1 、相关背景
在本世纪初，污水处理领域有两个非常著名的发现：第一个是厌氧氨氧化，第二个是好氧颗粒污泥，这给污水处理的发展带来非常大的变数。好氧颗粒污泥和厌氧氨氧化实际已经有一二十年的历史，但是一直没有引起足够的关注。对于厌氧氨氧化的研究，荷兰代尔夫特理工大学的Mark教授在《Science》上发表了一篇文章，认为厌氧氨氧化可以使污水处理厂达到净的产能，这就给污水处理厂下一步的发展指明了一条道路。
2、主流厌氧氨氧化的发展
正因为厌氧氨氧化如此重要，所以世界各国比如荷兰、新加坡、美国等纷纷将其作为研究前沿。著名的Strass污水处理厂利用旁路厌氧氨氧化产生厌氧氨氧化的颗粒污泥，在主流中加入这些颗粒污泥，再利用水力旋流器等将其回收。这一方法存在的问题是无法定量描述和控制厌氧氨氧化在主流中的脱氮效率。
因为中试氮去除率达到60%~70%，但是在不稳定的状态下可能只有10%~20%。 最近Mark教授提出，颗粒污泥类型的主流厌氧氨氧化今后应主要解决运行稳定性问题。
3、西安第四污水处理厂是否发生了主流厌氧氨氧化？
西安第四污水处理厂总处理能力为50万吨/d，分一期、二期和三期工程，厌氧氨氧化主要在一期25万吨/d工程改造中实现。一期改造工程将倒置AO改为加填料的AO。西安地处中西部，属于温带地区，污水水温在10~20℃之间变化。众所周知，新加坡的樟宜污水厂已经实现了部分厌氧氨氧化，但其水温常年为30℃左右。相比之下，西安第四污水处理厂这样的大型污水厂在常温条件下实现厌氧氨氧化，将具有非常重要的意义。
在改造过程中可以看到，生物池有两格厌氧段和两格缺氧段，在缺氧段的第一个格里投放了填料，而在第二个格没有投放填料。关于改造项目介绍，参见钱亮发表在《中国给水排水》的论文。
从三年多的统计数据来看，一期出水总氮的浓度要显著低于二期的出水总氮浓度。按平均值来看，平均的出水TN只有5mg/L。第四污水处理厂一期工程按照达到一级A的标准来改造，实际上出水TN能达到5mg/L，其他的指标也都达到Ⅳ类标准，需要认真研究这一特殊现象。
研究发现：第一，无论在厌氧填料区还是缺氧填料区，载体上污泥颜色都变红了，而红色是厌氧氨氧化的一个特征颜色；第二，在缺氧区氨氮浓度发生了显著的变化，因为在厌氧和缺氧区，如果没有氧的供应氨氮不可能发生变化；第三，把缺氧区的填料取出来，采用厌氧氨氧化的活性实验，测试厌氧氨氧化的活性是在52mg/(L·d)，这是非常高的活性数值。根据污泥颜色变化、沿程氨氮的监测和厌氧氨氧化活性的测试，可以初步判定发生了厌氧氨氧化反应。
为什么会发生这种反应？要对改造过程中的一些问题进行探究。众所周知，在填料改造过程中，如果不恰当地设置拦网，填料会在拦网处堆积。而拦网设置的地点和设置方式非常有讲究。好氧区的填料由于曝气以后水的密度和填料的密度相接近，所以很容易形成流化。而缺氧区不采用曝气，仅仅采用搅拌要实现充分流化，是存在一定难度的。西安第四污水厂的改造过程设立了吹扫系统，采用搅拌和曝气双重吹扫的机制。当然，吹扫设备一般是在填料拦网发生堵塞时才启用。
实际工程运行时，为了运行方便，吹扫系统连续开启，所以实际上进行了充氧曝气，这是一个意外，正是这个意外导致了部分主流厌氧氨氧化的发生。对缺氧填料区进行了溶解氧测定，吹扫区的DO浓度是0.8mg/L，而在整个池子相当一部分DO分为三个区，分别是0.8、0.4和0.1mg/L，在缺氧区形成了微氧条件。因此，有理由推论，在微氧条件下氨氮转变成了亚硝酸盐，而与缺氧区填料上面的微环境中形成了有利于发生厌氧氨氧化反应，这是对西安第四污水处理厂发生厌氧氨氧化的一个判断。
对填料和悬浮污泥，厌氧区和缺氧区的微生物进行了高通量分析，在门水平，缺氧段生物膜中的丰度是非常高的，远远高于悬浮态和厌氧段。而属的水平也进一步证实了这一点，可以看到K型厌氧氨氧化菌（Candidatus Kuenenia ）的丰度非常高，并且在缺氧区填料中的丰度是最高的。
2018年，采用同位素示踪法进一步证实了在缺氧环境下厌氧氨氧化反应，证实了在缺氧区厌氧氨氧化是一个非常重要的途径，并且定量测定的结果厌氧氨氧化过程占脱氮的比例达到30%左右。
清华大学团队于2015年、2016年、2017年和2018年对载体厌氧氨氧化菌的丰度分别进行了测定，2015年、2016年采用454测序方法，2017年采用lllumina方法，而2018年采用宏基因方法，由于三种方法的精度不同，相互之间的可比性不大。图中缺氧区填料上厌氧氨氧化菌的丰度逐渐升高，在2017年已经接近10%。进一步来看,在填料中有两种厌氧氨氧化菌的丰度有很大差别，一种是新加坡樟宜污水厂发现的B型厌氧氨氧化菌（Ca. Brocadia sp 40），它远远低于西安第四污水处理厂发现的K型厌氧氨氧化细菌。分析主要是温度所致，新加坡樟宜污水厂的水温是30°C，而西安第四污水处理厂水温为11~20°C。
从三年的运行数据来看，总的来说，西安第四污水处理厂一期工程COD、总氮和磷均达到准Ⅳ类水体标准，特别是一期的总氮的浓度显著低于二期，也显著低于10mg/L。将一期工程与第三污水厂、第五污水厂对比，可以看到在总的停留时间上，其他两个厂最高是它的1.8倍，而在总的处理效果上四污一期是最好的。所以通过微生物三年连续的高通量测序、同位素示踪和宏基因组测定，确定了厌氧氨氧化系的丰度，氮的去除比例和主要功能菌种。上述的研究应该说填补了国际上在常温生产性装置研究的空白，有些现象还是首次报道。
一是稳定性。新加坡樟宜20万吨/d污水厂的厌氧氨氧化发生在30°C的条件下，至于能否发生在30°C以下温度，还不能确定。而西安第四污水厂在25万吨/d的情况下，COD与总氮的比例，总氮的去除率等指标，达到了基本相同的去除效果，所以意义重大。荷兰的厌氧氨氧化颗粒污泥中试仍然要在稳定性上下工夫，而Demon工艺对可控性和去除定量描述方面存在不足。在樟宜污水处理厂厌氧氨氧化对整体氮去除的贡献率将近30%，而在四污是达到了15%，这主要是受温度和泥龄的影响，还有优化的空间。
二是人们都想追求完全主流的厌氧氨氧化，但是现在看来存在一定的困难。这让我们想起一个非常有意思的问题，全世界在研究清洁汽车的过程中，氢能源汽车是最高效和最清洁的，但是大家花了几十年的时间没有取得实质性、突破性的进展。而这时候日本研发了混合动力车，在将近10~20年里头占据了市场很大的份额。对厌氧氨氧化的态度应该借鉴这一案例，在达到最终目的之前，实际上西安第四污水厂项目给了人们中间阶段的一个选择。
对比国内和国外的污水处理工艺，我国要达到一级A和IV类标准，一般需要采用MBR和反硝化滤池工艺，而国际上只要采用比较传统的活性污泥的变形工艺就能达到。西安第四污水厂项目提供了一个可能性,就是在传统污水厂进行一级A的提标改造，出水水质可以达到类IV类标准。
三是我国八大流域COD小于150mg/L占了50%以上，平均在55%以上，存在着低COD高总氮的情况，采用什么样的技术，一直是个难题。最近在汉中污水处理厂采用这个技术，在COD为100mg/L、总氮40mg/L的情况下，出水总氮达到了5mg/L以下，因此，这一技术对低浓度污水的提标改造非常有意义。表中列出了通过改进后工艺正在实施和设计中的一些工程信息。所以。通过上述的实践初步表明了上述工艺已经可以应用于生产，并且具有可复制性，而工艺的主要特征是双泥龄、混合型部分厌氧氨氧化的低耗脱氮工艺。
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