工艺技术 研究：PN/A处理低氨氮废水运行效能及微颗粒互营特性

活性污泥法是污水处理的传统工艺，该工艺的硝化-反硝化脱氮过程呈现高能耗特点，在采用该工艺的污水处理厂，约一半的能耗用于曝气增氧。因此，迫切需要开发一种新的污水处理工艺来实现氮的节能去除。许多研究探索了在不同规模下通过部分亚硝化/厌氧氨氧化（PN/A）过程实现污水主流脱氮的可行性。然而，由于低氨氮浓度和低温导致的部分亚硝化不稳定以及厌氧氨氧化活性较低，主流PN/A的应用仍然面临挑战。此外，由于厌氧氨氧化菌的倍增时间长，在低浓度进水条件下，很难在反应器中维持足够的微生物量。


>>>> 研究内容

       本研究采用了一种新型的一段式PN/A系统，将PN/A反应过程与污泥沉淀回流集成在一个反应器中。反应器用有效体积为2L的气水混合区作为PN/A的主反应单元，体积为0.4L的斜板区作为沉淀单元，沉淀污泥在气流的驱动力下返回反应单元实现污泥循环（图1）。在不同水力停留时间（HRT）条件下研究了该系统处理低氨氮废水的运行效能，并对反应器运行过程中的污泥特性、微颗粒结构及其脱氮动力学做了分析。



图1. 用于一段式PN/A过程的气提式反应系统

超过250d的运行结果证实了该PN/A反应器处理低氨氮废水（50 mg/L）稳定运行的可行性。在HRT=2h时，系统达到了稳定运行时的最大负荷，此阶段反应器脱氮效率可达到71.8±9.9％（图2）。



图2. 反应器性能：（A）供气率和溶解氧（DO）浓度（B）出水残留的氨氮、亚硝氮、硝氮浓度（C）出水中的总氮浓度（D）总氮去除率

      污泥颗粒分析结果表明：反应器中出现了大量尺寸微小的红色颗粒，颗粒的粒径集中在265-536μm（图3）。经分析，微颗粒的化学元素组成式为CH1.61O0.61N0.17S0.01P0.03。



图3.  微颗粒的形态特性：（A）在反应器中形成的颗粒照片（B）颗粒粒径分布（C）颗粒粒径的主要范围

      原位荧光杂交分析结果表明：氨氧化菌（AOB）和厌氧氨氧化菌（Anammox）是微颗粒中最主要的细菌，Anammox占细菌总数的37.7±6.2％，AOB占34.7±3.9％（图4A, B）。单个颗粒形貌分析发现，Anammox和AOB的结合建立了一种特定的类似于橄榄球的空间结构：（1）大部分Anammox聚集成团并形成颗粒的核心，而AOB形成颗粒外部的厚边缘;（2）Anammox细胞聚集成几簇，而AOB细胞在颗粒外缘相对均匀分布，没有任何成簇现象;（3）Anammox团簇间观察到许多缝隙，这可能起到基质和废物流通的作用（图4C,D）。通过这种特殊的结构，一部分NH4+在颗粒表层被AOB氧化成NO2-，剩余的NH4+和产生的NO2-被颗粒中心的Anammox利用达到生物脱氮的作用。此外，AOB的表面覆盖和对氧气消耗防止了Anammox被氧气以及其他环境因素抑制。微生物群落构成分析表明Candidatus Kuenenia stuttgartiensis（Anammox）和Nitrosomonas（AOB）是两种优势菌种，相对丰度分别为27.6％和10.5％。



图4. 微颗粒中AOB和Anammox的FISH分析：红色为Anammox，绿色为AOB；亮蓝色为AOB绿色和EUB蓝色的混合色，紫色为Anammox红色与EUB蓝色的混合色

       基于以上研究结果，作者提出了微颗粒的微观结构假设：厌氧氨氧化菌在颗粒的核心形成多个团簇，外围首先被一层相对低细胞密度的AOB包裹，再往外是一层高细胞密度的AOB薄层，AOB层通过消耗大部分DO起到对氧气的屏障作用。从表面到内核的氧气消耗是形成颗粒三层结构的关键驱动因素，这也表明，优化调整DO值对于维持微颗粒中有效PN/A过程至关重要。第200天的微生物活性测试表明，AOB的氮转化能力（SAOA）为0.24±0.05 gN/gVSS/d，Anammox的氮转化能力（SAA）为0.31±0.07 gN / gVSS / d，而亚硝氮氧化菌（NOB）的氮转化能力（SNOA）仅为0.07gN / gVSS / d，表明NOB的活性在反应器中被有效抑制。本研究为低氨氮废水PN/A处理提供了一种基于微颗粒的新工艺，其中，污泥负荷和DO的调控制是反应器成功运行的关键要素。



图5. 微颗粒中的可能的微观结构和反应动力学

>>>> 结论

（1）基于微颗粒污泥的一段式PN/A反应器可实现低氨氮（50mg/L）进水条件下的高Anammox活性，在较短的水力停留时间（HRT=2h）下实现了72±10%的脱氮效率；

（2）微颗粒上Anammox菌(Candidatus Kuenenia)和AOB(Nitrosomonas)之间的共固定化和微观结构有助于实现高效的PN/A过程。

来源：Rong Chen, Jiayuan Ji, Yujie Chen, Yasuyuki Takemura, Yuan Liu, Kengo Kubota, Haiyuan Ma, Yu-You Li, 2019. Successful operation performance and syntrophic micro-granule in partial nitritation and anammox reactor treating low-strength ammonia wastewater. Water Research. 155, 288-299