城市污水雙泥齡復合脫氮工藝

厭氧氨氧化（Anammox）是指在缺氧條件下，厭氧氨氧化菌（AnAOB）以NO2--N為電子受體，將NH4+-N直接氧化為N2的自養反應過程。厭氧氨氧化與短程硝化耦合形成PN/A（partialnitritationandAnammox）工藝，可實現全程自養脫氮。和常規脫氮工藝相比，PN/A工藝可節省60%的曝氣能耗和100%的碳源，已成功應用于高氨氮濃度工業廢水的處理。然而，厭氧氨氧化技術在城市主流污水處理工藝中的應用仍面臨諸多挑戰。AnAOB生長緩慢，倍增時間長（3~14d），在實際城市污水處理廠中難以富集和持留。此外，城市污水具有較高C/N值、低溫、低NH4+-N濃度等特點，短程硝化過程難以控制，無法為厭氧氨氧化提供穩定的關鍵底物NO2--N，導致的主流厭氧氨氧化工藝至今未實現規模化應用，而部分厭氧氨氧化和異養脫氮結合的復合脫氮技術成為了研究熱點。

目前，基于部分厭氧氨氧化的復合脫氮技術已經取得重要進展。西安某污水處理廠通過在A2/O工藝缺氧池投加填料以生物膜形式成功富集并持留厭氧氨氧化菌，實現了部分主流厭氧氨氧化，總氮去除率達到了86%。該工藝的缺氧池中生物膜和懸浮污泥長期共存，長污泥齡和短污泥齡相結合，實現了自養脫氮和異養脫氮的耦合，稱為雙泥齡復合脫氮工藝。Yuan等人通過高通量測序、批式活性試驗、同位素示蹤等手段確定了該工藝的自養脫氮貢獻率為20%~30%。通常情況下，有機物濃度、NH4+-N濃度和溫度等因素對主流厭氧氨氧化具有重要影響。污水中較高的有機物濃度會引起異養菌大量繁殖，從而與厭氧氨氧化菌競爭基質和生長空間；大部分主流脫氮工藝需要在冬季10~15℃的低溫條件下運行，而在低溫條件下厭氧氨氧化菌的活性會大幅降低，自養脫氮過程受到抑制，進而導致出水氮濃度升高；而且主流工藝中NH4+-N濃度較低（20~60mg/L），難以形成高濃度游離氨抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB）活性，致使短程硝化過程遭到破壞。

基于當前研究成果，筆者所在課題組開發了雙泥齡復合脫氮中試工藝，采用磁分離技術對工藝進水進行碳源預濃縮，以降低有機物對厭氧氨氧化過程的影響，采用間歇曝氣為厭氧氨氧化菌供給NO2--N。經過長期運行調控，該中試工藝實現了自養脫氮和異養脫氮的耦合，總氮去除率達到了74.4%。為進一步探究該中試工藝在主流條件下的厭氧氨氧化現象，利用批式試驗考察了厭氧氨氧化過程所需NO2--N基質的來源，并優化間歇曝氣量，利用高通量測序技術分析了雙泥齡系統的微生物群落結構特征，以期為雙泥齡復合脫氮工藝的穩定運行和優化提供理論基礎。

1、材料與方法

1.1 中試反應器與運行方案

中試反應器由4個不銹鋼箱體組成，如圖1所示。反應池部分共有3個箱體（1.2m×1.2m×2m），總有效容積為7.8m3，箱體內設有隔板，將反應池分為6個單元，按照1∶2∶3的體積比依次劃分為厭氧池、缺氧池和好氧池。沉淀池箱體的長、寬、高分別為1.2、1.2、1.8m（溢流高度為1.6m），中間設有沉淀輔助斜板，斜板間距為3cm，60°傾斜。

接種污泥包括懸浮污泥和懸浮填料生物膜，其中懸浮污泥取自北京某污水處理廠污泥車間，含水率約為80%，經稀釋后污泥濃度約為3~4g/L。污泥接種后啟動A2/O工藝，隨后在厭氧和缺氧池投加附著有厭氧氨氧化菌的K3型填料，填料取自西安某污水處理廠缺氧池，填料生物量約為60mg/個，填充率約為20%。

反應器以城市污水磁分離出水為進水，進水量為12~15.55m3/d，HRT為12.0~15.6h，內回流比為0~150%，外回流比為100%，好氧池1的DO濃度為0.5~1.0mg/L，好氧池2的DO濃度為1.0~3.0mg/L，缺氧池曝氣和停止曝氣時DO濃度分別為0.2~0.3、0.1~0.3mg/L。整個中試運行周期分為3個階段，各階段進出水水質和運行工況見表1。

1.2 批式試驗

脫氮功能菌即氨氧化菌（AOB）、NOB、AnAOB、反硝化菌（DNB）的活性測定參照文獻和。

模擬缺氧池開關曝氣試驗：分別取缺氧池懸浮污泥和填料置于2個1L錐形瓶中，采用磁力攪拌使泥水充分混合；其中一個通入空氣，采用轉子流量計調節氣體流量為20mL/min，模擬曝氣時缺氧池的DO環境，另一個不通空氣模擬關閉曝氣時缺氧池的DO環境；每隔15min取樣，共取5個樣，測定氨氮、亞硝態氮和硝態氮濃度。

不同曝氣量下氮轉化率試驗：分別取缺氧池懸浮污泥和填料置于1L錐形瓶中，采用磁力攪拌使泥水充分混合；通入空氣，采用轉子流量計調節氣體流量（10、20、40mL/min）；每隔15min取樣，共取5個樣，測定氨氮、亞硝態氮和硝態氮濃度。氮轉化率的具體計算方法參照文獻。

1.3 分析項目與方法

NH4+-N、NO2--N、NO3--N和COD等常規水質指標均采用國家標準方法測定。

分別取不同運行階段中試反應器中的懸浮填料和缺氧池懸浮污泥樣品，送往第三方檢測機構，開展基于IlluminaHiSeq測序平臺的細菌16SrRNA高通量測序分析。具體步驟如下：采用試劑盒（E.Z.N.ATMMag-BindSoilDNAKit）對樣本進行DNA提取，并按照指定測序區域（細菌V3-V4區）對提取后的DNA進行擴增與純化；經QuantiFluorTMST定量后，根據IlluminaHiSeq測序文庫對所得到的數據進行OTU聚類統計、物種注釋、物種組成分析等。

2、結果與分析

2.1 中試反應器的運行效果

中試反應器的運行效果如表1所示，在間歇曝氣（15min好氧/15min缺氧）階段，反應器出水NH4+-N和TIN平均濃度分別為（0.75±0.88）、（7.19±1.47）mg/L，NH4+-N和TIN平均去除率分別為97%和74%。與啟動階段相比，NH4+-N和TIN平均去除率分別提升了9%和39%。反應器的脫氮效果提升，可能是由于缺氧池間歇曝氣為AnAOB提供了NO2--N基質，強化了自養脫氮過程。

2.2 脫氮途徑解析及優化

由于間歇曝氣作用，初步判斷雙泥齡系統中發生了短程硝化耦合厭氧氨氧化脫氮。為驗證該判斷，取缺氧池懸浮污泥和填料進行模擬缺氧池開關曝氣試驗。結果顯示，無曝氣時，NH4+-N和TIN去除速率分別為-2.69mg/（L·d）和62.40mg/（L·d），NH4+-N濃度沒有降低，也沒有NO2--N積累，說明無曝氣時并未發生短程硝化過程和厭氧氨氧化過程；NH4+-N濃度的升高可能是缺氧池內懸浮污泥中部分微生物發生解體，釋放出一些NH4+-N。曝氣（曝氣量為20mL/min）時，NH4+-N和TIN去除速率分別為90.53mg/（L·d）和68.61mg/（L·d），曝氣同時促進了缺氧池NH4+-N和TIN的轉化，可能發生了短程硝化和厭氧氨氧化耦合的全程自養脫氮過程。相關研究表明，AOB具有“飽食-饑餓"特性，缺氧時活性受到抑制，氧氣充足時活性迅速恢復并大量增殖，而NOB由缺氧環境重新進入好氧環境后，其活性恢復時間較AOB滯后。本研究結果與其一致，表明間歇曝氣可能促進了雙泥齡系統中短程硝化和厭氧氨氧化過程的耦合。

間歇曝氣參數主要包括曝氣頻率和曝氣量，較快的間歇曝氣頻率更有利于NOB的抑制，而過高的DO濃度會抑制反硝化菌和厭氧氨氧化菌的活性。課題組的前期試驗結果證明間歇曝氣頻率為15min好氧/15min缺氧時，雙泥齡系統的脫氮效果較好，而小范圍內的曝氣量（10~40mL/min）對雙泥齡系統脫氮效果的影響尚未進行研究。為進一步優化雙泥齡系統的脫氮效果，利用批式試驗考察微曝氣量對雙泥齡系統脫氮效果的影響。結果顯示，當曝氣量為10mL/min時，NH4+-N轉化速率為25.52mg/（L·d），TIN去除速率為14.74mg/（L·d），DO濃度為（0.08±0.01）mg/L；當曝氣量提高至20mL/min時，NH4+-N轉化速率升至52.70mg/（L·d），TIN去除速率升至56.88mg/（L·d），DO濃度為（0.18±0.03）mg/L；當曝氣量提高至40mL/min時，NH4+-N轉化速率為66.45mg/（L·d），而TIN去除速率降至20.16mg/（L·d），DO濃度為（0.23±0.04）mg/L。綜上可知，當曝氣量為20mL/min（DO濃度為（0.18±0.03）mg/L）時，缺氧池雙泥齡系統具有最佳脫氮效率。

2.3 主要脫氮功能菌活性

為進一步明確雙泥齡系統中脫氮功能菌分布情況，對主要脫氮功能菌的活性進行了測定。結果顯示，缺氧池填料生物膜中未檢測到AOB和NOB活性，而懸浮污泥的AOB和NOB活性分別為61.53、86.95mg/（gVSS·d）；另外，填料生物膜中AnAOB活性為44.60mg/（gVSS·d），懸浮污泥和填料生物膜中DNB活性分別為103.66、17.35mg/（gVSS·d）。綜上所述，在雙泥齡系統中，AOB和NOB主要分布在懸浮污泥中，AnAOB分布在填料生物膜上，DNB在懸浮污泥和生物膜中均有分布，在懸浮污泥中發揮主要脫氮作用。

2.4 微生物群落結構分析

為了探究雙泥齡復合脫氮反應器中微生物群落結構與脫氮過程的內在關系，分別取第171、620、756天的缺氧池懸浮污泥和填料生物膜樣品，采用16SrRNA高通量測序技術對其微生物群落結構進行分析。

2.4.1 微生物多樣性分析

微生物Alpha多樣性分析結果見表2。

試驗過程中所有微生物測序樣品的Coverage指數均大于98%，表明測序結果能代表樣本中微生物的真實情況。根據Chao和Ace指數結果可知，懸浮污泥中的微生物豐度呈現出先降低后升高的趨勢，這可能與微生物對進水水質和工藝運行工況的適應性有關。中試反應器經過長期運行優化，微生物逐漸適應并不斷富集，在第756天豐度達到最高。Simpson和Shannon指數均用于反映微生物群落多樣性，Simpson指數值越大，說明微生物群落多樣性越低，而Shannon指數值越大，說明微生物群落多樣性越高。相較于懸浮污泥，填料生物膜中的微生物豐度和多樣性均較低，可能是由于生物膜中的部分微生物難以獲取生存所需基質而逐漸被淘汰，而與脫氮相關的微生物可能在間歇曝氣的作用下能夠穩定獲取營養基質，從而不斷富集。

2.4.2 微生物群落組成分析

不同運行階段懸浮污泥和填料生物膜中微生物在門水平上的群落結構變化如圖2所示。

中試反應器中的優勢菌門為Proteobacteria、Chloroflexi和Bacteroidota，三者在懸浮污泥和填料生物膜中的相對豐度之和均超過60%，且隨著反應器的運行，在懸浮污泥和生物膜中呈現相似的變化趨勢。Proteobacteria是污水處理系統中的常見菌門，包含了多種反硝化菌。Chloroflexi的相對豐度呈現出先降低后升高的趨勢，相關研究發現，Chloroflexi中含有NOB，能夠參與NO2--N的氧化。據此推斷，間歇曝氣和NO2--N競爭者（AnAOB）導致NOB不斷被淘汰，降低了Chloroflexi的相對豐度，而運行756d后其相對豐度升高可能是由于NOB已經適應了當前DO環境。此外，Chloroflexi的絲狀結構有利于生物膜形成，這可能是填料生物膜樣品中Chloroflexi相對豐度較高的原因。Bacteroidota是反應器中僅次于Proteobacteria和Chloroflexi的優勢菌門，其在懸浮污泥和生物膜樣品中的相對豐度始終高于10.0%，這可能與大分子有機物和含氮物質的水解有關。

進一步分析了中試反應器懸浮污泥和填料生物膜在屬水平上的微生物群落結構變化，此處僅考慮相對豐度排前20（根據同一物種在不同分組內的相對豐度的均值進行排序）的主要菌屬，結果如圖3所示。

反應器運行至第171天時，懸浮污泥中的優勢菌屬主要包括norank_f__norank_o__norank_c__OLB14、norank_f__norank_o__Microtrichales、norank_f__Saprospiraceae、norank_f__norank_o__C10-SB1A，它們均屬于異養菌，其相對豐度分別為8.8%、4.4%、3.6%、3.4%。norank_f__norank_o__norank_c__OLB14為典型反硝化菌屬，經常在厭氧氨氧化反應器中出現，被證實可參與厭氧氨氧化反應；norank_f__norank_o__Microtrichales和norank_f__Saprospiraceae能夠降解大分子有機物并為反硝化菌提供碳源；norank_f__norank_o__C10-SB1A能夠參與異化硝酸鹽還原為氨反應（DNRA）。厭氧氨氧化相關菌屬norank_f__norank_o__norank_c__OLB14的相對豐度較高，表明外加亞硝態氮可以促進厭氧氨氧化菌的富集。中試反應器運行756d以后，懸浮污泥在屬水平上的微生物群落結構發生了明顯的變化，優勢菌屬變為Thermomonas、norank_f__Saprospiraceae、Ferruginibacter、norank_f__norank_o__Microtrichales、Azospira，它們的相對豐度分別為9.2%、4.6%、3.7%、3.2%、2.6%。Thermomonas能夠參與硫自養反硝化反應，Azospira為反硝化聚磷菌，兩種菌相對豐度的增加為雙泥齡系統在低碳源條件下脫氮除磷提供了保障。填料生物膜在屬水平上的微生物群落結構和懸浮污泥存在差異，反應器運行171d后，生物膜樣品中的優勢菌屬為norank_f__norank_o__norank_c__OLB14、Denitratisoma、norank_f__norank_o__norank_c__JG30-KF-CM66，其相對豐度分別為14.4%、3.9%、3.9%。norank_f__norank_o__norank_c__JG30-KF-CM66為NOB，可能是該階段提供的充足NO2--N基質被NOB利用，導致其大量增殖。反應器運行756d后，生物膜樣品中的優勢菌屬變為Thermomonas、Caldilineaceae、Cloacibacterium，其相對豐度分別為8.9%、4.4%、4.3%。Caldilineaceae和Cloacibacterium能夠產生胞外聚合物（EPS），有利于生物膜的生長成熟。

2.4.3 脫氮功能菌的分布情況

生物脫氮過程相關功能菌群分析結果如表3所示。檢測到的AnAOB為CandidatusBrocadia，該菌屬在填料生物膜中的比例較高，與其他研究結果一致。反應器運行171d后，厭氧氨氧化菌可以穩定獲取NO2--N和NH4+-N，有利于其生長和富集，在生物膜中的相對豐度為6.13%；由于中試反應器運行停滯（疫情期間，172~330d），外加亞硝態氮階段富集的AnAOB無法獲得足夠的營養基質，因此在反應器運行620d后，生物膜樣品中AnAOB的相對豐度降至0.13%；但經過一段時間恢復和運行，在第756天，AnAOB的相對豐度升至0.28%，說明間歇曝氣能夠促進AnAOB的富集。

雙泥齡系統中的AOB主要為Nitrosomonas，第756天其在懸浮污泥和生物膜中的相對豐度分別為0.10%和0.04%，說明AOB主要分布于懸浮污泥中。反應器運行756d后，懸浮污泥中的NOB主要為Nitrospira，相對豐度為2.10%，而生物膜中的NOB主要為norank_c__JG30-KF-CM66，其相對豐度為1.07%。此外，雙泥齡系統中還檢測到了25種已知的反硝化菌，在懸浮污泥和生物膜中均有分布，其相對豐度總和在第756天分別為18.71%和21.53%。綜上所述，除了AnAOB之外，在雙泥齡系統的懸浮污泥中DNB、AOB、NOB均有所分布，而生物膜中主要含有AnAOB和DNB，這與2.3節的主要脫氮功能菌活性測定結果基本一致。

3、結論

①雙泥齡系統中厭氧氨氧化發生在填料生物膜上，活性為44.60mg/（gVSS·d），檢測到的AnAOB為CandidatusBrocadia，相對豐度為0.28%；而氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌主要分布在懸浮污泥中，活性分別為61.53、86.95mg/（gVSS·d），AOB和NOB的相對豐度分別為0.10%和2.10%。

②間歇曝氣促進了短程硝化和厭氧氨氧化過程的耦合。當間歇曝氣量為20mL/min時，雙泥齡系統的NH4+-N轉化速率和TIN去除速率分別為52.70mg/（L·d）和56.88mg/（L·d），脫氮效率達到最高，此過程中厭氧氨氧化菌的相對豐度由0.13%提高至0.28%。