水污染治理在環境保護中的新方向

揚州大學環境科學與工程學院 于連澤

一、研究背景及意義

近年來，氮素污染現象在水體中日益普遍。我國2002年頒發的《城鎮污水處理廠污染物排放標準》正式為排水標準提出了新要求——一級A標準，即所有排污單位的出水總氮應小于15 mg/L等[1]。較高的排放標準對水處理新技術提出了挑戰。而采用硝化-反硝化系統的廢水處理廠中，大約一半的能量輸入被消耗在曝氣上。而隨著近期“碳中和”概念的提出，迫切需要一種新的污水處理廠配置來實現節能脫氮從占主導地位的傳統模式轉向新一代污水處理廠，解決的眾多方法中，短程硝化耦合厭氧氨氧化十分適合這樣的需求，其通過氨氧化細菌(AOB)的硝化作用(將部分NH4+氧化為NO2-)和c的厭氧氨氧化作用(將部分NH4+和NO2-轉化為氮氣)之間的協同作用進行自養脫氮。能夠節約60%的曝氣，減少80%的剩余污泥量，更能降低100%的碳源投加量。

二、技術控制指標

PN-ANAMMOX一體法在節能除氮環節中，具有相當大的潛力，理論上不需碳源投加，不需建造大的反應池空間，在投資造價和節能減排方面有著得天獨厚的優勢。

（1）溫度。AOB和NOB對環境的敏感性不同，郭寧等[2]采用平行試驗研究了3種不同溫度(15℃,25℃,35℃)對短程硝化的影響，結果發現35℃為AOB的最適溫度，平均氨氧化率為50.9%。Balmelle等[3]認為在10——20℃下，NOB菌的生存條件比較理想，適合生長繁殖，在這個過程中，能吸收亞硝酸鹽氮，而后轉化釋放硝酸鹽氮；溫度處于20——25℃時，AOB菌的生存條件較NOB更理想，當溫度>30 ℃時，由于沒有反硝化過程亞硝酸鹽氮的產生大于消耗量而積累。宋成康等[4]在SBR反應器的單極自養脫氮實驗溫度為22——33℃下，達到穩定高效運行，當溫度下降至10℃時，反應器失穩崩潰。PN-ANAMMOX一體式工藝的一般運行溫度為在30到35度之間，既滿足了AOB、ANAMMOX菌的良好生長環境，又同時滿足了對NOB在最適溫度上的限制，維持反應系統較好的脫氮效果。但已有實踐證明PN-ANAMMOX反應在較低溫度下也能達到效果，Lotti等人[5]在10——20℃下利用顆粒污泥研究PN-ANAMMOX反應時也發現了系統良好的脫氮效果，在0.4gN/(L·d)的總氮去除負荷(NRR)下，脫氮效率始終保持在75%以上。

（2）溶解氧。Laanbroekt[6]發現AOB相較 NOB具有更低的氧飽和常數，利用AOB對低氧條件具有更高的耐受力，控制溶解氧在有限水平，從而抑制NOB的活性來實現短程硝化。但是Liu等[7]研究發現反應器在低溶解氧條件下長期運行后，NOB對氧的親和力逐漸增強，甚至在低溶解氧條件下表現出比AOB更高的親氧性。AnAOB只能在氧飽和度低于5%的條件下生存，當氧飽和度超過18%的空氣飽和度時，會對AnAOB造成不可逆的影響[8]。在實際工程應用中，厭氧氨氧化反應器內通常投加好氧菌，好氧菌利用反應器中的溶解氧從而使ANAMMOX不受到溶解氧的抑制，維持厭氧環境，保持穩定運行。張姚等[9]運行PN-ANAMMOX一體式反應器，探究不同DO濃度對反應器的脫氮效果的影響，結果表明在DO為0.46 mg/L條件下，該工藝的脫氮速率最高，達到50.88 mg/(L·h)，污泥脫氮負荷為0.45 kgN/(kg·d)。Lotti等[5]在DO濃度達到1 mg/L左右的條件下，利用顆粒污泥的優勢，啟動了PN-ANAMMOX一體式反應器并使其總氮去除負荷達到了0.4 gN/(L·d)，脫氮效率達到了75%——85%。總的來說，低氧有利于加快并維持PN-ANAMMOX一體式反應器的啟動，以及后續的穩定運行，但目前不論是生物膜系統還是活性污泥系統均無直接采用控制溶解氧的方式來實現短程硝化的實例。

（3）游離氨(FA)和游離亞硝(FNA)。對AOB和NOB來說，FA對它們的生長繁殖都有抑制作用，但程度不同，AOB和NOB對FA不同濃度下的抑制作用，耐受范圍差距不小[10]，AOB對其耐受度只有在超過150 mg/L時才會受到明顯影響，相比之下NOB的耐受范圍僅在1 mg/L以內[11]。FA更為敏感這一特征，可以通過控制反應器中FA濃度恰好介于AOB、ANAMMOX的忍受范圍內，而不利于NOB細菌，從而抑制其生長造成的亞硝酸積累。然而這種控制方法僅在理論上可行，目前有研究表明FA對NOB的抑制是實際是有限的[12]，因此單靠控制FA實現短程硝化的穩定的現實性并不強。Yao等[13]研究FA對部分硝化反應器中AOB的影響時發現，游離氨的濃度剛剛達到40 mg/L時，部分硝化反應器中AOB的活性就下降了50%。Strous等[14]研究，提出了不同的觀念，氨氮濃度即便高達一千毫克升，厭氧氨氧化也并不會抑制。而Waki等[15]認為厭氧氨氧化過程和進水氨氮之間的關聯性不大，真正起作用的是FA，FA濃度只需達到13mg/L，厭氧氨氧化的效能就會被抑制。Fernández等[16]的研究持相同意見，在研究FA的長期和短期的影響時發現在短期運行時，FA濃度達到38 mg/L時，會使厭氧氨氧化比速率減少50%。在反應器長期運行下，FA 濃度超過20——25 mg/L時就會抑制厭氧氨氧化的活性。如果 FA濃度長期維持在35——40 mg/L時，脫氮系統就會運行不穩定，氮去除率下降為零。

FNA濃度為0.0015 mg/L會導致反應系統中氮去除率下降以及反應系統失穩，當FNA濃度下降到0.00005 mg/L以下，反應系統會恢復穩定運行[16]。Strous等[14]研究表明AnAOB對亞硝酸鹽比較敏感，當亞硝酸鹽濃度達到100 mg/L，AnAOB的活性會被完全抑制。Fux等[17]發現當ANAMMOX系統在亞硝酸鹽濃度為40 mg/L條件下運行幾天就會造成ANAMMOX菌的不可逆性失活。

（4）PH。適宜AOB和NOB生長的pH分別為7.0——8.5、6.5——7.5。作為Anammox過程的反應底物，pH影響著系統內FNA的變化。當pH較低時，部分亞硝酸鹽會轉換成FNA，高濃度亞硝酸鹽的存在對于AOB、NOB以及AnAOB都具有抑制作用。當然，pH也會影響污水中FA濃度的變化，FA和pH濃度呈正相關，可以通過提高pH值影響FA濃度，從而來控制AOB和NOB的活性。由于氨和NO2-在水溶液中會發生離解，因此pH值對厭氧氨氧化過程有明顯影響，其適應pH值范圍為7.5——8.3，最適應pH值為8。

（5）污泥齡。較長的污泥齡無法淘汰NOB，而較短的污泥齡又會造成ANAMMOX菌的流失，合適的污泥停留時間能夠為PN-ANAMMOX一體式工藝保駕護航，使其維持高效穩定運行。

三、總結

在高氨氮環境下，通過控制溶解氧、pH、游離氨、游離亞硝酸和污泥齡等措施均可抑制或淘汰NOB，從而達到PN-ANAMMOX一體式反應器的現實實現。然而，在中低濃度下，一段式短程硝化-厭氧氨氧化工藝的長期穩定性尚在研究中，因此要想實現短程硝化-厭氧氨氧化過程穩定運行，探究相關的運行參數和穩定性具有重要的意義，需將各個控制因素綜合考慮才行。除了控制以上影響因素外，接種污泥的種類、反應器器型的選擇也對實驗有著至關重要的作用。此外，啟動PN-ANAMMOX一體式反應器所參考和考慮的填料種類豐富，包括活性炭、火山巖、陶粒、石英砂、懸浮塑料填料、海綿填料等，這些填料的使用在一定程度上對AnAOB的富集起促進作用，但也容易堵塞，造成傳質不均勻，影響反應器的脫氮效果。