好氧颗粒污泥工艺强化脱氮研究进展

同步硝化反硝化颗粒污泥工艺在单一反应器内即可实现营养物质的去除，节省了投资运行费用和占地面积，具有明显的应用优势.  然而好氧颗粒污泥的SND效率受诸多因素影响，如进水碳氮比、有机负荷、颗粒粒径、溶解氧浓度及运行模式等.Wang等通过批次实验考察了碳氮比、有机负荷和颗粒粒径分布对  SND效率的影响，结果表明，当TOC/N从  2增加到3时，总氮(TN)去除率从45.76%增加到59.91%，SND效率从50.78%增加到61.22%;保持进水NH4+-N浓度100  mg/L，进水有机负荷(以TOC计)从0.16 kg m-3 d-1逐渐增加到0.55 kg m-3  d-1时，TN去除率从31%增加到61%;与混合污泥(粒径大于0.45 mm颗粒约50%)比较，筛分后粒径大于0.45 mm的颗粒污泥TN去除率从  53%增加到75%，SND效率从 30%增加到 68%. 因此Wang等得出增加进水碳氮比、保持较高的有机负荷和较大的颗粒粒径有利于提高SND效果的结论  [17].

图1 好氧颗粒污泥同步硝化反硝化机理

Wang等在颗粒污泥膜生物反应器(Aerobic granular sludge membrane  bioreactor，GMBR)中同样研究了不同粒径范围的污泥在好氧阶段SND效率，粒径< 0.18 mm，0.18-0.45 mm， 0.45-0.9  mm，> 0.9  mm的SND效率分别为0、19.1%、31.9%、49.3%，进一步证实了TN去除率及SND率随污泥颗粒粒径的增大而增加[18].

Mosquera-Corral等通过控制不同阶段反应器内氧饱和度来考察氧浓度对好氧颗粒污泥(平均粒径 2  mm)脱氮效果的影响，长期运行发现当氧饱和度从100%下降到40%时，氮去除率从8%增加到45%，这主要是由于体系氧浓度的降低使得颗粒内氧渗透深度的下降进而导致缺氧区的扩大，提高了颗粒反硝化性能[16].  Di Bella和Torregrossa在高浓度溶解氧(> 7-8  mg/L)条件下仍然实现了良好的SND，有机质和氮的去除率均稳定在90%以上，颗粒污泥反应器长期稳定运行，这可能是由于不同的培养措施筛选出较大的颗粒粒径(平均粒径>  1.5 mm)以及运用较高的有机负荷(3.6-4.8 kg m-3 d-1)[19].不同运行模式下好氧颗粒污泥的 SND效率亦存在差异.

Zhang等比较了全程好氧和缺氧-好氧两种模式对 SND 过程的影响，结果表明相较于全程好氧模式，缺氧-好氧模式下TN去除率和  SND效率分别提高17.8%和10.1%，N2O排放量亦明显降低 [20].  Wan等指出交替的缺氧饱食-好氧饥饿能够促进异养菌在颗粒内层的增殖进而能够促进反硝化效率[21]. de Kreuk等亦通过延长厌氧进水时间(60  min)将易降解的基质转化为降解缓慢的胞内存储聚合物—  聚羟基脂肪酸(Polyhydroxyalkanoates，PHA)，进而筛选生长缓慢的聚磷菌(Phosphorus accumulation  organisms，PAO)和聚糖原菌(Glycogen accumulating  organisms，GAO)等微生物，以此获得致密且结构稳定的颗粒污泥，同时实现了异养反硝化微生物DPAO和  DGAO在颗粒内部缺氧区的富集，胞内存储聚合物为好氧段反硝化提供了充足的碳源，强化了SND效果。

1.3 短程消化反硝化颗粒污泥工艺

硝化过程分为两个阶段：第一步是AOB将NH4+-N氧化为NO2-N,第二步是 NOB将NO2--N进一步氧化为NO3--N.  短程硝化反硝化的基本原理就是将硝化反应控制在第一步，阻止NO2-被继续氧化，随后反硝化直接以NO2-为电子受体实现脱氮(图2).

与传统硝化反硝化技术相比，短程硝化反硝化节省了25%的氧供应量和40%的碳源需求量，而且具有更高的脱氮速率和较低的污泥产率[23-24].  然而，正常条件下，亚硝酸盐会被迅速氧化成硝酸盐，因此为实现亚硝化过程，在不影响氨氧化的同时必须采取措施控制亚硝酸盐的氧化.

已有研究表明，较高的pH、高浓度游离氨(Free ammonia，FA)及游离亚硝酸(Free nitrous  acid，FNA)、低溶解氧(DO)浓度、高温(30-40  ℃)以及较短的污泥停留时间等均能不同程度地抑制亚硝酸盐氧化菌的生长或使其排出反应体系，进而促进亚硝化途径形成[25].

而好氧颗粒污泥内部氧传质限制使NOB生长受到抑制进而使得亚硝化容易实现，而且良好的微生物固定化效果和颗粒污泥反应器较短的沉淀时间可以有效富集  AOB、洗出NOB. 因此，短程硝化反硝化颗粒污泥的出现为高效低耗处理高浓度氨废水提供了新的选择.

研究者通过控制进水基质及运行条件等因素已成功实现基于亚硝化途径的好氧污泥颗粒化. Shi等通过逐渐增加进水  NH4+-N浓度成功培养出短程硝化颗粒污泥(平均粒径2 mm)，NH4+-N浓度增加到350 mg/L后，NO2-积累率稳定在90%以上，氨氮去除率超过  98%，FISH结果表明，AOB分布在颗粒表面，而NOB仅占细菌总量的3% ±  1.2%，研究者分析FA的抑制和颗粒内部氧传质阻力是实现短程硝化的关键因素[26].

Yan等同样在较高的FA条件下获得粒径706  μm的短程硝化颗粒污泥，NO2-积累率达到87.8% [27]. Bartrolí等则通过控制DO和总氨氮(Total ammonia  nitrogen，TAN)浓度的比值在连续流气升式颗粒反应器内实现了短程硝化，在DO/TAN分别为0.17、0.25、0.18时，TAN到总亚硝态氮(TNN)的转化率均高达98%，而且即使在DO浓度为7  mg/L下，仍然实现了完全亚硝化 [28]. Isanta等甚至在低温下运行好氧颗粒污泥反应器处理低强度废水过程中实现了稳定的短程硝化，反应器在12.5  ℃、进水氮负荷0.7 ± 0.3 g L-1 d-1 下稳定运行300 d，

图2 好氧颗粒污泥短程硝化反硝化机理.

出水硝酸盐浓度仅有(2.5 ± 0.7)mg/L，FISH结果显示颗粒污泥中NOB含量从19%减少到1%，表明长期低温下低DO/TAN的应用使  NOB从反应器内洗出[29]. 此外，短程硝化反硝化颗粒污泥工艺已成功用于实际废水的处理.  Wang等在利用SBR处理马铃薯加工企业废水厌氧反应尾水过程中，通过在启动阶段采用基于耗氧速率(Oxygen uptake  rate，OUR)及pH斜率的曝气控制策略(即以OUR的急剧下降和pH变化趋势的转折点来确定NH4+完全氧化的准确时间，以此作为结束曝气段的标准)使得体系运行80  d后形成了成熟稳定的短程硝化反硝化颗粒污泥，在500 d的运行过程中基于亚硝化途径的TN去除率平均达95.3% [30].

1.4短程硝化厌-氧氨氧化颗粒污泥工艺

着厌氧氨氧化过程的发现，短程硝化 - 厌氧氨氧化(Partial  nitrification-anammox，PN/A)工艺成为自养型废水生物脱氮研究的热点.  与传统硝化反硝化工艺相比，PN/A工艺可节省60%的供氧量[31]、无需有机碳源，同时可减少80%的剩余污泥  [32]，因此在处理含高浓度氨和低有机质废水方面得到广泛应用[33].

但是，PN/A工艺由于是两个单元耦合而成，往往存在工艺负荷不匹配、NH4+/  NO2-比例难控制的技术缺陷[34]，限制其推广应用.  颗粒污泥的出现使得短程硝化和厌氧氨氧化能够在同一阶段实现，AOB定殖在颗粒外层的好氧区，氧化氨氮产生的亚硝酸盐直接被内层厌氧区的AMX消耗掉(图3)，避免亚硝酸盐毒害的同时解决了NH4+/  NO2-比例的调控难题.

此外，城镇污水中较低的氨氮浓度(30-100  mg/L)使得NOB抑制较困难，无法实现第一阶段的短程硝化，导致PN/A工艺在城镇废水处理过程中面临挑战，而颗粒污泥反应器中较高的生物选择压较容易抑制NOB生长或使其从反应体系中洗出，进而实现进水氨氮氧化为亚硝酸盐，为第二阶段的AMX提供充足的电子受体进行氨氧化.  另一个限制PN/A工艺成为城市废水处理中主流应用的因素是城市废水温度的季节性变化(10-25 ℃)，研究表明当温度从30 ℃下降至10  ℃时，AMX活性下降10倍左右[36]，而短程硝化-厌氧氨氧化颗粒污泥对定殖于内层的AMX具有一定的保护作用，减缓了温度的影响，使其在低温废水处理中仍能保持较高活性.

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