閆江龍

（深圳市浩瑞泰科技有限公司，廣東 深圳 518000）

自20 世紀(jì)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(tǒng)生物脫氮技術(shù)承擔(dān)著城市污水處理廠有機(jī)物去除和脫氮除磷的重任。有機(jī)物和氨的好氧氧化與反硝化脫氮過程造成大量資源浪費(fèi)，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(fèi)的主體之一，也成為生態(tài)環(huán)境的重要污染源[1]。為降低傳統(tǒng)處理過程的能耗與剩余污泥產(chǎn)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(xì)菌（AnAOB）的問世被認(rèn)為是水污染控制領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)[2]。在全球海洋氮循環(huán)過程中，厭氧氨氧化過程導(dǎo)致的N2產(chǎn)量占海洋N2釋放量的30%～50%。這些發(fā)現(xiàn)宣告了該工藝的誕生，它逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

氨氧化細(xì)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(yīng)對措施。一是培養(yǎng)生物膜或顆粒污泥，延長微生物停留時(shí)間，獲得高活性菌群，并完成反應(yīng)器的高氨氮啟動和低氨氮馴化。二是優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，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(tǒng)脫氮效率均有提高，但它隨進(jìn)水氨氮濃度降低而降低，優(yōu)化工藝運(yùn)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(jié)約與資源回收利用方面具有優(yōu)勢，也存在發(fā)展瓶頸，其也是學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。本文結(jié)合研究現(xiàn)狀，綜述城市污水主流亞硝化-厭氧氨氧化的關(guān)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(yīng)器運(yùn)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(shí)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(zhuǎn)化率。AnAOB 活化能與AOB 接近，大于NOB，因此溫度降低會導(dǎo)致NO2-積累不足，無法為厭氧氨氧化反應(yīng)提供足夠底物。在移動床生物膜反應(yīng)器（MBBR）中，當(dāng)厭氧氨氧化溫度由30 ℃向10 ℃變化時(shí)，AnAOB依舊可以保持良好活性，AnAOB 優(yōu)勢菌屬發(fā)生轉(zhuǎn)變，說明某些AnAOB 可以在低溫下進(jìn)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(diào)節(jié)其他運(yùn)行條件，使AOB 和AnAOB 生物活性恢復(fù)，系統(tǒng)在低溫條件下重新獲得穩(wěn)定脫氮能力。目前，大多研究分析溫度瞬間降低或短時(shí)間內(nèi)低溫對亞硝化-厭氧氨氧化工藝脫氮效果的影響，無法準(zhǔn)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(tǒng)中AOB 和AnAOB 生物活性同時(shí)抑制NOB 生長是利用該工藝進(jìn)行城市污水脫氮的主要難題之一。有研究認(rèn)為，只要保證充足生物量，低溫條件所導(dǎo)致的低微生物活性不會對該工藝脫氮能力產(chǎn)生影響，此觀點(diǎn)還需要試驗(yàn)論證。

2 進(jìn)水氨氮濃度

進(jìn)水氨氮濃度是通過影響AOB 和AnAOB 細(xì)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(wěn)定性，進(jìn)水氨氮濃度越低，對AnAOB 生長活性的抑制作用越強(qiáng)，若長期運(yùn)行，該抑制不可逆。一方面，進(jìn)水氨氮濃度升高會產(chǎn)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(dāng)游離氨濃度大于100 mg/L 時(shí)，AOB 活性會受到明顯抑制[3]；當(dāng)游離氨濃度大于1 g/L 時(shí)，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(dǎo)致亞硝酸鹽被氧化為硝酸鹽，進(jìn)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(tǒng)脫氮效率。同時(shí)，有研究指出，微生物種群中AOB數(shù)量要比AnAOB 小一個數(shù)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(zhì)亞硝酸鹽，而NOB 數(shù)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(wěn)定性和脫氮能力[5]。因此，在低氨氮濃度條件下，需要通過調(diào)節(jié)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(jī)物

有機(jī)物的存在會影響AnAOB 生長。反硝化反應(yīng)釋放出比厭氧氨氧化反應(yīng)更高的自由能，且異養(yǎng)反硝化菌（HB）生長速率遠(yuǎn)大于AnAOB，故存在有機(jī)物時(shí)，異養(yǎng)菌會大量繁殖，AnAOB 將難與HB 競爭亞硝酸鹽。湯春江等[6]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)厭氧氨氧化工藝進(jìn)水化學(xué)需氧量（COD）濃度與亞硝酸鹽氮（NO2--N）濃度之比為2.92 時(shí)，AnAOB 活性受到抑制，異養(yǎng)反硝化菌成為優(yōu)勢菌種，在此條件下長期運(yùn)行反應(yīng)器，工藝脫氮性能難以恢復(fù)。當(dāng)進(jìn)水COD 濃度超過237 mg/L 時(shí)，其工藝脫氮作用停止。當(dāng)進(jìn)水COD 濃度為95 mg/L，系統(tǒng)中有大量高活性功能菌AOB 和AnAOB 存在時(shí)，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(dāng)?shù)蜏?、低氨氮等因素使得功能菌AnAOB 活性降低時(shí)，低濃度有機(jī)物是否會對亞硝化-厭氧氨氧化工藝脫氮效率和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響需要深入研究。不同有機(jī)物對AnAOB 的影響差異很大。研究發(fā)現(xiàn)，甲醇等會抑制厭氧氨氧化過程，因?yàn)锳nAOB 細(xì)胞能把甲醇轉(zhuǎn)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(yīng)關(guān)鍵酶失活，從而直接削弱AnAOB 生理代謝活性。即使反應(yīng)環(huán)境有少量有機(jī)分子，也會對AnAOB 活性產(chǎn)生強(qiáng)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(yīng)底物，同時(shí)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(yīng)速率。當(dāng)pH 低時(shí)，游離銨濃度很低，對NOB 的抑制作用降低，NOB 生長較快，嚴(yán)重影響其反應(yīng)進(jìn)行；反之，當(dāng)pH 高時(shí)，游離銨濃度增高，AOB 生長速率大于NOB，可實(shí)現(xiàn)NO2-積累。AnAOB 對pH 改變特別敏感。經(jīng)厭氧氨氧化反應(yīng)機(jī)理分析，過高或過低pH 都不利于關(guān)鍵中間產(chǎn)物羥氨生成，會使其反應(yīng)速率下降[7]。厭氧氨氧化反應(yīng)也會增加反應(yīng)體系堿度，提高反應(yīng)體系pH。相對于城市污水側(cè)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(shí)對主流pH 控制提出更高要求。研究發(fā)現(xiàn)，亞硝化段AOB 和厭氧氨氧化段AnAOB的最佳水環(huán)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(tǒng)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(nèi)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(zhì)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(shù)為0.2～0.4 mg/L，NOB氧飽和常數(shù)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(tǒng)中，AOB 成長于外表面層，NOB 略往內(nèi)部深幾微米，而AnAOB 則生長于內(nèi)層缺氧環(huán)境中。AnAOB 是厭氧菌，需要外層AOB 及時(shí)消耗掉水中O2，避免對內(nèi)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(nèi)層，影響AnAOB 活性。O2對AnAOB 活性的影響是可逆的，恢復(fù)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(shí)間內(nèi)恢復(fù)。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(nèi)部呈由外向內(nèi)的擴(kuò)散狀態(tài)，因此，當(dāng)O2成為限制性因素時(shí)，相較調(diào)控液相DO 濃度，調(diào)控O2/NH4+通量在抑制NOB 及維持AOB 和AnAOB 活性方面更具科學(xué)性，這一點(diǎn)經(jīng)小試和數(shù)值模擬論證可行且有效。

6 結(jié)論

從已有研究來看，低溫條件可以實(shí)現(xiàn)亞硝化-厭氧氨氧化工藝啟動和穩(wěn)定運(yùn)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(shù)角度而言，低氨氮問題可通過向亞硝化-厭氧氨氧化系統(tǒng)中添加氨氮吸附材料（同時(shí)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(xì)菌在曝氣條件下對沸石進(jìn)行再生，但新生成的（亞）硝態(tài)氮仍需要進(jìn)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(shí)直接實(shí)現(xiàn)吸附材料生物再生，操作簡便且降低能耗。