城市污水主流亚硝化-厌氧氨氧化的关键影响因素综述

闫江龙

（深圳市浩瑞泰科技有限公司，广东 深圳 518000）

自20 世纪初活性污泥法诞生以来，厌氧-缺氧-好氧法（A2O）、序批式活性污泥法（SBR）、氧化沟等传统生物脱氮技术承担着城市污水处理厂有机物去除和脱氮除磷的重任。有机物和氨的好氧氧化与反硝化脱氮过程造成大量资源浪费，曝气过程能耗、剩余污泥排放及温室气体排放已使得城市污水处理厂成为资源浪费的主体之一，也成为生态环境的重要污染源[1]。为降低传统处理过程的能耗与剩余污泥产生量，人们积极探索新工艺。厌氧氨氧化工艺与其功能微生物厌氧氨氧化细菌（AnAOB）的问世被认为是水污染控制领域的重大发现[2]。在全球海洋氮循环过程中，厌氧氨氧化过程导致的N2产量占海洋N2释放量的30%～50%。这些发现宣告了该工艺的诞生，它逐渐成为人们关注的焦点。

氨氧化细菌（AOB）和AnAOB 是两种功能菌，城市污水低温（10～25 ℃）和低氨氮浓度（30～100 mg/L）会影响其处理效果，要采取应对措施。一是培养生物膜或颗粒污泥，延长微生物停留时间，获得高活性菌群，并完成反应器的高氨氮启动和低氨氮驯化。二是优化运行参数，提高生物膜或颗粒污泥对低氨氮污水的脱氮能力。无论是采用生物膜还是颗粒污泥，低氨氮条件下，该系统脱氮效率均有提高，但它随进水氨氮浓度降低而降低，优化工艺运行条件可提高脱氮效率。作为城市污水主流处理工艺，亚硝化-厌氧氨氧化工艺在能量节约与资源回收利用方面具有优势，也存在发展瓶颈，其也是学者关注的焦点。本文结合研究现状，综述城市污水主流亚硝化-厌氧氨氧化的关键影响因素，指出已有研究的缺陷，并就未来研究给出建议。

1 温度

亚硝化-厌氧氨氧化反应器运行温度多为30～35 ℃，此条件下，AOB 比亚硝酸盐氧化菌（NOB）生长更快，同时也接近AnAOB 最佳生长温度（25～40 ℃）。而城市污水主流温度为10～20 ℃，低于AOB 和AnAOB 生长最佳温度，会降低氨氮转化率。AnAOB 活化能与AOB 接近，大于NOB，因此温度降低会导致NO2-积累不足，无法为厌氧氨氧化反应提供足够底物。在移动床生物膜反应器（MBBR）中，当厌氧氨氧化温度由30 ℃向10 ℃变化时，AnAOB依旧可以保持良好活性，AnAOB 优势菌属发生转变，说明某些AnAOB 可以在低温下进行有效的厌氧氨氧化。但是，亚硝化受温度降低的影响很明显。低温条件只会抑制AOB 和AnAOB 活性，对二者种群丰度影响不大。调节其他运行条件，使AOB 和AnAOB 生物活性恢复，系统在低温条件下重新获得稳定脱氮能力。目前，大多研究分析温度瞬间降低或短时间内低温对亚硝化-厌氧氨氧化工艺脱氮效果的影响，无法准确反映长期低温条件对工艺脱氮效能的影响。如何保证低温条件下（25 ℃以下）系统中AOB 和AnAOB 生物活性同时抑制NOB 生长是利用该工艺进行城市污水脱氮的主要难题之一。有研究认为，只要保证充足生物量，低温条件所导致的低微生物活性不会对该工艺脱氮能力产生影响，此观点还需要试验论证。

2 进水氨氮浓度

进水氨氮浓度是通过影响AOB 和AnAOB 细菌活性及其种群度来影响亚硝化-厌氧氨氧化工艺脱氮能力和稳定性，进水氨氮浓度越低，对AnAOB 生长活性的抑制作用越强，若长期运行，该抑制不可逆。一方面，进水氨氮浓度升高会产生大量游离氨，高浓度游离氨会抑制AOB 和AnAOB 活性。研究指出，当游离氨浓度大于100 mg/L 时，AOB 活性会受到明显抑制[3]；当游离氨浓度大于1 g/L 时，AnAOB 活性受到抑制[4]。另一方面，氨氮浓度降低会使得微生物种群中AOB 和AnAOB 丰度减少，而NOB 丰度会升高，导致亚硝酸盐被氧化为硝酸盐，进水氨氮浓度降低会削弱游离氨对NOB 的抑制作用，从而影响系统脱氮效率。同时，有研究指出，微生物种群中AOB数量要比AnAOB 小一个数量级，AOB 丰度随氨氮浓度降低而逐渐减小。低氨氮浓度条件下，AOB 不能为AnAOB 提供足够基质亚硝酸盐，而NOB 数量增多又会与AnAOB 竞争亚硝酸盐，使得AnAOB 丰度逐渐降低，最终影响工艺稳定性和脱氮能力[5]。因此，在低氨氮浓度条件下，需要通过调节来减少AOB 和AnAOB 流失，抑制NOB 生长，以维持亚硝化-厌氧氨氧化工艺脱氮能力。

3 有机物

有机物的存在会影响AnAOB 生长。反硝化反应释放出比厌氧氨氧化反应更高的自由能，且异养反硝化菌（HB）生长速率远大于AnAOB，故存在有机物时，异养菌会大量繁殖，AnAOB 将难与HB 竞争亚硝酸盐。汤春江等[6]发现，当厌氧氨氧化工艺进水化学需氧量（COD）浓度与亚硝酸盐氮（NO2--N）浓度之比为2.92 时，AnAOB 活性受到抑制，异养反硝化菌成为优势菌种，在此条件下长期运行反应器，工艺脱氮性能难以恢复。当进水COD 浓度超过237 mg/L 时，其工艺脱氮作用停止。当进水COD 浓度为95 mg/L，系统中有大量高活性功能菌AOB 和AnAOB 存在时，氨氮可以高效去除，低浓度COD 不会对亚硝化-厌氧氨氧化工艺脱氮性能造成明显影响。当低温、低氨氮等因素使得功能菌AnAOB 活性降低时，低浓度有机物是否会对亚硝化-厌氧氨氧化工艺脱氮效率和稳定性产生影响需要深入研究。不同有机物对AnAOB 的影响差异很大。研究发现，甲醇等会抑制厌氧氨氧化过程，因为AnAOB 细胞能把甲醇转变成甲醛，而甲醛通过对肽链不可逆交叉耦合作用，容易造成催化反应关键酶失活，从而直接削弱AnAOB 生理代谢活性。即使反应环境有少量有机分子，也会对AnAOB 活性产生强烈抑制。相反，乙酸盐、丙酸盐等不仅不影响AnAOB 活性，还能被其利用。

4 pH

NH4+既是亚硝化反应底物，同时又是抑制剂，pH 变化会直接影响亚硝化段游离铵浓度，直接影响亚硝化/厌氧氨氧化反应速率。当pH 低时，游离铵浓度很低，对NOB 的抑制作用降低，NOB 生长较快，严重影响其反应进行；反之，当pH 高时，游离铵浓度增高，AOB 生长速率大于NOB，可实现NO2-积累。AnAOB 对pH 改变特别敏感。经厌氧氨氧化反应机理分析，过高或过低pH 都不利于关键中间产物羟氨生成，会使其反应速率下降[7]。厌氧氨氧化反应也会增加反应体系碱度，提高反应体系pH。相对于城市污水侧流处理，城市污水主流氨氮浓度较低，都小于100 mg/L，因此受pH 影响，游离铵浓度都较低，对NOB 抑制带来不利影响，同时对主流pH 控制提出更高要求。研究发现，亚硝化段AOB 和厌氧氨氧化段AnAOB的最佳水环境pH分别为7.9～8.2和7.5～8.3。

5 溶解氧和O2/NH4+

在悬浮污泥亚硝化-厌氧氨氧化系统中，AOB和NOB 作为絮凝物、小凝聚体存在于溶液中，AnAOB 位于缺氧或厌氧絮体内层，为避免O2对其造成直接毒害或抑制作用，控制液相溶解氧（DO）浓度处于较低水平十分必要。AOB 和NOB 对氧气的竞争受O2传质阻力影响较小，主要决定于对氧亲和力和摄取能力。AOB 氧饱和常数为0.2～0.4 mg/L，NOB氧饱和常数为1.2～1.5 mg/L。低溶解氧条件下（浓度小于0.5 mg/L），AOB 对氧气更具亲和力，有利于保证AOB 活性并抑制NOB 生长。在颗粒污泥或载体生物膜亚硝化-厌氧氨氧化系统中，AOB 成长于外表面层，NOB 略往内部深几微米，而AnAOB 则生长于内层缺氧环境中。AnAOB 是厌氧菌，需要外层AOB 及时消耗掉水中O2，避免对内层AnAOB 造成直接毒害或抑制作用。因此，要限制O2浓度，防止过剩O2渗入内层，影响AnAOB 活性。O2对AnAOB 活性的影响是可逆的，恢复水中O2浓度至合适水平，亚硝化-厌氧氨氧化工艺脱氮能力可在短时间内恢复。AOB 具有更快的氧气摄取效率，其底物在生物膜或颗粒污泥内部呈由外向内的扩散状态，因此，当O2成为限制性因素时，相较调控液相DO 浓度，调控O2/NH4+通量在抑制NOB 及维持AOB 和AnAOB 活性方面更具科学性，这一点经小试和数值模拟论证可行且有效。

6 结论

从已有研究来看，低温条件可以实现亚硝化-厌氧氨氧化工艺启动和稳定运行，但低氨氮对工艺脱氮能力的限制问题仍无法解决。从技术角度而言，低氨氮问题可通过向亚硝化-厌氧氨氧化系统中添加氨氮吸附材料（同时可作为微生物载体）的方法来解决。对于吸附饱和后沸石的再生问题，已有研究基本采用硝化细菌在曝气条件下对沸石进行再生，但新生成的（亚）硝态氮仍需要进一步处理。若采用亚硝化-厌氧氨氧化工艺，则AOB 和AnAOB 可在脱氮的同时直接实现吸附材料生物再生，操作简便且降低能耗。