短程反硝化/厌氧氨氧化工艺研究进展*

赖 城 张大超# Philip Antwi 董冰岩 周 豪 苏 昊 石 淼

(1.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州341001；2.赣州生态环境工程投资有限责任公司，江西 赣州 341001)

生物脱氮是目前应用最广的、最经济有效的废水脱氮方法[1-4]。在所有的生物脱氮工艺中，硝化-反硝化及以该工艺为基础的各种改进工艺仍然是污水处理厂的主流脱氮方法[5]。然而硝化的高能耗、反硝化的高药剂投加量及大量剩余污泥的产生是传统生物脱氮工艺面临的一个巨大问题[6-7]。

厌氧氨氧化(ANAMMOX)因不需要外部碳源和极低的污泥产量被誉为非常有前景的生物脱氮工艺[8]。经过近30年的发展，ANAMMOX已经逐渐成为一种可行的主流脱氮技术，到2014年为止，全世界已经有100多个ANAMMOX的废水处理项目建成[9]。然而还有两个关键问题制约着ANAMMOX的全面推广，一是需要稳定地提供大量的亚硝酸盐，二是可能需要进一步处理额外产生的硝酸盐[10]。

最先，研究者们利用短程硝化(PN)为ANAMMOX提供亚硝酸盐[11-14]，然而PN/ANAMMOX工艺在实际应用中仍然存在诸多问题，如处理高浓度氨氮废水时产生附加硝酸盐[15-16]，处理低浓度氨氮废水时PN难控制[17]。有研究表明PN的实现需要控制多个参数[18-19]，这增加了实际应用的难度。随后短程反硝化(PD)被证实可成为给ANAMMOX提供亚硝酸盐的替代方法[20]。

近些年PD的研究已经取得诸多成果，本研究对PD的起源和研究现状进行了总结，重点对比了不同的启动实验，并对亚硝酸盐积累的机理进行了分析，提出了未来的研究方向，以促进PD/ANAMMOX工艺的全面推广。

1 反硝化过程中获得亚硝酸盐的途径

1.1 接种浓缩污泥实现PD

在PD被提出以前，常有研究报道反硝化过程中出现亚硝酸盐积累的现象，主要影响因素为电子供体数量[22]、电子供体类型[23-24]和pH等[25]。部分研究者通过接种本身具有高亚硝酸盐积累功能的污泥获得了稳定的亚硝酸盐积累[26-28]。但是，接种浓缩污泥显然不适用于实际工程，通过实验室研究获得一种可重复的驯化方式才是PD全面推广的前提。

1.2 污泥驯化实现PD

1.2.1 驯化实验对比

LI等[29]10203发现“碳源转换，电子饥饿”可能是功能菌的选择压。LI等[30]随后发现盐度可以促进PD细菌的富集。SHI等[31]和SI等[32]发现pH对亚硝酸盐的积累有显著影响。但是毕春雪等[33]仅通过时间控制就成功实现了PD。张星星等[34]发现亚硝酸盐的积累可能和陶厄氏菌属(Thauera)的存在密切相关。以上研究表明，PD的实现可能受多个因素的影响。表1对各个富集实验的运行条件和结果进行了归纳。

表1 PD富集实验对比1)Table 1 PD enrichment experiment comparison

1.2.2 相关菌属特性及亚硝酸盐积累机理

反硝化过程涉及各种特定的酶，包括硝酸盐还原酶(Nar)、亚硝酸盐还原酶(Nir)、一氧化氮还原酶(NOR)和一氧化二氮还原酶(N2OR)(见图1)[35]，其中Nir有两种，分别是Cu型Nir(由nirK基因编码)和cd1型Nir(由nirS基因编码)[36]。硝酸盐的存在会抑制cd1型Nir中nirS基因的表达[29]10208，从而造成亚硝酸盐的积累；而高pH会抑制Cu型Nir的活性[37]，也会造成亚硝酸盐的积累。

1.2.3 启动方法总结

根据以上对富集实验的条件、菌群特性和亚硝酸盐积累机理的分析可知，亚硝酸盐积累是Nar与cd1型Nir的电子竞争或pH对Cu型Nir的抑制作用导致的。所以PD可以通过以下条件实现：(1)选择优先将电子传递给Nar的碳源，如乙酸盐[38]、甘油[39]等。(2)控制C/N、反应时间等及时终止反应。(3)通过高pH抑制Cu型Nir中nirK基因的表达或者富集只有nirS基因的陶厄氏菌属[40]。

在以上一个或多个条件下，具有PD功能的菌属能够被大量富集，这为实际工程的应用提供了技术基础，然而PD功能菌的富集机理及微生物的种间选择机制尚不清楚，仍需进一步探索。

2 外在因素对PD的影响

成功实现PD后，研究者们进一步研究了各种外在因素对亚硝酸盐积累的影响。研究表明C/N不会影响亚硝酸盐的积累率，但过量的碳源会使积累的亚硝酸盐继续被还原为氮气[41]。乙酸盐、甘油、甲醇和乙醇都支持PD作用，而乙酸盐和甘油是最佳选择，通过控制碳源投加量就可以维持反应器的长期稳定运行[42]。此外，季节性温度变化(15～30 ℃)对反应器的长期稳定运行没有影响[43]46，且分步添加碳源可以提高亚硝酸盐的积累率，降低氮损失[44]。但相同的碳源投加量下，降低氮损失对TN去除是利是弊还需进一步讨论。此外，驯化后的污泥在盐度胁迫下能够维持稳定的亚硝酸盐积累[45]，虽然在盐度的长期影响下，陶厄氏菌属的丰度会发生明显变化，但陶厄氏菌属的丰度不是影响亚硝酸盐积累的决定性因素[46]。总而言之，PD启动后能够维持稳定的亚硝酸盐积累，受外界因素影响较小，体现了为ANAMMOX持续、稳定地提供亚硝酸盐的巨大潜力。

3 PD/ANAMMOX工艺研究现状

3.1 分段式组合工艺

在PD能够顺利地实现后，研究重点逐渐开始转向PD/ANAMMOX工艺的耦合。组合工艺中较常见的是分段式工艺，该类型的工艺只需根据PD反应器的出水亚硝酸盐浓度调整ANAMMOX反应器的进水比例即可，在每个反应器都稳定运行的情况下，就能获得较高的TN去除率。

CAO等[47]将市政污水与模拟高硝酸盐废水送入PD SBR中，废水在利用市政污水中碳源的同时，只需额外添加少量外部碳源就可以维持90%的亚硝酸盐积累率，随后DU等[48]将该反应器的出水送至ANAMMOX反应器，硝酸盐、氨氮的去除率分别达到了95.8%、92.8%。PD/ANAMMOX工艺为同时处理高硝酸盐废水和市政污水提供了一种经济和技术上具有前景的方法。

此外，利用两段式PD/ANAMMOX工艺处理城市污水处理厂的二级出水，硝酸盐、氨氮和COD的平均去除率分别为97.9%、95.2%和81.6%[49]。WU等[50]利用PN/ANAMMOX+PD/ANAMMOX 组合工艺进行垃圾渗滤液的低能耗处理，也取得较好的效果。总而言之，在分段式组合工艺中，可以根据水质选择不同的组合工艺，也可以根据组合工艺进行各种废水的同步处理。

3.2 一体式组合工艺

分段式组合工艺易控制，但占用土地面积大，而一体式组合工艺则能够减少土地成本，提升经济效益。CAO等[51]将成熟的PD污泥和ANAMMOX污泥接种至同一个SBR中，开发了一种同时进行PD和ANAMMOX的反硝化氨氧化(DEAMOX)工艺。研究者发现DEAMOX工艺中利用乙酸和乙醇培养的陶厄氏菌属在180 d的长期运行后仍能保持较高丰度(61.53%和45.17%)，而作为ANAMMOX功能菌的CandidatusKuenenia菌属也共存于反应器中[43]56。因此，在同一个反应器中接种PD污泥和ANAMMOX污泥进行ANAMMOX具有可行性。

陈国燕等[52]利用DEAMOX工艺处理模拟城镇污水，WANG等[53]利用DEAMOX工艺对垃圾渗滤液进行深度脱氮，JI等[54]开发了一种协同PD、ANAMMOX和原位发酵(SPDAF)工艺处理生活污水和含硝酸盐的废水，均取得较好的效果。以上研究再次证明了PD具有为ANAMMOX提供亚硝酸盐的潜力，可以促进ANAMMOX的全面推广。

SBR受运行模式影响，每天处理水量有限，因此，能同时进行PD和ANAMMOX的连续流一体式工艺无疑是更好的选择。LI等[55]将PD种子污泥接种在连续流反应器的下部，将ANAMMOX污泥接种在反应器的上部，开发了一种新型的氨氮和硝酸盐异养型生物去除(HANBON)工艺。与之类似的是，DU等[56]将DEAMOX工艺中的种子污泥接种在UASB中也达到了较好的氮去除效果。WANG等[57]还将PN、PD、ANAMMOX组合成连续流的PN/ANAMMOX + PD/ANAMMOX的两段式工艺，在处理垃圾渗滤液的研究中最终出水TN为15.7 mg/L，TN去除率可达到98.8%。表2例举了现有的PD/ANAMMOX工艺研究成果。

注：虚线框中为PD过程，narG为Nar编码基因；nirS/nirK为 cd1型和Cu型Nir编码基因；norB为NOR编码基因；nosZ为N2OR编码基因。图1 反硝化过程涉及的酶和对应的编码基因Fig.1 Enzymes involved in the denitrification process and corresponding coding genes

表2 PD/ANAMMOX工艺实验研究Table 2 PD/ANAMMOX process experimental research

3.3 中试及生产性规模研究实例

彭永臻等[58]利用城市污水处理厂实际进水进行了中试规模PD系统的启动、稳定及调控方法的研究。该研究以污泥消化液为碳源，通过控制进水比例、调节C/N、调整水力停留时间，在125 d时成功启动PD系统，在300 d的长期观察中，亚硝酸盐转化率维持在75%以上，证明了它为城市污水ANAMMOX脱氮过程提供底物亚硝酸盐氮的可行性。

目前，关于PD/ANAMMOX工艺中试或生产性规模的专项研究实例少见报道，但根据最新的报道，西安第四污水处理厂为中国较早的主流ANAMMOX工艺污水处理厂[59]。该污水处理厂原为A/A/O工艺，2012年改建为使用流化生物载体的移动床生物膜反应器装置，缺氧区载体上的生物膜中富集了典型的氨氧化细菌(如亚硝化毛杆菌属(Nitrosomonas))和一些反硝化细菌(如陶厄氏菌属)，两者都能够产生亚硝酸盐氮，为ANAMMOX细菌的生长提供底物，最新的研究表明该反应体系中的亚硝酸盐主要是由PD提供[60]。此外，生物膜中的ANAMMOX细菌丰度比絮凝污泥中高，以及远高于理论最高水平的TN去除率都证明了ANAMMOX反应的发生。鉴于以上结果，可以对主流污水处理厂进行升级改造，将PD/ANAMMOX工艺融入其中，以达到提高TN去除率和降低成本的效果。

4 PD/ANAMMOX工艺应用前景

现有的组合工艺已经证明了PD的巨大潜力，无论是只含有氨氮的废水还是既有氨氮又有硝酸盐氮的废水，都可以根据不同的水质特征选择不同的组合工艺。通过各种组合工艺联合处理不同来源的废水也具有巨大的经济优势。

目前大多数污水处理厂面临脱氮不完全的情况[61-62]，为了达到国家日益严格的污水排放标准，许多污水处理厂都设置了深度脱氮的三级处理单元[63-65]。其中常见的是生物滤池[66-67]。然而传统生物滤池难以精确地控制碳源投加量，碳源过多会导致COD过量和污泥产量增加，不足则会导致温室气体(N2O)的产生[68]。CUI等[69]将传统的生物滤池改造成PD生物滤池，与ANAMMOX耦合后在深度脱氮方面取得较好的效果。因此，可以尝试将PD/ANAMMOX工艺应用在城市污水深度脱氮方面。

PD在处理ANAMMOX出水方面也具有良好的应用前景。ANAMMOX主要应用于高氨氮废水的处理，如污泥厌氧消化液、高氨氮工业废水和垃圾渗滤液[70-71]等。以氨氮约为3 000 mg/L的垃圾渗滤液为例[72]，理论出水硝酸盐氮大于300 mg/L，这显然需要进一步处理，PD/ANAMMOX无疑是一种经济高效的工艺[73]。

除了高氨氮废水，还有处理高硝酸盐工业废水的应用。据报道，很多工业废水都含有高浓度的硝酸盐，如化肥生产、核工业、钢铁冶炼、食品加工和炸药生产废水等[74-78]。利用PD/ANAMMOX工艺处理高硝酸盐工业废水具有可行性[79]。

此外，中国南方的稀土矿山尾水中也具有较高浓度的氨氮和硝酸盐氮。据统计，中国南方离子型吸附黏土矿中的重稀土元素占世界总量的80%以上[80]。在离子型稀土开采过程中一般使用高浓度的硫酸铵作为浸出剂，使铵离子和稀土离子进行离子交换形成含稀土离子的母液[81-82]，原地浸矿[83]最终会导致高氨氮废水的形成。土壤中残留的部分硫酸铵会被氧化成硝酸盐氮，随雨水进入地表水和地下水，造成水体污染[84-85]。对于稀土矿山中的富氨废水，利用生物法进行脱氮无疑是较佳选择，而生物脱氮工艺中的PN、PD、ANAMMOX及其组合工艺无疑是非常经济的选择。然而，重金属会对微生物的生物过程产生明显的影响[86-87]，因此，稀土元素的存在可能会是利用生物法处理稀土废水的一大挑战。

5 结语与展望

从PD工艺的提出到反应器的成功启动，从亚硝酸盐积累机理探究到反应器的运行调控，从分段式反应器的组合控制到一体式反应器的启动耦合，都表明通过PD为ANAMMOX提供亚硝酸盐具有巨大的应用潜力。现有的研究为PD/ANAMMOX工艺的实际应用奠定了坚实的基础，然而PD/ANAMMOX工艺的全面推广还有很多问题尚待解决，今后的研究可以从以下方面进行：

(1)探明SBR中PD功能菌的富集机理，了解功能菌的种间选择机制，为SBR的启动提供理论基础。

(2)探索出连续流PD反应器的启动方法，为连续流反应器的启动提供技术基础。或者对已有的连续流PD反应器中功能菌的富集机理及种间选择机制进行探究，为连续流反应器的启动提供理论基础。

(3)不接种种子污泥的情况下，直接在连续流ANAMMOX反应器中启动PD，突破ANAMMOX工艺全面推广的瓶颈。

(4)探明废水中各种对微生物不利的因素(如重金属、抗生素等)对PD/ANAMMOX工艺的性能及微生物群落的影响。

(5)利用实际废水进行中试规模的研究，为实际应用奠定技术基础。

(6)进行主流污水处理厂的升级改造，尝试将PD/ANAMMOX工艺融入其中，探索出一整套合理的改造方案和运行调控方法。