厭氧氨氧化菌適合處理高溫、高氨氮污水, 而城市生活污水是典型的低溫、低氨氮水質, 如何將厭氧氨氧化工藝應用于市政污水處理廠是長久以來的難點.在國外, 厭氧氨氧化工藝已成功應用于污水處理廠中, 以處理垃圾滲濾液、消化上清液、養殖業廢水等高氨氮廢水, 而市政污水處理廠厭氧氨氧化工藝的研究仍處于小試階段.國內, 厭氧氨氧化工藝主要局限于實驗室研究, 在實際污水處理廠中長期運行厭氧氨氧化工藝的報道鮮見.
常溫低氨氮環境中, 厭氧氨氧化工藝處理負荷低.通常認為, 常溫馴化可以使厭氧氨氧化菌逐步適應低溫環境.前人的研究在實驗室內進行, 以人工配水為基質, 氨氮濃度為100~350 mg ?L-1, 運行溫度為18~25℃, 且馴化時間較短.而實際生活污水成分復雜, 亞硝化后的生活污水氨氮濃度為10~25 mg ?L-1, 水溫為10~24℃.因此, 在市政污水處理廠中, 研究長期常低溫馴化對厭氧氨氧化菌的影響有著重大的意義.
基于此, 本研究在污水處理廠中, 將A/O除磷和亞硝化工藝串聯作為預處理工藝, 以預處理后的生活污水為基質, 啟動并長期運行厭氧氨氧化（oxidation)工藝的小試, 分析長期運行過程中厭氧氨氧化菌的活性.
1 材料與方法 1.1 試驗裝置
試驗采用上向流生物濾柱反應器.裝置由有機玻璃制成, 內徑20 cm, 承托層裝填5 cm, 濾料裝填45 cm, 反應器有效容積為18 L.承托層采用粒徑為4~8 mm的礫石填料, 濾料為直徑5~10 mm的黑色火山巖.最下端取樣口距濾柱底部10 cm, 由下向上每隔25 cm設置一個取樣口.反應器底部設曝氣裝置以進行反沖洗, 外部纏繞黑色保溫棉以避光和保溫.
1.2 試驗用水和接種污泥
將A/O除磷和亞硝化工藝串聯作為預處理工藝, 以預處理后的生活污水為厭氧氨氧化工藝的基質, 具體水質指標（target aim)如表 1所示.
反應器啟動時接種4 L厭氧氨氧化絮狀污泥, 污泥濃度為2 200 mg ?L-1.厭氧氨氧化絮狀污泥來自于穩定運行的厭氧氨氧化SBR反應器, SBR反應器總氮去除率穩定在85%左右, 總氮去除負荷為0.5 kg ?-1.
1.3 運行參數
整個運行階段, 進水基質及濾速保持不變, 運行所處的季節及進水溫度如表 2所示.
1.4 化學分(credit)析方法及反應速率的測定
水樣分析中NH4+-N測定采用納氏試劑光度法, NO2--N采用N-乙二胺光度法, NO3--N采用紫外分光光度法, COD采用快速測定儀, D
O、pH和水溫通過WTW便攜測定儀測定, 其余水質指標的分析方法均采用國標方法.
反應速率的測定：從反應器中取濾料, 刮下生物膜, 放入2個燒杯中, 分別測定30℃和15℃時的厭氧氨氧化反應速率, 代表高溫厭氧氨氧化速率和低溫厭氧氨氧化速率.燒杯設置機械攪拌, 氨氮和亞硝氮基質濃度為50 mg ?L-1, 使堿度與氨氮之比為5, pH為7.6~8.0, 整個運行過程中水中DO維持在0.3 mg ?L-1以下.
2 結果與分析 2.1 厭氧氨氧化濾柱的啟動
春季進行厭氧氨氧化工藝的啟動.反應器裝填火山巖填料后, 接種3.5 L污泥濃度為2 200 mg ?L-1的厭氧氨氧化絮狀污泥進行掛膜.掛膜階段, 采用較低的水力負荷以減小對濾料表面微生物的沖擊, 濾速定為0.10 m ?h-1.同時, 反應器出水進行收集并循環進水, 以減少厭氧氨氧化菌的流失.運行5 d后, 出水SS濃度小于20 mg ?L-1, 表明厭氧氨氧化菌已基本被截留在反應器中.此時反應器改為連續進水出水, 濾速提高到0.15 m ?h-1, HRT為3.3 h.
連續運行階段反應器氨氮, 亞硝氮和硝氮變化如圖 2所示, 進水溫度及總氮篩除率如圖 3所示.為了研究脫氮途徑, 引入厭氧氨氧化反應方程式, 如式所示.厭氧氨氧化菌按1 :1.32的比例消耗氨氮和亞硝氮.厭氧氨氧化工藝生成的氮氣量與硝氮量之比為8, 該值稱為特征比.試驗亞硝氮氨氮消耗比和特征比如圖 4所示.
反應器改為連續進水出水的第1 d, 總氮去除率為13.8%.但亞硝氮氨（化學式：NH3） 氮消耗比為1.41, 特征比為28.17, 不滿足厭氧氨氧化方程式.分析其原因, 可能是由于火山巖填料對基質的吸附作用.隨著吸附達到飽和, 總氮去除率明顯降低, 第4 d時, 總氮去除率由13.8%降低到5.2%.反應器繼續運行, 氨氮和亞硝氮去除效果逐漸提高, 出水硝氮濃度逐步增加.第109 d時, 連續15 d氨氮和亞硝氮去除率大于90%, 總氮去除率大于70%, 亞硝氮氨氮消耗比穩定在1.17~1.26, 特征比穩定在8.76~10.21, 符合厭氧氨氧化反應方程式, 表明上向流厭氧氨氧化生物濾柱啟動成功.
Zekker等在20℃條件下以發酵廠高氨氮污水為基質, 歷時186 d成功啟動厭氧氨氧化（oxidation)工藝.進水溫度20~25℃, 氨氮和亞硝氮基質濃度為30~50 mg ?L-1, Bao等在224 d啟動厭氧氨氧化生物濾柱. Zhang等以含25~35 mg ?L-1氨氮和亞硝氮的配水為基質, 23℃條件下90 d成功啟動厭氧氨氧化SBR反應器.與前人研究成果相比, 本試驗以更低濃度的實際生活污水為基質, 在15.1~21.9℃的條件下, 成功啟動厭氧氨氧化反應器, 較前人的研究成果有所進步.
2.2 厭氧氨氧化濾柱的低溫運行
第153~244 d時, 反應器在秋季運行, 進水溫度（temperature)為12.6~18.9℃.溫度在14℃以上時, 反應器氨（化學式：NH3） 氮、亞硝氮去除率大于95%, 溫度小于14℃時, 氨氮和亞氮去除率明顯降低.第245 d, 反應器運行進入冬季, 進水溫度為10.2~14.3℃.由圖 3可知, 反應器總氮去除率與進水溫度密切相關.進水溫度在10~12℃時, 總氮去除率為25%~60%.進水溫度為12~14℃時, 總氮去除率為55%~75%.第245~334 d, 反應器最大出水總氮濃度為30.1 mg ?L-1, 平均總氮去除率為54.3%.
為了避免生物膜過度增殖導致濾柱堵塞, 第461 d對濾柱進行反沖洗.反沖洗時, 采用較大的水力負荷以達到削減生物膜厚度的目的.以氣水聯合的方式進行反沖洗, 氣水比為3, 水沖強度（strength)為2.0 L ?-1, 反沖洗時間為3 min.反沖洗后, 氨氮去除率從98.6%降低到59.7%, 亞硝氮去除率從97.3%降低為57.2%, 總氮去除率由78.4%降為48.1%.運行8 d后, 氨氮去除率恢復至90%以上, 總氮去除率提高到71%.相比于其他生物膜, 本試驗厭氧氨氧化生物膜反沖洗后恢復速度較快.有研究表明, 成熟的厭氧氨氧化菌生物膜結構緊湊, 分泌較多的胞外多聚物, 對水力負荷沖擊的抵抗能力強, 因此成熟厭氧氨氧化生物膜受反沖洗影響(influence)較小.
第510~604 d, 運行季節為秋季, 進水溫度為13.2~19.6℃, 反應器氨（化學式：NH3） 氮和亞硝氮去除率大于90%, 總氮去除率大于75%.相比于去年同期水平, 進水溫度在14℃以下時, 依然有著良好的處理效果.第605 d, 運行再次進入冬季, 進水溫度為10.1~14.7℃.進水溫度在10~12℃時, 總氮去除率為50%~65%.進水溫度為12~14℃時, 總氮去除率為70~80%.第605~695 d, 反應器最大出水總氮濃度為19.7 mg ?L-1, 平均總氮去除率為69.7%.總氮去除率比去年同期相比增長了29%, 總氮去除負荷增長率為23%.
Guillén等通過1 048 d的低溫馴化, 提高了低溫厭氧氨氧化（oxidation)工藝的處理效果. Trojanowicz等從低溫馴化3 a的厭氧氨氧化反應器中取泥, 在低溫時成功啟動反應器并取得了良好的處理效果.前人的研究主要表明, 長期的低溫馴化可以提高低溫厭氧氨氧化菌活性, 但對于長期馴化對厭氧氨氧化活性提高并未定量化.在本試驗中, 從第245~334 d到第605~695 d, 歷時1 a, 總氮去除負荷增長率（Growth rates)為23%, 長期低溫馴化明顯地提高了反應器低溫處理效果.
2.3 生物學特性研究
每個季節從反應器中取出濾料, 測定濾料生物量及反應速率, 結果如圖 5所示.生物量單位(unit)以VSS/濾料計, 為mg ?g-1.
第55~148 d, 進水溫度為16.5~21.9℃, 反應器生物量從5.08 mg ?g-1增長到9.61 mg ?g-1, 增長幅度較大.第230~298 d, 進水溫度為10.2~13.8℃, 生物量由10.20 mg ?g-1提高為11.38 mg ?g-1, 低溫環境中生物量增長速度較慢, 表明溫度對厭氧氨氧化菌生物膜的增長有較大影響.第461 d濾柱進行反沖洗, 生物量從14.96 mg ?g-1降低至8.01 mg ?g-1, 反沖洗可以有效地剪切生物膜, 將濾料生物量維持在較低水平.第360 d, 運行處于冬季, 生物量為12.24 mg ?g-1, 第649 d, 反應器再次處于冬季, 生物量為10.41 mg ?g-1.與去年同期相比, 生物量處于較低水平, 但反應器總氮去除率負荷提高了23%.其原因是經過長期的常溫馴化, 低溫條件下厭氧氨氧化菌活性顯著提高.
反應速率測定時的溫度、基質濃度均相同, 因此高溫厭氧氨氧化反應速率速率代表了不同階段污泥中厭氧氨氧化菌比例.由圖 5可知, 高溫厭氧氨氧化速率基本相同.進水溫度幾乎不會影響生物膜中厭氧氨氧化菌所占比例.
低溫反應速率與高溫反應速率的比值（兩數相比所得的值)可以有效地反映低溫厭氧(Oxygen)氨氧化菌的活性.由圖 5可見, 第55 d時, 低溫厭氧氨氧化反應速率為1.5 kg ?-1, 與高溫反應速率的比值為0.17.隨著反應器的繼續運行, 低溫厭氧氨氧化速率明顯提高, 第858 d時, 低溫厭氧氨氧化速率達到了3.6 kg ?-1, 與30℃厭氧氨氧化速率比值為0.38.與第55 d相比, 第858 d時高溫厭氧氨氧化反應速率基本相同, 低溫厭氧氨氧化速率增長140%, 低溫反應速率與高溫反應速率的比值增長率（Growth rates)達123%.結果表明, 長期低溫馴化有利于提高低溫厭氧氨氧化菌活性.
3 結論
試驗以A/O除磷和亞硝化工藝處理(chǔ lǐ)后的生活污水為基質, 室外啟動厭氧氨（化學式：NH3） 氧化生物濾柱.第109 d時, 連續15 d氨氮和亞硝氮去除率大于90%, 總氮去除率大于70%, 厭氧氨氧化生物濾柱啟動成功.
第245~333 d, 運行進入冬季, 濾料生物量為12.24 mg ?g-1, 平均總氮去除率為54.3%.第605~693 d, 運行再次進入冬季, 濾料生物量為10.41 mg ?g-1, 平均總氮去除率為69.7%.濾料生物膜厚度小于去年同期水平, 但總氮去除負荷提高了23%.
在整個運行過程中, 高溫厭氧氨氧化速率基本保持不變, 低溫厭氧氨氧化速率從1.5 kg ?-1增長到3.6 kg ?-1, 增長率達140%.長期低溫馴化有利于提高厭氧氨氧化工藝低溫處理效果, 實現冬季厭氧氨氧化工藝高效（指效能高的）運行.
