張 亮，李朝陽，彭永臻

(北京工業(yè)大學(xué)城鎮(zhèn)污水深度處理與資源化利用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

(1)

(2)

以上2個(gè)步驟在同一反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí)稱為一體化PN/A工藝.一體化PN/A工藝的基建和運(yùn)營成本較低[6]，且已在高氨氮廢水處理中廣泛應(yīng)用并取得良好脫氮效果[7-8].

近年來，PN/A工藝在低氨氮城市污水中的應(yīng)用逐漸成為研究熱點(diǎn).城市污水PN/A工藝的可行性和優(yōu)勢已在實(shí)驗(yàn)室充分驗(yàn)證，并已有中試及實(shí)際工程規(guī)模的研究[9].但是城市污水PN/A工藝的運(yùn)行穩(wěn)定性仍受競爭性生長微生物亞硝酸鹽氧化菌(nitrite oxidizing bacteria，NOB)過度增殖影響，維持實(shí)際生活污水PN/A系統(tǒng)的脫氮性能穩(wěn)定還存在諸多瓶頸問題.

1 優(yōu)化運(yùn)行策略強(qiáng)化城市污水PN/A工藝中NOB活性的控制

1.1 低氧曝氣和間歇曝氣策略

1.2 控制系統(tǒng)內(nèi)氨氮與有機(jī)物濃度強(qiáng)化NOB活性控制

2 選擇性排泥和生物強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)NOB的有效抑制

2.1 利用微生物分離生長選擇性排泥并淘洗NOB

PN/A系統(tǒng)中的活性污泥以絮體、顆?；蛏锬さ刃螒B(tài)存在，如圖1所示，AOB和NOB主要分布在結(jié)構(gòu)松散、傳質(zhì)阻力低的絮體污泥中，而AnAOB主要分布在顆粒污泥和生物膜內(nèi)層[43-45].因此通過選擇性排放絮體污泥可有效控制系統(tǒng)中的NOB豐度.Li等[43]通過使用篩網(wǎng)選擇性排出絮體污泥來控制一體化PN/A反應(yīng)器中絮體污泥齡，結(jié)果表明不同絮體污泥齡對PN/A工藝的脫氮效果和運(yùn)行穩(wěn)定性具有明顯影響.而Han等[46]通過篩除反應(yīng)器中212 μm以下的絮體污泥成功淘洗了系統(tǒng)中80%的NOB并實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的PN/A工藝.除篩分法外，Wett等[47]應(yīng)用水力旋流器實(shí)現(xiàn)了PN/A工程應(yīng)用中理想的NOB抑制效果.長期運(yùn)行的PN/A系統(tǒng)中，生物膜或顆粒污泥表面同樣存在NOB富集現(xiàn)象[48]，因此選擇性排泥策略只能在一定程度上削減NOB的相對豐度而無法對其完全淘洗.此外，選擇性排泥策略在淘洗NOB時(shí)還將導(dǎo)致AOB和AnAOB流失[46]，影響PN/A工藝的穩(wěn)定性與脫氮效果.

圖1 PN/A工藝中功能微生物的分布Fig.1 Spatial distribution of functional microorganisms in PN/A system

2.2 生物強(qiáng)化策略強(qiáng)化NOB活性控制

3 投加化學(xué)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)NOB的選擇性抑制

在城市污水PN/A系統(tǒng)中，投加特定的化學(xué)物質(zhì)可降低NOB的活性，而對其他脫氮功能微生物影響較小.近年來，選擇性抑制物質(zhì)的研究取得一系列進(jìn)展，最常見的選擇性物質(zhì)就是高濃度的底物.游離氨和游離亞硝酸對AOB和NOB均存在抑制效果，但對NOB的抑制效果更明顯[49-50].游離氨、游離亞硝酸抑制策略在短程硝化工藝中應(yīng)用廣泛，但在一體化PN/A工藝中的應(yīng)用有限，這是因?yàn)閮烧邔nAOB同樣具有較強(qiáng)的抑制作用.Jaroszynski等[51]指出1.7～2.0 mg/L游離氨對AnAOB產(chǎn)生抑制作用；游離亞硝酸對某些AnAOB菌種活性的抑制閾值甚至低于NOB(0.006～0.040 mg/L)[52-53].相較于游離氨和游離亞硝酸，羥胺(NH2OH)和肼(N2N4)更適宜在PN/A系統(tǒng)中應(yīng)用.羥胺和肼在抑制NOB的同時(shí)有助于提高AOB和AnAOB的活性，改善PN/A系統(tǒng)的脫氮效果.

除上述抑制性物質(zhì)外，近年來研究者們還開發(fā)了一些例如鋅離子、硫離子以及芐索氯銨等新型的NOB抑制劑[54-57].然而這些抑制劑同樣對微生物具有普遍的抑制效果，盡管不同抑制劑對各類微生物的抑制閾值不同，但是均會導(dǎo)致脫氮系統(tǒng)中各類微生物豐度的同步下降.總的來說，抑制劑對微生物普遍的抑制效果削減了系統(tǒng)中的生物量進(jìn)而影響了系統(tǒng)的脫氮效果.因此在未來的研究中宜開發(fā)NOB的特異性抑制劑.

4 多策略聯(lián)合強(qiáng)化NOB活性控制

在城市污水一體化PN/A系統(tǒng)中，NOB通過二次增殖、優(yōu)勢菌種演替等途徑可對某一特定控制策略產(chǎn)生適應(yīng)性，這導(dǎo)致以往單一的控制策略對NOB產(chǎn)生的控制效果存在暫時(shí)性和可逆性，二次增殖產(chǎn)生的NOB難以通過原有手段實(shí)現(xiàn)有效控制.近年來已有研究證實(shí)了多策略聯(lián)用實(shí)現(xiàn)NOB長期控制的可行性：

1)間歇曝氣聯(lián)合生物強(qiáng)化策略.Miao等[30]通過生物強(qiáng)化與間歇曝氣策略聯(lián)用實(shí)現(xiàn)了一體化PN/A工藝中NOB的有效淘洗，并指出AOB的豐度和活性是穩(wěn)定運(yùn)行的決定性因素，添加硝化污泥而不投加AnAOB可實(shí)現(xiàn)對生活污水一體化PN/A工藝的強(qiáng)化.

2)投加抑制劑聯(lián)合實(shí)時(shí)曝氣策略.李佳[58]利用氨谷點(diǎn)實(shí)時(shí)控制曝氣，結(jié)合羥胺投加共同控制NOB活性，2種常見NOB種屬的豐度均顯著下降并維持在較低水平，從而實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的城市污水短程硝化過程.

4)選擇性排泥與抑制劑投加策略.王志彬[60]提出了一種對泥膜共生PN/A反應(yīng)器中懸浮污泥進(jìn)行旁側(cè)FNA處理的NOB控制策略，在AnAOB不直接接觸FNA的前提下實(shí)現(xiàn)了對NOB的選擇性抑制.Wang等[61]通過對一體化PN/A-SBR中粒徑200 μm以下的絮體污泥進(jìn)行FNA旁側(cè)處理有效抑制了NOB活性.

通過2種或多種NOB 控制策略聯(lián)用，從多角度同時(shí)控制NOB將獲得更理想的城市污水一體化PN/A系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行效果(見圖2).因此在未來的研究中可通過將FA/FNA旁側(cè)處理策略與其他抑制手段(例如曝氣類策略)聯(lián)用來進(jìn)一步淘洗一體化PN/A工藝中的NOB.此外，由于連續(xù)流反應(yīng)器在運(yùn)行過程中具有基質(zhì)沿程下降的特點(diǎn)，較難實(shí)現(xiàn)對氧銨比的全程控制，因此針對性的控制策略有待于進(jìn)一步開發(fā).

圖2 一體化PN/A工藝中NOB抑制策略的分類與聯(lián)用Fig.2 Classification and combined strategies for NOB suppression in one-stage PN/A process

5 未來研究方向

5.1 深入研究NOB種屬特征，選擇合理控制策略

除Nitrotoga外，全程硝化菌(complete ammonia oxidizing bacteria，CAOB)的發(fā)現(xiàn)為PN/A工藝中NOB的控制提供了新的視角[66].與其他Nitrospira屬NOB類似，CAOB同樣是K型生長的微生物[67]，緩慢的比生長速率使其不會在短期內(nèi)對PN/A工藝造成較為明顯的影響，而是在長期的運(yùn)行過程中對PN/A工藝產(chǎn)生影響.Roots等[68]的主流PN反應(yīng)器在長期穩(wěn)定運(yùn)行過程出現(xiàn)了全程硝化現(xiàn)象，進(jìn)一步的研究表明系統(tǒng)中出現(xiàn)了CAOB的大量增殖.因此，對一體化PN/A工藝中的Nitrotoga和CAOB等不同種屬的潛在影響以及針對性的控制策略宜給予足夠重視.

5.2 工藝優(yōu)化與組合提高系統(tǒng)穩(wěn)定性

圖3 基于厭氧氨氧化反應(yīng)的新型組合工藝Fig.3 Novel combined process based on anammox reaction

5.3 展望

1)深化理論基礎(chǔ)研究.NOB抑制策略的相關(guān)結(jié)論大多通過試驗(yàn)結(jié)果相互佐證得出，不同的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)或運(yùn)行模式均可影響抑制效果，試驗(yàn)結(jié)果重現(xiàn)性仍有提高的可能性.因此探究一體化PN/A工藝中NOB增殖的觸發(fā)機(jī)制、明確工藝長期穩(wěn)定運(yùn)行的邊界條件、解決工藝的快速啟動(dòng)及恢復(fù)問題是未來研究的重要方向.

2)重視應(yīng)用研究.一體化PN/A工藝推進(jìn)至中試或工程應(yīng)用時(shí)面臨模型放大、優(yōu)化運(yùn)行策略以及控制運(yùn)行成本等問題.盡管以投加抑制劑為代表的NOB控制策略表現(xiàn)出了良好的試驗(yàn)效果，但卻受限于成本因素難以實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用.因此開發(fā)適合工程應(yīng)用的運(yùn)行策略以及經(jīng)濟(jì)高效的抑制劑有助于推動(dòng)高成本NOB抑制策略在實(shí)際工程中的應(yīng)用.

3)合理選擇工藝類型.盡管一體化PN/A工藝較傳統(tǒng)的硝化-反硝化工藝具有諸多優(yōu)點(diǎn)，其對運(yùn)行策略的嚴(yán)苛要求卻使其始終無法推廣至城市污水的工程應(yīng)用.因此開發(fā)新型組合工藝，在經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性之間謀求平衡，也是城市污水厭氧氨氧化脫氮研究的重要發(fā)展方向.