工业水处理, 2021, 41(8): 13-19 doi: 10.19965/j.cnki.iwt.2020-0739

• 专论与综述 •

主流Anammox工艺城镇污水处理的调控措施

蒙小俊,, 龚晓松

Regulation measures of mainstream Anammox process for municipal wastewater treatment

Meng Xiaojun,, Gong Xiaosong

收稿日期: 2021-07-3  

基金资助: 安康学院高层次人才科研专项.  2016AYQDZR09

Received: 2021-07-3  

作者简介 About authors

蒙小俊(1981-),博士,讲师,E-mail:yanjiushengmengjun@163.com , E-mail：yanjiushengmengjun@163.com

Abstract

In the wastewater treatment, the upgrading of wastewater and sludge, the aeration and mixing of biological treatment, the sludge stabilization and treatment, and the operation of auxiliary machinery and equipment consume a lot of energy. The energy and resource utilization of municipal wastewater treatment plants has become an important development direction. Anammox technology can reduce organic carbon sources, without aeration, low sludge yield, and low process operating costs. The application of Anammox in the mainstream process of municipal wastewater treatment can provide new ideas for resource utilization, energy saving and consumption reduction. The metabolic mechanism of Anammox reaction was introduced, and the main problems in mainstream Anammox process for municipal wastewater treatment were pointed out. The regulation measures, including the reformation of process, the adjustment of process operating conditions and artificial reinforcement, were proposed. Future research should focus on the rapid start-up and stable operation of the Anammox reactor under low temperature conditions, the stable accumulation of NO2--N under low matrix conditions, and multi-means coordinated regulation of NOB inhibition under low temperature and low matrix conditions.

Keywords： municipal wastewater ; Anammox ; biological nitrogen removal ; regulation

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蒙小俊, 龚晓松. 主流Anammox工艺城镇污水处理的调控措施. 工业水处理[J], 2021, 41(8): 13-19 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2020-0739

Meng Xiaojun. Regulation measures of mainstream Anammox process for municipal wastewater treatment. Industrial Water Treatment[J], 2021, 41(8): 13-19 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2020-0739

随着水质标准的提高，污水处理厂对能源和资源的投入逐渐提高〔1〕。传统A2/O、氧化沟、SBR及变形工艺由于曝气能耗大、消耗碱度、碳源不足、流程复杂，以及产生大量温室气体(CO2、CH4和N2O)，严重制约了城镇水的污染防治。此外，污水处理过程中COD主要流向好氧分解，脱氮除磷、厌氧消化和污泥处置，难以实现较高的能源回收。传统工艺无法使污水处理厂从废物处置转变为废物利用，从高能耗处理单元转变为产能单元。

厌氧氨氧化(Anammox)工艺是迄今为止最简捷的废水生物脱氮途径，可使污水处理厂由高能耗处理末端向零能耗或产能单元转变〔2〕。与传统工艺相比，Anammox工艺改变了污水处理工艺流程，实现碳氮去除的分离，无需曝气，可降低100%有机碳源及90%运行费用，污泥产率低〔3〕、温室气体排放少。作为Anammox的驱动者，厌氧氨氧化菌(AAOB)属微生物分类中的浮霉菌门(Planctomycetes)，其菌株生长缓慢、细胞产率低，对环境条件敏感〔4〕，且实际污水中抑制AAOB的物质成分复杂，限制了Anam-mox工艺的工程应用。城镇污水侧流工艺中污泥消化液和污泥压滤液的pH一般为7.0~8.5、温度为30~37 ℃、NH4+-N为500~1 300 mg/L，属于典型的高温高氨氮废水，与AAOB的最适pH(6.7~8.3)、最适温度(30~35 ℃)基本相适应〔4-6〕，全球约75%的Anammox工艺主要用于污泥消化液和压滤液的处理〔7〕。相比于侧流工艺，城镇污水主流Anammox工艺的工程应用相对较少。应用较为成功的3座污水处理厂分别为新加坡樟宜回用水厂、奥地利Strass污水处理厂及中国西安第四污水处理厂。这些污水处理厂的成功运行为主流Anammox工艺应用于城镇污水处理提供了借鉴，但推广仍面临诸多问题。

笔者对Anammox反应进行概述，分析了城镇污水主流Anammox工艺存在的问题，并提出应对调控措施，以期为推动城镇污水主流Anammox工艺的工程研究与应用提供理论基础。

1 Anammox反应

Anammox反应以NO2--N为电子受体、NH4+-N为电子供体，在AAOB细胞内生成N2。在全球氮素循环中Anammox发挥了重要作用，其在不同区域环境的贡献率为30%~70%〔8-9〕。AAOB是Anammox反应的驱动者，广泛存在于无机氮含量较高的缺氧环境中，如旱地土壤、河流沉积物、厌氧海洋盆地和污水处理厂活性污泥等〔10-13〕。目前发现的AAOB有6个属，分别为Candidatus Brocadia、Candidatus Kuenenia、Candidatus Scalindua、Candidatus Jettenia、Candidatus Anammoxoglobus和Candidatus Anammoximicrobium。不同类群的最适温度、最适pH、耐受盐度、亚硝酸盐抑制浓度、基质亲和力常数、氧化有机物能力和倍增时间差异较大〔14〕，如Candidatus Anammoximicrobium moscowii最适温度、最适pH和倍增时间分别为15~25 ℃、7.8~8.3、32 d，而Candidatus Brocadia sinica的分别为25~45 ℃、6.5~8.8、7 d；Candidatus A. moscowii和Candidatus Brocadia sinica不具有氧化小分子有机物的能力，而Candidatus Kueneniastuttgartiensis能氧化有机物；Candidatus Jetteniacaenl明显受到盐度的抑制，而Candidatus Scalindua在没有盐度条件下活性会消失；Candidatus Brocadia anammoxidans对NO2--N和NH4+-N亲和力常数(Ks)均＜5 μmol/L，而Candidatus Brocadia sinica的Ks分别＜(86±4) μmol/L和(28±4) μmol/L，Ks越小，亲和力越大，基质利用越好，表明Candidatus Brocadiaanammoxidans对基质的利用优于Candidatus Brocadia sinica。尽管生理特征明显，但大多AAOB属于中温菌，最适温度为30~35 ℃、pH为6.7~8.3，单一生境下往往只存在1~2种类型的AAOB。城市污水处理厂等人工环境中常检测出的种属分别为Candidatus Kuenenia、Candidatus Jettenia、Candidatus Brocadia和Candidatus Anammoxoglobus。依据生长动力学特征，可将AAOB类群分为"快生型"(R策略)和"慢生型"(K策略)，前者具有较高的比生长速率，基质亲和力相对较弱，后者具有较强的基质亲和力，但比生长速率较低〔15〕。

目前未实现AAOB的完全分离纯化，对其个体形态特征进行观察的材料主要是其富集培养物经梯度密度离心所得的离散菌体。Candidatus Jetteniacaeni、Candidatus Brocadia sinica、Candidatus Scalindua japonica和Candidatus Kuenenia stuttgartisis 4个种已纯化至90%以上。AAOB一般呈球形和卵形，直径约0.8~1.1 μm，细胞壁表面有火山口状结构，且含有很薄的肽聚糖层，属革兰氏阴性菌；外膜上存在特异性孔蛋白，可形成通道，允许透过相对分子质量＜700的小分子〔16〕。通过透射电镜可观测到从细胞最外层到最内层分别为外室细胞质(Paryphoplasm)、核糖细胞质(Ribosome)和厌氧氨氧化体(Anammoxosome)，其中Anammoxosome占细胞总体积的50%~70%〔17〕。

Anammoxosome中的Anammox反应代谢机理如图 1所示〔18〕。

图1

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图1   Anammox反应代谢机理

Fig.1   Metabolism mechanism of Anammox


首先，NO2--N转运蛋白(FocA)和氨转运蛋白(AmtB)分别将位于Anammoxosome膜外的NO2--N和NH4+-N转运至膜内，一部分NO2--N在亚硝酸还原酶(NirS)作用下被还原为NO，另一部分NO2--N在硝酸氧化酶(Nar)作用下转化为NO3--N排出膜外；随后NO和NH4+-N在联氨合成酶(HZS)作用下生成N2H4，N2H4在联氨氧化还原酶(HZO)的作用下被氧化为N2，同时释放4个高能电子；在细胞色素复合体bc1、复合体nuo和其他细胞色素c的共同传递和作用下，1个电子被传递给NirS，3个电子被传递给HZS，该过程伴随质子的传递及ATP、NADH的合成。中间产物NO和N2H4对细胞有损害作用，但Anammoxosome膜含有阶梯烷膜脂，可防止代谢泄漏以保护细胞功能，关键酶NirS、HZS和HZO均含有血红素，使Anammox污泥呈现血红色特征〔19-21〕。

Anammox反应方程如式(1)所示。

(1)

各阶段的酶促反应见表 1〔2, 22〕。

表1   Anammox代谢主要酶促反应

Table 1  Main enzymatic reactions of Anammox metabolism

酶反应E0/eV发生位置
亚硝酸还原酶(NirS)0.38壁膜空间
联氨合成酶(HZS)0.06厌氧氨氧化体
联氨氧化还原酶(HZO)-0.75厌氧氨氧化体
硝酸氧化酶(Nar)-0.43膜
ATP合成酶(ATPase)—膜

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AAOB可固定无机碳合成细胞物质CH2O0.5N0.15，NO2-在酶促反应中作为CO2还原的电子供体，在Nar作用下被氧化为NO3-。目前已发现5条Anam-mox CO2固定途径，分别为Calvin循环途径、还原性三羧酸循环途径、厌氧乙酰辅酶A途径、3-羟基丙酸途径和琥珀酰辅酶A途径〔23〕。

围绕Anammox反应，以Anammox为核心技术的污水处理工艺得到快速发展，如全程自养脱氮工艺(CANON)、限氧自养硝化反硝化工艺(OLAND)、反硝化氨氧化工艺(DEAMOX)、好氧反氨化工艺(DEMON)、单级短程硝化-厌氧氨氧化工艺(SNAP)、短程硝化-厌氧氨氧化-反硝化工艺(SNAD)、短程反硝化-厌氧氨氧化工艺(PD/A)、短程硝化-厌氧氨氧化-短程反硝化工艺(SPNAPD)和短程硝化-厌氧氨氧化工艺(Sharon-Anammox)等，其中DEMON和Sharon-Anammox工艺已用于实际城镇污水侧流工艺污泥消化液和压滤液的处理。城镇污水含氮量较低、低温、水质抑制和菌株竞争等因素阻碍了主流Anammox工艺城镇污水处理的工程应用。

2 主流Anammox城镇污水处理存在问题

2.1 低温

城镇污水运行温度冬季为10~16 ℃，夏季为24~30 ℃〔24〕。低温导致Anammox菌群的CO2固定、TCA循环与丙酮酸代谢出现下调，使AAOB个体水平以及群落水平发生变化，进而导致氮去除活性和增长速率显著下降、胞外聚合物含量改变及污泥颗粒解体〔25〕。研究表明，温度从29 ℃降至12.5 ℃，AAOB的脱氮活性下降近10倍，倍增时间长达79 d；温度由31 ℃降至17 ℃，反应器内Anammox活性受到显著抑制，NH4+-N、NO2--N、总氮的平均去除率迅速从97.0%、94.1%、86.0%下降为46.2%、41.8%、35.5%〔26-27〕。低温不仅使AAOB生长缓慢，在快速启动Anammox方面存在更大限制，运行后更易失稳，氨氧化菌(AOB)的增长速率也较低。温度高于15 ℃时，AOB的生长速度高于亚硝酸盐氧化菌(NOB)，AOB的最小SRT小于NOB的最小SRT，且随着温度的升高，二者的差值增加，一般建议短程硝化(PN)过程温度控制在25 ℃以上〔28〕。AOB对低温较NOB敏感，低温通过控制SRT难以保持AOB活性(低温条件下AOB的最小SRT大于NOB的最小SRT〔29〕)、淘汰NOB，无法为Anammox反应提供稳定的NO2--N。

2.2 水质影响

Anammox反应器向较高负荷趋势调控有3种途径：保持HRT不变，逐步增大NO2--N、NH4+-N基质浓度；保持基质浓度不变，逐步缩短HRT；同时提高基质浓度和缩短HRT。城镇污水的含氮量较低，TN在20~75 mg/L〔24〕，通过提高基质浓度快速培养富集AAOB及提高活性较为困难；同时抑制NOB的游离氨(FA)条件不复存在。若假定pH为7、温度为8~30 ℃，以进水NH4+-N为100 mg/L计算，FA仅为0.19~0.97 mg/L，而FA对NOB的抑制质量浓度为0.1~1 mg/L，且NOB对FA有较强适应性，因此当条件发生改变时NOB会恢复。

另一方面，城镇污水的COD、磷和抗生素等也会对AAOB活性造成一定抑制。为了不抑制AAOB活性，COD不宜超过150 mg/L，当COD超过300 mg/L时AAOB会从系统淘洗出来〔30〕，而城镇污水COD一般在100~300 mg/L，大量有机物将加剧反硝化菌(DNF)与自养AAOB之间对NO2--N的竞争，且反硝化过程消耗H+引起微环境pH升高〔31〕，可能超出适合AAOB生长的最佳pH范围，降低其活性。在实际应用中，控制进水有机物在100~200 mg/L以保证AAOB具有较好的活性，保证AOB活性时COD宜为60~120 mg/L〔32〕。

研究表明，常温下磷酸盐＞10 mg/L时AAOB活性会受到抑制〔33〕；四环素类、磺胺类、β-内酰胺类、喹诺酮类、大环内酯类、氯霉素、林可霉素、甲氧苄氨嘧啶等抗生素在污水处理厂中均有检出，氯霉素质量浓度为200 mg/L时AAOB活性降低68%；在Anammox-SBR反应器中分别加入20 mg/L氯霉素和50 mg/L四环素，AAOB活性均明显下降〔34-35〕。其他因素如重金属、盐度和光照等均对AAOB活性造成不同程度的影响，如光照会使Anammox过程中氮的去除率降低30%~50%。

2.3 菌株竞争

以AAOB和AOB为主的Anammox反应中细菌以混合菌群形式存在，AAOB、AOB、NOB、DNF和异养菌(OHO)等彼此形成复杂的生态关系，好氧OHO、AOB和NOB竞争O2，AAOB、NOB和DNF竞争NO2--N，AAOB、AOB和NOB的SRT出现竞争等。在DO为0.5%空气饱和度的条件下，AAOB的活性会受到抑制，而AOB为AAOB提供基质NO2--N氧化NH4+-N需要O2，O2浓度过低影响AOB活性，进而使NO2--N供应不足，造成脱氮效率低；O2过高促进NOB的生长，加剧与AAOB竞争NO2--N，使得Anammox系统崩溃。好氧OHO对DO的亲和力强于好氧自养菌的亲和力，系统中的DO优先被好氧异养菌利用，然后被AOB利用，而系统中DO减小使得AOB可利用的DO更少。

缺氧及有机物、NH4+-N和NO2--N共存时，由于反硝化反应的吉布斯自由能低于Anammox反应，反硝化过程更易发生，DNF与AAOB竞争共同的电子受体NO2--N，使Anammox反应因缺乏NO2--N而无法正常进行〔36〕。AAOB和AOB均为自养菌，若有机物浓度过高会促进DNF生长，抑制AAOB和AOB活性，进而抑制Anammox反应，碳氮比是控制DNF生长的重要因素，不利竞争会改变Anammox系统的生物群落结构。废水处理系统中微生物群落结构的改变会降低微生物群落的多样性和物种丰富度，从而导致工艺性能恶化〔37〕。

2.4 反应器启动耗时长

AOB和AAOB细胞产率低、世代周期较长，特别是AAOB在实际工程中倍增时间为15~30 d〔38〕。城镇污水处理中的低温、基质浓度低和水质影响等问题，会进一步抑制菌株的生长和活性，降低细胞产率，延长反应器启动时间。研究表明，城镇生活污水COD为200~300 mg/L、NH4+-N为60~80 mg/L、NO2--N < 1 mg/L、温度为24~26 ℃时，在SBR反应器中接种Anammox颗粒污泥启动SNAD，反应器启动时间为74 d〔39〕；城市污水COD为61.3~144.7 mg/L、NH4+-N为18.1~31.7 mg/L、NO2--N为0~0.4 mg/L、温度为19.5~31.7 ℃时，在SBR反应器中接种Anam-mox絮体污泥，反应器启动时间为133 d〔40〕。Anam-mox反应器启动耗时长进一步阻碍了其在城镇污水处理中的推广应用。

3 主流Anammox城镇污水处理调控措施

3.1 改造优化工艺结构

现有城镇污水处理主要以A2/O、SBR、氧化沟及其变形工艺为主，要实现主流Anammox城镇污水处理的应用，首先考虑在原有工艺基础上结合Anam-mox反应进行改造优化，以节省大量建设投资费用。改造原有工艺的预处理单元，用吸附、混凝和化学沉淀等方法减少抗生素、重金属和磷等对Anammox反应的抑制作用；对于COD的控制宜采用污泥快速吸附，时间不宜超过40 min，吸附COD后的污泥进行厌氧发酵产甲烷发电，在实现污水处理厂能源与资源自给的同时，避免大量COD进入生化系统引起DNF大量生长，与AAOB竞争NO2--N进而抑制AAOB和AOB活性，同时防止OHO与AOB在O2有限的条件下竞争。对核心功能单元生化系统的改造和优化是重点。T. Tokutomi等〔41〕将污水厂原有硝化—反硝化工艺改造为PN—Anammox—反硝化工艺，通过高浓度碳酸氢盐选择性抑制NOB以实现PN，经10个月的运行达到稳定，NRR达到1.04~3.29 kg/(m3·d)。

为解决低温条件下AAOB生长缓慢、活性不高、反应器启动耗时长的问题，可将活性污泥技术改造为生物膜技术或颗粒污泥技术。有研究表明，颗粒污泥形态的AAOB能在10~20 ℃的市政污水中生长，且能形成新的颗粒污泥，有效留在污泥流化床反应器中〔42〕；11~25 ℃条件下，UASB颗粒污泥中AAOB的富集率达到53.8%〔43〕。AAOB附着于载体时的生长活性比悬浮培养的高，可促进Anammox在低温条件下启动，因此生物膜技术通常被用来提高低温污水的处理效果，同时有效解决AAOB、AOB和NOB对O2和SRT的需求矛盾，生物膜的分层结构是抑制NOB的重要条件。Sen Qiao等〔44〕研究表明，一体化生物膜Anammox反应器中，AAOB能够在DO 5~6 mg/L下存活，且具有高稳定的脱氮性能。T. Osaka等〔45〕采用多孔聚酯非织造布，接种淡水沉积物，在25、18 ℃低温条件下富集AAOB，氮的去除量达到0.07~0.26 kg/(m3·d)。MBBR是最常用的生物膜技术之一。卢欣欣等〔46〕采用MBBR处理西安第四污水处理厂的污泥水，菌群分析表明MBBR生物膜及活性污泥中的Nitrosomonas菌分别占总菌数的10.46%、21.46%，生物膜和活性污泥中AAOB的优势菌种Candidatus Kuenenia分别占总菌数的4.13%、0.71%。MBBR中的活性污泥主要完成亚硝化，生物膜主要完成Anammox。载体为AAOB提供了附着繁衍的场所，可促进AAOB生长繁殖，减少菌体流失，缩短启动时间。因此，载体应具有比表面积大、阻力小、空隙率高、表面粗糙度大、亲水性等特点，且价廉易得、化学稳定性高，无纺布、海绵、生物质炭等常见的多孔材料均可作为Anammox启动的优选填料〔47〕。

低温条件下，为保证Anammox微生物的脱氮速率，应尽可能扩大好氧区与厌氧区的体积配比，以保证厌氧区有充足的NO2--N基质供应〔48〕。刘小钗等〔49〕通过调控A2/O系统的曝气分区比例并结合工艺运行条件(DO、SRT)构建了PN-Anammox系统，在最佳条件下NH4+-N和TN平均分别为1.20、7.03 mg/L，对应去除率分别为97.69%、87.83%。增加PN-An-ammox反应器到PN的回流可使2个反应器的pH相互调节，同时迅速转移NO2--N，从而使NOB因缺乏基质处于"饥饿状态"而得以抑制。在SBR反应器中灵活设置进水、混合、曝气、沉淀、排水和闲置时间，交替进行好氧缺氧，营造短暂的缺氧环境，有利于抑制NOB生长。

3.2 调整工艺运行条件

调整工艺运行条件是保证低温脱氮运行效果的主要措施之一。对于低温造成的反应器启动慢、运行效果不佳问题，可在降低处理成本和满足污水处理达标的基础上适当考虑添加表面覆盖，或提高鼓风机进风温度加热冷空气，控制反应池温度，从而加快启动并维持较高的处理效率。温度降低时，可通过调整HRT以调控氮负荷，同时调整DO。

在生物膜体系MBBR中，最小NH3-N流量与曝气量构成了抑制NOB的重要因素〔50〕。采用高pH、低DO、高FA淘汰NOB，保证AOB和AAOB活性，适当延长SRT，提高菌株生物量。

较高的微生物量对Anammox低温下保持脱氮效能具有重要作用。林兴〔51〕维持Anammox悬浮污泥系统的微生物量在8 g/L，15 ℃下NRR仍高达1.1kg/(m3·d)。温度为25~30 ℃时，可通过缩短HRT提高氮负荷，从而不断提高AAOB活性。缩短HRT的本质是缩短反应时间，使NOB没有足够时间消耗NO2--N，大量NH4+-N残留在反应器中，形成较高的FA质量浓度，抑制NOB生长〔52〕。通过调节HRT可在限氧条件下快速启动亚硝化，无需改变进水水质、升温或外部投加药物。

3.3 人工强化

人工强化处理城镇污水主要包括主侧流交替、投加微生物(固定化微生物、耐冷菌和菌种流加)、投加促进生物活性物质(无机碳源、N2H4和磁场等)和污泥驯化。奥地利Strass污水处理厂主流工艺通过旋流器从侧流分离AAOB和AOB补充主流工艺，强化功能微生物在主流中的数量。低温下通过接种低温优势菌、固定化微生物或污泥驯化实现主流Anammox城镇污水处理的启动后，通过菌种流加增加反应器内功能菌的数量及在混合污泥中的比例，缓解低温对生物处理的影响，优化低温生物群落结构，提高其抗冲击能力。进行较高活性的菌种流加时应重视高活性种泥的培养和保藏技术的研发。B. K.Pathak等〔53〕接种固定化微生物和厌氧颗粒污泥处理含低氮废水，20 ℃下成功启动Anammox，NRR达到16.22 g/(m3·d)，总氮去除率为92%。A. Gonzalez-Ma-rtinez等〔54〕通过逐步降温、降低NH4+-N的方式运行CANON反应器，15 ℃下脱氮能力为0.3 kg/(m3·d)左右。Rencun Jin等〔55〕于35 ℃下运行Anammox反应器，通过逐步降温驯化、菌种流加或添加低温保护剂方式，使反应器在9.1 ℃时的NRR高达6.61 kg/(m3·d)。

4 结论与展望

基于Anammox反应发展起来的Anammox技术是迄今为止最简捷的污水生物脱氮技术，在主流城镇污水处理中具有广阔的应用前景。但低温、低基质、水质抑制和菌株竞争会引起AAOB和AOB生长缓慢、活性降低，使Anammox技术面临脱氮效率低、工艺运行易失稳、反应器启动耗时长、NO2--N积累难、NOB不易控制等问题，限制了其工程推广应用。通过优化改造工艺结构、调整工艺运行条件、人工强化调控措施可以有效解决上述问题。但仍需深入研究以下方面：(1)低温条件下Anammox反应器的快速启动和稳定运行；(2)低基质条件下NO2--N的稳定积累；(3)低温、低基质条件下NOB的多手段协同抑制。

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