厭氧氨氧化在生活污水處理中的應(yīng)用

近年來，國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度不斷提升，人們的生活水平也不斷提高，但污水排放問題卻變得越來越嚴(yán)重。因此，國(guó)家相關(guān)管理部門不斷加強(qiáng)對(duì)污水處理廠的建設(shè)力度，并引進(jìn)了很多先進(jìn)的技術(shù)手段，來優(yōu)化污水處理效果。厭氧氨氧化工藝技術(shù)就是其中之一。由于厭氧氨氧化菌獨(dú)特的代謝方式，其與傳統(tǒng)的污水處理（硝化/反硝化）工藝相比具有以下優(yōu)勢(shì)：①在氨氮氧化為亞硝氮的過程中減少了60%的需氧量；②無需外部碳源投加量，并減少80%的剩余污泥量。

根據(jù)亞硝酸的來源不同，耦合工藝分為兩大類。其一是厭氧氨氧化與短程硝化的耦合；其二是厭氧氨氧化與短程反硝化工藝的耦合。因此，如何實(shí)現(xiàn)亞硝酸的獲取和副產(chǎn)物的消除，以及如何實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化菌的優(yōu)勢(shì)化是厭氧氨氧化工藝高效穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。目前，通過提高反應(yīng)溫度、降低溶解氧、提高進(jìn)水氨氮濃度、調(diào)節(jié)污泥齡等方式實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽的累積，這些技術(shù)已被成功應(yīng)用于污泥消化液、垃圾滲濾液、工業(yè)廢水等高氨氮廢水處理。然而，由于城市生活污水碳氮比較高、溫度隨季節(jié)波動(dòng)大等，這些特點(diǎn)使厭氧氨氧化工藝的應(yīng)用面臨著諸多困難。

1、厭氧氨氧化工藝應(yīng)用于城市生活污水處理的限制因素

1.1 厭氧氨氧化菌與其他功能菌的競(jìng)爭(zhēng)

在現(xiàn)實(shí)中，厭氧氨氧化菌廣泛地存在于城市污水廠中。由于厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)速率非常緩慢，倍增時(shí)間長(zhǎng)達(dá)11天，這使得厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間增加?；谝陨显?，厭氧氨氧化菌需要與AOB、NOB、反硝化菌以及其他的異養(yǎng)菌在同一系統(tǒng)中競(jìng)爭(zhēng)生存空間，這對(duì)不同的基質(zhì)形成了非常復(fù)雜的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

1.2 溫度

側(cè)流工藝中的反應(yīng)溫度一般為30～40℃，這是為了保證AOB的生長(zhǎng)速率高于NOB，并且兩者的差值會(huì)隨著溫度的增加而不斷拉大。在實(shí)際工作中，當(dāng)對(duì)城市主流污水進(jìn)行處理時(shí)，在低溫環(huán)境下，對(duì)PN/A工藝的實(shí)現(xiàn)和穩(wěn)定運(yùn)行提出了新的挑戰(zhàn)。

1.3 碳氮比（C/N）

厭氧氨氧化菌是嚴(yán)格的化能自養(yǎng)菌，以二氧化碳作為碳源合成體細(xì)胞。一般而言，有機(jī)物的存在不能對(duì)厭氧氨氧化菌產(chǎn)生直接不利的影響，甚至有少量有機(jī)物，如乙酸鈉還能加速厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)及胞外聚合物的分泌。但較高濃度的有機(jī)物（C/N>2）反而會(huì)促進(jìn)異養(yǎng)菌的生長(zhǎng)，進(jìn)而與厭氧氨氧化菌爭(zhēng)奪生存空間與基質(zhì)。其原因如下：首先，異養(yǎng)菌的生長(zhǎng)速率普遍高于自養(yǎng)菌，由此導(dǎo)致的污泥量增加更容易使厭氧氨氧化菌被淘洗出系統(tǒng)。其次，異養(yǎng)菌的大量繁殖加劇了脫氮功能菌群之間對(duì)于基質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)。研究發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行污水處理時(shí)，當(dāng)進(jìn)水中小分子有機(jī)物含量過高時(shí)（C/N接近2左右），厭氧氨氧化菌的反應(yīng)活性就會(huì)明顯受到抑制。而對(duì)于全程自養(yǎng)脫氮工藝而言，進(jìn)水C/N比低于0.7時(shí)可獲得比較好的脫氮效果。

2、厭氧氨氧化工藝在城市污水處理中應(yīng)用的研究進(jìn)展

厭氧氨氧化工藝是目前最綠色節(jié)能的生物脫氮工藝之一，并被認(rèn)為是未來污水處理工藝向“集水資源再生、能源回用及資源回收”方向發(fā)展的重要途徑之一。然而，由于厭氧氨氧化菌特殊的代謝特征，限制了其在主流污水處理環(huán)節(jié)的廣泛應(yīng)用。相關(guān)技術(shù)人員針對(duì)厭氧氨氧化菌生長(zhǎng)緩慢、產(chǎn)率低、易受環(huán)境影響等特點(diǎn)，近年來對(duì)厭氧氨氧化工藝在主流污水處理中應(yīng)用的研究主要集中在“如何實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化菌高效富集與截留”、“如何實(shí)現(xiàn)NOB的抑制”、“如何適應(yīng)低溫環(huán)境”等方面。所以，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該加大研究力度，不斷開發(fā)，爭(zhēng)取早日完善此項(xiàng)工藝技術(shù)。

2.1 厭氧氨氧化的高效富集（生物膜法）

生物膜是自然界廣泛存在的一種微生物聚集形式。生物膜能夠使微生物固定化生長(zhǎng)，并為微生物反應(yīng)提供特殊的微環(huán)境。生物膜法與傳統(tǒng)的懸浮態(tài)活性污泥法相比，其更能夠顯著提高反應(yīng)體系生物量，保留世代時(shí)間長(zhǎng)的菌屬，提高微生物結(jié)構(gòu)多樣性，并具有更高的抗沖擊負(fù)荷。因此，生物膜法也是城市污水二級(jí)生物處理的一種常用方法，其對(duì)污水水質(zhì)、水量的變化有較強(qiáng)的適應(yīng)性，管理方便，不會(huì)發(fā)生污泥膨脹，以及能夠處理低濃度的污水。因此，無論是借助掛膜填料或是自身聚集形成的生物膜法，都被證明是實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化工藝在主流污水處理中應(yīng)用的有效途徑。

為了解決污水廠的脫氮效率及運(yùn)行問題，某公司開發(fā)了一種新工藝移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器。這種反應(yīng)器最早是為了在好氧區(qū)投加輕質(zhì)填料，為了實(shí)現(xiàn)污泥的固定生長(zhǎng)而緩解膜分離組件的生物堵塞。后來，由于高比表面積填料的研發(fā)和使用，移動(dòng)床反應(yīng)器兼具了傳質(zhì)效率高、抗沖擊負(fù)荷效果好，微生物種類豐富等優(yōu)勢(shì)。并且，在無需接種厭氧氨氧化污泥的前提下，厭氧氨氧化工藝在移動(dòng)床反應(yīng)器內(nèi)可在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)。

2.2 PNA工藝對(duì)NOB的抑制

PNA系統(tǒng)后置短程反硝化實(shí)現(xiàn)城市污水深度脫氮控制的裝置與方法是，在一個(gè)SBR反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)城市生活污水深度脫氮的技術(shù)。PNA系統(tǒng)結(jié)合在好氧階段將短程硝化耦合厭氧氨氧化，在缺氧階段將短程反硝化和厭氧氨氧化耦合，以此解決短程硝化厭氧氨氧化一體化的應(yīng)用，是對(duì)于城市生活污水中出水氨氮不能過低導(dǎo)致NOB競(jìng)爭(zhēng)性增長(zhǎng)和出水硝酸鹽高的重要舉措。PNA工藝對(duì)NOB的抑制通常是通過控制溶解氧的濃度，在低溶解氧環(huán)境中，AOB對(duì)溶解氧具有更高的親和力，以此限制NOB的生長(zhǎng)。然而，在低溶解氧條件下運(yùn)行同樣會(huì)不同程度地降低AOB反應(yīng)活性，最終導(dǎo)致整個(gè)反應(yīng)過程速率下降。

2.3 碳分離（碳捕捉）

城市污水中的C/N普遍較高，這是PNA工藝應(yīng)用于主流污水處理必需解決的問題之一。研究表明，當(dāng)進(jìn)水C/N低于0.5時(shí)，系統(tǒng)可以獲得較好的脫氮性能。目前，污水中的有機(jī)物被認(rèn)為是可回收利用的寶貴碳資源，若是通過傳統(tǒng)工藝好氧分解生成CO2是一種能量的浪費(fèi)。因此，為保證厭氧氨氧化過程的高效脫氮及碳資源的回收利用，在PNA工藝之前需對(duì)污水進(jìn)行碳氮的分離。

碳分離的方式根據(jù)原理不同可分為：高負(fù)荷活性污泥工藝、化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理、厭氧預(yù)處理等。HRAS工藝通?？梢岳斫鉃锳B工藝中的A段，即采用較短的水力停留時(shí)間和污泥齡快速捕捉進(jìn)水的碳。而B段則主要通過自養(yǎng)代謝的途徑來去除污水中剩余的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。因此COD通過HRAS去除，在B段中通過AOB和厭氧氨氧化來強(qiáng)化脫氮效能并通過水力旋流器來截留和富集厭氧氨氧化顆粒。主流厭氧氨氧化的AB工藝在工程上獲得了成功運(yùn)行。

3、結(jié)論

在現(xiàn)階段的發(fā)展過程中，我國(guó)厭氧氨氧化污水處理工藝與一些能熟練應(yīng)用此方法的國(guó)家相比，還處于較落后的狀態(tài)。隨著生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)，碳達(dá)峰、碳中和已被納入我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)整體布局中，傳統(tǒng)高能耗、高成本、低效率的污水處理技術(shù)已無法滿足社會(huì)的發(fā)展需求。對(duì)于新興的低能耗、低成本、高效率的厭氧氨氧化工藝的研究與應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。因此，在未來污水處理事業(yè)的發(fā)展中，相關(guān)技術(shù)人員一定要加強(qiáng)對(duì)厭氧氨氧化工藝的研究力度，不斷提高污水處理質(zhì)量，以促進(jìn)污水處理事業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。（來源：蘇州高新區(qū)獅山橫塘街道建設(shè)管理服務(wù)所）