厌氧氨氧化工艺在污泥消化液中的应用研究

吴莉娜，王春艳，闫志斌，苏柏懿，李进

(北京建筑大学 城市雨水与水环境教育部重点实验室，北京 100044)

近年来，污泥在经过厌氧消化技术后产生了少量的上清液，有机氮被分解为氨氮进入上清液中，使得污泥消化液中的氨氮浓度高达1 000 mg/L以上，是典型的高氨氮废水。此外，污泥消化液经过热水解工艺预处理后，其氨氮浓度(3 000 mg/L)高于一般的污泥消化液[1],氮排放过量又会引起水体的富营养化现象，故需对其进行脱氮处理。如若将其回流至污水厂处理工艺的前端，不仅会使系统的氮负荷增加20%±5%，还会增加相应的处理成本和难度。因此，可对污泥消化液进行独立处理(如厌氧氨氧化工艺等)，这不仅能减少处理成本，还可提高出水水质，实现高效脱氮[2]。

目前，污泥消化液的脱氮处理工艺有厌氧氨氧化耦合工艺、硝化-反硝化工艺、短程硝化工艺等。因污泥消化液的水质特点适宜氨氧化菌(Ammonia oxidizing bacteria,AOB)的生长，进而实现稳定的短程硝化作用[7]。但因ANAMMOX菌对环境要求严格、增殖较慢等，使其富集培养较困难。然而，世界上第一座厌氧氨氧化工程即是对污泥消化液进行处理[8]，这为厌氧氨氧化技术在污泥消化液中的研究应用提供了实践支撑。在已有的基础上，如何通过控制条件实现厌氧氨氧化工艺在污泥消化液工程化中的高效脱氮，这将是现在乃至未来的研究趋势。基于此，本文从厌氧氨氧化耦合工艺在污泥消化液中的应用及影响因素等角度出发，总结了厌氧氨氧化耦合工艺在污泥消化液处理的适用性。

1 厌氧氨氧化技术在污泥消化液应用中的 影响因素

污泥消化液主要由厌氧消化过程中产生的上清液和脱水液组成，它具有水量少、氨氮较高、碳氮比低、温度较高(30 ℃左右)和略显黄色等特点[7]。虽污泥消化液的水质特性适合厌氧氨氧反应，但环境因素制约着厌氧氨氧化工艺在实际启动和稳定运行过程的进行，如反应器类型、进水pH、C/N、游离亚硝酸和游离氨(free ammonia，FA)等[9]。基于此，本文着重阐述了基质浓度、溶解氧、pH和温度等因素对系统脱氮性能的影响。

1.1 基质浓度

1.2 溶解氧(Dissolved oxygen,DO)

在实际污泥消化液的研究应用中，常在连续低氧曝气、间歇曝气和厌氧三种条件下运行厌氧氨氧化耦合工艺进行脱氮处理。短程硝化和全程自养脱氮等工艺主要是在连续低氧和间歇曝气条件下进行，其主要是根据AOB菌对氧的亲和力要强于NOB菌来控制DO值[16]。而间歇曝气中的DO值主要是通过AOB菌从缺氧环境下活性恢复快来确定[17]。短程反硝化和厌氧氨氧化工艺则主要是在厌氧条件下进行[18]。Wu等[19]采用短程硝化-厌氧氨氧化工艺处理污泥消化液时，通过控制DO(2～4 mg/L)实现了稳定的短程硝化作用，亚硝酸盐的积累率超过70%；在ANAMMOX阶段停止曝气，DO下降至(0.7±0.2) mg/L，系统脱氮率较好。韩晓宇等[1]采用厌氧氨氧化耦合工艺对污泥消化液进行处理时发现，稀释的污泥消化液在DO为0.5 mg/L时即可实现稳定脱氮，而当污泥消化液原水进入反应器反应时，系统的脱氮性能略微下降，但当降低DO(0.3 mg/L) 和延长HRT时，系统的脱氮性能逐渐恢复并趋于稳定。可见，DO是稳定的短程硝化的重要影响因素，也是厌氧氨氧化高效脱氮的前提。

1.3 pH

pH对系统的脱氮性能也有着重要的影响。有研究表明，系统在运行中在调控pH条件下的脱氮能力要比不调控的条件下高出约5倍[20]。大量研究表明，一体式ANAMMOX工艺中的最适宜pH范围为7.0～8.5[21]。查正太等[22]采用厌氧氨氧化耦合工艺探究了pH对污泥消化液的影响，结果表明，pH为8.0时，系统脱氮处理效果最佳。然而周家中等[23]采用ANAMMOX耦合工艺处理污泥消化液中发现系统在pH为8时，出现了结垢现象，这可能是由于污泥消化液的硬度高而引起的；在探究pH对系统的影响试验中发现，当pH为7.5时，可避免此现象的发生；同时，还能获得稳定的亚硝酸盐出水。Zhang等[24]研究表明当pH降至酸性时，细菌的活性最弱，但可通过升高pH和延长HRT方法来恢复细菌的活性。

游离氨和游离亚硝酸(free nitrous acid，FNA)反映了pH的动态平衡，pH较高时，FNA受到抑制；反之，FA受到抑制，FA和FNA的计算方式见公式(1)和(2)[25]。Josep等[20]表示pH降低时，FA和FNA也对系统起抑制作用。樊宇菲等[26]在对污泥消化液进行处理时，通过调控FA和FNA指标，系统的脱氮效果较好。故在实际污泥消化液处理中，可通过监测pH值来确保厌氧氨氧化是否处于抑制状态，同时需避免系统出现结垢现象。

(1)

(2)

1.4 温度

研究表明厌氧氨氧化菌的最适温度为35 ℃，高温和低温环境均会抑制功能菌的活性，甚至使失活[27]。Li等[11]在(34±1) ℃条件下采用ANAMMOX工艺对污泥消化液进行处理时，脱氮效果较好。虽污泥消化液的温度适宜细菌的生长，且中温下ANAMMOX在污泥消化液中的脱氮效果较好，但在冬季较冷的环境温度下厌氧氨氧化工艺对污泥消化液的脱氮能力还需探讨。Josep等[20]研究发现系统在30 ℃时，对污泥消化液处理时脱氮效果较好；但为确保低温条件下厌氧氨氧化工艺能够稳定运行，对系统采取逐渐降温的措施(从30 ℃降至24 ℃)，结果表明系统的脱氮能力降低，但由于MLSS较高，污泥的沉淀性能却得到了改善。Jose等[28]研究表明接种颗粒污泥的厌氧氨氧化系统在低温环境下脱氮能力较好，还发现低温环境下一体式系统的脱氮效果要优于两段式。Szatkowska等[29]在低温(25 ℃)条件采用了短程硝化-厌氧氨氧化与生物膜系统耦合对污泥消化液进行了处理，结果显示，系统的脱氮率超过了70%，证实了低温条件下ANAMMOX耦合工艺也能达到较好的脱氮效果。可见，在实际应用中，厌氧氨氧化耦合工艺在低温环境下处理污泥消化液时应考虑接种污泥类型、反应器类型等对系统脱氮能力的影响。

2 厌氧氨氧化耦合工艺及其应用

目前，厌氧氨氧化耦合工艺在污泥消化液中的研究应用较成熟，应用较广泛的是短程硝化-厌氧氨氧化工艺，有研究表明约85%以上的耦合工艺为短程硝化-厌氧氨氧化工艺，其中一体式工艺又在短程硝化-厌氧氨氧化(Partial nitrification-ANAMMOX，PN/A)工艺研究中占比较大(>50%)[30]。

2.1 短程硝化-厌氧氨氧化工艺

2.2 同时亚硝化-厌氧氨氧化-反硝化工艺

SNAD工艺即是将Partial nitrification、ANAMMOX和Denitrification结合的ANAMMOX耦合工艺[34]。它具有能耗低、同时除碳脱氮等优点，但一体式的SNAD工艺中短程硝化过程的稳定性是工艺的关键之一[7]。

王刚[7]表示SNAD-MBR工艺在混合曝气(实验产气和空气混合)、DO控制在0.3～0.8 mg/L的条件下脱氮效果最佳，且可实现高效的亚硝积累，并证实了SNAD工艺在污泥消化液中应用的可行性。谭冲[35]研究表明采用SNAD工艺处理污泥消化液时，当COD浓度不超过200 mg/L时，脱氮以Anammox为主，而当COD浓度提高时，脱氮以反硝化为主。而邹瑜[36]将SNAD与藻类厌氧发酵耦合过程中发现，PN、ANAMMOX和Denitrification的功能菌能在系统中共存，脱氮效果最佳。Li等[37]证实了在PN/A工艺的基础上，可与反硝化进行耦合以去除产生的硝酸盐，且脱氮效果较好。此外，Du等[38]在一体式生物膜/活性污泥反应器中启动了SNAD工艺，研究发现在进水负荷较高的条件下能富集AOB菌，脱氮率超过了92%。同时，杨延栋[39]和Yang等[40]在相同的反应器中均发现厌氧氨氧化菌、短程硝化菌和反硝化菌可共存于一个系统中。综上可知，SNAD工艺实现了污泥消化液的高效脱氮，在工程化应用中具有广阔前景。

2.3 全程自养脱氮工艺

CANON工艺与PN/A工艺的原理相似，其具有脱氮路径短、温室气体排放量少、生物群落较复杂和污泥流失严重等特点。但因其是在同一反应器中运行，AOB菌和AnAOB菌协同完成污泥消化液的脱氮处理，同时，ANAMMOX反应的厌氧或缺氧环境是由PN过程中消耗反应器中的DO创造的[41]。

张亮[6]采用复合膜一体式CANON工艺，通过增加进水氨氮负荷的方式实现了ANAMMOX耦合工艺的快速启动，系统的总氮去除率高达90%，实现了高效脱氮。Yang等[40]采用相同工艺对污泥消化液进行处理，但其是通过先向污泥消化液补充亚硝酸盐的方式富集ANAMMOX菌，再将实际的PN出水进入ANAMMOX反应器中，结果显示，当实际污泥消化液进入时，脱氮效果和COD去除率均出现下降，但通过控制絮体污泥的浓度系统的整体去除效果逐渐恢复，同时，高浓度的有机质对生物膜中的ANAMMOX菌的抑制作用较小。Qian等[14]通过三个阶段(PN、PNA和SPNA)实现了污泥消化液的高效脱氮，亚硝酸盐的积累率高达80%，但在试验中发现，当ANAMMOX污泥暴露在空气中时间较长(>90 min)时，细菌的活性明显降低。杨延栋等[39]探究了一体式CANON工艺对污泥消化液脱氮性能的影响，其采用先处理合成废水、再处理生活污水与污泥消化液混合液、最后再逐渐提高污泥消化液比例的方式启动CANON系统，通过控制HRT实现了90%的脱氮率，但在处理实际废水过程中发现，可在低DO和较高的FA条件下避免功能菌的活性下降现象的发生。为解决污泥流失问题，孙庆花等[41]在反应器中投加填料的方式对污泥消化液进行处理，采用逐步提高进水负荷和调整生物膜的填充率的方式运行，结果表明，系统的脱氮效果较好。Jose等[28]研究表示接种颗粒污泥的CANON系统具有良好的生物保留量，系统脱氮效果较好。可见，CANON工艺能够实现污泥消化液的脱氮，且与膜工艺等想耦合能够缓解污泥流失等问题。

2.4 其他耦合工艺

查正太等[22]采用厌氧氨氧化与反硝化耦合工艺对污泥消化液进行处理，结果显示，两种功能菌能共存于同一系统中；同时，系统遭到破坏时，可通过控制pH值来确保反应的进行。梁松等[42]采用铁氨氧化对污泥消化液进行了处理，研究表明，脱氮率最高的为水铁矿组，氨氮的去除率超过了70%，同位素标记显示以铁氨氧化反应为主，并表示腐殖质对铁氨氧化反应有促进作用，减弱了反应的钝化作用，这为污泥消化液的处理提供了另一种氨氧化的思路。Wu等[19]采用PN/A与Coammox工艺耦合对污泥消化液进行处理，通过抑制NOB菌实现了稳定的亚硝酸盐积累，投加碳源去除Coammox产生的硝酸盐，最终系统的脱氮率高达98%。为解决两段式PN/A工艺中絮体污泥进入ANAMMOX反应器中的问题，Ding等[43]采用短程硝化-微滤-厌氧氨氧化工艺对污泥消化液进行处理，结果显示，该耦合工艺的总氮去除负荷超过了0.8 kgN/(m3·d)，这高于两段式PN/A的总氮去除负荷[0.55 kgN/(m3·d)]，同时，还发现ANAMMOX反应器中的絮体污泥来自于PN反应器，而微滤工艺有效拦截了悬浮物质，阻止了絮体污泥直接进入ANAMMOX反应器中，使ANAMMOX系统更稳定，证实了该耦合工艺在污泥消化液中处理的可行性。

3 工程应用

随着厌氧氨氧化技术的不断深入研究，工程化应用在全球范围内也逐渐建设。因污泥消化液的水质特性符合厌氧氨氧化技术的应用，此外，世界上第一座厌氧氨氧化工程则是采用SHARON+ANAMMOX耦合工艺对污泥消化液进行处理。截止2017年底，全世界范围内的厌氧氨氧化工程已建有100多座，其中以污泥消化液为处理对象的工程超过75%[3]，厌氧氨氧化在国外的工程化应用见表1。

表1 国外的针对污泥消化液建立的厌氧氨氧化工程Table 1 ANAMMOX project established for sludge digest liquid abroad

近几年，我国的厌氧氨氧化研究也逐渐渗入，针对垃圾渗滤液[12]、污泥消化液[41]和城市生活污水等[18]，建有实际工程和中试，如青岛海泊污水处理厂等[47]，为厌氧氨氧化技术在我国的污泥消化液上的工程化应用提供了更多的技术支撑。

3.1 北京市高碑店污水处理厂

表2 进水污泥消化液的水质参数Table 2 Water quality parameters of inlet water digest liquid

3.2 SNAD-MBBR中试工艺

图1 SNAD-MBBR工艺流程图Fig.1 SNAD-MBBR process flow diagart

4 总结展望

目前，厌氧氨氧化工艺作为绿色、可持续的生物脱氮工艺，受到了学者们的广泛关注。大量研究和工程应用已证实了厌氧氨氧化耦合工艺在污泥消化液处理中的可行性。实际应用中通过控制DO和pH等条件实现污泥消化液的高效脱氮。但如何在低温条件下实现污泥消化液的高效脱氮；如何在厌氧氨氧化工艺实现污泥消化液高效脱氮的同时防止污泥流失、富集AOB菌等问题还需进一步研究。此外，虽然污泥消化液的工程化应用在厌氧氨氧化工程中占比较大，以及污泥消化液的水质适宜ANAMMOX技术的处理，但国内的污泥消化液工程还非常稀少，需要进一步去推广应用。