傳統城市生活污水處理主要采用硝化-反硝化工藝，通過(guò)高曝氣量和外加源來(lái)達到脫氮的效果，產(chǎn)生很多不必要的處理費用[1]. 厭氧氨氧化自養脫氮工藝相對于傳統脫氮工藝可節省60%的曝氣量，無(wú)需有機碳作為碳源，從而可以充分利用城市污水中的有機物產(chǎn)生能源物質(zhì)——甲烷[2]，且不會(huì )產(chǎn)生CO2和N2O，是一種可持續污水處理技術(shù)[3,4].
但是厭氧氨氧化菌對有機物、 DO、 溫度和光等環(huán)境因素非常敏感，而預處理過(guò)后的生活污水仍會(huì )含有一定量的COD、 DO等物質(zhì)，使得厭氧氨氧化系統受到影響[5, 6, 7]. Kalyuzhnyi等[8]發(fā)現，厭氧氨氧化菌和反硝化菌可以共生，通過(guò)兩種細菌的協(xié)同作用，可以有效地克服有機物對于厭氧氨氧化反應的抑制; Toh等[9]在利用厭氧氨氧化菌處理焦化廢水的研究中發(fā)現了反硝化菌的存在; Sabumon等[10]證實(shí)了有機碳存在的環(huán)境下，厭氧氨氧化反應能夠進(jìn)行，且在ORP為(-248±25)mV時(shí)一部分NH4+會(huì )被氧化為NO3-通過(guò)反硝化作用被去除. 本研究以NH4+-N、 NO3--N為基質(zhì)成功啟動(dòng)了ANAMMOX反應器，并逐步向反應器內添加有機物，分析不同C/N比對厭氧氨氧化反應的影響，以期為厭氧氨氧化工藝處理城市生活污水的實(shí)際應用提供技術(shù)支持.
1 材料與方法
1.1 實(shí)驗材料
1.1.1 工藝流程和裝置
實(shí)驗所用裝置分為ABR去碳反應器和ABR厭氧氨氧化反應器兩個(gè)部分(見(jiàn)圖 1)，均由有機玻璃制成. 厭氧氨氧化反應器長(cháng)20 cm，寬14 cm，高28 cm，有效容積為2.7 L. 反應器分為兩個(gè)格室，每格室升降流向隔間寬度比為6 ∶1，折流板導向角為45°，將反應器遮光放置于水浴缸之中，溫度維持在27℃左右. 反應器采用連續進(jìn)水和溢流出水的方式，采用蠕動(dòng)泵控制進(jìn)水量從而控制水力停留時(shí)間.
圖 1 實(shí)驗裝置示意
1.1.2 接種污泥
本實(shí)驗ABR厭氧氨氧化系統所用污泥由實(shí)驗室培養成熟的厭氧氨氧化顆粒污泥和厭氧顆粒污泥按1 ∶1接種，接種量共1 L. 接種初期反應器混合液MLSS為8.5g ·L-1，污泥容積指數(SVI)為39 mL ·g-1，污泥沉降性能良好.
1.1.3 實(shí)驗進(jìn)水
ABR厭氧氨氧化系統根據進(jìn)水不同分為3個(gè)階段. 第一階段，進(jìn)水采用人工配水，根據厭氧氨氧化反應化學(xué)計量比1 ∶1.32[11]，由NH4Cl提供NH4+-N，濃度為 50 mg ·L-1; NaNO2 提供NO2--N，濃度為65 mg ·L-1; 第二階段，向反應器內逐漸增加乙酸鈉作為有機物，濃度為0~200 mg ·L-1，采用NaHCO3調節進(jìn)水pH在8左右，并添加KH2PO4、 MgSO4、 CaCl2和微量元素; 第三階段采用實(shí)驗室穩定運行的ABR出水，另外再投加NaNO2作為基質(zhì)，作為本階段厭氧氨氧化反應器用水. 實(shí)驗室采用ABR反應器處理城市生活污水，已穩定運行120 d，出水COD濃度在80 mg ·L-1左右，NH4+-N 在30 mg ·L-1左右，另外投加NaNO2調節進(jìn)水NO2--N濃度為39 mg ·L-1，采用NaHCO3調節進(jìn)水pH為8.
1.2 分析項目及方法
1.2.1 分析方法
根據文獻[12]所列主要水質(zhì)指標的測試方法： COD，快速消解分光光度法; NH4+-N，納氏試劑分光光度法; NO2--N，N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法; NO3--N，紫外分光光度法; TN，過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法; pH采用pHS-9V數顯酸度計測定; 溶解氧，YSI550A 溶氧儀; MLSS，濾紙稱(chēng)重法.
1.2.2 實(shí)驗方法
本實(shí)驗分為3個(gè)階段，第Ⅰ階段，利用ABR反應器，維持HRT為10 h，在無(wú)有機碳源、 低氨氮負荷的條件下培養厭氧氨氧化菌，啟動(dòng)厭氧氨氧化反應. 第Ⅱ階段，為考察反應器對含有有機物、 氨氮和亞硝酸鹽的低C/N比污水的處理性能，逐步向反應器內添加乙酸鈉作為有機碳源，研究厭氧氨氧化與反硝化的協(xié)同作用，并調節C/N比為0.5、 1和2，考察不同C/N比條件下厭氧氨氧化協(xié)同反硝化反應的脫氮性能. 第Ⅲ階段，進(jìn)水基質(zhì)變?yōu)轭A處理后的生活污水，進(jìn)一步考察厭氧氨氧化協(xié)同反硝化反應器處理城市生活污水的性能.
2 結果與分析
2.1 厭氧氨氧化反應器的啟動(dòng)
本實(shí)驗反應器在無(wú)有機碳源、 低氨氮負荷的條件下進(jìn)行啟動(dòng)(1～45 d)，進(jìn)水NO2--N和NH4+-N濃度按照1 ∶1.3配水，分別為50 mg ·L-1和65 mg ·L-1，HRT為10 h，pH為8，TN負荷為0.7 kg ·(m3 ·d)-1，以厭氧氨氧化顆粒污泥和反硝化顆粒污泥混合接種啟動(dòng)反應器.
反應器啟動(dòng)前10 d，反應器處于適應期，NH4+-N去除率較低，NO2--N去除率逐漸升高(圖 2). 這是因為接種污泥在新環(huán)境中，有一部分菌群裂解、 死亡，被異養菌分解產(chǎn)生大量NH4+-N，導致出水NH4+-N含量較高[13]. 而接種的反硝化顆粒污泥可以利用細菌分解產(chǎn)生的有機物進(jìn)行反硝化作用，將NO2--N和NO3--N轉化為N2，導致出水NO2--N和NO3--N含量較低.
圖 2 ABR反應器運行期間脫氮性能
經(jīng)過(guò)半個(gè)月左右的運行，反應器NH4+-N和NO2--N去除率不斷升高，但出水NO3--N濃度呈上升趨勢. 根據報道1 mol NH4+與1.31 mol NO2-反應除生成N2之外[10]，還會(huì )產(chǎn)生0.26 mol的NO3-[見(jiàn)式(1)]，會(huì )導致出水中含有一定量的NO3--N. 而反應器內有機物在第一階段被消耗完后，由于缺少碳源，反硝化反應無(wú)法進(jìn)行，導致出水NO3--N含量開(kāi)始增加.
經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的培養，反應器出水水質(zhì)穩定在較高水平. 反應器出水NO2-、 NH4+和NO3-濃度平均值分別為1.1、 4.1和13.7 mg ·L-1，TN平均去除率為83%. 圖 3為厭氧氨氧化反應器反應化學(xué)計量學(xué)關(guān)系，顯示了反應器NO2--N的去除量與NH4+-N去除比值(ΔNO2--N/ΔNH4+-N)和NO3--N的產(chǎn)生量與NH4+-N去除量的比值(ΔNO3--N/ΔNH4+-N)隨時(shí)間的變化關(guān)系. 厭氧氨氧化反應的三氮比ΔNH4+-N ∶ΔNO2--N ∶ΔNO3--N理論值為1 ∶1.32 ∶0.26[10]，除了厭氧氨氧化反應，反應器內可能存在的反硝化反應和硝化反應對這兩個(gè)計量學(xué)參數都有影響[2]，因此反應器內的化學(xué)計量學(xué)關(guān)系和出水的水質(zhì)可以用于作為厭氧氨氧化反應器啟動(dòng)成功的標準. 該階段平均三氮比ΔNH4+-N ∶ΔNO2--N ∶ΔNO3--N為1 ∶1.31 ∶0.27，接近理論值，表現出明顯的厭氧氨氧化特性，說(shuō)明厭氧氨氧化反應器啟動(dòng)成功.
圖 3 運行期間厭氧氨氧化反應的化學(xué)計量學(xué)關(guān)系
2.2 厭氧氨氧化與反硝化協(xié)同脫氮
從圖 2(a)~2(c)可以看出，NO3--N占了出水TN的70%以上，是導致TN去除率較低的主要因素. 在利用厭氧氨氧化反應器處理實(shí)際污水過(guò)程中，進(jìn)水中不可避免地含有一定量的有機碳. 有研究表明，厭氧氨氧化菌與反硝化菌能在一個(gè)反應器內共存，反硝化菌利用有機物將反應器內的NO3-轉化為N2，可解除有機物對厭氧氨氧化的抑制作用; 同時(shí)反硝化產(chǎn)生的CO2還可為厭氧氨氧化提供無(wú)機碳源，兩者可實(shí)現協(xié)同作用[14]. 但是過(guò)高的COD會(huì )導致反硝化菌的過(guò)度繁殖，與厭氧氨氧化菌競爭并優(yōu)先利用NO2-，從而抑制厭氧氨氧化菌活性[9]. 因此在第Ⅱ階段(46~132 d)，本實(shí)驗設計了不同的進(jìn)水COD/TN(C/N)比，考察ABR反應器中COD對脫氮的影響以及厭氧氨氧化菌和反硝化菌的相互作用.
2.2.1 C/N比為0.5
向進(jìn)水中添加少量的有機物，維持進(jìn)水C/N比在0.5左右(46~67 d). 從圖 2可以看出，反應器NO2-和NH4+去除率無(wú)明顯變化，但是出水平均NO3--N濃度從未添加有機物時(shí)(階段1)的13.7 mg ·L-1下降到10.2 mg ·L-1，下降了25%，TN去除率從83%上升到85%. 本階段平均三氮比為1 ∶1.35 ∶0.15，ΔNO2--N/ΔNH4+-N比理論值偏大，ΔNO3--N/ΔNH4+-N比理論值偏小，說(shuō)明反應器內有一部分NO2-和NO3-通過(guò)反硝化作用被去除. 因為本實(shí)驗反應器中接種了一部分厭氧顆粒污泥，導致反應器內含有一定量的反硝化菌，進(jìn)水中加入了有機碳后反應器中的異養反硝化細菌被迅速激活，將NO2-和厭氧氨氧化反應產(chǎn)生的一部分NO3-還原為N2. 這與文獻[15, 16, 17, 18]的研究結果一致，COD/NH4+-N比值在0~1.57之間對厭氧氨氧化過(guò)程去除NH4+和NO2-無(wú)明顯影響，反而可以通過(guò)異養反硝化過(guò)程提高TN去除率.
從文獻[14, 15]可知，在有機物存在的厭氧氨氧化反應器內主要存在著(zhù)厭氧氨氧化反應(ANAMMOX)[式(1)]、 短程異養反硝化反應1[式(2)]、 短程異養反硝化反應2[式(3)]和全程異養反硝化過(guò)程(denitrification)[式(4)]. 在這些反應中，厭氧氨氧化反應無(wú)需有機碳源，厭氧氨氧化菌可利用NH4+作為電子供體，與NO2-反應生成N2達到脫氮的目的. 短程異養反硝化反應1、 短程異養反硝化反應2和全程異養反硝化反應需要以有機碳源作為電子供體，實(shí)現NO3-和NO2-的還原. 因此氮的去除途徑可以通過(guò)計算短程硝化作用的反應1、 2和全程反硝化作用消耗的COD和去除的TN來(lái)推出，見(jiàn)公式(5)~(6). 圖 4為基于實(shí)驗結果和上述提到的式(1)~(4)而計算出的結果. 推測在第二階段，C/N比為0.5時(shí)，通過(guò)厭氧氨氧化途徑去除的氮平均占80%，異養反硝化的貢獻占18%，其他方式如氨揮發(fā)、 微生物合成作用等占2%，證明在C/N比為0.5時(shí)，厭氧氨氧化占脫氮過(guò)程的主導地位.
圖 4 ABR反應器氮去除分析
2.2.2 C/N比為1
當C/N比由0.5上升為1(68~89 d)，如圖 2所示，隨著(zhù)COD濃度的升高，反應器NO2-和NH4+去除率仍無(wú)明顯變化，但是出水NO3-濃度大幅度下降到4 mg ·L-1左右，對TN平均去除率也維持在90%以上，反應器達到良好的脫氮效果. 從圖 4中可以看出，反硝化所占比例增加，通過(guò)反硝化去除的氮已經(jīng)占34%. 顯然，充足的有機物可以增強反硝化作用達到更高的總氮去除率.
在79～89 d期間，出水水質(zhì)保持穩定，TN平均去除率為94%，說(shuō)明厭氧氨氧化菌和異養反硝化菌能共存并協(xié)同脫氮. 有研究發(fā)現[17, 21, 22]，當COD/NO2-比為2時(shí)，整個(gè)反應周期過(guò)程中都有亞硝酸鹽的存在，可以避免在有機條件下異養反硝化過(guò)程對厭氧氨氧化反應的抑制. 當反應體系中亞硝酸鹽充足時(shí)，反硝化過(guò)程對厭氧氨氧化活性無(wú)明顯影響. 厭氧氨氧化菌與反硝化菌在對亞硝酸鹽的競爭中達到平衡，是其維持協(xié)同作用的關(guān)鍵. 賴(lài)楊嵐等[23]在采用UASB反應器培養厭氧氨氧化菌時(shí)發(fā)現最佳COD/TN比為1.46，在COD/TN比大于2時(shí)會(huì )抑制厭氧氨氧化菌的活性. 高范[19]的研究表明在COD ∶NO2- ∶NH4+為0.6 ∶1.26 ∶1時(shí)達到最佳的總氮去除率. 從上文可以得出，在較低C/N比條件下時(shí)，有機物不會(huì )破壞厭氧氨氧化反應的進(jìn)行，厭氧氨氧化菌能與異養反硝化菌共生，并可以進(jìn)一步提高反應器脫氮效率.
2.2.3 C/N比為2
綜上實(shí)驗結果中可以看出當C/N比為0.5和1時(shí)，有機物的存在對厭氧氨氧化反應沒(méi)有顯著(zhù)的影響，厭氧氨氧化菌和反硝化菌能在較低的有機物濃度(COD<100 mg ·L-1)下共存并實(shí)現協(xié)同脫氮. 但是在實(shí)際廢水處理過(guò)程中，進(jìn)水COD經(jīng)常會(huì )出現較大的波動(dòng)，因此本實(shí)驗探究了在較高的C/N比條件下反應器的脫氮效果.
在第90～109 d，進(jìn)水的C/N比提高到2時(shí)，從圖 2可以看出，出水NH4+濃度大幅上升，NO2-和NO3-濃度依然穩定在較低水平，此階段三氮比平均值為1 ∶1.89 ∶0.01. 在高C/N比條件下，異養反硝化菌活性增強，反應器內絕大部分NO3-通過(guò)反硝化作用被去除; 而ΔNO2--N/ΔNH4+-N大幅度上升，說(shuō)明大量的NO2-被用于反硝化反應，反應器內厭氧氨氧化菌由于缺少電子受體活性受到抑制. TN的平均去除率下降至78%，通過(guò)厭氧氨氧化途徑去除的氮僅占39%，異養反硝化脫氮占總氮去除的52%. 在有機物、 氨和亞硝酸鹽共存時(shí)，反硝化反應的吉布斯自由能(-427 kJ ·mol-1)低于厭氧氨氧化反應(-335 kJ ·mol-1)，反硝化過(guò)程更容易發(fā)生，更容易得到其共同的電子受體NO2-[24]; 另外，反硝化菌增長(cháng)速率遠大于厭氧氨氧化菌[25]，導致厭氧氨氧化菌被抑制. 在本階段，反應器內的反硝化菌已經(jīng)超過(guò)厭氧氨氧化菌成為主導，厭氧氨氧化菌和反硝化菌的協(xié)同作用被破壞[26].
2.2.4 厭氧氨氧化反應器的恢復
反應器內C/N比為2，即COD為200 mg ·L-1左右時(shí)，由于厭氧氨氧化菌活性大大降低，導致TN去除率急劇下降，為了考察厭氧氨氧化反應器在有機負荷沖擊下的恢復能力，在第110～133 d，采用不含有機碳的進(jìn)水培養厭氧氨氧化菌.
由圖 2中可以看出，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的馴化，出水NH4+-N濃度逐漸下降，但是NO3--N和NO2--N濃度呈上升趨勢，說(shuō)明在缺少有機碳的條件下，反硝化反應受到抑制. 在第127 d NH4+-N的去除率達到89%，NO2--N出水濃度下降至1.3 mg ·L-1，TN去除率恢復至81%. 此時(shí)反應器三氮比為1 ∶1.32 ∶0.26，說(shuō)明厭氧氨氧化菌的活性受到較高濃度有機物的抑制后，經(jīng)過(guò)無(wú)機進(jìn)水的馴化，可在較短時(shí)間內得到恢復. 厭氧氨氧化菌中的浮霉菌門(mén)微生物能耐受高濃度有機碳源，在高有機負荷下仍能保持高效的脫氮作用[27]. 本實(shí)驗采用顆粒污泥富集厭氧氨氧化菌，污泥流失量較少，在有機負荷的沖擊下，厭氧氨氧化菌活性受到抑制，但是數量并未大量減少，此特性可以使反應器在有機負荷降低之后迅速恢復，使反應器具有一定的抗沖擊負荷能力.
2.3 厭氧氨氧化協(xié)同反硝化處理生活污水
目前，厭氧氨氧化工藝已被用于處理實(shí)際高氨氮廢水，例如垃圾滲濾液[28]、 污泥消化液[29]、 畜禽糞便廢水[30]等，采用此工藝處理低氨氮濃度的實(shí)際生活污水的研究較為少見(jiàn). 本實(shí)驗中，采用厭氧氨氧化協(xié)同反硝化工藝處理低負荷含氮廢水，在NH4+濃度為50 mg ·L-1，C/N比為1時(shí)，可得到良好的處理效果，TN去除率可穩定在90%以上，并具有一定的抗有機負荷沖擊能力. 為考察厭氧氨氧化協(xié)同反硝化反應器處理城市生活污水的性能，采用實(shí)驗室穩定運行的ABR出水，另外再投加NaNO2提供NO2--N，作為本階段厭氧氨氧化反應器用水.
在第Ⅲ階段(133～153 d)，厭氧氨氧化反應器進(jìn)水C/N比在1.1左右，經(jīng)過(guò)20 d的運行，反應器出水水質(zhì)穩定，出水NO2--N和NO3--N均低于1 mg ·L-1以下，出水NH4+-N平均濃度為6.5 mg ·L-1，TN平均濃度為7.5 mg ·L-1，TN平均去除率達到86%. 經(jīng)分析此階段經(jīng)厭氧氨氧化反應去除的氮占去除TN的 71%，經(jīng)異養反硝化反應去除的氮占26%，其他途徑占3%，厭氧氨氧化菌與反硝化菌在此條件下能實(shí)現協(xié)同脫氮.
盧健聰等[31]采用“甲烷化+半亞硝化+厭氧氨氧化脫氮”聯(lián)合工藝處理模擬城市污水，出水TN<4 mg ·L-1，溶解性COD<10 mg ·L-1，達到了良好的處理效果. 這種3段式處理工藝，可以充分利用各個(gè)反應器的特點(diǎn)，聯(lián)合起來(lái)達到產(chǎn)甲烷除COD和厭氧氨氧化脫氮的目的. 除三相式反應器之外，有研究者利用單相反應器實(shí)現厭氧氨氧化脫氮. Lotti等[32]利用SBAR反應器實(shí)現了短程硝化-厭氧氨氧化脫氮，該反應器在10℃、 進(jìn)水NH4+-N濃度為60 mg ·L-1時(shí)，仍能運行良好. 本實(shí)驗采用ABR反應器，在不同格室內培養優(yōu)勢微生物，實(shí)現一體化除碳脫氮，有利于厭氧氨氧化工藝的實(shí)際應用.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結論
(1)利用ABR反應器1 ∶1混合接種厭氧氨氧化顆粒污泥和厭氧顆粒污泥，可在45 d內快速啟動(dòng)厭氧氨氧化反應，并實(shí)現穩定運行. 反應器出水NO2--N、 NH4+-N和NO3--N濃度平均值分別為1.1、 4.1和13 mg ·L-1，總氮平均去除率為83%，該階段三氮比為1 ∶1.31 ∶0.27.
(2)向反應器內加入少量的有機物(COD<100 mg ·L-1)，可以通過(guò)厭氧氨氧化菌和反硝化菌的協(xié)同作用提高TN去除率. C/N比為1時(shí)，反應器可達到最佳處理效果，對TN去除率維持在90%以上; C/N升高到2時(shí)，在高COD的影響下，厭氧氨氧化反應受到抑制，TN去除率下降; 通過(guò)降低進(jìn)水COD濃度可以使受有機碳抑制的反應器快速恢復，說(shuō)明協(xié)同脫氮反應器可以抵抗一定的有機負荷沖擊.
(3)采用厭氧氨氧化協(xié)同反硝化反應器處理城市污水，出水NO2--N和NO3--N均低于1 mg ·L-1以下，NH4+-N和TN平均濃度分別為6.5 mg ·L-1和7.5 mg ·L-1，TN平均去除率達到86%以上，說(shuō)明協(xié)同脫氮反應器可以高效穩定地處理城市生活污水.（來(lái)源及作者：蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 張詩(shī)穎 吳鵬 宋吟玲 沈耀良 張婷 ）
