厌氧氨氧化应用于城市生活污水处理的研究进展

陈雪文

（苏州高新区狮山横塘街道建设管理服务所，江苏 苏州 215010）

生态文明建设是关系到中华民族发展的根本大计，随着生态文明建设的推进，碳达峰、碳中和已被纳入我国生态文明建设整体布局中。近年来，国家的经济发展速度不断提升，人们的生活水平也不断提高，但污水排放问题却变得越来越严重。因此，国家相关管理部门不断加强对污水处理厂的建设力度，并引进了很多先进的技术手段，来优化污水处理效果。厌氧氨氧化工艺技术就是其中之一。由于厌氧氨氧化菌独特的代谢方式，其与传统的污水处理（硝化/反硝化）工艺相比具有以下优势：①在氨氮氧化为亚硝氮的过程中减少了60%的需氧量；②无需外部碳源投加量，并减少80%的剩余污泥量[1]。

根据亚硝酸的来源不同，耦合工艺分为两大类。其一是厌氧氨氧化与短程硝化的耦合[2]；其二是厌氧氨氧化与短程反硝化工艺的耦合[3]。因此，如何实现亚硝酸的获取和副产物的消除，以及如何实现厌氧氨氧化菌的优势化是厌氧氨氧化工艺高效稳定运行的关键。目前，通过提高反应温度、降低溶解氧、提高进水氨氮浓度、调节污泥龄等方式实现亚硝酸盐的累积，这些技术已被成功应用于污泥消化液、垃圾渗滤液、工业废水等高氨氮废水处理。然而，由于城市生活污水碳氮比较高、温度随季节波动大等，这些特点使厌氧氨氧化工艺的应用面临着诸多困难。

1 厌氧氨氧化工艺应用于城市生活污水处理的限制因素

1.1 厌氧氨氧化菌与其他功能菌的竞争

在现实中，厌氧氨氧化菌广泛地存在于城市污水厂中[4]。由于厌氧氨氧化菌的生长速率非常缓慢，倍增时间长达11天[5]，这使得厌氧氨氧化反应器的启动时间增加。基于以上原因，厌氧氨氧化菌需要与AOB、NOB、反硝化菌以及其他的异养菌在同一系统中竞争生存空间，这对不同的基质形成了非常复杂的竞争关系。

1.2 温度

侧流工艺中的反应温度一般为30～40 ℃，这是为了保证AOB的生长速率高于NOB，并且两者的差值会随着温度的增加而不断拉大。在实际工作中，当对城市主流污水进行处理时，在低温环境下，对PN/A工艺的实现和稳定运行提出了新的挑战。

1.3 碳氮比（C/N）

厌氧氨氧化菌是严格的化能自养菌，以二氧化碳作为碳源合成体细胞。一般而言，有机物的存在不能对厌氧氨氧化菌产生直接不利的影响，甚至有少量有机物，如乙酸钠还能加速厌氧氨氧化菌的生长及胞外聚合物的分泌。但较高浓度的有机物（C/N>2）反而会促进异养菌的生长，进而与厌氧氨氧化菌争夺生存空间与基质。其原因如下：首先，异养菌的生长速率普遍高于自养菌，由此导致的污泥量增加更容易使厌氧氨氧化菌被淘洗出系统。其次，异养菌的大量繁殖加剧了脱氮功能菌群之间对于基质的竞争。研究发现，在进行污水处理时，当进水中小分子有机物含量过高时（C/N接近2左右），厌氧氨氧化菌的反应活性就会明显受到抑制。而对于全程自养脱氮工艺而言，进水C/N比低于0.7时可获得比较好的脱氮效果。

2 厌氧氨氧化工艺在城市污水处理中应用的研究进展

厌氧氨氧化工艺是目前最绿色节能的生物脱氮工艺之一，并被认为是未来污水处理工艺向“集水资源再生、能源回用及资源回收”方向发展的重要途径之一。然而，由于厌氧氨氧化菌特殊的代谢特征，限制了其在主流污水处理环节的广泛应用。相关技术人员针对厌氧氨氧化菌生长缓慢、产率低、易受环境影响等特点，近年来对厌氧氨氧化工艺在主流污水处理中应用的研究主要集中在“如何实现厌氧氨氧化菌高效富集与截留”、“如何实现NOB的抑制”、“如何适应低温环境”等方面。所以，相关技术人员应该加大研究力度，不断开发，争取早日完善此项工艺技术。

2.1 厌氧氨氧化的高效富集（生物膜法）

生物膜是自然界广泛存在的一种微生物聚集形式。生物膜能够使微生物固定化生长，并为微生物反应提供特殊的微环境。生物膜法与传统的悬浮态活性污泥法相比，其更能够显著提高反应体系生物量，保留世代时间长的菌属，提高微生物结构多样性，并具有更高的抗冲击负荷。因此，生物膜法也是城市污水二级生物处理的一种常用方法，其对污水水质、水量的变化有较强的适应性，管理方便，不会发生污泥膨胀，以及能够处理低浓度的污水。因此，无论是借助挂膜填料或是自身聚集形成的生物膜法，都被证明是实现厌氧氨氧化工艺在主流污水处理中应用的有效途径。

为了解决污水厂的脱氮效率及运行问题，某公司开发了一种新工艺移动床生物膜反应器。这种反应器最早是为了在好氧区投加轻质填料，为了实现污泥的固定生长而缓解膜分离组件的生物堵塞。后来，由于高比表面积填料的研发和使用，移动床反应器兼具了传质效率高、抗冲击负荷效果好，微生物种类丰富等优势。并且，在无需接种厌氧氨氧化污泥的前提下，厌氧氨氧化工艺在移动床反应器内可在较短时间内实现启动。

2.2 PNA工艺对NOB的抑制

PNA系统后置短程反硝化实现城市污水深度脱氮控制的装置与方法是，在一个SBR反应器内实现城市生活污水深度脱氮的技术。PNA系统结合在好氧阶段将短程硝化耦合厌氧氨氧化，在缺氧阶段将短程反硝化和厌氧氨氧化耦合，以此解决短程硝化厌氧氨氧化一体化的应用，是对于城市生活污水中出水氨氮不能过低导致NOB竞争性增长和出水硝酸盐高的重要举措。PNA工艺对NOB的抑制通常是通过控制溶解氧的浓度，在低溶解氧环境中，AOB对溶解氧具有更高的亲和力，以此限制NOB的生长[6]。然而，在低溶解氧条件下运行同样会不同程度地降低AOB反应活性，最终导致整个反应过程速率下降[7]。

2.3 碳分离（碳捕捉）

城市污水中的C/N普遍较高，这是PNA工艺应用于主流污水处理必需解决的问题之一。研究表明，当进水C/N低于0.5时，系统可以获得较好的脱氮性能。目前，污水中的有机物被认为是可回收利用的宝贵碳资源，若是通过传统工艺好氧分解生成CO2是一种能量的浪费。因此，为保证厌氧氨氧化过程的高效脱氮及碳资源的回收利用，在PNA工艺之前需对污水进行碳氮的分离。

碳分离的方式根据原理不同可分为：高负荷活性污泥工艺、化学强化一级处理、厌氧预处理等。HRAS工艺通常可以理解为AB工艺中的A段，即采用较短的水力停留时间和污泥龄快速捕捉进水的碳[8]。而B段则主要通过自养代谢的途径来去除污水中剩余的营养物质。因此COD通过HRAS去除，在B段中通过AOB和厌氧氨氧化来强化脱氮效能并通过水力旋流器来截留和富集厌氧氨氧化颗粒。主流厌氧氨氧化的AB工艺在工程上获得了成功运行。

3 结论

在现阶段的发展过程中，我国厌氧氨氧化污水处理工艺与一些能熟练应用此方法的国家相比，还处于较落后的状态。随着生态文明建设的推进，碳达峰、碳中和已被纳入我国生态文明建设整体布局中，传统高能耗、高成本、低效率的污水处理技术已无法满足社会的发展需求。对于新兴的低能耗、低成本、高效率的厌氧氨氧化工艺的研究与应用受到广泛关注。因此，在未来污水处理事业的发展中，相关技术人员一定要加强对厌氧氨氧化工艺的研究力度，不断提高污水处理质量，以促进污水处理事业的稳定发展。