吳莉娜，王春艷，閆志斌，蘇柏懿，李進(jìn)

(北京建筑大學(xué) 城市雨水與水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

近年來，污泥在經(jīng)過厭氧消化技術(shù)后產(chǎn)生了少量的上清液，有機(jī)氮被分解為氨氮進(jìn)入上清液中，使得污泥消化液中的氨氮濃度高達(dá)1 000 mg/L以上，是典型的高氨氮廢水。此外，污泥消化液經(jīng)過熱水解工藝預(yù)處理后，其氨氮濃度(3 000 mg/L)高于一般的污泥消化液[1],氮排放過量又會(huì)引起水體的富營養(yǎng)化現(xiàn)象，故需對(duì)其進(jìn)行脫氮處理。如若將其回流至污水廠處理工藝的前端，不僅會(huì)使系統(tǒng)的氮負(fù)荷增加20%±5%，還會(huì)增加相應(yīng)的處理成本和難度。因此，可對(duì)污泥消化液進(jìn)行獨(dú)立處理(如厭氧氨氧化工藝等)，這不僅能減少處理成本，還可提高出水水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)高效脫氮[2]。

目前，污泥消化液的脫氮處理工藝有厭氧氨氧化耦合工藝、硝化-反硝化工藝、短程硝化工藝等。因污泥消化液的水質(zhì)特點(diǎn)適宜氨氧化菌(Ammonia oxidizing bacteria,AOB)的生長，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化作用[7]。但因ANAMMOX菌對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格、增殖較慢等，使其富集培養(yǎng)較困難。然而，世界上第一座厭氧氨氧化工程即是對(duì)污泥消化液進(jìn)行處理[8]，這為厭氧氨氧化技術(shù)在污泥消化液中的研究應(yīng)用提供了實(shí)踐支撐。在已有的基礎(chǔ)上，如何通過控制條件實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化工藝在污泥消化液工程化中的高效脫氮，這將是現(xiàn)在乃至未來的研究趨勢(shì)?；诖?，本文從厭氧氨氧化耦合工藝在污泥消化液中的應(yīng)用及影響因素等角度出發(fā)，總結(jié)了厭氧氨氧化耦合工藝在污泥消化液處理的適用性。

1 厭氧氨氧化技術(shù)在污泥消化液應(yīng)用中的 影響因素

污泥消化液主要由厭氧消化過程中產(chǎn)生的上清液和脫水液組成，它具有水量少、氨氮較高、碳氮比低、溫度較高(30 ℃左右)和略顯黃色等特點(diǎn)[7]。雖污泥消化液的水質(zhì)特性適合厭氧氨氧反應(yīng)，但環(huán)境因素制約著厭氧氨氧化工藝在實(shí)際啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行過程的進(jìn)行，如反應(yīng)器類型、進(jìn)水pH、C/N、游離亞硝酸和游離氨(free ammonia，F(xiàn)A)等[9]?；诖耍疚闹仃U述了基質(zhì)濃度、溶解氧、pH和溫度等因素對(duì)系統(tǒng)脫氮性能的影響。

1.1 基質(zhì)濃度

1.2 溶解氧(Dissolved oxygen,DO)

在實(shí)際污泥消化液的研究應(yīng)用中，常在連續(xù)低氧曝氣、間歇曝氣和厭氧三種條件下運(yùn)行厭氧氨氧化耦合工藝進(jìn)行脫氮處理。短程硝化和全程自養(yǎng)脫氮等工藝主要是在連續(xù)低氧和間歇曝氣條件下進(jìn)行，其主要是根據(jù)AOB菌對(duì)氧的親和力要強(qiáng)于NOB菌來控制DO值[16]。而間歇曝氣中的DO值主要是通過AOB菌從缺氧環(huán)境下活性恢復(fù)快來確定[17]。短程反硝化和厭氧氨氧化工藝則主要是在厭氧條件下進(jìn)行[18]。Wu等[19]采用短程硝化-厭氧氨氧化工藝處理污泥消化液時(shí)，通過控制DO(2～4 mg/L)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的短程硝化作用，亞硝酸鹽的積累率超過70%；在ANAMMOX階段停止曝氣，DO下降至(0.7±0.2) mg/L，系統(tǒng)脫氮率較好。韓曉宇等[1]采用厭氧氨氧化耦合工藝對(duì)污泥消化液進(jìn)行處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，稀釋的污泥消化液在DO為0.5 mg/L時(shí)即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定脫氮，而當(dāng)污泥消化液原水進(jìn)入反應(yīng)器反應(yīng)時(shí)，系統(tǒng)的脫氮性能略微下降，但當(dāng)降低DO(0.3 mg/L) 和延長HRT時(shí)，系統(tǒng)的脫氮性能逐漸恢復(fù)并趨于穩(wěn)定?？梢姡珼O是穩(wěn)定的短程硝化的重要影響因素，也是厭氧氨氧化高效脫氮的前提。

1.3 pH

pH對(duì)系統(tǒng)的脫氮性能也有著重要的影響。有研究表明，系統(tǒng)在運(yùn)行中在調(diào)控pH條件下的脫氮能力要比不調(diào)控的條件下高出約5倍[20]。大量研究表明，一體式ANAMMOX工藝中的最適宜pH范圍為7.0～8.5[21]。查正太等[22]采用厭氧氨氧化耦合工藝探究了pH對(duì)污泥消化液的影響，結(jié)果表明，pH為8.0時(shí)，系統(tǒng)脫氮處理效果最佳。然而周家中等[23]采用ANAMMOX耦合工藝處理污泥消化液中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在pH為8時(shí)，出現(xiàn)了結(jié)垢現(xiàn)象，這可能是由于污泥消化液的硬度高而引起的；在探究pH對(duì)系統(tǒng)的影響試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH為7.5時(shí)，可避免此現(xiàn)象的發(fā)生；同時(shí)，還能獲得穩(wěn)定的亞硝酸鹽出水。Zhang等[24]研究表明當(dāng)pH降至酸性時(shí)，細(xì)菌的活性最弱，但可通過升高pH和延長HRT方法來恢復(fù)細(xì)菌的活性。

游離氨和游離亞硝酸(free nitrous acid，F(xiàn)NA)反映了pH的動(dòng)態(tài)平衡，pH較高時(shí)，F(xiàn)NA受到抑制；反之，F(xiàn)A受到抑制，F(xiàn)A和FNA的計(jì)算方式見公式(1)和(2)[25]。Josep等[20]表示pH降低時(shí)，F(xiàn)A和FNA也對(duì)系統(tǒng)起抑制作用。樊宇菲等[26]在對(duì)污泥消化液進(jìn)行處理時(shí)，通過調(diào)控FA和FNA指標(biāo)，系統(tǒng)的脫氮效果較好。故在實(shí)際污泥消化液處理中，可通過監(jiān)測(cè)pH值來確保厭氧氨氧化是否處于抑制狀態(tài)，同時(shí)需避免系統(tǒng)出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象。

(1)

(2)

1.4 溫度

研究表明厭氧氨氧化菌的最適溫度為35 ℃，高溫和低溫環(huán)境均會(huì)抑制功能菌的活性，甚至使失活[27]。Li等[11]在(34±1) ℃條件下采用ANAMMOX工藝對(duì)污泥消化液進(jìn)行處理時(shí)，脫氮效果較好。雖污泥消化液的溫度適宜細(xì)菌的生長，且中溫下ANAMMOX在污泥消化液中的脫氮效果較好，但在冬季較冷的環(huán)境溫度下厭氧氨氧化工藝對(duì)污泥消化液的脫氮能力還需探討。Josep等[20]研究發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在30 ℃時(shí)，對(duì)污泥消化液處理時(shí)脫氮效果較好；但為確保低溫條件下厭氧氨氧化工藝能夠穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)采取逐漸降溫的措施(從30 ℃降至24 ℃)，結(jié)果表明系統(tǒng)的脫氮能力降低，但由于MLSS較高，污泥的沉淀性能卻得到了改善。Jose等[28]研究表明接種顆粒污泥的厭氧氨氧化系統(tǒng)在低溫環(huán)境下脫氮能力較好，還發(fā)現(xiàn)低溫環(huán)境下一體式系統(tǒng)的脫氮效果要優(yōu)于兩段式。Szatkowska等[29]在低溫(25 ℃)條件采用了短程硝化-厭氧氨氧化與生物膜系統(tǒng)耦合對(duì)污泥消化液進(jìn)行了處理，結(jié)果顯示，系統(tǒng)的脫氮率超過了70%，證實(shí)了低溫條件下ANAMMOX耦合工藝也能達(dá)到較好的脫氮效果?？梢姡趯?shí)際應(yīng)用中，厭氧氨氧化耦合工藝在低溫環(huán)境下處理污泥消化液時(shí)應(yīng)考慮接種污泥類型、反應(yīng)器類型等對(duì)系統(tǒng)脫氮能力的影響。

2 厭氧氨氧化耦合工藝及其應(yīng)用

目前，厭氧氨氧化耦合工藝在污泥消化液中的研究應(yīng)用較成熟，應(yīng)用較廣泛的是短程硝化-厭氧氨氧化工藝，有研究表明約85%以上的耦合工藝為短程硝化-厭氧氨氧化工藝，其中一體式工藝又在短程硝化-厭氧氨氧化(Partial nitrification-ANAMMOX，PN/A)工藝研究中占比較大(>50%)[30]。

2.1 短程硝化-厭氧氨氧化工藝

2.2 同時(shí)亞硝化-厭氧氨氧化-反硝化工藝

SNAD工藝即是將Partial nitrification、ANAMMOX和Denitrification結(jié)合的ANAMMOX耦合工藝[34]。它具有能耗低、同時(shí)除碳脫氮等優(yōu)點(diǎn)，但一體式的SNAD工藝中短程硝化過程的穩(wěn)定性是工藝的關(guān)鍵之一[7]。

王剛[7]表示SNAD-MBR工藝在混合曝氣(實(shí)驗(yàn)產(chǎn)氣和空氣混合)、DO控制在0.3～0.8 mg/L的條件下脫氮效果最佳，且可實(shí)現(xiàn)高效的亞硝積累，并證實(shí)了SNAD工藝在污泥消化液中應(yīng)用的可行性。譚沖[35]研究表明采用SNAD工藝處理污泥消化液時(shí)，當(dāng)COD濃度不超過200 mg/L時(shí)，脫氮以Anammox為主，而當(dāng)COD濃度提高時(shí)，脫氮以反硝化為主。而鄒瑜[36]將SNAD與藻類厭氧發(fā)酵耦合過程中發(fā)現(xiàn)，PN、ANAMMOX和Denitrification的功能菌能在系統(tǒng)中共存，脫氮效果最佳。Li等[37]證實(shí)了在PN/A工藝的基礎(chǔ)上，可與反硝化進(jìn)行耦合以去除產(chǎn)生的硝酸鹽，且脫氮效果較好。此外，Du等[38]在一體式生物膜/活性污泥反應(yīng)器中啟動(dòng)了SNAD工藝，研究發(fā)現(xiàn)在進(jìn)水負(fù)荷較高的條件下能富集AOB菌，脫氮率超過了92%。同時(shí)，楊延棟[39]和Yang等[40]在相同的反應(yīng)器中均發(fā)現(xiàn)厭氧氨氧化菌、短程硝化菌和反硝化菌可共存于一個(gè)系統(tǒng)中。綜上可知，SNAD工藝實(shí)現(xiàn)了污泥消化液的高效脫氮，在工程化應(yīng)用中具有廣闊前景。

2.3 全程自養(yǎng)脫氮工藝

CANON工藝與PN/A工藝的原理相似，其具有脫氮路徑短、溫室氣體排放量少、生物群落較復(fù)雜和污泥流失嚴(yán)重等特點(diǎn)。但因其是在同一反應(yīng)器中運(yùn)行，AOB菌和AnAOB菌協(xié)同完成污泥消化液的脫氮處理，同時(shí)，ANAMMOX反應(yīng)的厭氧或缺氧環(huán)境是由PN過程中消耗反應(yīng)器中的DO創(chuàng)造的[41]。

張亮[6]采用復(fù)合膜一體式CANON工藝，通過增加進(jìn)水氨氮負(fù)荷的方式實(shí)現(xiàn)了ANAMMOX耦合工藝的快速啟動(dòng)，系統(tǒng)的總氮去除率高達(dá)90%，實(shí)現(xiàn)了高效脫氮。Yang等[40]采用相同工藝對(duì)污泥消化液進(jìn)行處理，但其是通過先向污泥消化液補(bǔ)充亞硝酸鹽的方式富集ANAMMOX菌，再將實(shí)際的PN出水進(jìn)入ANAMMOX反應(yīng)器中，結(jié)果顯示，當(dāng)實(shí)際污泥消化液進(jìn)入時(shí)，脫氮效果和COD去除率均出現(xiàn)下降，但通過控制絮體污泥的濃度系統(tǒng)的整體去除效果逐漸恢復(fù)，同時(shí)，高濃度的有機(jī)質(zhì)對(duì)生物膜中的ANAMMOX菌的抑制作用較小。Qian等[14]通過三個(gè)階段(PN、PNA和SPNA)實(shí)現(xiàn)了污泥消化液的高效脫氮，亞硝酸鹽的積累率高達(dá)80%，但在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ANAMMOX污泥暴露在空氣中時(shí)間較長(>90 min)時(shí)，細(xì)菌的活性明顯降低。楊延棟等[39]探究了一體式CANON工藝對(duì)污泥消化液脫氮性能的影響，其采用先處理合成廢水、再處理生活污水與污泥消化液混合液、最后再逐漸提高污泥消化液比例的方式啟動(dòng)CANON系統(tǒng)，通過控制HRT實(shí)現(xiàn)了90%的脫氮率，但在處理實(shí)際廢水過程中發(fā)現(xiàn)，可在低DO和較高的FA條件下避免功能菌的活性下降現(xiàn)象的發(fā)生。為解決污泥流失問題，孫慶花等[41]在反應(yīng)器中投加填料的方式對(duì)污泥消化液進(jìn)行處理，采用逐步提高進(jìn)水負(fù)荷和調(diào)整生物膜的填充率的方式運(yùn)行，結(jié)果表明，系統(tǒng)的脫氮效果較好。Jose等[28]研究表示接種顆粒污泥的CANON系統(tǒng)具有良好的生物保留量，系統(tǒng)脫氮效果較好?？梢?，CANON工藝能夠?qū)崿F(xiàn)污泥消化液的脫氮，且與膜工藝等想耦合能夠緩解污泥流失等問題。

2.4 其他耦合工藝

查正太等[22]采用厭氧氨氧化與反硝化耦合工藝對(duì)污泥消化液進(jìn)行處理，結(jié)果顯示，兩種功能菌能共存于同一系統(tǒng)中；同時(shí)，系統(tǒng)遭到破壞時(shí)，可通過控制pH值來確保反應(yīng)的進(jìn)行。梁松等[42]采用鐵氨氧化對(duì)污泥消化液進(jìn)行了處理，研究表明，脫氮率最高的為水鐵礦組，氨氮的去除率超過了70%，同位素標(biāo)記顯示以鐵氨氧化反應(yīng)為主，并表示腐殖質(zhì)對(duì)鐵氨氧化反應(yīng)有促進(jìn)作用，減弱了反應(yīng)的鈍化作用，這為污泥消化液的處理提供了另一種氨氧化的思路。Wu等[19]采用PN/A與Coammox工藝耦合對(duì)污泥消化液進(jìn)行處理，通過抑制NOB菌實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的亞硝酸鹽積累，投加碳源去除Coammox產(chǎn)生的硝酸鹽，最終系統(tǒng)的脫氮率高達(dá)98%。為解決兩段式PN/A工藝中絮體污泥進(jìn)入ANAMMOX反應(yīng)器中的問題，Ding等[43]采用短程硝化-微濾-厭氧氨氧化工藝對(duì)污泥消化液進(jìn)行處理，結(jié)果顯示，該耦合工藝的總氮去除負(fù)荷超過了0.8 kgN/(m3·d)，這高于兩段式PN/A的總氮去除負(fù)荷[0.55 kgN/(m3·d)]，同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)ANAMMOX反應(yīng)器中的絮體污泥來自于PN反應(yīng)器，而微濾工藝有效攔截了懸浮物質(zhì)，阻止了絮體污泥直接進(jìn)入ANAMMOX反應(yīng)器中，使ANAMMOX系統(tǒng)更穩(wěn)定，證實(shí)了該耦合工藝在污泥消化液中處理的可行性。

3 工程應(yīng)用

隨著厭氧氨氧化技術(shù)的不斷深入研究，工程化應(yīng)用在全球范圍內(nèi)也逐漸建設(shè)。因污泥消化液的水質(zhì)特性符合厭氧氨氧化技術(shù)的應(yīng)用，此外，世界上第一座厭氧氨氧化工程則是采用SHARON+ANAMMOX耦合工藝對(duì)污泥消化液進(jìn)行處理。截止2017年底，全世界范圍內(nèi)的厭氧氨氧化工程已建有100多座，其中以污泥消化液為處理對(duì)象的工程超過75%[3]，厭氧氨氧化在國外的工程化應(yīng)用見表1。

表1 國外的針對(duì)污泥消化液建立的厭氧氨氧化工程Table 1 ANAMMOX project established for sludge digest liquid abroad

近幾年，我國的厭氧氨氧化研究也逐漸滲入，針對(duì)垃圾滲濾液[12]、污泥消化液[41]和城市生活污水等[18]，建有實(shí)際工程和中試，如青島海泊污水處理廠等[47]，為厭氧氨氧化技術(shù)在我國的污泥消化液上的工程化應(yīng)用提供了更多的技術(shù)支撐。

3.1 北京市高碑店污水處理廠

表2 進(jìn)水污泥消化液的水質(zhì)參數(shù)Table 2 Water quality parameters of inlet water digest liquid

3.2 SNAD-MBBR中試工藝

圖1 SNAD-MBBR工藝流程圖Fig.1 SNAD-MBBR process flow diagart

4 總結(jié)展望

目前，厭氧氨氧化工藝作為綠色、可持續(xù)的生物脫氮工藝，受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。大量研究和工程應(yīng)用已證實(shí)了厭氧氨氧化耦合工藝在污泥消化液處理中的可行性。實(shí)際應(yīng)用中通過控制DO和pH等條件實(shí)現(xiàn)污泥消化液的高效脫氮。但如何在低溫條件下實(shí)現(xiàn)污泥消化液的高效脫氮；如何在厭氧氨氧化工藝實(shí)現(xiàn)污泥消化液高效脫氮的同時(shí)防止污泥流失、富集AOB菌等問題還需進(jìn)一步研究。此外，雖然污泥消化液的工程化應(yīng)用在厭氧氨氧化工程中占比較大，以及污泥消化液的水質(zhì)適宜ANAMMOX技術(shù)的處理，但國內(nèi)的污泥消化液工程還非常稀少，需要進(jìn)一步去推廣應(yīng)用。