應(yīng)用厭氧氨氧化工藝來去除厭氧消化后的側(cè)流高濃度氨氮污水，已經(jīng)取得了成功的廣泛應(yīng)用。隨著測流厭氧氨氧化工藝取得成功，如何在主流上應(yīng)用厭氧氨氧化工藝也成為了關(guān)注重點。若能將主流厭氧氨氧化工藝應(yīng)用到市政污水的脫氮除磷上，將使市政污水廠實現(xiàn)真正意義上的能量自給邁進(jìn)一大步。

雖然目前美國和歐洲幾個污水廠都在進(jìn)行著主流厭氧氨氧化的規(guī)�；�中試和示范項目，但是主流厭氧氨氧化工藝直接處理市政污水是否能在大規(guī)模工程應(yīng)用上取得成功仍需要時間驗證�？傮w來說，目前有五個問題有待回答：

1.能否適用于氨氮濃度偏低的污水?

2. 能否應(yīng)對氮負(fù)荷的變化?

3. 能否適應(yīng)低溫環(huán)境?

4. 能否滿足更高的出水要求(包括對微量污染物的去除)?

5. 長期運行的穩(wěn)定性如何?

一些實驗顯示Anammox菌能在溫帶的低溫環(huán)境下(10-15℃)生長，并且有實驗使用不含COD的合成污水成功展示了主流厭氧氨氧化的可行性，但是：

1. 在這些條件下的總氮去除率都不太理想(<45%)

2. 很少有人做過實驗去探究真實污水在低溫條件下的部分硝化+厭氧氨氧化的表現(xiàn)情況

3. 關(guān)于厭氧氨氧化對有機微量污染物的去除效果也很有限

在這些背景之下，一支由瑞士EAWAG主導(dǎo)的歐洲團(tuán)隊對主流厭氧氨氧化的長期運行穩(wěn)定性以及其對低溫環(huán)境的適應(yīng)性進(jìn)行了長達(dá)400天的測試。

實驗概述

研究人員選用了兩個基于SBR的12L反應(yīng)器，一個使用MBBR，一個使用保留了懸浮污泥的混合式MBBR(Hybrid-MBBR)，接種污泥來自于在兩個實驗室規(guī)模的測流MBBR消化罐上清液中形成的生物膜填料載體(AnoxKaldnes的K5)。進(jìn)水來自經(jīng)過預(yù)處理的污水廠污水。其中MBBR反應(yīng)器運行400天，而Hybrid-MBBR運行了360天，低溫環(huán)境超過5個月。曝氣方面采取微曝氣的方式，小于0.2 mg/L，兩個反應(yīng)器根據(jù)各自情況有細(xì)小差別。溫度方面，實驗采取了逐步降溫的方式，從中溫的29±2℃降至低溫的15±1℃。

每個SBR的周期包括了5個步驟：

1. 沉置 (MBBR10分鐘，Hybrid-MBBR 60分鐘，因為后者含懸浮污泥)

2. 同步進(jìn)料和排水 (6L)

3. 攪拌 (10分鐘)

4. 曝氣 (時長視乎DO值和氨氮濃度)

5. 攪拌 (40分鐘)

每個周期時長約為4-6小時，視實際微生物反應(yīng)活性而定。在15℃的條件下，MBBR和Hybrid-MBBR的曝氣時間約占整個周期的72±9%和61±10%。另外研究人員還增設(shè)一個12L的MBBR反應(yīng)器來研究Anammox菌在溫度急劇變化和持續(xù)低溫的環(huán)境下的活性(17-11℃)，并會對反應(yīng)系統(tǒng)的微生物群落進(jìn)行分析。

實驗結(jié)果

下表結(jié)果顯示了兩個反應(yīng)器在長時間的運行條件下，系統(tǒng)表現(xiàn)還是很穩(wěn)定的。

從上圖可以看出，溫度從25℃降到15℃之后，Anammox菌的活性明顯下降。不過，在MBBR反應(yīng)器里，氮去除率受到的影響并不大，硝態(tài)氮的百分比也維持在16±5%的水平;而Hybrid-MBBR反應(yīng)器中則不太穩(wěn)定，硝態(tài)氮的百分比也較高(27%)。值得注意的是，一些偶然的干擾，例如進(jìn)料暫停、曝氣延長而且超過3mg/L、進(jìn)水COD的升高(150-230mg/L)并沒有對工藝的長期運行造成影響。


 

研究人員還對SBR一個周期的各種氮形態(tài)的濃度進(jìn)行分析(如下圖)，圖中b說明了在曝氣階段異養(yǎng)反硝化的影響可以忽略。

總體來說，MBBR的脫氮速率在中溫條件(20℃-30℃)下為47 mg/L/d ，低溫(15℃)時為30 mg/L/d，這跟一般污水廠的脫氮速率典型值吻合。氨氮和總氮的去除率分別超過90%和70%，而且相當(dāng)穩(wěn)定。兩個反應(yīng)器的出水的總氮濃度均低于10mg/L，MBBR更是低至6mg/L，氨氮出水濃度則為2mg/L，COD出水在40mg/L。這些結(jié)果都是符合中國城鎮(zhèn)污水的一級A標(biāo)準(zhǔn)的。

微量污染物方面，兩個反應(yīng)器的去除效果跟其他脫氮工藝相當(dāng)，而且這個測試也反映了AB工藝?yán)锏腁段吸附對微量污染物的轉(zhuǎn)移作用相當(dāng)有限。

增設(shè)的第三個MBBR反應(yīng)器的結(jié)果顯示，溫度迅速降至11℃，并維持近一個月的時間，Anammox菌的活性快速下降，然后就幾乎不能被檢測出來。在有氧的情況下，加入的氨氮和亞硝態(tài)氮幾乎完全轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。但溫度一旦回升至15℃后，Anammox菌活性能在一周左右的時間后恢復(fù)到之前水平。

下圖是微生物群落組成分析的結(jié)果。研究人員使用的16S rRNA目標(biāo)基因擴增子測序結(jié)果顯示，對應(yīng)的Anammox、AOB和NOB的菌種種屬分別為Candidatus Brocadia、Nitrosomonas和Nitrospira�？梢钥闯�，在Hybrid-MBBR反應(yīng)器中，AOB菌比較平均地分布在了生物膜和懸浮污泥中。

而在定量分析上，研究人員使用了qFISH-CLSM激光共聚焦掃描顯微鏡技術(shù)，結(jié)果顯示在兩個反應(yīng)器里，Anammox菌都占了生物膜微生物群落總量的15-16%。具體分布情況可參照下邊彩圖：

Anammox菌用紫紅色標(biāo)記;AOB菌則用白色標(biāo)記;NOB菌為綠色標(biāo)記;DAPI染色液為藍(lán)色(右下角的刻度是20um)

結(jié)論與展望

上述的實驗結(jié)果進(jìn)一步有力地支持了主流厭氧氨氧化的可行性：系統(tǒng)能長期穩(wěn)定運行，脫氮速率和效率以及對微量污染物的去除表現(xiàn)上都跟現(xiàn)有工藝相當(dāng)，出水的COD、總氮和氨氮都滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。

下一步需要驗證的就是它在中試規(guī)模下，還能否適應(yīng)水力負(fù)荷和氮負(fù)荷的變化。另外一個有待解決的挑戰(zhàn)就是在冬季溫度長期低于10℃的條件下Anammox的活性驟降，這個問題在實際應(yīng)用中應(yīng)該如何應(yīng)對?這也是諸如荷蘭的CINIRELTA低溫Anammox研究項目想要攻克的難題。

而在NOB菌的抑制方面，NOB菌活性在缺氧條件下(0.18mg/l)的MBBR系統(tǒng)中可以被穩(wěn)定抑制;而在混合型MBBR (Hybrid MBBR)中則需要適當(dāng)控制懸浮污泥的比例變化，以防止亞硝態(tài)氮的氧化。值得注意的是，實驗中所使用的混合型MBBR并不是嚴(yán)格意義上的IFAS復(fù)合固定膜活性工藝，有觀點認(rèn)為結(jié)合了生物膜和絮狀懸浮污泥的系統(tǒng)理論上能更好地控制NOB菌的生長，因此這方面的問題還需要更多的實驗來驗證。