城市污水處理工藝邁向主流厭氧氨氧化的挑戰(zhàn)與展望
陳珺 1王洪臣 2Bernhard Wett3
（1 宜興新概念環(huán)境技術(shù)有限公司， 宜興214206； 2 中國(guó)人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 北京100872；3 ARA Consult, 奧地利6020）
摘要:側(cè)流厭氧氨氧化技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，在世界各地的污水處理廠得到了應(yīng)用。介紹了厭氧氨氧化的基本原理、技術(shù)優(yōu)勢(shì)，分析了主流厭氧氨氧化面臨的挑戰(zhàn)，著重探討了主流厭氧氨氧化當(dāng)前的技術(shù)進(jìn)展，特別是NOB抑制的方法和對(duì)策。同時(shí)對(duì)奧地利Strass 污水處理廠的主流厭氧氨氧化探索進(jìn)行了介紹，并對(duì)未來的發(fā)展提出了展望。
0引言
污水處理生物脫氮工藝從20世紀(jì)60年代的硝化反硝化工藝為起點(diǎn)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，逐步衍生出了多種形式的生物脫氮工藝，這些傳統(tǒng)工藝在穩(wěn)定可靠解決富營(yíng)養(yǎng)化的同時(shí)，消耗了大量的能源和資源（碳源）。在強(qiáng)調(diào)污水處理資源化、能源化的今天，以厭氧氨氧化為核心的脫氮技術(shù)被業(yè)界普遍視為未來污水處理發(fā)展的一種重要技術(shù)，由此圍繞著城市污水處理主流工藝的厭氧氨氧化技術(shù)正成為當(dāng)前全球污水處理研發(fā)的焦點(diǎn)之一。
1厭氧氨氧化原理
厭氧氨氧化（Anammox）是指在厭氧或者缺氧條件下，厭氧氨氧化菌以NO2--N為電子受體，氧化NH3-N為氮?dú)獾纳镞^程。
很多污水處理工藝的進(jìn)步是在實(shí)踐中觀察到某些現(xiàn)象進(jìn)而引發(fā)后續(xù)工藝的研發(fā)，如生物除磷工藝。但也有一些技術(shù)是在已有理論的基礎(chǔ)上而獲得突破，厭氧氨氧化工藝在某種程度上正是如此。1977年，奧地利化學(xué)家Broda發(fā)表了一篇題為“自然界中遺失的兩種自養(yǎng)微生物”的文章，文章通過化學(xué)熱力學(xué)推測(cè)自然界可能存在一種微生物能夠發(fā)生式（1）中的反應(yīng)：
NH3-N+NO2--N→N2+H2O（1）
之后，Mulder在處理食品廢水和Siegrist對(duì)垃圾滲濾液的處理廠進(jìn)行的氮平衡都證實(shí)了這種推測(cè)。目前被普遍接受的厭氧氨氧化脫氮的化學(xué)反應(yīng)方程式是1998年Strous提出的式（2）：
2002年，世界上第一座厭氧氨氧化工程在荷蘭鹿特丹Dokhaven污水處理廠建成。經(jīng)過十余年的發(fā)展，截止到2014年全世界已有114座厭氧氨氧化工程（包括10座在建的工程和8座正在設(shè)計(jì)的工程），其中75%應(yīng)用于城市污水處理廠。圍繞著該工藝的基本原理，各種專利性的厭氧氨氧化工藝得到了蓬勃發(fā)展，如DEMON、ANITA Mox、ANAMMOX、DeAmmon、TERRANA、ELAN、Cleargreen等。
2主流厭氧氨氧化的挑戰(zhàn)
在側(cè)流厭氧氨氧化技術(shù)不斷成熟的同時(shí)，很多研究者逐漸轉(zhuǎn)向了主流工藝的應(yīng)用，因?yàn)閺哪壳暗恼J(rèn)知來看，厭氧氨氧化菌大量存在于自然界，因此并沒有限制它在普通污水處理廠的主流工藝中用來脫氮。但與側(cè)流應(yīng)用不同，主流厭氧氨氧化實(shí)現(xiàn)的前提條件明顯不同，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。
（1）較低的進(jìn)水氮濃度。
城市污水處理廠的進(jìn)水總氮通常在20~75 mg/L，而其側(cè)流的濃度一般在800~3 000 mg/L。由于進(jìn)水氮濃度較低會(huì)面臨以下的巨大挑戰(zhàn)：①側(cè)流中抑制NOB（亞硝酸鹽氧化菌）的游離氨條件不再存在；②在較低的出水氨氮濃度時(shí)（<2>
(2)較低的進(jìn)水溫度。
很多污水處理廠主流工藝的水溫在冬天時(shí)為10～16℃，夏季時(shí)溫度升至24～30 ℃，而側(cè)流工藝中溫度相對(duì)較高，一般都在32～38 ℃。溫度對(duì)主流厭氧氨氧化的挑戰(zhàn)不僅是厭氧氨氧化菌在低溫情況下增長(zhǎng)速率較慢，AOB的增長(zhǎng)速率也較低。
3主流厭氧氨氧化工藝應(yīng)用的進(jìn)展
主流工藝的上述特點(diǎn)引起了一系列具體的技術(shù)問題，這些具體技術(shù)問題包括如何有效地控制AOB與厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)與截留、OHO（普通異養(yǎng)菌）的控制、NOB的抑制、出水氨氮、泥齡等。下文將圍繞這些進(jìn)行展開論述。
3.1 AOB與Anammox菌的生長(zhǎng)與截留
AOB的生長(zhǎng)與截留主要有兩種方法，一種是利用側(cè)流高氨氮、高溫利于AOB生長(zhǎng)的條件，從側(cè)流向主流工藝中補(bǔ)充微生物。另外一種方法是通過生物膜的方式或通過顆粒污泥的形式，這種方式主要是依靠Anammox菌附著于填料的最內(nèi)層，AOB附著在填料的外層。
Anammox菌的生長(zhǎng)速率在低溫情況下非常慢，其世代時(shí)間需要1～2周，而硝化菌需要1 d。強(qiáng)化Anammox菌在主流工藝中的數(shù)量一種方法便是通過側(cè)流的生物強(qiáng)化補(bǔ)充。一個(gè)創(chuàng)新的技術(shù)是采用水力旋流器分離Anammox菌與AOB，這種技術(shù)的基本原理是利用Anammox菌密度較其他絮體微生物高的特點(diǎn)而開發(fā)的。圖1是DEMON工藝通過水力旋流器截留AOB與Anammox菌的示意圖，側(cè)流中的Anammox菌經(jīng)過旋流器后補(bǔ)充主流工藝，富含AOB的溢流也排入主流，主流工藝中的污泥在經(jīng)過旋流器后Anammox菌回到主流，溢流中的絮體微生物進(jìn)入污泥處理單元。
采用DEMON?工藝的污水處理廠均采用旋流器分離Anammox菌，該技術(shù)已經(jīng)在奧地利Strass污水處理廠、瑞士Glanerland污水處理廠、美國(guó)Alexandria的污水處理廠等得到了應(yīng)用（見圖2）。
奧地利Strass污水處理廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明側(cè)流向主流補(bǔ)充Anammox菌和AOB后，并沒有降低這些微生物在側(cè)流工藝中的活性，主流工藝中Anammox菌的豐度以及顆粒的尺寸都明顯提高。進(jìn)一步的跡象還表明通過旋流器的循環(huán)運(yùn)行有助于防止微生物附著于Anammox菌的表面，有助于減少基質(zhì)擴(kuò)散阻力，維持微生物較高的活性。另外，從側(cè)流補(bǔ)充主流還可以克服Anammox菌對(duì)亞硝酸鹽氮親和力比NOB低的問題，使Anammox菌相對(duì)容易獲得亞硝酸鹽氮。
3.2NOB的抑制
在傳統(tǒng)污水處理硝化系統(tǒng)中的NOB通常是Nitrobacter和Nitrospira，在應(yīng)用現(xiàn)代生物分析工具之前，Nitrobacter通常被認(rèn)為是優(yōu)勢(shì)菌種，因此很多設(shè)計(jì)和優(yōu)化污水處理廠的關(guān)鍵參數(shù)是基于對(duì)純培養(yǎng)基的Nitrobacter而獲得數(shù)據(jù)，而人們對(duì)Nitrospira的特性知之甚少。
通過對(duì)Nitrospira純培養(yǎng)基的研究，Blackburn報(bào)道了兩種微生物的不同之處，Nitrospira在低濃度時(shí)對(duì)亞硝酸鹽氮有更高的親和力，它的亞硝酸鹽氮半飽和系數(shù)更低，游離氨對(duì)其的抑制濃度更低（0.04～0.08 mg/L）。其他的一些研究也顯示Nitrobacter對(duì)基質(zhì)的親和力低、在基質(zhì)濃度高的環(huán)境中易于存在；而Nitrospira對(duì)基質(zhì)的親和力高、在基質(zhì)濃度低的環(huán)境中易于存在。這些研究結(jié)果顯示，在低氨氮、低亞硝酸鹽氮濃度的情況下，Nitrospira更易于控制亞硝酸鹽氮的氧化。在主流工藝中，由于Nitrospira較低的半飽和系數(shù)，低濃度的環(huán)境為其提供了生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，而又能避免游離氨和游離亞硝酸的抑制。美國(guó)DC Water（哥倫比亞特區(qū)供水與污水管理局）、美國(guó)HRSD（漢普頓路衛(wèi)生管理局）及Strass污水處理廠的數(shù)據(jù)都傾向于支持這種理論。HRSD的中試結(jié)果還顯示Nitrospira可能是NOB的優(yōu)勢(shì)菌種，這樣在主流工藝中抑制其生長(zhǎng)就更為困難。在這樣的背景情況下，出現(xiàn)了以下幾種基于上述理論的抑制NOB策略。
（1）控制出水氨氮。
Chandran的研究結(jié)果顯示，NOB比AOB對(duì)氮基質(zhì)親和力更強(qiáng)。AOB與NOB在不同氮濃度時(shí)的生長(zhǎng)速率見圖3，從圖中可以看出，在基質(zhì)濃度較低時(shí)，NOB的生長(zhǎng)速率要高于AOB的生長(zhǎng)速率，因此通過維持出水氨氮在2 mg/L以上有助于使AOB的生長(zhǎng)速率超過NOB。
上述結(jié)論在奧地利Strass污水處理廠得到了驗(yàn)證，當(dāng)時(shí)在冬季由于進(jìn)水負(fù)荷的升高，出水氨氮有所升高，而此時(shí)NOB得到有效的抑制。
（2）SRT控制。
當(dāng)溫度高于17 ℃時(shí)，通過嚴(yán)格控制泥齡可以淘汰NOB，但是溫度低于17 ℃時(shí)，NOB的生長(zhǎng)速率開始超過AOB的生長(zhǎng)速率，單純采用SRT的控制方式難以起到效果。此時(shí)，嚴(yán)格控制泥齡這種方式與DO控制、瞬時(shí)缺氧聯(lián)合控制時(shí)仍然會(huì)起到一定的效果。
（3）DO控制。
在基質(zhì)不受限制的條件下，Chandran的研究結(jié)果顯示NOB的生長(zhǎng)速率低于AOB，進(jìn)一步的研究結(jié)果顯示AOB對(duì)氧的半飽和系數(shù)高于NOB，如圖4所示。這樣當(dāng)DO濃度高于1 mg/L時(shí)對(duì)抑制NOB非常關(guān)鍵。在DC Water的小試及Strass污水處理廠生產(chǎn)性規(guī)模的試驗(yàn)都表明在低DO時(shí)NOB無法抑制，而當(dāng)DO>1.5mg/L時(shí)NOB的抑制效應(yīng)就會(huì)出現(xiàn)。
（4）瞬時(shí)缺氧。
瞬時(shí)缺氧指的是在曝氣狀態(tài)下突然從好氧轉(zhuǎn)為缺氧，瞬時(shí)缺氧目前被認(rèn)為是抑制NOB的一種有效手段，這種方法背后的機(jī)理主要有兩種解釋：①曝氣開始后酶的活動(dòng)會(huì)有一個(gè)滯后的時(shí)間；②間歇曝氣可能會(huì)擾亂生物代謝過程從而產(chǎn)生一些具有抑制性的中間產(chǎn)物，如一氧化氮。DC Water的研究結(jié)果顯示，當(dāng)DO間歇地從高于1.5 mg/L瞬時(shí)轉(zhuǎn)為缺氧狀態(tài)可以成功地抑制NOB。這一結(jié)論后來在HRSD及Strass污水處理廠都得到了驗(yàn)證。
（5）進(jìn)水COD控制。
控制進(jìn)水COD的負(fù)荷也是實(shí)現(xiàn)AOB生長(zhǎng)速率最大化的一種方法，這種策略是建立在NOB和OHO對(duì)DO競(jìng)爭(zhēng)的基礎(chǔ)上。這種控制策略對(duì)進(jìn)水COD類型和數(shù)量都有要求，因?yàn)樗鼤?huì)影響到NOB的淘汰和AOB的活性。當(dāng)進(jìn)水COD較高時(shí)，OHO不僅會(huì)與NOB競(jìng)爭(zhēng)，而且會(huì)與AOB競(jìng)爭(zhēng)DO和空間。當(dāng)AOB的活性降低時(shí)，氧化氨氮的曝氣時(shí)間就需要延長(zhǎng)，反硝化所需的COD就會(huì)減少。實(shí)際上，較為理想的進(jìn)水COD組分是絕大多數(shù)都是溶解態(tài)的，這樣一方面不會(huì)影響到AOB的活性，另外一方面又可供OHO反硝化，抑制NOB。所以，在主流厭氧氨氧化工藝中需要優(yōu)化進(jìn)水COD的分配。
4奧地利Strass污水處理廠的先行實(shí)踐
奧地利的Strass污水處理廠的能量自給與利用在國(guó)際上一直以來都處在領(lǐng)先地位。Strass污水處理廠的獨(dú)到之處在于它真正實(shí)現(xiàn)了污水處理中的能量自給。該廠總能耗為0.314kW·h/m3，而廠內(nèi)的總產(chǎn)能可達(dá)0.34kW·h/m3，所以其能源自給率可達(dá)108%。
該廠位于奧地利西部，靠近因斯布魯克，處理奧徹恩塔爾和齊樂塔爾等地大約31個(gè)社區(qū)的污水處理，夏季人口當(dāng)量為60000，冬季為旅游季節(jié)，人口當(dāng)量250000。污水日處理規(guī)模根據(jù)季節(jié)變化為1.7萬～3.8萬m3，平均日處理量為2.65萬m3。
Strass污水處理廠采用AB工藝。A段的SRT和HRT分別設(shè)定為0.5 d和0.5 h。有機(jī)物在A段會(huì)快速被吸附，被吸附的有機(jī)物將通過污泥濃縮、消化等環(huán)節(jié)產(chǎn)生沼氣進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)，A段的有機(jī)物去除率可以達(dá)到55%～65%。B段是耗能最集中的單元，僅電耗就占總能耗的47%。B段的SRT和HRT分別設(shè)定為10 d和10 h，池容為10456m3。圖5為Strass污水處理廠的工藝示意。
Strass污水處理廠于2004年首先在側(cè)流中采用了DEMON?工藝，側(cè)流的應(yīng)用使處理廠的總體能耗降低了12%。在側(cè)流的基礎(chǔ)上，該廠于2011年開始探索主流厭氧氨氧化的應(yīng)用，并參與到美國(guó)WERF（水環(huán)境研究基金）的主流厭氧氨氧化研究項(xiàng)目中，在國(guó)際上發(fā)揮了重要的影響力。其具體的措施是在主流工藝上安裝了旋流器，同時(shí)采取了一系列控制措施，側(cè)流中的Anammox菌補(bǔ)充主流工藝，主流工藝中的旋流器分離Anammox菌并使之不斷回流到主流工藝中。在曝氣控制方面， B段采用靈活的曝氣控制方式，該控制方式可以在滿足氧氣能耗需求前提下，將所需曝氣量控制在最低水平。這種控制方式是通過對(duì)過渡區(qū)進(jìn)行間歇曝氣得以實(shí)現(xiàn)，而曝氣量和曝氣頻率則通過在線氨氮監(jiān)控儀上的兩個(gè)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)來控制操作，這兩個(gè)監(jiān)控點(diǎn)可以根據(jù)實(shí)際進(jìn)水瞬時(shí)負(fù)荷自動(dòng)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)良好的硝化和反硝化反應(yīng)。
圖6、圖7反映的是Strass污水處理廠出水NO2--N、 NO3--N在近年的周平均值變化。在2011年的年末（圣誕節(jié)附近）出水 NO3--N明顯升高，而與此同時(shí)出水 NO3--N明顯低于上一年的同期水平，由此可見NOB得到了很好的抑制，圖8反映的是該廠脫氮率的變化。進(jìn)一步的研究還證實(shí)主流工藝中厭氧氨氧化菌的活性較高。
5展望
主流厭氧氨氧化的進(jìn)步對(duì)未來污水處理脫氮方式的轉(zhuǎn)變具有重要的影響，這一領(lǐng)域的研究和探索已是當(dāng)前國(guó)際污水處理發(fā)展最為引人注目之處，從目前的研究和應(yīng)用進(jìn)展來看，主流厭氧氨氧化技術(shù)在未來的發(fā)展可能會(huì)有如下幾個(gè)特點(diǎn)：
（1）主流厭氧氨氧化在脫氮方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，但在生物除磷方面尚缺乏足夠的報(bào)道。主流厭氧氨氧化工藝中生物除磷的實(shí)現(xiàn)可能會(huì)有兩個(gè)途徑，一個(gè)途徑是在A段的高負(fù)荷活性污泥工藝中；另一個(gè)途徑是在B段工藝，Strass污水處理廠在B段觀察到了明顯的釋磷和吸磷的現(xiàn)象，這必將會(huì)引起眾多研究者的興趣。
（2）對(duì)Anammox菌近些年的研究表明，這類微生物在合適的條件下能夠氧化某些有機(jī)物，同時(shí)去除NO-3-N。這種特性可能會(huì)在未來受到更多的關(guān)注，并加以利用控制出水的NO-3-N。
（3）雖然主流厭氧氨氧化工藝在認(rèn)識(shí)上近年來取得了長(zhǎng)足的認(rèn)識(shí)，而且這種認(rèn)識(shí)依然在不斷發(fā)展、不斷深化，但目前該技術(shù)仍然處于探索階段，尚不成熟。但當(dāng)前的探索階段已經(jīng)不再停留于實(shí)驗(yàn)室的小試、中試，更多的探索是通過污水處理廠的生產(chǎn)性規(guī)模的探索。目前，全球至少已有5座污水處理廠正在嘗試實(shí)踐主流厭氧氨氧化?？梢灶A(yù)見，在未來相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，將會(huì)有更多污水處理廠直接在工程尺度上去試驗(yàn)和應(yīng)用。
每一種技術(shù)都有其自身的特點(diǎn)和適應(yīng)性，我們?cè)跒橹髁鲄捬醢毖趸に嚲薮髢?yōu)勢(shì)吸引的同時(shí)，也需要清醒地看到它的適用性，在無碳分離、控制手段一般、出水水質(zhì)嚴(yán)格的情況下，該技術(shù)目前尚難有作為。當(dāng)其在技術(shù)金字塔的頂端閃耀著耀眼光芒的同時(shí)，支撐其應(yīng)用發(fā)展的必然是寬廣而堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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