濃度大于1 g/L 時，AnAOB 活性受到抑制[4]。另一方面，氨氮濃度降低會使得微生物種群中AOB 和AnAOB 豐度減少，而NOB 豐度會升高，導致亞硝酸鹽被氧化為硝酸鹽，進水氨氮濃度降低會削弱游離氨對NOB 的抑制作用，從而影響系統脫氮效率。同時，有研究指出，微生物種群中AOB數量要比AnAOB 小一個數量級，AOB 豐度隨氨氮濃度降低而逐漸減小。低氨氮濃度條件下，AOB 不能為AnAOB 提供足夠基質亞硝酸鹽，而NOB 數量增多又會與AnAOB 競爭亞硝酸鹽，使得AnAOB 豐度逐漸降低，最終影響工藝穩定性和脫氮能力[5]。因此，在低氨氮濃度條件下，需要通過調節來減少AOB 和AnAOB 流失，抑制NOB 生長，以維持亞硝化-厭氧氨氧化工藝脫氮能力。

3 有機物

有機物的存在會影響AnAOB 生長。反硝化反應釋放出比厭氧氨氧化反應更高的自由能，且異養反硝化菌（HB）生長速率遠大于AnAOB，故存在有機物時，異養菌會大量繁殖，AnAOB 將難與HB 競爭亞硝酸鹽。湯春江等[6]發現，當厭氧氨氧化工藝進水化學需氧量（COD）濃度與亞硝酸鹽氮（NO2--N）濃度之比為2.92 時，AnAOB 活性受到抑制，異養反硝化菌成為優勢菌種，在此條件下長期運行反應器，工藝脫氮性能難以恢復。當進水COD 濃度超過237 mg/L 時，其工藝脫氮作用停止。當進水COD 濃度為95 mg/L，系統中有大量高活性功能菌AOB 和AnAOB 存在時，氨氮可以高效去除，低濃度COD 不會對亞硝化-厭氧氨氧化工藝脫氮性能造成明顯影響。當低溫、低氨氮等因素使得功能菌AnAOB 活性降低時，低濃度有機物是否會對亞硝化-厭氧氨氧化工藝脫氮效率和穩定性產生影響需要深入研究。不同有機物對AnAOB 的影響差異很大。研究發現，甲醇等會抑制厭氧氨氧化過程，因為AnAOB 細胞能把甲醇轉變成甲醛，而甲醛通過對肽鏈不可逆交叉耦合作用，容易造成催化反應關鍵酶失活，從而直接削弱AnAOB 生理代謝活性。即使反應環境有少量有機分子，也會對AnAOB 活性產生強烈抑制。相反，乙酸鹽、丙酸鹽等不僅不影響AnAOB 活性，還能被其利用。

4 pH

NH4+既是亞硝化反應底物，同時又是抑制劑，pH 變化會直接影響亞硝化段游離銨濃度，直接影響亞硝化/厭氧氨氧化反應速率。當pH 低時，游離銨濃度很低，對NOB 的抑制作用降低，NOB 生長較快，嚴重影響其反應進行；反之，當pH 高時，游離銨濃度增高，AOB 生長速率大于NOB，可實現NO2-積累。AnAOB 對pH 改變特別敏感。經厭氧氨氧化反應機理分析，過高或過低pH 都不利于關鍵中間產物羥氨生成，會使其反應速率下降[7]。厭氧氨氧化反應也會增加反應體系堿度，提高反應體系pH。相對于城市污水側流處理，城市污水主流氨氮濃度較低，都小于100 mg/L，因此受pH 影響，游離銨濃度都較低，對NOB 抑制帶來不利影響，同時對主流pH 控制提出更高要求。研究發現，亞硝化段AOB 和厭氧氨氧化段AnAOB的最佳水環境pH分別為7.9～8.2和7.5～8.3。

5 溶解氧和O2/NH4+

在懸浮污泥亞硝化-厭氧氨氧化系統中，AOB和NOB 作為絮凝物、小凝聚體存在于溶液中，AnAOB 位于缺氧或厭氧絮體內層，為避免O2對其造成直接毒害或抑制作用，控制液相溶解氧（DO）濃度處于較低水平十分必要。AOB 和NOB 對氧氣的競爭受O2傳質阻力影響較小，主要決定于對氧親和力和攝取能力。AOB 氧飽和常數為0.2～0.4 mg/L，NOB氧飽和常數為1.2～1.5 mg/L。低溶解氧條件下（濃度小于0.5 mg/L），AOB 對氧氣更具親和力，有利于保證AOB 活性并抑制NOB 生長。在顆粒污泥或載體生物膜亞硝化-厭氧氨氧化系統中，AOB 成長于外表面層，NOB 略往內部深幾微米，而AnAOB 則生長于內層缺氧環境中。AnAOB 是厭氧菌，需要外層AOB 及時消耗掉水中O2，避免對內層AnAOB 造成直接毒害或抑制作用。因此，要限制O2濃度，防止過剩O2滲入內層，影響AnAOB 活性。O2對AnAOB 活性的影響是可逆的，恢復水中O2濃度至合適水平，亞硝化-厭氧氨氧化工藝脫氮能力可在短時間內恢復。AOB 具有更快的氧氣攝取效率，其底物在生物膜或顆粒污泥內部呈由外向內的擴散狀態，因此，當O2成為限制性因素時，相較調控液相DO 濃度，調控O2/NH4+通量在抑制NOB 及維持AOB 和AnAOB 活性方面更具科學性，這一點經小試和數值模擬論證可行且有效。

6 結論

從已有研究來看，低溫條件可以實現亞硝化-厭氧氨氧化工藝啟動和穩定運行，但低氨氮對工藝脫氮能力的限制問題仍無法解決。從技術角度而言，低氨氮問題可通過向亞硝化-厭氧氨氧化系統中添加氨氮吸附材料（同時可作為微生物載體）的方法來解決。對于吸附飽和后沸石的再生問題，已有研究基本采用硝化細菌在曝氣條件下對沸石進行再生，但新生成的（亞）硝態氮仍需要進一步處理。若采用亞硝化-厭氧氨氧化工藝，則AOB 和AnAOB 可在脫氮的同時直接實現吸附材料生物再生，操作簡便且降低能耗。