工艺技术 研究：生物膜/絮体混合系统改善主流厌氧氨氧化工艺

亚硝酸盐氧化菌（NOB）的控制是污水处理主流短程硝化厌氧氨氧化（PN/A）工艺应用的一大挑战。瑞士联邦水科技研究所EAWAG和苏黎世联邦理工学院ETH，联合丹麦奥尔堡大学、荷兰代尔夫特理工大学、美国西北大学的学者，在一年多的时间里对包含生物膜和悬浮生长模式的混合PN/A系统在不同的NOB控制策略下的表现进行了研究，以了解不同条件对Anammox厌氧氨氧化菌和NOB菌竞争的影响。他们的研究结果发表在IWA期刊《Water Research》第154期上。


四国五校联合研究混合PN/A系统的NOB控制策略

主流PN/A

要成功实现污水处理主流短程硝化厌氧氨氧化（PN/A）工艺，有赖于氨氧化菌（AOB）和厌氧氨氧化菌（AMX）的协同作用。AMX菌的生长速率缓慢，两者要想在一个系统里共存，需要优化微生物群落工程策略，同时抑制和AMX菌竞争的NOB。

虽然侧流PN/A早已实现工程应用，但在主流条件下直接照搬侧流的运行经验是不可行的。因为在中温条件下（＞20℃），AOB的最大生长速率高于NOB，这样通过调节SRT就可将后者淘洗出去。相反在主流污水的反应温度在10-20℃之间，两者的生长速率相差无几。此外，主流的N浓度太低，以致于没有足够的NH3或HNO2抑制NOB。因此，NOB的控制和淘洗不能像侧流工艺那样仅仅依靠最大生长速率差。

此前的研究已经证明，使用生物膜，无论是用载体材料还是颗粒污泥的形式生长，都可以在实验室规模的主流条件下实现高效且具有抗冲击性的主流厌氧氨氧化工艺。主要原因是生物膜可以为保留AMX提供更长的SRT，底物传质梯度的存在则促进了NOB活性的抑制作用。在生物膜系统里，NOB的控制主要通过它和AOB竞争氧气来驱动——低溶解氧的环境有利于限制NOB的有氧生长，使氨氮的氧化停留在亚硝化反应阶段。

但是，低氧生物膜系统有三大问题：

第一，低氧运行同时也限制了AOB的活性，从而降低了整个工艺的反应速率；

第二，尽管有研究显示AOB的亲氧性更好，但研究人员发现NOB适应低溶解氧的能力也是很出名的，甚至在低氧条件下表现出比AOB更高的亲氧性；

第三，尽管我们可以抑制NOB的活性，但 NOB 还可以顽强地存留在生物膜中。当氧气量升高的时候，它就有了繁殖活跃的机会，这使得在单一生物膜系统里长期抑制NOB变得相当困难。

混合系统

在这样的背景下，学界逐渐将目光转移到混合系统上，也就是我们更为熟悉的IFAS工艺——有生物膜和污泥絮体共存的系统。这种混合系统在主流PN/A应用上有其潜在优势：有实验显示快速生长的好氧微生物更喜欢在絮体部分聚集，因为它们在那里更容易获得溶解性底物。相反因为生物膜可以提供缺氧条件，因为AMX会在生物膜中富集。这样一来，原则上可以对着两部分的组成实施不同停留时间的差异化控制策略。此外，因为与生物膜相比，絮体受扩散传质限制更少，因此即使在低DO下，也可以实现更高的有氧体积转化率。

此前关于混合系统的不同文献的实验结果不一致：有结果显示，总悬浮固体浓度大于1g/L的高絮体混合系统可以在中温条件下大规模地处理消化液，NOB活性低至可忽略不计。但有研究显示当混合系统的絮体比例低于10%的总固体时，NOB开始上升。所以能否通过混合系统和不同的运行条件来分离NOB和AMX还是个未知数，这正是这个四国联合研究团队想继续探索的问题。

实验方法

这次研究分为两大部分：实验和数学建模。实验部分主要考察DO对NOB控制的影响。他们选用了MBBR反应器，体积为12L的MBBR，用SBR的方式运行。实验污水来自瑞士Dübendorf污水厂的实际进水，经过预处理和快速曝气后，COD值约为54±13mg/L，NH4-N为23±6，亚硝态氮和硝态氮浓度总和小于0.3mg/L。这些进水进入反应器前，会储存在50L的恒温缓冲罐里。生物膜填料的体积比为33%（保护面积800㎡/m³）。反应器在15.5±1.0℃的温度下运行了565天。

每个SBR周期包括了进料（5L, 5min）、缺氧搅拌（10min，200rpm）、曝气搅拌（时间为60-200min，NH4+保持在2mg N/L的水平）、缺氧搅拌（60min）、静置沉淀（60min）、出水排放（排出量为5L，2min）。DO值根据测试阶段而调整，微曝气为0.17±0.04mg/L，好氧条件为1.2-1.6mg/L左右。一个完整的循环用时为3.5±0.5小时（高DO）和5.3±0.3小时（低DO）。监测参数包括DO、氨氮、硝酸盐、pH和温度、TSS，再以此计算SRT。

此外，研究团队还用MATLAB开发了一个简化的动态模型，来对实验结果进行解释，并研究絮体组成和NOB浓度如何随DO的变化而变化，从而得出最优的生物质分离策略。他们考虑的五种可溶性物质包括NH4+、NO2-、NO3-、N2和DO。


图1. 混合系统模型里活性生物质的空间分布

结果讨论
如下图2a和b所示，在第二阶段，随着DO从0.17升至1.2mg/L，以及絮体截留的改善，AOB和NOB的单位活性都有显著增长。同时TSS从0.2升至1g/L。AOB、NOB和AMX的最大生长速率分别为0.3、0.34和0.014/d。


图2. AOB、NOB和AMX在MBBR中的单位体积活性的最大值和实际值

在第三阶段，当DO降回至0.17mg/L后，AOB和NOB的单位活性停止增长。约6周之后，NOB活性开始降低而AOB则保持稳定。

在第四阶段，当DO升至1.6mg/L后，AOB和NOB的活性又再次显著增加。但一场连续几天的暴雨，使得各细菌的长势在第475天停止了。约两个月后系统恢复了正常。

图2c和d显示的分别是实际活性和观察到的氨氮转化情况。在高DO情况下，实际活性与最大活性相当，说明此时不受底物浓度限制。在115-185天之间，我们看到NOB活性的降低和AMX活性的增加，说明对NO2-竞争的转变。随后随着DO再次增加，附着在生物膜里的NOB的活性也马上增加，NO3-开始累积。

下图3反映了AOB、NOB和AMX的相对丰度。与观察到的活性值一致，AMX基本上都出现在生物膜中（高达15%）。有趣的是他们检测出4组不同的OUT，这暗示存在潜在的菌种分支。AOB和NOB在整个运行期间的相对丰度都较低。在第三阶段TSS从1升至2.5g/L时，AOB的相对丰度从0.5%升至2.5%，NOB则从0.4降至0.1%。说明NOB的活性和絮体中的NOB被冲走的实际情况一致。图3d反映了在DO低的时候，AOB会在絮体中富集。


图3.基于基因测序的AMX(a)、AOB(b)、NOB(c)在絮体(左纵轴)和生物膜(右纵轴)的相对丰度

理论上，在中低温下很难用侧流的方法在主流里区分AOB和NOB的实际生长速率。但这次实验里，通过延长低DO的时间，他们成功将NOB从絮体中淘洗分离。研究团队认为这正是IFAS的独特之处。在絮体中的NOB和生物膜中的AMX对亚硝态氮的竞争中，IFAS系统的生物膜部分，就像一个吸走NO2-的“水槽”，最终将NOB“赶出”系统。

然而，由于部分NOB可以在生物膜中累积，因为使得一个纯生物膜的PN/A系统很难有效抑制NO2-的氧化。这部分NOB需要通过对DO的控制来抑制。研究团队这次实验也显示，相比于与NO2-的浓度，DO是一个更重要的限制因素。

通过冲走絮体中的NOB和抑制生物膜中的NOB，系统的脱氮去除率约为88±4%，TN浓度低于3mg/L。据作者称这是目前关于主流厌氧氨氧化系统里有记录的最高质量排水出水水质，而且其HRT约为9-13小时，与传统的污水厂相当。

混合MBBR数学模型

研究团队用数学模型对四种情况进行了模拟。四种情况的比较如下图所示，其中情景1是絮体中AOB和NOB浓度高的情况。模拟结果显示在1.5mg/L的DO条件促使AOB和NOB在絮体中的富集（图4a），这个实际观察情况相似（图2）。

在情景2里，DO的降低使AOB和NOB的生长速率都降低了，模拟结果显示因为只有NOB受到AMX的竞争，因此导致AOB得以保留而NOB被冲走。

在情景3，研究人员增加了每个SBR周期冲走的絮体的比例。结果证明这也是个实现选择性冲走NOB的有效策略。

场景4实施的是提高生物膜中的AMX活性，从而提高对NO2-的消耗，因为在与NOB的竞争中占优，最终使后者被冲走。同时模拟显示AMX活性的增加少少降低AOB的浓度，因为AMX减少了本可用于AOB的底物NH4+，但对HRT没明显影响。


图4. AOB、NOB浓度和出水氮浓度的模拟情况


表3. 4个不同模拟情境的参数值

最后研究团队还对不同控制参数的独立性进行了分析，由于篇幅关系，在此不再赘述。总的来说，与纯粹的生物膜系统相比，数学的模拟也有力地支持了混合系统在增加运行灵活性的假设，显示了它对主流厌氧氨氧化的NOB控制的潜力。

小结

这次研究通过一年多的实验, 显示了混合系统可以有效在生物膜中富集AMX，并在絮体中选择性了让AOB的生长优于NOB 。而且AMX不会受絮体冲刷的影响，这让混合系统中的AMX （或者说生物膜）充当了一个NO2-的接收水槽的作用。相反AOB和NOB只有在实际生长速率大于施加的冲刷速率才能得以保留。

这个研究有四个关键发现：

1.     混合式的PN/A系统提到了对NOB的控制的灵活性

2.     AOB和NOB主要在絮体中富集，而AMX在富集在生物膜中，AMX对NO2-的消耗是使AOB和NOB生长速率差异化的关键

3.     DO的降低或絮体冲走量的增加都可以有效将NOB从絮体中冲走

4.     通过控制DO在一定的低浓度值，还可以抑制生物膜中的NOB的活性

如果该研究团队能将这次实验展示的灵活性在中试里成功复制的话，将为主流厌氧氨氧化工艺的应用前景增添信心。

参考资料

Biomass segregation between biofilm and flocs improves the control of nitrite-oxidizing bacteria in mainstream partial nitritation and anammox processes, Michele Laureni, David G. Weissbrodt, Kris Villez, Orlane Robin, Nadieh de Jonge, Alex Rosenthal, George Wells, Jeppe Lund Nielsen, Eberhard Morgenroth, Adriano Joss, Water Research 154 (2019) 104-116  来源： IWA国际水协会