彭永臻课题组 |主流城市污水部分厌氧氨氧化技术的研究与工程化应用
厌氧氨氧化（Anammox）技术在低氨氮浓度城市污水处理中的应用是现今污水生物处理领域研究和工程前沿。城市污水短程硝化/厌氧氨氧化（Partial Nitrification/Anammox, PN/A）工艺的可行性在实验室得以验证，但长期稳定维持仍然缺乏有效策略，实现较为理想的主流厌氧氨氧化（Mainstream Anammox）面临诸多挑战。近年，短程反硝化耦合厌氧氨氧化（Partial Denitrification/Anammox, PD/A）作为新型污水处理技术逐渐受到关注。短程反硝化驱动的部分厌氧氨氧化机理在中国西北某城市污水处理厂主流区得以证明。强化城市污水处理厂厌氧氨氧化菌原位富集，可有效提高脱氮效果并降低处理成本。基于主流城市污水部分厌氧氨氧化（Partial Anammox）的思路，为污水提质增效提供了新的技术路线，具有重要研究价值与工程应用意义。
0 引言
传统的污水生物处理工艺的改良或升级技术中，厌氧氨氧化（Anammox）脱氮技术是最具前景的发展方向之一。厌氧氨氧化的发现打破了传统异养反硝化脱氮的认知，该技术在城市污水处理中的应用入选2019年《研究前沿》与《全球工程前沿》。当前，厌氧氨氧化脱氮技术在高氨氮废水处理领域已成功实现一定程度产业化，若将其推广应用至氮污染排放体量更大的城市污水，对于水处理行业整体节能降耗和城市水环境的改善均具有重要意义。
主流厌氧氨氧化主导的城市污水脱氮工艺一般需要碳氮分离处理。城市污水首先进入预处理工艺去除有机物，经除碳、除磷后的污水全部进入脱氮工艺。脱氮工艺以短程硝化-厌氧氨氧化为主要形式，无需有机物参与即可实现高效脱氮（见图1）。
图1 基于碳氮分离的城市污水主流厌氧氨氧化工艺
01城市污水短程硝化/厌氧氨氧化技术的
发展及应用瓶颈
短程硝化/厌氧氨氧化（PN/A）脱氮工艺较之传统硝化-反硝化工艺具有节省曝气能耗、不依赖有机碳源、温室气体产量少等优点。目前两段式与一体化城市污水短程硝化/厌氧氨氧化自养脱氮工艺的可行性在不同实验室得以证明，国际一些知名水务集团相继建立了中试基地进行技术验证探索。我国也较早地构建了一体化和两段式城市污水厌氧氨氧化中试，无论是序批式还是推流式工艺的初期脱氮效果均表现良好，但长期运行过程中时常出现原因不明的脱氮效果恶化甚至完全崩溃的现象，尤其凸显于推流式活性污泥法工艺过程，其稳定性尚需进一步确认。
总体来讲，城市污水短程硝化/厌氧氨氧化技术应用存在的瓶颈问题有待突破。
（1）瓶颈1，竞争性微生物定向控制。以短程硝化为基础的主流厌氧氨氧化技术的关键之一在于控制竞争性微生物亚硝酸盐氧化菌NOB的生长和活性。当亚硝酸盐氧化菌与厌氧氨氧化菌竞争，厌氧氨氧化菌难以得到基质而逐渐衰减，短期可引发系统出水总氮持续增高，长期可致使系统脱氮性能下降甚至崩溃。
（2）瓶颈2，厌氧氨氧化菌大规模持留或富集。厌氧氨氧化的污泥停留时间约为2周平均高于传统活性污泥法的污泥龄8~14 d，并且城市污水处理厂多采用推流式连续流工艺，絮体污泥会随剩余排泥及大量出水持续流失。城市污水氨氮浓度低、水量大、水质波动强等特点使得厌氧氨氧化工艺在处理城市污水的控制条件及运行方式比处理高氨氮废水(游离氨、高温、水质稳定)难度陡增。
（3）瓶颈3，出水水质一步稳定达标。厌氧氨氧化脱氮工艺理论总氮去除率偏低（出水硝酸盐氮约占总氮损失的11%），且需要严格控制进水水质条件并实施复杂的实时控制策略，出水稳定达到排放标准较为困难，与传统活性污泥法的稳定脱氮负荷难以形成显著的竞争优势。
目前城市污水除碳-PN/A技术路线在世界范围内尚未有可靠的工程运行案例。已报道的城市污水厌氧氨氧化处理系统的出水水质和去除负荷与传统活性污泥法工艺尚不具备显著的竞争力，而且复杂的工艺流程和运行控制策略提高了该技术的应用门槛。但是基于短程硝化/厌氧氨氧化技术强化城市污水脱氮的理论应用价值明显，未来值得关注和推进。针对城市污水厌氧氨氧化的技术瓶颈问题，宜进一步开发不同工艺及过程控制策略以强化系统运行的稳定性。
02
城市污水厌氧氨氧化应用的新途径——
短程反硝化耦合厌氧氨氧化
短程反硝化（Partial Denitrification）是指将NO-3-N还原为NO-2-N而不是直接还原为N2的过程（见图2），是一种产生NO-2-N供给厌氧氨氧化反应的新工艺途径。
图2 厌氧氨氧化工艺相关的氮素转化途径
短程反硝化/厌氧氨氧化（PD/A）技术的研究近年来不断取得新的重要进展。研究表明在有机碳源存在的反硝化过程中，硝酸盐转化为亚硝酸盐的积累效率可以达70%以上，并且亚硝酸盐积累的特性在反应器中能够长期稳定维持。在此基础上，短程反硝化与厌氧氨氧化耦合脱氮可在同一系统中实现，同步高效去除污水中的氨氮与硝酸盐氮，工艺取得稳定的脱氮效果。针对短程反硝化特性的功能菌群和代谢特性分析，发现优势菌属Thauera可能对高亚硝积累特性的稳定维持具有关键作用。试验证明无论短程反硝化/厌氧氨氧化一体化工艺还是两段式工艺均可实现稳定脱氮。从高氨氮废水、含硝酸盐废水到市政污水及二级出水，短程反硝化耦合厌氧氨氧化强化脱氮的技术可行性在实验室不断得以证明。综上，短程反硝化耦合厌氧氨氧化是一项具有较强可行性的新型污水处理工艺技术，有必要推进强化主流城市污水自养脱氮的中试验证，为未来城市污水处理厂提质增效切实提供支撑。03
城市污水厌氧氨氧化应用的新思路——
主流部分厌氧氨氧化
就目前的技术发展来看，主流厌氧氨氧化仍存在竞争性微生物定向控制难、厌氧氨氧化菌大规模持留富集难、出水水质一步稳定达标难等挑战，在实际工程中应用的时机尚不成熟。但是通过强化城市污水处理厂厌氧氨氧化菌的富集，提高系统自养脱氮途径在氮去除途径中的比重，仍然可以有效降低脱氮过程对进水碳氮比的依赖程度，从而实现低碳氮比城市污水经济高效的脱氮。这种通过强化现有城市污水处理系统中厌氧氨氧化菌比例，使其对系统总氮去除产生显著效应的技术路线，为主流部分厌氧氨氧化（Partial Anammox）的核心目标。相对主流厌氧氨氧化技术实现城市污水完全的自养脱氮，主流部分厌氧氨氧化去除总氮的比例相对较低，但是更具工程应用的可行性。耦合异养与自养脱氮过程，不仅有可能实现污水生物脱氮系统的高效处理和出水达标，同时还可能显著降低工程建设的造价、处理能耗和运行维护费用等。因此，主流城市污水部分厌氧氨氧化具有重大的研究价值与工程意义。
针对城市污水研发主流部分厌氧氨氧化高效低耗的生物脱氮新工艺及过程控制，可通过技术手段优化关键功能微生物的系统稳定性，强化厌氧氨氧化菌在主流城市污水系统中的丰度和脱氮贡献。主流污水中短程反硝化推进的部分厌氧氨氧化机理在中国西北某城市污水处理厂厌/缺氧区得以证明。通过15N稳定性同位素示踪测试与异位活性检测结果表明基于缺氧生物膜的短程反硝化耦合部分厌氧氨氧化是该污水处理厂自养脱氮的主要贡献途径。物料守恒计算表明，厌氧氨氧化过程对总氮去除的贡献约占15.9%左右。宏基因组测序和qPCR检测均证明厌氧氨氧化菌在缺氧生物膜中的富集，在种水平共有7种厌氧氨氧化菌，其丰度约占全菌的0.11%（见图3）。伴随该厂进水水质、季节性温度变化、运行时间的增加等，厌氧氨氧化菌在生物膜和絮体污泥中的丰度出现持续增加的趋势。除了具备厌氧氨氧化菌富集的必要底物条件外，厌/缺氧生物膜自身的重要作用不容忽视，其作为重要的载体能够有效地持留厌氧氨氧化菌。因此，缺氧区的微观环境和生物膜作用值得进一步持续深入研究。
图3 中国西北某城市污水处理厂主流污水短程反硝化耦合部分厌氧氨氧化脱氮
新近研究表明人工环境中营造条件强化厌氧氨氧化规模化发生兼具研究科学性和工程应用性。城市污水处理厂的厌/缺氧区存在短程反硝化与厌氧氨氧化耦合发生的空间条件，包括低溶解氧、低有机物浓度、适宜的氨氮浓度以及稳定的亚硝态氮产生机制。处理城市污水的推流式连续流工艺在温度25 ℃时曾发现缺氧区反硝化亚硝积累的现象，如果定向调控部分NO-2-N经厌氧氨氧化途径转化为氮气（见图4），可降低反硝化过程对有机物的依赖并同时氧化氨氮，实现非碳氮分离条件下城市污水部分厌氧氨氧化深度脱氮。
图4 短程反硝化+部分厌氧氨氧化强化连续流反应器脱氮原理
04主流城市污水部分厌氧氨氧化
是当今研发与实践的前沿方向
我国现有城市污水处理厂的脱氮效率较多受限于进水碳源不足，在异养反硝化脱氮途径的基础上辅以自养厌氧氨氧化反应有利于提高低碳氮比城市污水处理系统的总氮去除率和去除负荷，实现节能降耗。
如何强化“部分厌氧氨氧化”过程是今后重点关切的研究方向。
①从碳、氮循环的角度，不可忽视了微生物本身代谢的基本规律。城市污水处理厂存在复杂的微生物群落结构和氮素转化途径，厌氧氨氧化菌虽普遍存在于城市污水处理厂的各个单元，但厌氧氨氧化菌丰度均较低，其稳定富集可能仅在特定的时空和环境条件下才显著发生。
②目前驱动厌氧氨氧化规模化效应的发生机制尚不完善，仍需深入探究以为厌氧氨氧化菌的原位富集提供理论和技术支撑。同时，微生物驱动的生物反应系统处于动态变化并存在大量冗余功能的体系，厌氧氨氧化菌代谢活性不仅受其他功能微生物代谢的直接影响也受微观环境条件的间接影响。
③工艺运行优化及适应性考察。如研究表明30~40 ℃是厌氧氨氧化比较适宜的生长温度范围，但是我国传统城市污水处理厂的水温不能稳定达到该水平，某些地域多个月份低于15 ℃，探究温度与微生物代谢的响应关系可为部分厌氧氨氧化工艺的应用提供依据。
5 结论
（1）污水短程硝化/厌氧氨氧化自养脱氮工艺的可行性在实验室得以验证，现阶段国内外已推进中试技术验证，强化城市污水自养脱氮值得关注。
（2）短程反硝化耦合厌氧氨氧化一体化工艺、两段式工艺均可实现稳定脱氮，是一项具有较强可行性的新型污水处理工艺技术，有望为未来城市污水处理厂提质增效切实提供支撑。
（3）主流污水中短程反硝化驱动的部分厌氧氨氧化在中国西北某污水处理厂得以证明，为未来城市污水处理提质增效开辟了全新的思路。在城市污水处理厂厌/缺氧区稳定实现短程反硝化与厌氧氨氧化的耦合具有工程技术产业化潜势。
（4）主流城市污水部分厌氧氨氧化是当今研究和实践的前沿方向。不论短程硝化还是短程反硝化耦合厌氧氨氧化途径，强化低碳氮比主流城市污水自养脱氮凸显重大的研究价值与工程应用意义。
来源：给水排水 李健伟、彭永臻等
