短程硝化聯合厭氧氨氧化處理老齡垃圾滲濾液研究進展

摘 """""要：垃圾填埋是我國處理垃圾的主要方式，在此過程中會產生滲濾液。其具有水質變化大、復雜等特點，是一種高氨氮的有機廢水。垃圾滲濾液傳統處理法又有成本高、處理效果不佳的問題，因此需要找到應對處理方式不佳的方法。短程硝化-厭氧氨氧化（PN-A）耦合工藝具有不加碳源、污泥產量少的特點。基于傳統硝化反硝化脫氮在硝化過程中需要氧氣，反硝化過程又需要有機物作為碳源提供營養，會增加處理成本。為了降低處理成本，短程硝化-厭氧氨氧化（ANAMNOX）耦合工藝得到了廣泛應用。本文從PN-A工藝的影響因素出發，并對工藝未來的研究和發展方向進行了展望。

關 "鍵 "詞：短程硝化；厭氧氨氧化；影響因素

中圖分類號：X703 """"""文獻標識志碼：A """"""文章編號：1004-0935（20202024）0×10-00001594-0×4

垃圾滲濾液是在垃圾填埋場中的固體廢物分解后產生的，并且可能導致潛在的環境問題。垃圾滲濾液處理是廢水處理中最具挑戰性的問題之一。與生活廢水相比，滲濾液中有機物和氨氮的濃度更高，并且難以處理^"[1]。多年來，大多數處理廠都采用傳統技術來去除氮。根據垃圾滲濾液的組成，去除有機物是垃圾滲濾液處理的一般前提，包括化學需氧量（COD）去除、生物需氧量（BOD）去除和氨氮去除。在垃圾滲濾液排入自然水體之前，還應通過對各種生物的檢測來進行毒性分析。目前，對滲濾液的處理主要有4種方法：滲濾液轉移法、物理化學法、生物處理法和膜處理法。

垃圾滲濾液是高氨氮廢水，并且其碳氮比很低。硝化-反硝化工藝應用很廣，但其脫氮需額外投加碳源，致使其處理成本增加。此外，高濃度氨氮會抑制微生物的生長和代謝，導致反硝化和COD去除效率不高^[2]。短程硝化將氨氮僅氧化成亞硝氮，厭氧氨氧化是在厭氧條件下，氨氮與亞硝氮反應轉化為N₂。因耗氧少、反應速度快、剩余污泥量少和無需外加碳源等特點，這2種工藝（尤其是其組合工藝）具有運行成本低、節省反應器體積和反應時間短的優勢。當前，已有很多成功案例，在不同類型的廢水、不同操作條件下成功啟動短程硝化-厭氧氨氧化工藝，并具有很高的脫氮效率。但是，尚沒有對這種耦合工藝的啟動以及穩定運行所需控制的條件進行相關的總結。

1 "短程硝化-厭氧氨氧化（PN-A）工藝簡介

1.1 "單獨反應器的PN-A工藝

所謂的單獨反應，是指在1個反應器內同時實現短程硝化與厭氧氨氧化。這就需要嚴格控制好溶解氧、pH、溫度、游離氨等參數變化。其基本原理是好氧氨氧化菌和厭氧氨氧化菌組成細菌群落，利用其協同關系實現廢水脫氮。好氧條件和缺氧條件交替情況下，AOB和AnAOB將會形成分層的生物膜。AOB在外層的好氧區，將氨氮轉化為亞硝酸鹽，而AnAOB在內層缺氧區將剩余氨氮和亞硝酸鹽轉化為氮氣^[3]，從而實現在同一反應器內，同時存在短程硝化和厭氧氨氧化反應。

啟動短程硝化-厭氧氨氧化單相反應器大致有以下3種方法：第一種是控制反應器內影響因素，實現AOB和AnAOB的同步富集；第二種在厭氧氨氧化反應器內接種硝化污泥，同時進短程硝化后的出水，并曝氣；第三種在厭氧或缺氧條件下，在短程硝化反應器內接種厭氧氨氧化污泥。由于厭氧氨氧化菌是自養菌，富集培養比較困難。相對于前2種方法，第三種方法有一定困難。

要想在同一個反應器內實現PN-A工藝，主要是控制其影響因素，控制其在最佳條件。控制的影響因素主要包括：污泥停留時間（SRT）、游離氨（FA）、溶解氧（DO）、pH、溫度等。通過對這些影響因素的單個控制或者組合控制，來實現短程硝化-厭氧氨氧化工藝在單獨反應器內的啟動與運行。

1.2 "多個反應器耦合反應

多個反應器耦合反應指在不同反應器實現短程硝化和厭氧氨氧化反應，并將不同反應器組合實現耦合脫氮。最典型的是Sharon-Anammox工藝，2個反應器的反應公式如式（1）和式（2）所示。

NH₄⁺+0.75O₂+HCO₃^-→0.5NO₂^-+0.5NH₄⁺+CO₂+1.5H₂O（1）

NH₄⁺+1.32NO₂^-+HCO₃^-+0.512H⁺→

1.02N₂+0.26NO₃^-+0.132CH₂O_0.5N_0.15+ 2.19H₂"""""（2）

Sharon工藝是利用AOB和NOB具有不同的生長條件，實現短程硝化抑制NOB，使AOB成為系統的優勢菌屬，并控制反應器的HRT，對氨氮的氧化速率進行穩定控制，保證短程硝化出水達到Anammox工藝的進水要求，即NH₄⁺-N與NO₂^--N的質量比約為1∶1.32。

氨氧化菌和厭氧氨氧化菌的生理特性、所需要的生活環境均有不同。若將短程硝化與厭氧氨氧化分別在不同反應器內反應，便可避免氨氧化菌和厭氧氨氧化菌因為環境的不同而導致其相互抑制的情況。如果當短程硝化或者厭氧氨氧化系統崩潰時，此時用的是多個反應器耦合，假如是短程硝化系統崩潰只需要調整短程硝化系統讓其穩定運行，并不影響厭氧氨氧化系統的運行，耦合系統也會隨著短程硝化系統的恢復而穩定運行。對比單獨反應器與耦合反應器的脫氮效率不難發現，耦合工藝具有更高的脫氮效率。

目前，很多學者已經進行實驗將短程硝化-厭氧氨氧化工藝與其他脫氮工藝耦合起來，以提高氨氮去除率。LI等^[4]將短程硝化和厭氧氨氧化耦合在CANON和Sharon-Anammox，在處理垃圾填埋場的高氨氮（1"900"mg·L^-1）滲濾液時，其總氮的去除率為99%。

2 "PN-A工藝的主要影響因素

在厭氧氨氧化反應中，以氨氮作為電子供體、亞硝酸鹽為電子受體，發生氧化還原反應將氨氮、亞硝氮轉化為氮氣和硝態氮，最后達到去除總氮的目的。實現短程硝化-厭氧氨氧化工藝的關鍵，首先是維持AOB和AnAOB活性，并抑制NOB活性。因此，影響短程硝化-厭氧氨氧化工藝性能的因素有許多，其中相對重要的影響因素有溶解氧（DO）、pH及溫度。

2.1 "溶解氧（DO）的影響

短程硝化-厭氧氨氧化工藝是在限制曝氣條件下啟動和運行的。一方面是因為反應器內的溶解氧濃度是維持穩定的亞硝化比例、實現氨氮的部分亞硝化的關鍵因素。在短程硝化反應過程中，相比NOB，AOB在低氧條件下能較好地生長。另一方面是因為AnAOB是嚴格的厭氧菌，只有通過限制曝氣，使AOB消耗掉幾乎所有的溶解氧，才能保證AnAOB"的活性不被影響。有研究表明^[4]，在低氧水平（空氣飽和度0.25%～2%）下DO對AnAOB活性的抑制是可逆的，這是部分硝化和厭氧氨氧化能同步進行的理論基礎。

在不同的操作條件下，實現短程硝化的適宜DO范圍較寬（0.16～5.0"mg·L^-1），但只有將DO控制在較低的水平，使AOB消耗幾乎所有的DO才能不影響厭氧氨氧化反應中AnAOB活性。有學者研究表明，當DO在0.5～0.7"mg·L^-1時，AOB和AnAOB活性比較高，NOB將被抑制，出水亞硝態氮和硝態氮濃度都比較低，氨氮轉化率高達90%以上。韓曉宇等^[5]研究表明，在進行短程硝化-厭氧氨氧化的實驗過程中，當DO質量濃度為0.2"mg·L^-1時，實驗穩定性能最好，此時總氮去除率達到75.36%"。

2.2 "pH的影響

pH對短程硝化-厭氧氨氧化工藝的影響主要體現在兩方面，一方面是直接影響微生物的活性，另外一方面是通過影響參與反應的基質來間接影響微生物活性。由于pH會影響生物酶的活性，而在短程硝化-厭氧氨氧化工藝中起主要作用的就是各種生物酶。每種生物酶都有自己最適合的pH范圍，在此范圍之外酶活性不能充分發揮。據報道，AOB的最適pH在7.9～8.5，NOB的最適pH在7.5～8.3，AnAOB的最適pH在6.7～8.3。對于短程硝化-厭氧氨氧化過程來說，游離氨既是AOB反應的基質，又是AOB與NOB的抑制劑，低游離氨水平可以促進硝化反應進行，而高游離氨水平下將抑制硝化反應。

pH是短程硝化的主要影響因素，有學者在對短程硝化實驗過程進行研究時發現，當pH在7.8～8.5時，利于AOB生長代謝，同時抑制NOB。由此結論，在運行短程硝化-厭氧氨氧化反應時，最佳pH應控制在8左右，保證AOB的活性，并抑制NOB的生長，使AnAOB有充足的底物進行反應，整個反應將會穩定高效運行。劉旭東等^[6]研究表明，AnAOB在pH為6.5～8.5時可以生長，最適pH為8.0，可以為AOB與AnAOB的生長提供一個良好的環境，也能控制游離氨的濃度，為亞硝酸鹽的積累與厭氧氨氧化反應的進行提供有力的支撐。

2.3 "溫度的影響

溫度主要是通過抑制酶活性和化學反應活化能，對微生物的生理功能產生影響，從而影響整個反應過程。根據修正的Arrhenius方程式可以得出：當溫度升高，會加快酶促反應，酶變性失活也會加快。當酶促與失活2個效應趨于平衡，此時的微生物活性最高。短程硝化-厭氧氨氧化反應在30～35"℃的條件下可以成功啟動。該溫度下AOB和AnAOB可維持動態平衡，此時AOB比NOB生長得更快。

目前短程硝化-厭氧氨氧化反應已在30～35"℃下成功運行。李亞峰等^[7]通過升流式厭氧污泥床反應器（UASB）探究影響Anammox脫氮性能的因素，實驗結果表明UASB在30～35"℃時脫氮性能最佳。當然，不是只有高溫條件下才能進行短程硝化-厭氧氨氧化過程。高于30"℃的溫度是反應器中AnAOB的最佳選擇，并且相比于NOB，此溫度對AOB生長繁殖更有利。

3 "短程硝化-厭氧氨氧化技術

3.1 "短程硝化的實現機理

污水處理過程中的氨氮硝化作用是通過氨氧化菌（ammonia oxidizing bacteria，AOB）和亞硝酸鹽氧化菌（nitrite oxidizing bacteria，NOB）來完成2個不同的反應，如圖1所示。

與傳統的完全硝化反硝化相比較，短程硝化在污水處理應用上主要有兩大優勢。一方面，短程硝化降低了氧氣的消耗，曝氣能耗降低，減少了運行成本。此外，在反硝化階段，由于我國生活污水C/N比較低，COD量遠不足以進行完全反硝化，短程硝化的進行降低了外加碳源的投加量。另一方面，短程硝化還可以為厭氧氨氧化提供亞硝酸基質，實現運行成本的進一步降低。

短程硝化過程的穩定維持主要是通過抑制淘汰NOB，從而使AOB成為硝化細菌的優勢菌種來實現的。主要通過控制溫度、pH、溶解氧、污泥齡、游離氨（FA）和游離亞硝酸（FNA）的濃度、投加抑制劑（NH₂OH）以及間歇曝氣來實現亞硝酸的積累。

3.2 "短程硝化-厭氧氨氧化工藝研究現狀

短程硝化-厭氧氨氧化工藝相比于短程硝化反硝化工藝更具優勢，因為厭氧氨氧化是自養菌，短程硝化也是在自養條件下完成的。因此，相比于短程硝化反硝化工藝能夠節約100%的碳源，污水中的碳源可以被用于生產甲烷以實現能量的回收利用。與此同時，在短程硝化-厭氧氨氧化反應器中只有約55%的NH₄⁺被硝化為NO₂^-，剩余的NH₄⁺在缺氧條件下與NO₂^-通過厭氧氨氧化反應去除，因此曝氣所需的能量消耗降低了60%。厭氧氨氧化反應過程中沒有氧化亞氮的產生，也避免了溫室氣體的排放。

2002年，荷蘭帕克公司首次將厭氧氨氧化實際工程應用于鹿特丹水廠，該工程采用兩段式SHARON/ANAMMOX系統用于處理污泥消化液（氨氮質量濃度在1"200"mg·L^-1左右），厭氧氨氧化反應器設計容積70"m³，設計處理量為500"kg·d^-1，總氮負荷成功啟動后能夠達到10"kg·m^-3·d^-1。2014年，全世界共有114座已建成或在建的實際規模厭氧氨氧化污水處理廠，出于建設成本的考慮，大多采用一體式厭氧氨氧化系統用于處理高氨氮污水。

絕大多數的實際工程采用的都是一體式工藝，反應器的形式多種多樣，主要包括：SBR、顆粒污泥系統、移動床生物膜反應器（Moving-Bed Biofilm Reactor，MBBR）以及生物轉盤反應器（Rotating Biological Contactor，RBC）等。好氧反氨化工藝（DEMON，deammonification）是應用最為廣泛的厭氧氨氧化技術，第一座利用DEMON技術的污水處理廠為奧地利的Strass污水處理廠，用于處理污泥發酵液。該系統采用pH在線調節系統進行控制，同時使用水力旋流器分離AnAOB，從而達到保證厭氧氨氧化菌的持留，同時淘洗NOB的目的^[8]。Strass污水處理廠目前已經實現了能量自給，并將側流處理發酵液的厭氧氨氧化的污泥投到主流污水處理中，利用生物強化的方式實現了主流厭氧氨氧化系統的穩定運行。

4 "結 論

短程硝化-厭氧氨氧化工藝是一種新型的自養脫氮技術，不僅可以節約曝氣能耗，還能削減藥耗。工藝啟動與運行所需的環境要求比較嚴格，不僅要有利于AOB與AnAOB的生長繁殖，同時還需要抑制并淘汰NOB，所以溫度最好保持在30～35"℃，pH制在8.0±0.2，DO質量濃度控制在0.5"mg·L^-1以下。

作為一項才發展十幾年的新技術，短程硝化-厭氧氨氧化工藝的應用研究依舊任重道遠，未來可以從以下幾方面拓展對短程硝化-厭氧氨氧化工藝的研究。

1）探索簡易的控制策略實現其穩定提供亞硝酸鹽，保證后續厭氧氨氧化反應的順利進行。

2）由于AnAOB的生長緩慢，可以通過研發促進AnAOB生長與富集的功能填料，縮短該工藝的啟動時間。

3）在實際工程中進行應用實驗，將工藝參數進行優化與調控，在自動化控制的基礎上實現高效穩定脫氮。

4）探索除污泥消化上清液和垃圾滲濾液等特殊廢水外，常規生活污水、不同類型工業廢水用該工藝處理的可行性。

參考文獻：

［[1］]"ZIZ S Q， AZIZ H A， YUSOFFM"S， et al. Landfill leachate treatment using powdered activated carbon augmented sequencing batch reactor （SBR） process： optimization by response surface methodology[J]. Journal of Hazardous Materials. ，2011， 18： 404–-413.

［[2］]"牛昭.低基質厭氧氨氧化折流板反應器脫氮效能及微生物特性研究[D].北京： ：北京大學， ，2018.

［[3］]"孫慶花，吳迪，周家中，等. CANON 中試反應器啟動及性能優化［[J］]. 環境科學，2019，40（7）： 3169-3178.

［[4］]"LI Xiang，YUAN Yan，WANG Fan，et al. Highly efficient of nitrogen removal from mature landfill leachate using a combined DN-PN-Anammox"process with a dual recycling system[J]. Bioresource"Technology，2018，265："357-364.

［[5］]"韓曉宇，，常江，，孟春霖，，等.短程硝化/厭氧氨氧化一步法自養脫氮中試研究[J].中國給水排水，，2014，，30（19）：（19）：1-5.

［[6］]"劉旭東，，郭爛林，，姜鳳，，等.溫度和pH對CANON工藝脫氮效率的影響研究[J].建筑與預算，，2016（10）：（10）：39-43．

［[7］]"李亞峰，，張馳.常溫高pH條件下與厭氧氨氧化匹配的亞硝化研究[J]，].環境工程，，2015，，33（7）：（7）：72-75．

［[8］]"王思琦，，李贇， 陳福明， 等. 低接種量條件下實現厭氧氨氧化快速啟動的策略[J]. 環境工程學報， ，2022， ，16（3）： （3）：999-1007.

Research progress oin the Treatment of Aged Landfill Leachate by

Short-Cut Nitrification Combined with Anammoxidation

GAO Han

（College of"Municipal and Environmental Engineering，"Shenyang jianzhu universityShenyang Architecture University，"Shenyang""Liaoning"Shenyang""110168，，"China）

Abstract："Landfill is the main way to treat garbage in China， and leachate will be produced in the process. It is a kind of organic wastewater with high ammonia nitrogen， and has great change and complexity in water quality. The traditional treatment method of landfill leachate has the problems of high cost and poor treatment effect， so it is necessary to find a way to deal with the poor treatment methodThe landfill leachate produced by sanitary landfill is a kind of organic wastewater with high ammonia nitrogen due to its complex composition and great change in water quality. The traditional landfill leachate treatment process has some problems such as high cost and unstable treatment effect. The short-cut nitrification ANAMMOX combined process has the characteristics of low energy consumption， no additional carbon source and less sludge production， which can make up for the shortcomings of the traditional treatment method. The traditional biological nitrogen removal process based on whole-process nitrification and denitrification requires a large amount of oxygen supply in the process of nitrification， and the denitrification process requires organic matter as a carbon source， which has the problem of excessive energy consumption and drug consumption. In order to reduce the cost of wastewater denitrification and denitrificationtreatment， the combined process of short-cut nitrification and ANAMNOX has been developed rapidly. The influencing factors of short-cut nitrification and ANAMMOX process were reviewed， and the future research direction of short-cut nitrification and ANAMMOX process was prospected.

Key words："Short-cut nitrification; Anaerobic ammonia oxidation; Influencing factor"Submarine pipeline;