工艺技术 深度：厌氧氨氧化工程化应用障碍及对策

1 过程扰动

目前，大约有100 座运行或在建和规划中的ANAMMOX 工程，其中PN-ANAMMOX 是一种较为成熟的工艺。但是复杂的微生物群落和短程硝化仍然不是始终处于受控状态。文献中很少有报道工程化设施运行过程中的问题、原因和对策。其中只有少数污水厂因为硬件问题 (鼓风机、混合设备、泵) 影响到工艺运行性能。众所周知，DO 浓度是最常用的控制参数，DO 传感器故障会导致严重的后果，太高的曝气强度如果没有得到及时控制，将会导致硝酸盐积累。因此，监测气量而不是DO 浓度可能更可靠，尤其是当DO 浓度较低时。

温度变化对工艺性能的影响比较小，只有当短时间内高温波动 (如一周内升高8 ℃) 时会显著影响性能。一些污水厂存在pH 波动或冲击现象，这会产生严重的负面影响。太高的pH(>8.0) 会导致AnAOB 活性降低导致亚硝酸盐积累，太低的pH (<6.8) 会抑制AOB。应在pH波动可以预见的情况下采取相应的调控措施。

对PN-ANAMMOX 工艺性能影响较大的是进水总悬浮固体 (Total suspended solids, TSS)浓度，绝大多数污水厂都发生过由于进水TSS浓度太高或者波动带来的性能下降。DEMON 工艺SBR 系统经历较高的进水TSS 负荷会出现硝酸盐积累，需要额外排泥，进而降低了反应器中的菌体浓度。进水TSS 所含的抑制物 (例如硫化物) 还会带来抑制影响。可以采取的对策包括增加排泥量或者只是等其恢复。抑制影响会持续一段时间，但是实际工程中确定真正的抑制物比较困难。

2 氮素积累


在PN-ANAMMOX 工艺中，为了确保高性能和高处理量，应该避免氨氮、亚硝氮和硝氮的积累。尤其需控制氨 (或游离氨) 和亚硝酸盐浓度，避免基质抑制。在pH>7.6，温度>35 ℃的条件下，只有在氨浓度达到200 mg/L 以上(导致游离氨抑制) 时，氨抑制才会发生，避免氨抑制的对策主要有增加曝气、减小进水流量或者减少排泥量等。目前，氨的长期负面影响在工程中还未见报道。相对而言，亚硝酸盐和硝酸盐积累通常更为重要。亚硝酸盐积累通常是因为ANAMMOX 菌群紊乱或者短程硝化产能过剩。尤其在启动阶段，亚硝酸盐更应严格监控，这是因为AOB 生长比AnAOB 快，会引起亚硝酸盐浓度升高。

AOB 受到抑制后，反应器中DO 浓度上升随后导致AnAOB 受扰，也会导致亚硝酸盐浓度升高。可采取的对策包括停止曝气和降低负荷 (通过减小进水流量) 等。在一定情况下，反应器停止 (仅维持必要的混合)一段时间去除亚硝酸盐也是有必要的。控制pH和亚硝酸盐浓度可以有效控制游离亚硝酸抑制。就抑制而言，硝酸盐积累本身的影响并不很大，但是硝酸盐浓度的升高意味着不同微生物生理群功能失衡并且NOB 大量积累。NOB和硝酸盐积累的主要原因是供氧过量，但检测出的DO 浓度未必会增加。对于硝酸盐积累可以采取的对策包括减少空气流量、降低DO 设定点、降低鼓风机开机频率或者减少运行时间(增加缺氧阶段)、间歇曝气 (改变开/关时间)等。在SBR 系统中，除去絮状污泥或者缩短沉淀时间也是主要的控制策略。

3 运行问题


除了机械故障和氮素积累，还有可能遇到发泡、结垢和固体持留、沉淀和分离等难题。这些因素对于反应器性能影响不大，添加消泡剂和洒水能有效处置泡沫。虽然没有报道指出管道、泵、曝气装置结垢会直接影响性能，但持续沉积会引发严重的运行问题，传感器寿命也会受到影响。特别是处理某些含高氨氮和磷酸盐的废水 (污泥消化液) 时需要定期清洁。另外，这对于生物膜系统和依赖密度分离的系统而言，生物膜或颗粒表面结垢可能会产生不利影响。

更为重要的是污泥持留、沉淀和固体分离等问题。正如上文所述，进水固体含量长期较高会引起运行问题。太多惰性固体积累会降低活性。尤其是调节池中的沉降性能不佳所导致的主反应器中TSS 冲击会引发严重的性能扰动。同样，沉降性能差的SBR 中会有菌体流失。可采取的对策包括增加沉淀时间或添加絮凝剂。但相反的问题也会出现，混合不足引起的污泥絮体或聚集体过大会导致污泥上浮，最终影响排泥。

4 温室气体排放


目前能源和成本效益以及可持续发展逐渐演变为污水处理行业的标杆。减少污水厂温室气体的排放是可持续发展的重要部分，也是目前ANAMMOX 工程化应用中的一个实际问题。而氧化亚氮 (N2O) 作为反硝化的中间产物也是一定条件下AOB 的副产物，是一种重要的温室气体，其温室效应比CO2 强300 倍以上。关于N2O 从单级系统和两级系统中的排放均有报道，奥地利Strass 污水厂的DEMON 工艺N2O的排放量为氮负荷的1.3%，在间歇曝气和连续曝气期间N2O 的排放量分别为氮负荷的0.6%和0.4% 。而在荷兰鹿特丹Dokhaven Sluisjesdijk 污水处理厂的SHARON-ANAMMOX 工艺，SHARON 反应器N2O 的排放量是氮负荷的1.7%，ANAMMOX反应器N2O 的排放量是氮负荷的0.6%。NAS工艺N2O 的排放量则高达氮负荷的6.6%。但是在AnAOB 的代谢中，N2O 既不是中间产物，也不是副产物。N2O 的排放是一个十分复杂的问题，可能涉及硝化、反硝化和化学反应，是由众多因素共同作用的结果。而且在实际工程中，N2O 的排放具有高度动态性，准确的量化只能通过高频随机取样或者连续在线监测。

今后的研究重点应集中于运行条件的优化和水质障碍因子的解决，尤其是工艺自动化控制系统的开发和特殊废水对工艺性能影响的研究。

1) 由于基建和运营成本低，一体化系统无疑是今后ANAMMOX 工程化应用的新宠。该系统不仅能有效避免因亚硝酸氮累积造成的抑制作用，还可防止NOB 产生硝酸盐，这是因为NOB 对O2 的亲和力比AOB 低，对亚硝酸盐的亲和力又比AnAOB 低。现有研究称，在处理高浓度含氨废水时，可以通过增加游离氨(Free ammonia, FA) 来抑制亚硝酸氧化，提升总氮去除效率，但FA 对NOB 的抑制效果仍存疑，建议不要仅仅依赖FA 来抑制亚硝酸氧化。因此在今后的研究中，一体化系统的运行参数和操作条件优化将成为重点。另外，如何有效控制N2O 的排放将是一体化系统必须迈过的一道坎。

2) 需要探明ANAMMOX 工程对废水水质的适用性，并提出应对之策。某些废水成分对反应器性能的实际影响还鲜为人知，诸如厕所水、垃圾渗滤液、制药、养殖、焦化、制革、食品加工等行业废水通常含有一定浓度的抗生素、重金属、无机盐、硫化物和酚类等有毒物质，很大程度上会影响AnAOB 的活性，最终可能会导致运行失稳。笔者课题组在ANAMMOX 抑制方面做了大量研究，包括土霉素、铜 (Ⅱ)、盐度、硫化物、苯酚对ANAMMOX工艺的抑制作用。研究发现，由于工作条件、实验方法、污泥的物化特性和所涉及的微生物种群不同，抑制作用差异也很大，有的放矢地缓解和调控措施也有待开发。因为AnAOB对生长环境的要求较为严格， 要想实现ANAMMOX 工艺更广的工程化应用，仍需进行大量关于AnAOB 快速富集培养与抑制作用的研究。此外，营养物质的缺乏也需引起重视。

3) 常温或低温ANAMMOX 工艺和将该工艺应用于生活污水直接脱氮是重要的发展方向。此前，大部分文献报道的自养脱氮系统运行温度都在25 ℃以上，进水氨氮浓度高于100 mg/L。近来，低温ANAMMOX 工艺的研究已经取得了突破性的进展。实验室规模25 ℃下正常运行的一体式反应器可以迅速 (10 d)适应低温并在12 ℃下稳定运行，300 d 内无亚硝酸盐累积，氨氮去除率达90%以上。笔者课题组的研究表明，实验室规模35 ℃下运行的ANAMMOX 反应器，可通过逐步降温驯化、菌种流加或添加低温保护剂 (甜菜碱) 等方法使得反应器在9.1 ℃时的NRR 高达6.61 kg N/(m3·d) 。ANAMMOX工艺不仅可以应用到高浓度氨氮废水，也有望应用于低氨氮的城市生活污水的处理，有望使污水处理厂达到能量平衡。中试 (4 m3，(19±1) ℃) 研究也已取得阶段性的成功，但是实际工程中如何提高低温下的菌体活性，实现低基质浓度下的菌体扩增，高流速下的菌体持留等问题仍是有待突破的瓶颈。来源：生物工程学报