短程反硝化耦合厭氧氨氧化強(qiáng)化脫氮工藝研究與應(yīng)用進(jìn)展

常根旺，楊津津，李紹康，羅景文，楊一飛，李翔*

1.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院

2.國(guó)家環(huán)境保護(hù)地下水污染模擬與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院

氨氮是我國(guó)污染物減排的一項(xiàng)約束性指標(biāo)，“十四五”規(guī)劃要求氨氮排放總量下降8%[1]?，F(xiàn)有污水處理廠基本上采用傳統(tǒng)的硝化-反硝化技術(shù)脫氮，這種傳統(tǒng)的工藝通常需要較高的污水處理成本，且反硝化過(guò)程中間體N2O會(huì)排放到大氣中。N2O是全球第三大溫室氣體，增溫潛勢(shì)為CO2的298倍[2]。研究表明，城市污水處理廠的溫室氣體排放以N2O直接排放為主[3]。新興的厭氧氨氧化技術(shù)（anaerobic ammonia oxidation，anammox）具有節(jié)省曝氣量與外加碳源、污泥產(chǎn)量低和減少溫室氣體N2O排放量的特點(diǎn)[4-5]，既節(jié)約了成本，又符合我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的要求。

厭氧氨氧化反應(yīng)是在厭氧的條件下，厭氧氨氧化菌（anammox bacteria，AnAOB）直接以 NO2-為電子受體、NH4+為電子供體，反應(yīng)生成氮?dú)獾倪^(guò)程，其反應(yīng)方程如下[6]：

厭氧氨氧化反應(yīng)需要NH4+和NO2-作為反應(yīng)底物，而常規(guī)廢水中缺少NO2-，因此NO2-的穩(wěn)定生成成為厭氧氨氧化技術(shù)的關(guān)鍵步驟[7-8]。目前，產(chǎn)生NO2-的途徑主要有短程硝化（PN）和短程反硝化（PD）2種。短程硝化耦合厭氧氨氧化（PN-A）工藝在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中容易受到DO、亞硝酸鹽氧化菌（NOB）等因素的影響[9-11]。Lackner等[12]的研究表明，50%以上運(yùn)行異常的PN-A工藝都是由于NOB過(guò)量繁殖引起的。此外NOB的過(guò)量繁殖容易導(dǎo)致出水NO3-濃度較高，影響總氮去除（去除率理論上最高為89%）。而短程反硝化耦合厭氧氨氧化（PD-A）工藝可以彌補(bǔ)這些不足。短程反硝化通過(guò)控制反應(yīng)條件將反硝化反應(yīng)控制在NO2-階段，為厭氧氨氧化反應(yīng)提供底物。由于短程反硝化可以穩(wěn)定高效產(chǎn)生NO2-，且可以減少N2O中間體的產(chǎn)生[13]，因此PDA工藝越來(lái)越受到研究者的青睞。筆者通過(guò)介紹PD-A工藝的機(jī)制與特性，對(duì)比核心功能菌的生長(zhǎng)條件，并結(jié)合現(xiàn)有研究綜述了PD-A工藝穩(wěn)定運(yùn)行的優(yōu)化策略，分析其在實(shí)際廢水中成功應(yīng)用的案例，以期為后續(xù)PD-A工藝高效應(yīng)用于實(shí)際廢水處理提供思路。

1 PD-A機(jī)制與特點(diǎn)

PD-A工藝結(jié)合了硝化、短程反硝化和厭氧氨氧化反應(yīng)。理論上，55%的NH4+在硝化細(xì)菌的作用下氧化為NO3-，NO3-在反硝化菌的作用下發(fā)生短程反硝化反應(yīng)生成NO2-，NO2-不繼續(xù)還原為N2，而是與原水中剩余的NH4+一起作為厭氧氨氧化菌的底物，反應(yīng)生成N2。

PD-A工藝運(yùn)行成本較傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝低。理論上去除1 mol的NH4+，傳統(tǒng)硝化反硝化工藝需要消耗2 mol的O2和5 mol的電子供體，而PD-A工藝僅需消耗1.1 mol的O2和1.1 mol的電子供體。因此，PD-A工藝相較于傳統(tǒng)的硝化-反硝化工藝可以減少45%的耗氧量和78%的碳源需求。傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝及PD-A工藝脫氮過(guò)程所需氧氣及碳源量如圖1所示。

圖 1 傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝與PD-A工藝對(duì)比Fig.1 Comparison between traditional nitrification-denitrification and PD-A processes

PD-A工藝中，NO2-產(chǎn)生過(guò)程穩(wěn)定高效。短程反硝化過(guò)程容易出現(xiàn)NO2-的積累，這與硝酸鹽還原酶（NaR）和亞硝酸鹽還原酶（NiR）的活性有關(guān)，NiR的電子競(jìng)爭(zhēng)能力低于NaR，且更容易受到環(huán)境條件（溫度、pH、DO 濃度等）的影響[14-15]。在 NO3-和 NO2-同時(shí)存在的情況下，反硝化細(xì)菌更易以NO3-作為電子受體[16]。因此，在工藝運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)控制反應(yīng)條件，易實(shí)現(xiàn)短程反硝化過(guò)程N(yùn)O2-的積累，從而保證PD-A工藝的穩(wěn)定高效運(yùn)行。

PD-A工藝運(yùn)行穩(wěn)定，總氮去除率理論上可達(dá)100%，且可以減少溫室氣體N2O的產(chǎn)生[13,17]。短程反硝化以有機(jī)物作為碳源，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)物的去除，當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)可通過(guò)反硝化作用協(xié)同厭氧氨氧化從而保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。厭氧氨氧化反應(yīng)產(chǎn)生的少量NO3-進(jìn)一步通過(guò)短程反硝化還原為NO2-，為厭氧氨氧化反應(yīng)提供基質(zhì)，這提高了系統(tǒng)的總氮去除率。此外，傳統(tǒng)的反硝化過(guò)程中，NO3-還原為NO2-會(huì)產(chǎn)生N2O副產(chǎn)物，而PD-A過(guò)程可以削減N2O的產(chǎn)生。

2 核心功能菌生長(zhǎng)條件

2.1 反硝化菌

反硝化菌種類(lèi)繁多，被廣泛發(fā)現(xiàn)于古菌與細(xì)菌中。污水處理系統(tǒng)中較為常見(jiàn)的反硝化菌有假單胞菌屬(Pseudomonaceae)、產(chǎn)堿桿菌屬(Al-caligenes)等[18]。在NaR、NiR及NO還原酶（NoR）、N2O還原酶（Nos）的驅(qū)動(dòng)下，反硝化菌將NO3-還原為N2，過(guò)程如圖2所示[19]。

圖 2 反硝化反應(yīng)及酶的參與過(guò)程Fig.2 Process of denitrification reaction and enzyme participation

反硝化過(guò)程不同酶的表達(dá)條件有所差異。在PD-A工藝中，通過(guò)提升缺乏NiR的反硝化菌的豐度[20]或通過(guò)酶促調(diào)節(jié)抑制NiR的活性[21]，可促進(jìn)NaR豐度高的反硝化菌占據(jù)反硝化反應(yīng)的主導(dǎo)地位，實(shí)現(xiàn)NO2-的積累，從而將反硝化反應(yīng)控制在NO2-階段，即短程反硝化反應(yīng)。反硝化過(guò)程酶的類(lèi)型、表達(dá)條件及編碼基因見(jiàn)表1[22]。

表 1 反硝化過(guò)程酶的類(lèi)型、表達(dá)條件及編碼基因Table 1 Type, expression conditions and coding genes of denitrifying enzymes

DO濃度和pH對(duì)反硝化菌影響較大，缺氧、pH為9的條件有利于NaR豐度高的反硝化菌生長(zhǎng)，從而產(chǎn)生NO2-的積累[21]。除此之外，碳源、C/N等均可不同程度地影響反硝化菌的生長(zhǎng)。當(dāng)碳源類(lèi)型為乙酸、甘油和甲醇等易降解小分子有機(jī)物[23]且C/N較低（2～3）[24-25]時(shí)，NaR豐度高的反硝化菌可能占據(jù)反硝化反應(yīng)的主導(dǎo)地位。

2.2 厭氧氨氧化菌

厭氧氨氧化菌屬于浮霉菌門(mén)，是自養(yǎng)型細(xì)菌。在厭氧條件下，厭氧氨氧化菌以NO2-為電子受體，NH4+為電子供體，直接反應(yīng)生成N2和副產(chǎn)物NO3-[6]。厭氧氨氧化菌分布廣泛，包括污水處理廠、海底沉積物和湖泊岸邊帶等[26-28]?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的厭氧氨氧化菌共計(jì)6個(gè)屬27種。其中Candidatus Brocadia、Candidatus Jettenia與Candidatus Kuenenia3個(gè)屬在污水處理廠中的豐度較高，它們多生活在20～45 ℃、微堿性的環(huán)境中[29]。這也說(shuō)明了利用厭氧氨氧化菌處理污水的可能性。

厭氧氨氧化菌生長(zhǎng)速度緩慢、倍增周期長(zhǎng)（10～12 d），易受到溫度、pH及DO、有機(jī)物和基質(zhì)濃度等因素的影響[30]。大量研究表明：1）溫度在30 ℃左右[31-32]、pH為7.5～8.0[33]、DO濃度低于0.6 mg/L時(shí)[34-36]，最適合厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)。2）有機(jī)物濃度過(guò)高會(huì)抑制厭氧氨氧化反應(yīng)，因?yàn)閰捬醢毖趸亲责B(yǎng)型細(xì)菌，有機(jī)物會(huì)滋生異養(yǎng)菌（HB）與厭氧氨氧化菌形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[32]。3）低C/N有利于厭氧氨氧化反應(yīng)的進(jìn)行，當(dāng)C/N增加到閾值，HB會(huì)大量增殖而抑制厭氧氨氧化菌的活性[37]。4）氨氮和亞硝態(tài)氮作為厭氧氨氧化反應(yīng)的基質(zhì)，在濃度過(guò)高時(shí)，反而會(huì)對(duì)厭氧氨氧化菌產(chǎn)生毒害作用，Jin等[38]認(rèn)為這種毒害作用是由游離氨（FA）和游離亞硝酸（FNA）引起的，其中FNA的毒性大于FA。有研究指出，F(xiàn)A的最低抑制濃度為2 mg/L，F(xiàn)NA的抑制濃度為1.5～213 μg/L[39]。

2.3 短程反硝化菌和厭氧氨氧化菌協(xié)同作用

短程反硝化菌和厭氧氨氧化菌是PD-A反應(yīng)的核心功能菌，其最佳生長(zhǎng)條件對(duì)比見(jiàn)表2。

表 2 短程反硝化菌與厭氧氨氧化菌最佳生長(zhǎng)條件Table 2 The best growth conditions for partial denitrification bacteria and anammox bacteria

反硝化菌與厭氧氨氧化菌的產(chǎn)率差異大，反硝化菌的生長(zhǎng)速率（0.35 h-1）遠(yuǎn)大于厭氧氨氧化菌（0.003 h-1）[41]，因此之前的研究多認(rèn)為存在有機(jī)物的條件下，反硝化細(xì)菌會(huì)與厭氧氨氧化菌競(jìng)爭(zhēng)NO2-底物，抑制厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)[39]。隨著研究的不斷深入，研究者發(fā)現(xiàn)在PD-A工藝中，可以實(shí)現(xiàn)反硝化菌和厭氧氨氧化菌的共生，厭氧氨氧化菌的豐度通常不超過(guò)5%，反硝化優(yōu)勢(shì)菌的豐度可達(dá)67%，但厭氧氨氧化菌對(duì)脫氮的貢獻(xiàn)率可以達(dá)到95%[42]。這就說(shuō)明在PD-A工藝中容易實(shí)現(xiàn)反硝化菌與厭氧氨氧化菌協(xié)同代謝。短程反硝化菌與厭氧氨氧化菌最佳生長(zhǎng)條件存在差異，在工藝運(yùn)行時(shí)，維持適宜的C/N、保持溫度在30 ℃左右、微堿性條件和缺氧環(huán)境有利于核心菌群的共生[43]。

3 PD-A工藝穩(wěn)定運(yùn)行的優(yōu)化策略

PD-A工藝穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)NO2-的穩(wěn)定生成和厭氧氨氧化菌的穩(wěn)定增殖。在滿足適宜核心菌群生長(zhǎng)的條件外，以下運(yùn)行策略有利于PD-A工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1 維持適宜的COD/NO3-

短程反硝化過(guò)程中反硝化細(xì)菌消耗一定的碳源產(chǎn)生NO2-，為厭氧氨氧化反應(yīng)提供底物。有機(jī)物需要在NO3-完全轉(zhuǎn)化為NO2-時(shí)被消耗掉，以避免NO2-被進(jìn)一步還原成N2，因此PD-A反應(yīng)過(guò)程中COD/NO3-應(yīng)控制在適合的范圍。完全反硝化過(guò)程所需COD/NO3-理論值為4.1，而在PD-A工藝中，隨著COD/NO3-的降低，反硝化過(guò)程會(huì)產(chǎn)生NO2-的積累[25,44]。這種觀點(diǎn)已經(jīng)得到許多研究者的證實(shí)，如Cao等[45]構(gòu)建了UASB-SBR工藝同步進(jìn)行高濃度廢水和生活污水脫氮，在長(zhǎng)期運(yùn)行前，通過(guò)批量試驗(yàn)確定了短程反硝化過(guò)程最佳COD/NO3-為2.0，此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)最大的亞硝酸鹽積累量和硝酸鹽完全還原，而在COD/NO3-低于2.0的情況下，會(huì)出現(xiàn)NO3-的殘留，NO2-積累量減少。Shi等[46]通過(guò)批次試驗(yàn)確定COD/NO3-為3.0時(shí)短程反硝化過(guò)程可實(shí)現(xiàn)NO2-最大積累量，繼而運(yùn)行PD-A工藝108 d，實(shí)現(xiàn)了80%的總氮去除率。然而這些研究的最適COD/NO3-存在微小差異，這可能與污泥中微生物群落結(jié)構(gòu)有關(guān)。

為進(jìn)一步節(jié)省碳源，Ji等[47]嘗試運(yùn)行內(nèi)源短程反硝化耦合厭氧氨氧化工藝（EPD-A），NO2-由內(nèi)源短程反硝化（EPD）產(chǎn)生，在沒(méi)有額外投加碳源的情況下，實(shí)現(xiàn)了90%的總氮去除率，其中厭氧氨氧化反應(yīng)貢獻(xiàn)了49.8%，證明了在低C/N廢水中實(shí)現(xiàn)主流EPD-A的可能性。

3.2 投加合適的碳源類(lèi)型

碳源類(lèi)型的不同，亦會(huì)影響NO2-的積累。Du等[13]分別以乙酸鹽和乙醇作為有機(jī)碳源探究不同碳源類(lèi)型對(duì)PD-A系統(tǒng)的影響，且系統(tǒng)隨環(huán)境溫度從29.2℃降至12.7 ℃運(yùn)行180 d。結(jié)果表明，以乙酸鹽為碳源的反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定，總氮去除率達(dá)93.6%，硝酸鹽轉(zhuǎn)化率達(dá)95.8%；而以乙醇為碳源的反應(yīng)器更易受到溫度變化的影響，隨著溫度的降低，二者均有所降低，但總體上總氮去除率仍能達(dá)到90%。推測(cè)造成這種結(jié)果的原因可能是反應(yīng)器內(nèi)的優(yōu)勢(shì)菌群有差異，并通過(guò)高通量測(cè)序等方法證實(shí)了這種推測(cè)。也有研究表明：與醋酸鹽或甲醇相比，葡萄糖在反硝化過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致更多的NO2-積累[25]。因此，NO2-的積累量受碳源類(lèi)型的影響，這種影響與系統(tǒng)內(nèi)細(xì)菌群落有關(guān)。總體來(lái)講，糖類(lèi)比酸類(lèi)和醇類(lèi)更容易產(chǎn)生NO2-積累，小分子有機(jī)物比大分子有機(jī)物更容易出現(xiàn)NO2-積累。

3.3 接種不同類(lèi)型的污泥

接種不同類(lèi)型的污泥有利于不同功能菌之間的協(xié)作，可以提高厭氧氨氧化系統(tǒng)的脫氮效率[48]。一方面，厭氧氨氧化菌更容易在顆粒污泥或生物膜中富集，而以反硝化細(xì)菌為主導(dǎo)的絮狀污泥中，硝酸鹽還原率遠(yuǎn)高于亞硝酸鹽的還原率[43,49]。接種短程反硝化污泥有利于增強(qiáng)亞硝酸鹽的積累[50]，為厭氧氨氧化菌提供底物。另一方面，不同空間結(jié)構(gòu)更有利于菌群與基質(zhì)的充分接觸，從而提高脫氮效率[51]。表3列舉了接種不同類(lèi)型污泥的反應(yīng)器在最佳運(yùn)行條件下的運(yùn)行效果。

從整體脫氮效果來(lái)看，接種不同類(lèi)型污泥的反應(yīng)器優(yōu)于接種單一種類(lèi)污泥的反應(yīng)器。Chen等[53]通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)一步說(shuō)明同時(shí)接種反硝化污泥和厭氧氨氧化污泥時(shí)，系統(tǒng)的總氮去除率明顯高于只接種反硝化污泥時(shí)。顆粒污泥和生物膜更有利于厭氧氨氧化菌的富集，但絮狀污泥對(duì)系統(tǒng)也具有至關(guān)重要的作用。程軍等[57]研究表明，絮狀污泥占混合液的比例不宜低于30%。

3.4 添加生物膜載體

厭氧氨氧化菌易附著在載體上形成生物膜。在污水處理中，常見(jiàn)的載體形式有懸浮載體和固定載體2種，常用的載體類(lèi)型有天然物質(zhì)（石頭、砂礫等）、塑料（聚乙烯、聚丙烯等）、活性炭、金屬、織物、玻璃、陶瓷、泡沫和化學(xué)改性聚合物（如可生物降解的聚己內(nèi)酯載體等)[58-59]。在PD-A反應(yīng)器內(nèi)添加載體有助于提升厭氧氨氧化菌的豐度和厭氧氨氧化污泥的耐沖擊負(fù)荷[60]。一方面，生物載體可以減少厭氧氨氧化污泥的水力流失，從而增加污泥停留時(shí)間（SRT）；另一方面，生物膜內(nèi)氧傳質(zhì)困難會(huì)形成DO濃度差，反硝化菌附著在生物膜表層將NO3-還原為NO2-，為生物膜內(nèi)的厭氧氨氧化菌提供底物促進(jìn)其生長(zhǎng)。厭氧氨氧化生物膜形成最核心的機(jī)制是由微生物產(chǎn)生的胞外聚合物（EPS）固定或黏附在惰性載體表面，EPS有助于保證生物膜結(jié)構(gòu)的完整性[61]。Li等[43]在某污水處理廠MBBR反應(yīng)器中投加聚丙烯環(huán)懸浮載體形成生物膜以促進(jìn)PD-A反應(yīng)，運(yùn)行111 d后總氮去除率高于理論值，缺氧生物膜中厭氧氨氧化菌的豐度顯著高于絮狀污泥。Ma等[49]的研究也表明，以聚乙烯作為載體構(gòu)建的缺氧生物膜可以以NO2-為電子受體氧化NH4+，并且其 NO3-還原率高于NO2-還原率，從而為厭氧氨氧化反應(yīng)提供NO2-底物。Lu等[62]發(fā)現(xiàn)在UASB反應(yīng)器中添加鐵改性顆?；钚蕴浚‵eGAC）可以加快厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間，并促進(jìn)厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)和富集。生物膜載體有助于反應(yīng)器的快速啟動(dòng)和高效運(yùn)行，然而針對(duì)不同類(lèi)型載體掛脫膜平衡、微生物分布特征的研究還有待深入。

表 3 PD-A工藝運(yùn)行參數(shù)及運(yùn)行狀況Table 3 Operating parameters and operating conditions of PD-A process

4 PD-A工藝在實(shí)際廢水中的應(yīng)用

PD-A工藝有一體式和分體式2種[63-64]，短程反硝化與厭氧氨氧化反應(yīng)在同一反應(yīng)器內(nèi)為一體式，短程反硝化和厭氧氨氧化反應(yīng)在不同的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行為分體式，如圖3所示。

圖 3 一體式和分體式PD-A工藝流程Fig.3 Schematic diagram of integrated PD-A reactor and two-stage PD-A reactor

由于厭氧氨氧化菌的特性，PD-A工藝更適合處理C/N較低的廢水[65-66]，目前，國(guó)內(nèi)外已有一些PD-A工藝處理低C/N實(shí)際廢水的實(shí)踐，包括城市生活污水、養(yǎng)殖廢水、高硝酸鹽廢水等。

4.1 城市生活污水

城市生活污水氨氮含量較低、C/N比偏高且溫度隨季節(jié)變化大[67]。Li等[43]成功將PD-A工藝應(yīng)用于城市生活污水強(qiáng)化脫氮。其改造了原有AAO工藝的缺氧段，在缺氧段添加厭氧生物膜載體，并設(shè)置潛水?dāng)嚢杵?、?dǎo)流壁和攔截篩網(wǎng)，形成MBBR反應(yīng)器，缺氧區(qū)的DO濃度控制在0.03 mg/L以下，以建立厭氧氨氧化菌和反硝化細(xì)菌生長(zhǎng)的缺氧環(huán)境。經(jīng)過(guò)600 d的運(yùn)行，出水TN濃度保持在8 mg/L左右，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)化脫氮，并且缺氧區(qū)厭氧氨氧化菌的豐度明顯高于常規(guī)污水處理廠，實(shí)現(xiàn)了厭氧氨氧化菌的原位富集。15N穩(wěn)定同位素標(biāo)記顯示，亞硝酸鹽來(lái)源于硝酸鹽還原，繼而被厭氧氨氧化菌利用產(chǎn)生N2，這一過(guò)程對(duì)總氮去除的貢獻(xiàn)率為43.1%。

這種實(shí)踐的成功得益于缺氧區(qū)的改造，生物膜載體和攔截篩網(wǎng)的添加有效避免了污泥損失，增加了污泥停留時(shí)間，配合缺氧環(huán)境可以促進(jìn)厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)和富集，潛水?dāng)嚢杵骱蛯?dǎo)流壁的設(shè)置確保了載體和水流的充分接觸。缺氧區(qū)內(nèi)厭氧氨氧化菌耦合反硝化細(xì)菌協(xié)同脫氮，既提高了脫氮效率，也增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性。這證明了PD-A工藝處理生活污水的可行性和高效性。

4.2 養(yǎng)殖廢水

Ishimoto等[68]對(duì)某含有天然富集厭氧氨氧化菌生物膜的全規(guī)模養(yǎng)豬廢水處理廠進(jìn)行了為期2年的研究。該系統(tǒng)中的紅色生物膜包含了62.5%的浮游菌，包括厭氧氨氧化菌Candidatus Jettenia和Candidatus Brocadia。PD-A系統(tǒng)進(jìn)水BOD/N為1.78±0.58。結(jié)果表明，盡管進(jìn)水濃度波動(dòng)較大，BOD去除率穩(wěn)定在95%±4%，但TN去除率在75%±14%波動(dòng)，DO 濃度（0.06～2.0 mg/L）極大地影響了脫氮效率。DO濃度低于0.3 mg/L時(shí)的脫氮效率明顯高于DO濃度大于0.3 mg/L時(shí)。DO濃度影響脫氮效率的原因可能有2個(gè)方面：1）DO濃度高會(huì)抑制厭氧氨氧化反應(yīng)的進(jìn)行；2）厭氧氨氧化菌偏向于微堿性生長(zhǎng)環(huán)境，DO濃度高會(huì)增強(qiáng)NH4+的氧化，產(chǎn)生H+，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)pH降低，進(jìn)一步抑制厭氧氨氧化反應(yīng)的進(jìn)行。在Ishimoto等[68]的研究中，保持DO濃度低于0.3 mg/L，無(wú)機(jī)氮去除率高于80%，最高達(dá)98.5%。

Ishimoto等[68]的研究中，養(yǎng)殖廢水進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大，易受到環(huán)境條件的影響，但通過(guò)控制DO濃度在缺氧水平，成功實(shí)現(xiàn)了脫氮。這得益于缺氧條件下，反硝化菌和厭氧氨氧化菌的協(xié)同作用：一方面，短程反硝化作用產(chǎn)生NO2-為厭氧氨氧化提供反應(yīng)基質(zhì)；另一方面，在進(jìn)水水質(zhì)變化的情況下，反硝化菌亦可消耗碳源實(shí)現(xiàn)脫氮，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。

4.3 高硝酸鹽廢水

Cao等[69]采用分體式PD-A工藝處理高硝酸鹽廢水。PD系統(tǒng)進(jìn)水由硝酸鹽廢水、生活污水及外加碳源組成，保證進(jìn)水各組分的比例是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。SBR反應(yīng)器運(yùn)行了173 d，期間不斷調(diào)整硝酸鹽廢水、生活污水進(jìn)水量以及外加碳源投加量，使PD系統(tǒng)出水適合厭氧氨氧化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了平均90%的硝酸鹽轉(zhuǎn)化率，獲得了較理想的短程反硝化效果。但是出水仍會(huì)有NO3-殘留，造成這種現(xiàn)象的原因可能與碳源類(lèi)型有關(guān)，實(shí)際生活污水中有機(jī)成分相對(duì)復(fù)雜，部分有機(jī)物難以被生物降解，反硝化細(xì)菌實(shí)際可利用的有機(jī)物不足。

PD-SBR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了很高的硝酸鹽轉(zhuǎn)化率，為后續(xù)厭氧氨氧化反應(yīng)提供了條件。盡管PD出水仍含有部分NO3-，但后續(xù)厭氧氨氧化段也會(huì)有反硝化反應(yīng)的協(xié)同作用，這時(shí)可進(jìn)一步去除剩余的NO3-，強(qiáng)化總氮的去除。此研究證明了PD-A工藝適合處理實(shí)際硝酸鹽廢水，可實(shí)現(xiàn)較高的脫氮率。

4.4 技術(shù)難題

（1）低溫抑制厭氧氨氧化菌活性

厭氧氨氧化菌的最適溫度在30 ℃左右[31-32]，在溫度低于15 ℃時(shí)，厭氧氨氧化菌活性會(huì)急劇下降，工藝長(zhǎng)期低溫運(yùn)行可能會(huì)導(dǎo)致厭氧氨氧化菌的活性受到顯著抑制[70]?，F(xiàn)有研究通過(guò)提高缺氧生物膜載體的SRT提升厭氧氨氧化菌的生物量或者通過(guò)降低總氮容積負(fù)荷，來(lái)維持PD-A工藝在低溫條件下的穩(wěn)定，但并未從根本上解決厭氧氨氧化菌在低溫下活性下降的難題[71-72]。如何在冬季低溫條件下馴化適應(yīng)低溫條件的厭氧氨氧化菌株是PD-A工藝實(shí)際應(yīng)用面臨的一大挑戰(zhàn)。

（2）PD-A系統(tǒng)內(nèi)核心功能菌協(xié)作機(jī)制尚不明晰

PD-A系統(tǒng)內(nèi)菌群結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一方面，短程反硝化反應(yīng)為厭氧氨氧化反應(yīng)提供NO2-底物，反硝化菌與厭氧氨氧化菌相互協(xié)作；另一方面，反硝化菌也可還原NO2-，與厭氧氨氧化菌競(jìng)爭(zhēng)底物。進(jìn)一步研究反硝化菌和厭氧氨氧化菌的協(xié)作機(jī)制，促進(jìn)二者在系統(tǒng)內(nèi)的協(xié)同作用，是提升系統(tǒng)內(nèi)厭氧氨氧化菌脫氮貢獻(xiàn)率的關(guān)鍵。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

PD-A工藝運(yùn)行成本低、反應(yīng)條件易于控制、NO2-產(chǎn)生效率穩(wěn)定、總氮去除率高，為厭氧氨氧化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供了新方向。目前，關(guān)于PD-A工藝的研究還集中在實(shí)驗(yàn)室小試階段，系統(tǒng)進(jìn)水多為人工模擬廢水，外部碳源以甲醇、乙酸鈉為主。實(shí)際廢水的進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)幅度大，有機(jī)物組分相對(duì)復(fù)雜，針對(duì)實(shí)際廢水處理和工程應(yīng)用的案例尚不足，對(duì)PD-A工藝的實(shí)際應(yīng)用還需不斷深入研究。對(duì)此，提出以下展望：

（1）以實(shí)際廢水為進(jìn)水，探究PD-A工藝在復(fù)雜進(jìn)水水質(zhì)(進(jìn)水濃度變化、含有毒有害物質(zhì)、水溫變化等)下的運(yùn)行條件，研究系統(tǒng)協(xié)同處理碳氮的效率。

（2）深入研究厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)的微生態(tài)，進(jìn)一步研究菌群的協(xié)同作用機(jī)制，探究反硝化細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)菌的共生條件等。

（3）以NO3-調(diào)控為核心進(jìn)行混合生物脫氮，根據(jù)PD-A系統(tǒng)進(jìn)水NO3-濃度的不同，實(shí)時(shí)調(diào)控系統(tǒng)脫氮方式，從而保證系統(tǒng)的高效穩(wěn)定。