厭氧氨氧化應用于城市生活污水處理的研究進展

陳雪文

（蘇州高新區(qū)獅山橫塘街道建設管理服務所，江蘇 蘇州 215010）

生態(tài)文明建設是關系到中華民族發(fā)展的根本大計，隨著生態(tài)文明建設的推進，碳達峰、碳中和已被納入我國生態(tài)文明建設整體布局中。近年來，國家的經(jīng)濟發(fā)展速度不斷提升，人們的生活水平也不斷提高，但污水排放問題卻變得越來越嚴重。因此，國家相關管理部門不斷加強對污水處理廠的建設力度，并引進了很多先進的技術手段，來優(yōu)化污水處理效果。厭氧氨氧化工藝技術就是其中之一。由于厭氧氨氧化菌獨特的代謝方式，其與傳統(tǒng)的污水處理（硝化/反硝化）工藝相比具有以下優(yōu)勢：①在氨氮氧化為亞硝氮的過程中減少了60%的需氧量；②無需外部碳源投加量，并減少80%的剩余污泥量[1]。

根據(jù)亞硝酸的來源不同，耦合工藝分為兩大類。其一是厭氧氨氧化與短程硝化的耦合[2]；其二是厭氧氨氧化與短程反硝化工藝的耦合[3]。因此，如何實現(xiàn)亞硝酸的獲取和副產(chǎn)物的消除，以及如何實現(xiàn)厭氧氨氧化菌的優(yōu)勢化是厭氧氨氧化工藝高效穩(wěn)定運行的關鍵。目前，通過提高反應溫度、降低溶解氧、提高進水氨氮濃度、調(diào)節(jié)污泥齡等方式實現(xiàn)亞硝酸鹽的累積，這些技術已被成功應用于污泥消化液、垃圾滲濾液、工業(yè)廢水等高氨氮廢水處理。然而，由于城市生活污水碳氮比較高、溫度隨季節(jié)波動大等，這些特點使厭氧氨氧化工藝的應用面臨著諸多困難。

1 厭氧氨氧化工藝應用于城市生活污水處理的限制因素

1.1 厭氧氨氧化菌與其他功能菌的競爭

在現(xiàn)實中，厭氧氨氧化菌廣泛地存在于城市污水廠中[4]。由于厭氧氨氧化菌的生長速率非常緩慢，倍增時間長達11天[5]，這使得厭氧氨氧化反應器的啟動時間增加。基于以上原因，厭氧氨氧化菌需要與AOB、NOB、反硝化菌以及其他的異養(yǎng)菌在同一系統(tǒng)中競爭生存空間，這對不同的基質(zhì)形成了非常復雜的競爭關系。

1.2 溫度

側(cè)流工藝中的反應溫度一般為30～40 ℃，這是為了保證AOB的生長速率高于NOB，并且兩者的差值會隨著溫度的增加而不斷拉大。在實際工作中，當對城市主流污水進行處理時，在低溫環(huán)境下，對PN/A工藝的實現(xiàn)和穩(wěn)定運行提出了新的挑戰(zhàn)。

1.3 碳氮比（C/N）

厭氧氨氧化菌是嚴格的化能自養(yǎng)菌，以二氧化碳作為碳源合成體細胞。一般而言，有機物的存在不能對厭氧氨氧化菌產(chǎn)生直接不利的影響，甚至有少量有機物，如乙酸鈉還能加速厭氧氨氧化菌的生長及胞外聚合物的分泌。但較高濃度的有機物（C/N>2）反而會促進異養(yǎng)菌的生長，進而與厭氧氨氧化菌爭奪生存空間與基質(zhì)。其原因如下：首先，異養(yǎng)菌的生長速率普遍高于自養(yǎng)菌，由此導致的污泥量增加更容易使厭氧氨氧化菌被淘洗出系統(tǒng)。其次，異養(yǎng)菌的大量繁殖加劇了脫氮功能菌群之間對于基質(zhì)的競爭。研究發(fā)現(xiàn)，在進行污水處理時，當進水中小分子有機物含量過高時（C/N接近2左右），厭氧氨氧化菌的反應活性就會明顯受到抑制。而對于全程自養(yǎng)脫氮工藝而言，進水C/N比低于0.7時可獲得比較好的脫氮效果。

2 厭氧氨氧化工藝在城市污水處理中應用的研究進展

厭氧氨氧化工藝是目前最綠色節(jié)能的生物脫氮工藝之一，并被認為是未來污水處理工藝向“集水資源再生、能源回用及資源回收”方向發(fā)展的重要途徑之一。然而，由于厭氧氨氧化菌特殊的代謝特征，限制了其在主流污水處理環(huán)節(jié)的廣泛應用。相關技術人員針對厭氧氨氧化菌生長緩慢、產(chǎn)率低、易受環(huán)境影響等特點，近年來對厭氧氨氧化工藝在主流污水處理中應用的研究主要集中在“如何實現(xiàn)厭氧氨氧化菌高效富集與截留”、“如何實現(xiàn)NOB的抑制”、“如何適應低溫環(huán)境”等方面。所以，相關技術人員應該加大研究力度，不斷開發(fā)，爭取早日完善此項工藝技術。

2.1 厭氧氨氧化的高效富集（生物膜法）

生物膜是自然界廣泛存在的一種微生物聚集形式。生物膜能夠使微生物固定化生長，并為微生物反應提供特殊的微環(huán)境。生物膜法與傳統(tǒng)的懸浮態(tài)活性污泥法相比，其更能夠顯著提高反應體系生物量，保留世代時間長的菌屬，提高微生物結構多樣性，并具有更高的抗沖擊負荷。因此，生物膜法也是城市污水二級生物處理的一種常用方法，其對污水水質(zhì)、水量的變化有較強的適應性，管理方便，不會發(fā)生污泥膨脹，以及能夠處理低濃度的污水。因此，無論是借助掛膜填料或是自身聚集形成的生物膜法，都被證明是實現(xiàn)厭氧氨氧化工藝在主流污水處理中應用的有效途徑。

為了解決污水廠的脫氮效率及運行問題，某公司開發(fā)了一種新工藝移動床生物膜反應器。這種反應器最早是為了在好氧區(qū)投加輕質(zhì)填料，為了實現(xiàn)污泥的固定生長而緩解膜分離組件的生物堵塞。后來，由于高比表面積填料的研發(fā)和使用，移動床反應器兼具了傳質(zhì)效率高、抗沖擊負荷效果好，微生物種類豐富等優(yōu)勢。并且，在無需接種厭氧氨氧化污泥的前提下，厭氧氨氧化工藝在移動床反應器內(nèi)可在較短時間內(nèi)實現(xiàn)啟動。

2.2 PNA工藝對NOB的抑制

PNA系統(tǒng)后置短程反硝化實現(xiàn)城市污水深度脫氮控制的裝置與方法是，在一個SBR反應器內(nèi)實現(xiàn)城市生活污水深度脫氮的技術。PNA系統(tǒng)結合在好氧階段將短程硝化耦合厭氧氨氧化，在缺氧階段將短程反硝化和厭氧氨氧化耦合，以此解決短程硝化厭氧氨氧化一體化的應用，是對于城市生活污水中出水氨氮不能過低導致NOB競爭性增長和出水硝酸鹽高的重要舉措。PNA工藝對NOB的抑制通常是通過控制溶解氧的濃度，在低溶解氧環(huán)境中，AOB對溶解氧具有更高的親和力，以此限制NOB的生長[6]。然而，在低溶解氧條件下運行同樣會不同程度地降低AOB反應活性，最終導致整個反應過程速率下降[7]。

2.3 碳分離（碳捕捉）

城市污水中的C/N普遍較高，這是PNA工藝應用于主流污水處理必需解決的問題之一。研究表明，當進水C/N低于0.5時，系統(tǒng)可以獲得較好的脫氮性能。目前，污水中的有機物被認為是可回收利用的寶貴碳資源，若是通過傳統(tǒng)工藝好氧分解生成CO2是一種能量的浪費。因此，為保證厭氧氨氧化過程的高效脫氮及碳資源的回收利用，在PNA工藝之前需對污水進行碳氮的分離。

碳分離的方式根據(jù)原理不同可分為：高負荷活性污泥工藝、化學強化一級處理、厭氧預處理等。HRAS工藝通常可以理解為AB工藝中的A段，即采用較短的水力停留時間和污泥齡快速捕捉進水的碳[8]。而B段則主要通過自養(yǎng)代謝的途徑來去除污水中剩余的營養(yǎng)物質(zhì)。因此COD通過HRAS去除，在B段中通過AOB和厭氧氨氧化來強化脫氮效能并通過水力旋流器來截留和富集厭氧氨氧化顆粒。主流厭氧氨氧化的AB工藝在工程上獲得了成功運行。

3 結論

在現(xiàn)階段的發(fā)展過程中，我國厭氧氨氧化污水處理工藝與一些能熟練應用此方法的國家相比，還處于較落后的狀態(tài)。隨著生態(tài)文明建設的推進，碳達峰、碳中和已被納入我國生態(tài)文明建設整體布局中，傳統(tǒng)高能耗、高成本、低效率的污水處理技術已無法滿足社會的發(fā)展需求。對于新興的低能耗、低成本、高效率的厭氧氨氧化工藝的研究與應用受到廣泛關注。因此，在未來污水處理事業(yè)的發(fā)展中，相關技術人員一定要加強對厭氧氨氧化工藝的研究力度，不斷提高污水處理質(zhì)量，以促進污水處理事業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。