導讀
厭氧氨氧化（Anammox）技術在低氨氮濃度城市污水處理中的應用是現今污水生物處理領域研究和工程前沿。城市污水短程硝化/厭氧氨氧化（Partial Nitrification/Anammox, PN/A）工藝的可行性在實驗室得以驗證，但長期穩定維持仍然缺乏有效策略，實現較為理想的主流厭氧氨氧化（Mainstream Anammox）面臨諸多挑戰。近年，短程反硝化耦合厭氧氨氧化（Partial Denitrification/Anammox, PD/A）作為新型污水處理技術逐漸受到關注。短程反硝化驅動的部分厭氧氨氧化機理在中國西北某城市污水處理廠主流區得以證明。強化城市污水處理廠厭氧氨氧化菌原位富集，可有效提高脫氮效果并降低處理成本。基于主流城市污水部分厭氧氨氧化（Partial Anammox）的思路，為污水提質增效提供了新的技術路線，具有重要研究價值與工程應用意義。
0 引言
傳統的污水生物處理工藝的改良或升級技術中，厭氧氨氧化（Anammox）脫氮技術是最具前景的發展方向之一。厭氧氨氧化的發現打破了傳統異養反硝化脫氮的認知，該技術在城市污水處理中的應用入選2019年《研究前沿》與《全球工程前沿》。當前，厭氧氨氧化脫氮技術在高氨氮廢水處理領域已成功實現一定程度產業化，若將其推廣應用至氮污染排放體量更大的城市污水，對于水處理行業整體節能降耗和城市水環境的改善均具有重要意義。
主流厭氧氨氧化主導的城市污水脫氮工藝一般需要碳氮分離處理。城市污水首先進入預處理工藝去除有機物，經除碳、除磷后的污水全部進入脫氮工藝。脫氮工藝以短程硝化-厭氧氨氧化為主要形式，無需有機物參與即可實現高效脫氮（見圖1）。
圖1 基于碳氮分離的城市污水主流厭氧氨氧化工藝
01
城市污水短程硝化/厭氧氨氧化技術的
發展及應用瓶頸
短程硝化/厭氧氨氧化（PN/A）脫氮工藝較之傳統硝化-反硝化工藝具有節省曝氣能耗、不依賴有機碳源、溫室氣體產量少等優點。目前兩段式與一體化城市污水短程硝化/厭氧氨氧化自養脫氮工藝的可行性在不同實驗室得以證明，國際一些知名水務集團相繼建立了中試基地進行技術驗證探索。我國也較早地構建了一體化和兩段式城市污水厭氧氨氧化中試，無論是序批式還是推流式工藝的初期脫氮效果均表現良好，但長期運行過程中時常出現原因不明的脫氮效果惡化甚至完全崩潰的現象，尤其凸顯于推流式活性污泥法工藝過程，其穩定性尚需進一步確認。
總體來講，城市污水短程硝化/厭氧氨氧化技術應用存在的瓶頸問題有待突破。
（1）瓶頸1，競爭性微生物定向控制。以短程硝化為基礎的主流厭氧氨氧化技術的關鍵之一在于控制競爭性微生物亞硝酸鹽氧化菌NOB的生長和活性。當亞硝酸鹽氧化菌與厭氧氨氧化菌競爭，厭氧氨氧化菌難以得到基質而逐漸衰減，短期可引發系統出水總氮持續增高，長期可致使系統脫氮性能下降甚至崩潰。
（2）瓶頸2，厭氧氨氧化菌大規模持留或富集。厭氧氨氧化的污泥停留時間約為2周平均高于傳統活性污泥法的污泥齡8~14 d，并且城市污水處理廠多采用推流式連續流工藝，絮體污泥會隨剩余排泥及大量出水持續流失。城市污水氨氮濃度低、水量大、水質波動強等特點使得厭氧氨氧化工藝在處理城市污水的控制條件及運行方式比處理高氨氮廢水(游離氨、高溫、水質穩定)難度陡增。
（3）瓶頸3，出水水質一步穩定達標。厭氧氨氧化脫氮工藝理論總氮去除率偏低（出水硝酸鹽氮約占總氮損失的11%），且需要嚴格控制進水水質條件并實施復雜的實時控制策略，出水穩定達到排放標準較為困難，與傳統活性污泥法的穩定脫氮負荷難以形成顯著的競爭優勢。
目前城市污水除碳-PN/A技術路線在世界范圍內尚未有可靠的工程運行案例。已報道的城市污水厭氧氨氧化處理系統的出水水質和去除負荷與傳統活性污泥法工藝尚不具備顯著的競爭力，而且復雜的工藝流程和運行控制策略提高了該技術的應用門檻。但是基于短程硝化/厭氧氨氧化技術強化城市污水脫氮的理論應用價值明顯，未來值得關注和推進。針對城市污水厭氧氨氧化的技術瓶頸問題，宜進一步開發不同工藝及過程控制策略以強化系統運行的穩定性。
02
城市污水厭氧氨氧化應用的新途徑——
短程反硝化耦合厭氧氨氧化
短程反硝化（Partial Denitrification）是指將NO-3-N還原為NO-2-N而不是直接還原為N2的過程（見圖2），是一種產生NO-2-N供給厭氧氨氧化反應的新工藝途徑。
圖2 厭氧氨氧化工藝相關的氮素轉化途徑
短程反硝化/厭氧氨氧化（PD/A）技術的研究近年來不斷取得新的重要進展。研究表明在有機碳源存在的反硝化過程中，硝酸鹽轉化為亞硝酸鹽的積累效率可以達70%以上，并且亞硝酸鹽積累的特性在反應器中能夠長期穩定維持。在此基礎上，短程反硝化與厭氧氨氧化耦合脫氮可在同一系統中實現，同步高效去除污水中的氨氮與硝酸鹽氮，工藝取得穩定的脫氮效果。針對短程反硝化特性的功能菌群和代謝特性分析，發現優勢菌屬Thauera可能對高亞硝積累特性的穩定維持具有關鍵作用。試驗證明無論短程反硝化/厭氧氨氧化一體化工藝還是兩段式工藝均可實現穩定脫氮。從高氨氮廢水、含硝酸鹽廢水到市政污水及二級出水，短程反硝化耦合厭氧氨氧化強化脫氮的技術可行性在實驗室不斷得以證明。綜上，短程反硝化耦合厭氧氨氧化是一項具有較強可行性的新型污水處理工藝技術，有必要推進強化主流城市污水自養脫氮的中試驗證，為未來城市污水處理廠提質增效切實提供支撐。
03
城市污水厭氧氨氧化應用的新思路——
主流部分厭氧氨氧化
就目前的技術發展來看，主流厭氧氨氧化仍存在競爭性微生物定向控制難、厭氧氨氧化菌大規模持留富集難、出水水質一步穩定達標難等挑戰，在實際工程中應用的時機尚不成熟。但是通過強化城市污水處理廠厭氧氨氧化菌的富集，提高系統自養脫氮途徑在氮去除途徑中的比重，仍然可以有效降低脫氮過程對進水碳氮比的依賴程度，從而實現低碳氮比城市污水經濟高效的脫氮。這種通過強化現有城市污水處理系統中厭氧氨氧化菌比例，使其對系統總氮去除產生顯著效應的技術路線，為主流部分厭氧氨氧化（Partial Anammox）的核心目標。相對主流厭氧氨氧化技術實現城市污水完全的自養脫氮，主流部分厭氧氨氧化去除總氮的比例相對較低，但是更具工程應用的可行性。耦合異養與自養脫氮過程，不僅有可能實現污水生物脫氮系統的高效處理和出水達標，同時還可能顯著降低工程建設的造價、處理能耗和運行維護費用等。因此，主流城市污水部分厭氧氨氧化具有重大的研究價值與工程意義。
針對城市污水研發主流部分厭氧氨氧化高效低耗的生物脫氮新工藝及過程控制，可通過技術手段優化關鍵功能微生物的系統穩定性，強化厭氧氨氧化菌在主流城市污水系統中的豐度和脫氮貢獻。主流污水中短程反硝化推進的部分厭氧氨氧化機理在中國西北某城市污水處理廠厭/缺氧區得以證明。通過15N穩定性同位素示蹤測試與異位活性檢測結果表明基于缺氧生物膜的短程反硝化耦合部分厭氧氨氧化是該污水處理廠自養脫氮的主要貢獻途徑。物料守恒計算表明，厭氧氨氧化過程對總氮去除的貢獻約占15.9%左右。宏基因組測序和qPCR檢測均證明厭氧氨氧化菌在缺氧生物膜中的富集，在種水平共有7種厭氧氨氧化菌，其豐度約占全菌的0.11%（見圖3）。伴隨該廠進水水質、季節性溫度變化、運行時間的增加等，厭氧氨氧化菌在生物膜和絮體污泥中的豐度出現持續增加的趨勢。除了具備厭氧氨氧化菌富集的必要底物條件外，厭/缺氧生物膜自身的重要作用不容忽視，其作為重要的載體能夠有效地持留厭氧氨氧化菌。因此，缺氧區的微觀環境和生物膜作用值得進一步持續深入研究。
圖3 中國西北某城市污水處理廠主流污水短程反硝化耦合部分厭氧氨氧化脫氮
新近研究表明人工環境中營造條件強化厭氧氨氧化規模化發生兼具研究科學性和工程應用性。城市污水處理廠的厭/缺氧區存在短程反硝化與厭氧氨氧化耦合發生的空間條件，包括低溶解氧、低有機物濃度、適宜的氨氮濃度以及穩定的亞硝態氮產生機制。處理城市污水的推流式連續流工藝在溫度25 ℃時曾發現缺氧區反硝化亞硝積累的現象，如果定向調控部分NO-2-N經厭氧氨氧化途徑轉化為氮氣（見圖4），可降低反硝化過程對有機物的依賴并同時氧化氨氮，實現非碳氮分離條件下城市污水部分厭氧氨氧化深度脫氮。
圖4 短程反硝化+部分厭氧氨氧化強化連續流反應器脫氮原理
04
主流城市污水部分厭氧氨氧化
是當今研發與實踐的前沿方向
我國現有城市污水處理廠的脫氮效率較多受限于進水碳源不足，在異養反硝化脫氮途徑的基礎上輔以自養厭氧氨氧化反應有利于提高低碳氮比城市污水處理系統的總氮去除率和去除負荷，實現節能降耗。
如何強化“部分厭氧氨氧化”過程是今后重點關切的研究方向。
①從碳、氮循環的角度，不可忽視了微生物本身代謝的基本規律。城市污水處理廠存在復雜的微生物群落結構和氮素轉化途徑，厭氧氨氧化菌雖普遍存在于城市污水處理廠的各個單元，但厭氧氨氧化菌豐度均較低，其穩定富集可能僅在特定的時空和環境條件下才顯著發生。
②目前驅動厭氧氨氧化規模化效應的發生機制尚不完善，仍需深入探究以為厭氧氨氧化菌的原位富集提供理論和技術支撐。同時，微生物驅動的生物反應系統處于動態變化并存在大量冗余功能的體系，厭氧氨氧化菌代謝活性不僅受其他功能微生物代謝的直接影響也受微觀環境條件的間接影響。
③工藝運行優化及適應性考察。如研究表明30~40 ℃是厭氧氨氧化比較適宜的生長溫度范圍，但是我國傳統城市污水處理廠的水溫不能穩定達到該水平，某些地域多個月份低于15 ℃，探究溫度與微生物代謝的響應關系可為部分厭氧氨氧化工藝的應用提供依據。
5 結論
（1）污水短程硝化/厭氧氨氧化自養脫氮工藝的可行性在實驗室得以驗證，現階段國內外已推進中試技術驗證，強化城市污水自養脫氮值得關注。
（2）短程反硝化耦合厭氧氨氧化一體化工藝、兩段式工藝均可實現穩定脫氮，是一項具有較強可行性的新型污水處理工藝技術，有望為未來城市污水處理廠提質增效切實提供支撐。
（3）主流污水中短程反硝化驅動的部分厭氧氨氧化在中國西北某污水處理廠得以證明，為未來城市污水處理提質增效開辟了全新的思路。在城市污水處理廠厭/缺氧區穩定實現短程反硝化與厭氧氨氧化的耦合具有工程技術產業化潛勢。
（4）主流城市污水部分厭氧氨氧化是當今研究和實踐的前沿方向。不論短程硝化還是短程反硝化耦合厭氧氨氧化途徑，強化低碳氮比主流城市污水自養脫氮凸顯重大的研究價值與工程應用意義。
來源：給水排水 李健偉、彭永臻等