王胤：主流厭氧氨氧化工藝的研究與應(yīng)用進展
全康環(huán)保:生物脫氮技術(shù)被廣泛用于廢水中氮的去除，在傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)中，氨氮首先被嚴格好氧的氨氧化細菌（ammonia-oxidizingbacteria，AOB）和亞硝酸鹽氧化菌（nitriteoxidizingbacteria，NOB）氧化為亞硝態(tài)氮（NO2－-N）和硝態(tài)氮（NO3－-N），之后異養(yǎng)菌（heterotrophicbacteria，HB）利用有機物提供的電子將硝酸鹽還原為氮氣。此過程不僅需要消耗大量能量為硝化反應(yīng)提供氧氣，且常常需要額外補充有機物保證反硝化脫氮的進行。厭氧氨氧化技術(shù)（anammox）是20世紀90年代由荷蘭代爾夫特大學(xué)開發(fā)的一種新型自養(yǎng)生物脫氮工藝，與傳統(tǒng)脫氮技術(shù)相比，自養(yǎng)型厭氧氨氧化工藝被認為是一種更高效、節(jié)能的廢水處理方法，其在厭氧或缺氧條件下以NO2－-N為電子受體，利用厭氧氨氧化細菌（anaerobicammoniaoxidationbacteria，AnAOB）將氨氮直接氧化為氮氣。在節(jié)約了硝化反應(yīng)曝氣能源的基礎(chǔ)上，還無需外加碳源，且由于AnAOB屬自養(yǎng)型微生物，生長緩慢，因此，可大大減少工藝的污泥產(chǎn)量。
由于厭氧氨氧化技術(shù)在污水廠節(jié)能降耗、綠色環(huán)保方面表現(xiàn)出來的顯著優(yōu)勢，過去二十年里，國內(nèi)外研究者對其展開了大量研究。截至2021年3月，根據(jù)WebofScience數(shù)據(jù)統(tǒng)計，全球已發(fā)表厭氧氨氧化相關(guān)科技論文4403篇，其中，中國是全球發(fā)表厭氧氨氧化相關(guān)文章最多的國家（共計2054篇，占46.6%）。論文研究方向涉及環(huán)境微生物學(xué)、水資源、生態(tài)學(xué)等83個方向，具體可細分為：
（1）研究抑制厭氧氨氧化效果的物質(zhì)及其濃度，如氨氮、NO2－-N、有機物、鹽、重金屬、磷酸鹽和硫化物等對厭氧氨氧化過程的抑制作用影響；
（2）研究自養(yǎng)生物脫氮系統(tǒng)中涉及的主要微生物，如AOB、NOB、AnAOB、HB及其相互作用；
（3）研究控制NOB生長的方法及對應(yīng)的運行參數(shù)，如改變?nèi)毖?好氧狀態(tài)、維持高氨氮濃度、利用底物如游離亞硝酸（FNA）的抑制作用、控制曝氣時間等；
（4）研究不同的厭氧氨氧化工藝、反應(yīng)器和污泥存在形態(tài)（懸浮污泥，生物膜）對處理效果的影響；
（5）研究維持AnAOB生物量的方法。
基于以上多方面的研究工作，厭氧氨氧化技術(shù)日益成熟，且被廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水、垃圾滲濾液、沼液等高含氮廢水生物處理過程中，據(jù)統(tǒng)計，全球已有超過110座生產(chǎn)性厭氧氨氧化工程，但其中絕大部分用于市政污水的側(cè)流處理。將厭氧氨氧化技術(shù)引入市政污水主流工藝應(yīng)用，不僅可通過耦合碳濃縮預(yù)處理實現(xiàn)污水能量回收最大化，而且可顯著減少外加碳源量，從而有效降低污水的脫氮運行成本。由于生活污水與工業(yè)廢水、垃圾滲濾液、沼液等高含氮廢水在水質(zhì)、水溫、水量等方面的差異，厭氧氨氧化工藝在污水處理主流工藝應(yīng)用上面臨很多技術(shù)瓶頸。在日益重視污水資源化、能源化發(fā)展的今天，這種綠色低碳且可持續(xù)的脫氮工藝受到越來越多關(guān)注和研究，主流厭氧氨氧化工藝的工程應(yīng)用也取得很大的進步，下文基于現(xiàn)有研究和應(yīng)用成果，對該工藝基本情況、工程應(yīng)用進展和主流工藝應(yīng)用面臨的技術(shù)難點展開論述。
1 厭氧氨氧化技術(shù)工藝及反應(yīng)器
1. 1 工藝類型
污水的厭氧氨氧化自養(yǎng)脫氮過程一般包括兩個階段：
（1）有氧條件下，約一半的氨氮轉(zhuǎn)化為NO2－-N的部分硝化（partialnitritation，PN）反應(yīng)階段，反應(yīng)方程式如式（1）；
（2）缺氧/厭氧條件下，AnAOB以第一階段產(chǎn)生的NO2－-N為電子受體，將89%左右的氨氮氧化為氮氣、剩下的氨氮氧化為NO3－-N的厭氧氨氧化反應(yīng)階段，反應(yīng)方程式如式（2）。
基于自養(yǎng)脫氮的兩個反應(yīng)階段，目前，厭氧氨氧化工藝可以分為兩段式和一體式兩種，分別是指在兩個單獨的反應(yīng)器和在同一個反應(yīng)器中進行PN和厭氧氨氧化反應(yīng)。在一體式系統(tǒng)中，兩個反應(yīng)階段都在一個反應(yīng)器中進行，兩種功能細菌（AOB和AnAOB）并存，因此，需要嚴格控制曝氣，且由于多種微生物種群共存，其反應(yīng)器啟動時間較長，易受負荷沖擊影響，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。但一體式系統(tǒng)具有建設(shè)成本低、占地面積小、體積負荷大、可有效避免亞硝酸鹽積聚引起的抑制作用等優(yōu)點，因此，工程應(yīng)用更廣泛。
與一體式系統(tǒng)相比，兩段式系統(tǒng)的反應(yīng)器可以獨立調(diào)節(jié)和控制，更加靈活穩(wěn)定。將自養(yǎng)脫氮的兩個反應(yīng)階段分離，不僅可以優(yōu)化富集AOB和AnAOB，而且可以通過PN段消除一些有毒有機污染物，避免有毒物質(zhì)和有機物直接進入后續(xù)的厭氧氨氧化反應(yīng)器中。但兩段式系統(tǒng)投資成本更高，且由于PN段形成的NO2－-N容易積聚，產(chǎn)生游離亞硝酸抑制作用，系統(tǒng)需匹配PN和厭氧氨氧化兩反應(yīng)階段的反應(yīng)速率，系統(tǒng)設(shè)計更為復(fù)雜。
目前，在組合PN和厭氧氨氧化反應(yīng)的基礎(chǔ)上，已開發(fā)出多種工藝，包括兩段式的SHARON-Anammox工藝、一體式的亞硝酸鹽完全自養(yǎng)脫氮工藝(CANON)、脫氨工藝（DEMON）、限氧自養(yǎng)硝化反硝化工藝（OLAND），以及同步亞硝化、厭氧氨氧化和反硝化工藝（SNAD）等。在厭氧氨氧化發(fā)展的早期階段，研究和應(yīng)用主要以SHARON-Anammox工藝為主，該工藝對高氨氮、低亞硝酸鹽污水有較好的處理效果。到2001年，可自發(fā)形成厭氧氨氧化顆粒污泥的CANON工藝問世，并迅速受到廣泛歡迎，該工藝中氨氮在AOB和AnAOB的共同作用下完成轉(zhuǎn)化，可用于處理有機質(zhì)含量低的污水，是目前全世界研究應(yīng)用最多的厭氧氨氧化工藝。與CANON工藝相似的OLAND工藝也逐漸受到關(guān)注，該工藝采用生物轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)且運行過程要求嚴格控制曝氣，因此，在實際工程中比較少見，但在未來有望得到更廣泛的應(yīng)用。此外，以控制pH、使用水力旋流器分離AnAOB為特點的DEMON工藝也受到普遍歡迎，已有超過30個污水處理廠采用該工藝。
1. 2 反應(yīng)器應(yīng)用
厭氧氨氧化工藝中，反應(yīng)器的選擇必須滿足自養(yǎng)型微生物長世代周期和污泥截留的需要?；谝陨弦螅こ虘?yīng)用中常采用序批式反應(yīng)器（SBR）、序批式生物膜反應(yīng)器（SBBR）、移動床生物膜反應(yīng)器（MBBR）、上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB）和厭氧膨脹顆粒床反應(yīng)器（EGSB）等。其中，SBR是厭氧氨氧化工藝中應(yīng)用最廣泛的反應(yīng)器，典型的一體式DEMON工藝就是采用SBR運行。此外，生物膜反應(yīng)器也非常適合厭氧氨氧化工藝，在生物膜反應(yīng)器中，氧氣可以被膜外層的AOB消耗，而膜內(nèi)部形成的缺氧區(qū)域有利于AnAOB生長。配備40%~50%的載體、攪拌器和曝氣設(shè)施的MBBR目前已在德國、瑞典等國家廣泛應(yīng)用。
2 工程應(yīng)用進展
2. 1 國外工程應(yīng)用
從20世紀90年代在荷蘭問世至今，厭氧氨氧化水處理技術(shù)不斷取得突破，實際工程應(yīng)用也在全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展。如表1所示，處理對象已由工業(yè)廢水、污泥脫水液、垃圾滲濾液等高含氮廢水發(fā)展到市政污水處理等領(lǐng)域。2002年，荷蘭鹿特丹Dokhaven市政污水處理廠采用兩段式SHARON-Anammox工藝處理該廠污泥消化液，建設(shè)了全球第一座生產(chǎn)性厭氧氨氧化反應(yīng)器。之后，瑞典馬爾默Sj?lunda廢水處理廠采用ANITATM-Mox工藝處理污泥脫水液，荷蘭Apeldoorn采用DEMON工藝對厭氧消化液進行處理，美國Alex-andria的污水處理廠等采用厭氧氨氧化作為污水處理側(cè)流工藝。
研究發(fā)現(xiàn)，AnAOB廣泛存在于自然界中，因此，如何將厭氧氨氧化工藝由側(cè)流工藝轉(zhuǎn)為主流脫氮工藝逐漸成為全球厭氧氨氧化技術(shù)研究發(fā)展的重點。奧地利Strass污水廠為厭氧氨氧化的主流工藝應(yīng)用拉開了帷幕，成為全球首個在主流工藝上實踐厭氧氨氧化的污水處理廠。該廠主體采用AB工藝（圖1），A段污泥停留時間（SRT）較短（＜0.5d），以保證進水有機物最大程度地進入污泥消化系統(tǒng)用于產(chǎn)沼氣；B段停留時間較長，以去除大部分的氮。該廠于2004年首先在側(cè)流工藝中引入?yún)捬醢毖趸疍EMON工藝，用于處理高氮負荷的污泥消化液和脫水液，該工藝含有結(jié)合硝化和厭氧氨氧化過程的SBR，并通過控制低溶解氧和維持長SRT（30d），成功抑制了亞硝酸鹽進一步氧化。隨后，該廠進一步采用DEMON工藝進行主流工藝B段升級改造，并通過將側(cè)流工藝穩(wěn)定富集的AnAOB向主流工藝補給，以及主流工藝系統(tǒng)中污泥顆粒化的形成，其總氮年去除率高于80%，在實現(xiàn)出水TN＜5mg/L，氨氮＜1.5mg/L的同時，該廠還因?qū)崿F(xiàn)完全能源自給和產(chǎn)能盈余聞名世界。
新加坡樟宜污水處理廠實現(xiàn)了世界首例無需側(cè)流工藝接種的主流自養(yǎng)氨氧化工程。該廠處理城市污水達80萬t/d，采用分段進水活性污泥工藝（SFAS），其工藝流程如圖2所示。
來自初沉池的污水被均勻分配到5個缺氧/好氧池（體積比為1:1），每個缺氧池又被分為4格；缺氧、好氧區(qū)的SRT各2.5d，水力停留時間（HRT）為5.7h左右，二沉池污泥以50%回流比返回至第一個缺氧池。Cao等對該廠總氮去除途徑進行研究，發(fā)現(xiàn)37.5%的總氮通過自養(yǎng)脫氮途徑去除，27.1%的總氮通過傳統(tǒng)生物脫氮途徑去除，剩下的氮則隨出水和污泥流出。該廠是迄今為止全球第一座穩(wěn)定運行主流厭氧氨氧化的污水處理廠，且實現(xiàn)了在不外加碳源的條件下市政污水的高效生物脫氮，有學(xué)者認為，樟宜污水廠的穩(wěn)定運行得益于新加坡得天獨厚的水溫條件（28~32℃），因為溫度對AOB、NOB和AnAOB活性有顯著影響。研究報道，隨著溫度降低至20℃，AOB活性將高于NOB活性；當(dāng)水溫低于15℃時，AnAOB活性出現(xiàn)明顯下降，AOB變得比AnAOB更活躍，此時，AOB生成的亞硝酸鹽和NOB、AnAOB消耗的亞硝酸鹽之間的不平衡將造成系統(tǒng)中亞硝酸鹽明顯的積累，從而對厭氧氨氧化過程造成明顯抑制。因此，關(guān)于低溫條件下的厭氧氨氧化穩(wěn)定運行還有很大的研究空間。
2. 2 國內(nèi)工程應(yīng)用
據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)有超過8座的生產(chǎn)性厭氧氨氧化污水處理廠（表2），其中，不少由荷蘭帕克公司參與設(shè)計建造。在通遼市梅花工業(yè)園區(qū)，帕克公司于2009年建了世界上最大的自養(yǎng)脫氮反應(yīng)器，設(shè)計脫氮能力達1.1萬kgN/d，采用一體式的CANON工藝處理谷氨酸鈉（味精）生產(chǎn)中的廢水。此外，山東湘瑞藥業(yè)有限公司采用4300m3的厭氧氨氧化反應(yīng)器處理玉米淀粉和味精生產(chǎn)相關(guān)的廢水，設(shè)計氨氮負荷達1.42kgN/(m3?d)。山東省濱州市安琪酵母公司引進帕克公司的厭氧氨氧化工藝技術(shù)處理高氨氮工業(yè)廢水，該項目是厭氧氨氧化技術(shù)在酵母廢水處理領(lǐng)域的首次工程應(yīng)用，與該公司原AO工藝相比，厭氧氨氧化反應(yīng)器在大大節(jié)省占地的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了2.0kgN/(m3?d)的高氨氮負荷穩(wěn)定運行，這也是厭氧氨氧化反應(yīng)器目前可承受的最大污泥負荷，其工業(yè)規(guī)模遠高于傳統(tǒng)工藝。這些厭氧氨氧化項目的成功實施大大加速了厭氧氨氧化工藝在國內(nèi)污水處理中的應(yīng)用。
除引進國外技術(shù)，國內(nèi)一些研究團隊正積極進行自主創(chuàng)新和技術(shù)實踐，將厭氧氨氧化污水處理技術(shù)的實驗室研究逐漸轉(zhuǎn)移到大型污水處理廠中。浙江大學(xué)厭氧氨氧化研究團隊已成功在浙江建設(shè)了兩個生產(chǎn)性厭氧氨氧化污水處理廠，分別處理義烏市的味精廢水（60m3）和浙江省東陽市的制藥廢水（10m3）。北京工業(yè)大學(xué)的彭永臻老師團隊也展開了對基于厭氧氨氧化工藝的城市污水廠實現(xiàn)能量自給的可行性研究。隨著研究的不斷發(fā)展，2015年湖北十堰垃圾填埋場滲濾液處理廠采用兩段式工藝，將兩級UASB、厭氧氨氧化、膜生物反應(yīng)器和反滲透（MBR/RO）處理工藝相結(jié)合，設(shè)計處理量為150m3/d，COD控制在100mg/L，TN控制在40mg/L，氨氮控制在25mg/L，成為國內(nèi)第一個使用厭氧氨氧化處理垃圾滲濾液，并解決垃圾滲濾液低碳氮比問題的項目。
除了將厭氧氨氧化技術(shù)用于工業(yè)廢水和污水處理側(cè)流工藝，我國在厭氧氨氧化主流工藝應(yīng)用上也邁出了第一步。西安市第四污水處理廠在原有缺氧/厭氧/好氧（倒置AAO）工藝上（圖3），通過在缺氧及厭氧池投加填料并延長HRT，利用攪拌+曝氣實現(xiàn)填料流化，將工藝改造為反硝化/厭氧氨氧化工藝，該廠進水氨氮為20.3~40.8mg/L，COD/TN為1.2~7.9，全年水溫為10.7~25.2℃。在連續(xù)運行的近兩年時間里，出水水質(zhì)不僅成功由一級B標準提升為一級A標準，且出水總氮顯著低于其他工藝，其中，厭氧氨氧化工藝占全廠脫氮份額的15.9%左右。該廠是目前全球第3個實現(xiàn)主流厭氧氨氧化工藝的污水處理廠，且全球已有超過5座污水廠正在嘗試實踐主流厭氧氨氧化。該廠的實踐表明，盡管厭氧氨氧化主流工藝應(yīng)用仍存在一些技術(shù)難題，但仍可預(yù)見將會有更多污水處理廠將其作為主流處理工藝試驗推廣。
3 主流厭氧氨氧化工藝技術(shù)難點
盡管目前厭氧氨氧化工藝在國內(nèi)外已有不少工程應(yīng)用案例，但與側(cè)流工藝應(yīng)用不同，主流厭氧氨氧化工藝應(yīng)用中面臨著市政污水氮濃度低、有機物濃度高、冬季水溫低等技術(shù)難點，導(dǎo)致其在推廣和實踐上仍存在一定的局限性。下面針對主流厭氧氨氧化工藝應(yīng)用中出現(xiàn)的AnAOB生長緩慢、難富集和工藝運行不穩(wěn)定等主要問題及其研究進展展開論述。
3. 1 厭氧氨氧化工藝的快速啟動
目前已知AnAOB廣泛分布于海洋沉積物、油田、河口沉積物、厭氧海洋盆地、紅樹林地區(qū)、海洋冰塊、淡水湖、稻田土壤、湖港區(qū)以及海底熱泉等自然環(huán)境中。已明確命名的AnAOB有6類屬，超過23類種。此外，也有一些文獻相繼報道了6類屬之外一些未知的菌屬。
反應(yīng)器中AnAOB的生長和富集是實現(xiàn)厭氧氨氧化自養(yǎng)脫氮的基本前提，然而，AnAOB屬于自養(yǎng)型微生物，在自然環(huán)境條件下，其生長速率緩慢，倍增時間較長，難以進行快速增殖，同時，其對生長環(huán)境（如溫度、溶解氧、pH等）的要求近乎苛刻，導(dǎo)致厭氧氨氧化工藝的啟動要比傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝慢，限制了其在污水處理中的工程應(yīng)用。在荷蘭鹿特丹的世界第一座生產(chǎn)性厭氧氨氧化污水廠中，由于AnAOB生長速度緩慢且當(dāng)時缺乏菌種污泥，原本計劃兩年啟動反應(yīng)器，但啟動過程中出現(xiàn)亞硝酸鹽抑制和硫化物抑制等問題，實際用了3~5年才完成啟動工作。第一個采用DEMON工藝的奧地利Strass污水廠也花了2.5年左右才完成厭氧氨氧化啟動。為加快啟動時間，研究人員對不同接種種泥、不同反應(yīng)器類型、不同載體中厭氧氨氧化工藝的啟動效果展開了大量研究。Wett等在Glarnerland污水處理廠啟動中，通過接種現(xiàn)有厭氧氨氧化工藝種泥，將其啟動時間縮短到50d。Christensson等為減少新反應(yīng)器的啟動時間，采用MBBR開發(fā)了一種ANITA?Mox工藝，其原理是在啟動新反應(yīng)器時，投加3%~15%已經(jīng)形成了AnAOB生物膜的載體，剩下的則加入新載體材料。為了驗證這一工藝的可行性，2010年瑞典馬爾默的Sj?lunda污水廠首次采用這種方法，在4個月內(nèi)完成了厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動，氨氮去除率達90%，且系統(tǒng)運行非常穩(wěn)定；之后在瑞典的Sundets污水處理廠再次驗證了這種啟動方式的可行性，該廠在2個月內(nèi)便實現(xiàn)了滿負荷生產(chǎn)。此外，一些研究者通過將微生物固定在聚乙烯醇（PVA）-海藻酸鈉（SA）凝膠中，實現(xiàn)了上升流塔式反應(yīng)器中厭氧氨氧化工藝的快速啟動；也有研究發(fā)現(xiàn)，AnAOB的生長嚴重依賴含鐵蛋白，鐵鹽的添加有利于促進AnAOB的生長富集，當(dāng)添加0.09mmol的Fe2+時，厭氧氨氧化啟動由70d縮短至50d。還有一些研究結(jié)果表明，AnAOB的最大生長速率并非受其細胞內(nèi)在特性限制，而與細胞培養(yǎng)條件有關(guān)，當(dāng)對AnAOB施加適宜的培養(yǎng)條件時，其生長速率可以顯著提高，部分AnAOB細胞倍增時間可縮短至2~5d。這些研究成果為厭氧氨氧化工藝的快速啟動運行和推廣奠定了理論基礎(chǔ)，但在實際應(yīng)用中，AnAOB的快速生長與污水的pH、溫度、亞硝酸鹽濃度、溶解氧、SRT、有機物濃度、鹽度等因素緊密相關(guān)。此外，污水的組成、有毒化合物的存在和反應(yīng)器的類型等因素也會影響AnAOB的活動，并改變其群落結(jié)構(gòu)。盡管目前實驗室已提出了一些縮短厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動時間的方法，但未來仍需工程實踐來進一步驗證這些方法的可行性。
3. 2 AnAOB 的富集
AnAOB的富集方法可大致分為兩大類。一類是通過將懸浮態(tài)的活性污泥固定，形成生物膜或顆粒污泥，實現(xiàn)AnAOB的截留，由于細菌種群的緩慢生長，保持厭氧菌生物量對于厭氧氨氧化工藝的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。Jia等研究發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)器內(nèi)投加載體材料形成生物膜，或通過培養(yǎng)形成顆粒污泥的方法可有效避免AnAOB的流失。目前，已有多種載體材料被用于AnAOB的富集。Fernández等用沸石顆粒作為載體材料，發(fā)現(xiàn)帶負電荷的沸石能夠吸引并聚集帶正電荷的銨離子，沸石的投加可提高反應(yīng)器內(nèi)AnAOB的富集度，隨出水流失的生物質(zhì)量顯著降低。Miao等用聚乙烯海綿作載體材料處理滲濾液，發(fā)現(xiàn)基于該載體的處理工藝能實現(xiàn)很高的脫氮效率，形成的生物膜使AnAOB的基因比例從1.3%增加到13.3%。此外，由緊密的微生物聚集體組成的顆粒污泥不僅具有較高的沉降速度，而且可以避免生物量隨出水流失，形成的厭氧氨氧化顆粒污泥具有較高的沉降速度、較高的脫氮率、較低的基礎(chǔ)設(shè)施成本的顯著優(yōu)勢。為了優(yōu)化實際工程應(yīng)用效果，涌現(xiàn)出大量關(guān)于厭氧氨氧化顆粒污泥的研究。Tang等認為，選擇合適的接種污泥，同時增加進水氮負荷可以有效提高顆粒污泥的形成速率，從而提高反應(yīng)器的脫氮性能。但顆粒污泥的實際應(yīng)用也存在一些局限性，Chen等研究表明，這種厭氧菌顆粒浮選和后續(xù)的沖洗過程會破壞厭氧氨氧化工藝的穩(wěn)定運行。此外，顆粒污泥的尺寸大小也會影響厭氧氨氧化反應(yīng)的進行，過大的顆粒污泥會影響基質(zhì)的擴散和反應(yīng)速率，反而抑制了AnAOB的活性。An等研究了不同大?。?.5~1.0、1.0~1.5、>1.5mm）的顆粒污泥的物理性質(zhì)和反應(yīng)性能，結(jié)果表明，1.0~1.5mm的顆粒污泥AnAOB活性最高，3種尺寸的顆粒污泥的氮負荷分別為0.55、0.62、0.52gN/(gVSS?d)。
另一類AnAOB富集的方法是利用NOB、HB和AnAOB之間的競爭關(guān)系，保證AnAOB在體系中成為優(yōu)勢菌屬，三者之間的關(guān)系如圖4所示。目前，已發(fā)現(xiàn)可通過減少SRT、降低pH、控制曝氣時間降低DO等方法來調(diào)控NOB和HB的生長，以增加體系中AnAOB的生物量。這些方法可分為兩大途徑：（1）通過調(diào)控工況促進AOB和AnAOB的生長活性，并通過調(diào)控NO2－-N和NO3－-N濃度，在降低HB的同時抑制NOB的生長；（2）從系統(tǒng)中清除NOB（NO2－-N→NO3－-N）和HB，同時保留AOB（NH4+-N→NO2－-N）和AnAOB。但由于這些方法要求特殊的生長條件，如低pH值和較高水溫，或是只適用于間歇曝氣的反應(yīng)器中（嚴格控制曝氣時間），甚至可能會降低AOB活性（如較低DO），因此，這類富集方法還不能廣泛在全規(guī)模污水廠中采用。
進水有機物的濃度也會對AOB和AnAOB的生長造成顯著影響。由表3可知，厭氧氨氧化工藝適用于處理進水C/N較低的廢水，因為在高有機物濃度條件下，HB會與自養(yǎng)的AOB和AnAOB競爭底物（DO和NO2－-N）和生存空間，不利于自養(yǎng)脫氮過程。Chen等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進水C/N從0.5:1增加到0.75:1時，硝化/厭氧氨氧化工藝的脫氮效率從79%降低到52%。但對主流厭氧氨氧化工藝的應(yīng)用來說，實際市政污水的進水有機物含量（一般C/N為4:1~12:1）遠遠高于自養(yǎng)微生物生長所需的有機物含量。因此，一些研究者提出，可在PN/厭氧氨氧化工藝之前進行脫碳預(yù)處理（如進行消化產(chǎn)能等），以降低進入?yún)捬醢毖趸に囍械挠袡C物含量。但關(guān)于脫碳預(yù)處理工藝的實際應(yīng)用和控制條件等仍需要進行實踐研究。
3. 3 厭氧氨氧化工藝的穩(wěn)定運行
3. 3. 1 穩(wěn)定NO2－-N供應(yīng)
NO2－-N和氨氮是厭氧氨氧化反應(yīng)的底物，由于氨氮是污水中含氮化合物的主要存在形式，因此，穩(wěn)定地為厭氧氨氧化反應(yīng)提供NO2－成為了污水自養(yǎng)脫氮工藝的關(guān)鍵。污水中NO2－-N有兩個形成途徑：其一是通過將氨氮氧化為NO2－的亞硝化過程產(chǎn)生（NH4+-N→NO2－-N）；其二是通過將NO3－還原為NO2－的部分反硝化過程產(chǎn)生（NO3－-N→NO2－-N）。后者可同時實現(xiàn)NO3－-N的去除和NO2－-N的供應(yīng)，且相較于完全反硝化過程，部分反硝化過程還可減少N2O等溫室氣體的排放以及減少40%左右的碳源投加量，大幅節(jié)省運營成本。因此，作為一種綠色經(jīng)濟有效的主流脫氮工藝替代方式，基于部分反硝化/厭氧氨氧化的工藝得到了全球研究者的廣泛關(guān)注。
盡管NO2－是厭氧氨氧化過程的重要底物，但過量的NO2－累積在厭氧氨氧化系統(tǒng)內(nèi)時會對AnAOB有毒害作用。不同來源的AnAOB以及不同污水處理系統(tǒng)中NO2－的抑制濃度不同（表4）。此外，試驗發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器中氨氮的存在與否也會顯著影響NO2－對AnAOB的毒害作用。在氨氮存在的條件下，抑制50%的AnAOB活性需要384mg/L的NO2－-N。但在無氨氮的條件下，質(zhì)量濃度為53mg/L的NO2－-N就能降低AnAOB一半的活性。
3. 3. 2 低溫運行
AnAOB的最適生長溫度為30~40℃，如何在低溫（10~16°C）條件下實現(xiàn)厭氧氨氧化工藝的穩(wěn)定運行是厭氧氨氧化技術(shù)主流工藝應(yīng)用和推廣的瓶頸之一。盡管已有一些實驗室研究報道厭氧氨氧化工藝在低溫下也可取得較好的脫氮效果，但由于AnAOB在低溫下的低活性、低生長速率，以及市政污水水溫的季節(jié)性波動，主流工藝應(yīng)用中可能還需要延長生物膜SRT來保證反應(yīng)器內(nèi)有足夠量的AnAOB。
3. 3. 3 主流工藝應(yīng)用
目前，全球范圍內(nèi)正在積極展開對主流厭氧氨氧化工藝的試點和工程化研究，但還沒有能長期穩(wěn)定運行的成熟主流厭氧氨氧化技術(shù)。因此，為了推進主流工藝應(yīng)用的進程，一些研究者提出，可以通過將側(cè)流工藝中的優(yōu)勢微生物接種至主流工藝中，增強主流工藝系統(tǒng)中有益的微生物群落（如AOB和AnAOB），從而加速反應(yīng)器的啟動和穩(wěn)定運行。此外，在線監(jiān)測和智能化控制也是保障主流厭氧氨氧化工藝穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，系統(tǒng)的穩(wěn)定運行必須依靠在線傳感器對NH4+-N、NO3－-N、NO2－-N、pH和DO含量的及時測定和調(diào)控。
4 結(jié)語與展望
盡管目前厭氧氨氧化技術(shù)的主流工藝應(yīng)用技術(shù)還不十分成熟，但經(jīng)過幾十年的發(fā)展，厭氧氨氧化技術(shù)工程應(yīng)用已遍布全球，近幾年國內(nèi)對厭氧氨氧化的研究和工程應(yīng)用也取得了很大的進展和突破。鑒于市政污水處理廠主流工藝應(yīng)用與側(cè)流工藝應(yīng)用在水質(zhì)、水溫、處理規(guī)模等方面的差異，針對主流厭氧氨氧化工藝面臨的工藝啟動較慢、AnAOB富集、硝酸鹽濃度控制困難、冬季水溫低等技術(shù)難點，現(xiàn)有研究已發(fā)現(xiàn)，可通過接種現(xiàn)有厭氧氨氧化工藝種泥、形成生物膜或顆粒污泥、調(diào)控微生物種群、組合其他工藝等方法破解以上難題。面對巨大的污水處理市場，預(yù)計我國將在不久的將來成為厭氧氨氧化技術(shù)應(yīng)用的主要市場，未來的研究在優(yōu)化操作條件和開發(fā)智能化控制系統(tǒng)的同時，還可在以下幾方面作進一步研究。
（1）一體式厭氧氨氧化工藝由于具有較低的建設(shè)和運營成本，在實際應(yīng)用中受到歡迎，未來可針對一體式厭氧氨氧化系統(tǒng)過程控制和工藝操作參數(shù)優(yōu)化做進一步研究，在保障穩(wěn)定運行的同時，還應(yīng)強化控制N2O的排放。
（2）盡管實驗室研究已經(jīng)證明厭氧氨氧化工藝適用于處理各類廢水，但在實際工程應(yīng)用中，面對污水復(fù)雜的組成成分，厭氧氨氧化工藝的成功穩(wěn)定運行仍面臨巨大的技術(shù)難題。例如，目前尚未對抗生素、各種藥物和酚等與厭氧氨氧化系統(tǒng)的相容性進行充分的研究，未來應(yīng)擴大各種新興污染物對厭氧氨氧化工藝影響及機理的研究。
（3）將厭氧氨氧化工藝由側(cè)流工藝轉(zhuǎn)向主流工藝應(yīng)用已經(jīng)成為全球厭氧氨氧化技術(shù)發(fā)展的趨勢，但主流工藝應(yīng)用仍面臨著啟動緩慢、市政污水有機物濃度高、低溫與低氮條件難運行等問題，除解決這些問題，未來還應(yīng)加強厭氧氨氧化工藝生物除磷效果和機理的研究。