摘要:侧流厌氧氨氧化技术已经相对成熟，在世界各地的污水处理厂得到了应用。介绍了厌氧氨氧化的基本原理、技术优势，分析了主流厌氧氨氧化面临的挑战，着重探讨了主流厌氧氨氧化当前的技术进展，特别是NOB抑制的方法和对策。同时对奥地利Strass 污水处理厂的主流厌氧氨氧化探索进行了介绍，并对未来的发展提出了展望。
引言
污水处理生物脱氮工艺从20世纪60年代的硝化反硝化工艺为起点经过数十年的发展，逐步衍生出了多种形式的生物脱氮工艺，这些传统工艺在稳定可靠解决富营养化的同时，消耗了大量的能源和资源(碳源)。在强调污水处理资源化、能源化的今天，以厌氧氨氧化为核心的脱氮技术被业界普遍视为未来污水处理发展的一种重要技术，由此围绕着城市污水处理主流工艺的厌氧氨氧化技术正成为当前全球污水处理研发的焦点之一。
1.厌氧氨氧化原理
厌氧氨氧化(Anammox)是指在厌氧或者缺氧条件下，厌氧氨氧化菌以NO2--N为电子受体，氧化NH3-N为氮气的生物过程。
很多污水处理工艺的进步是在实践中观察到某些现象进而引发后续工艺的研发，如生物除磷工艺。但也有一些技术是在已有理论的基础上而获得突破，厌氧氨氧化工艺在某种程度上正是如此。1977年，奥地利化学家Broda发表了一篇题为“自然界中遗失的两种自养微生物”的文章，文章通过化学热力学推测自然界可能存在一种微生物能够发生式(1)中的反应：
NH3-N+NO2--N→N2+H2O(1)
之后，Mulder在处理食品废水和Siegrist对垃圾渗滤液的处理厂进行的氮平衡都证实了这种推测。目前被普遍接受的厌氧氨氧化脱氮的化学反应方程式是1998年Strous提出的式(2)：
实现厌氧氨氧化脱氮需要完成两个过程，第一个过程是部分亚硝化，在这个过程中只有大约55%的氨氮需要转化为亚硝酸盐氮;第二个过程是厌氧氨氧化反应过程，氨氮在厌氧条件下，被厌氧氨氧化菌氧化，其中第一过程中产生的亚硝酸盐氮作为电子受体。整个过程中，大约89%的无机氮都将被转化产生氮气，另外11%的无机氮被转化为硝酸盐氮，与传统硝化反硝化工艺相比，厌氧氨氧化工艺有着巨大的技术优势，其曝气能耗只有传统工艺的55%～60%;该工艺几乎无需碳源，即使为了去除硝酸盐产物需要在厌氧氨氧化过程中投加碳源，其投加量也比传统工艺中碳源投加量低90%;厌氧氨氧化工艺可以减少45%碱度消耗量。同时，厌氧氨氧化工艺的污泥产量也远低于传统脱氮工艺，这将显著降低剩余污泥的处理和处置成本。
2002年，世界上第一座厌氧氨氧化工程在荷兰鹿特丹Dokhaven污水处理厂建成。经过十余年的发展，截止到2014年全世界已有114座厌氧氨氧化工程(包括10座在建的工程和8座正在设计的工程)，其中75%应用于城市污水处理厂。围绕着该工艺的基本原理，各种专利性的厌氧氨氧化工艺得到了蓬勃发展，如DEMON、ANITA Mox、ANAMMOX、DeAmmon、TERRANA、ELAN、Cleargreen等。
2.主流厌氧氨氧化的挑战
在侧流厌氧氨氧化技术不断成熟的同时，很多研究者逐渐转向了主流工艺的应用，因为从目前的认知来看，厌氧氨氧化菌大量存在于自然界，因此并没有限制它在普通污水处理厂的主流工艺中用来脱氮。但与侧流应用不同，主流厌氧氨氧化实现的前提条件明显不同，主要体现在以下两个方面。
(1)较低的进水氮浓度。
城市污水处理厂的进水总氮通常在20~75 mg/L，而其侧流的浓度一般在800~3 000 mg/L。由于进水氮浓度较低会面临以下的巨大挑战：①侧流中抑制NOB(亚硝酸盐氧化菌)的游离氨条件不再存在;②在较低的出水氨氮浓度时(<2 mg/L)，由于生长速率的差异，AOB(氨氧化菌)将难以竞争过NOB。因此，在厌氧氨氧化系统中，如果没有后续的进一步处理，出水氨氮难以获得很低的浓度。
(2)较低的进水温度。
很多污水处理厂主流工艺的水温在冬天时为10～16℃，夏季时温度升至24～30 ℃，而侧流工艺中温度相对较高，一般都在32～38 ℃。温度对主流厌氧氨氧化的挑战不仅是厌氧氨氧化菌在低温情况下增长速率较慢，AOB的增长速率也较低。
3.主流厌氧氨氧化工艺应用的进展
主流工艺的上述特点引起了一系列具体的技术问题，这些具体技术问题包括如何有效地控制AOB与厌氧氨氧化菌的生长与截留、OHO(普通异养菌)的控制、NOB的抑制、出水氨氮、泥龄等。下文将围绕这些进行展开论述。
3.1.AOB与Anammox菌的生长与截留
AOB的生长与截留主要有两种方法，一种是利用侧流高氨氮、高温利于AOB生长的条件，从侧流向主流工艺中补充微生物。另外一种方法是通过生物膜的方式或通过颗粒污泥的形式，这种方式主要是依靠Anammox菌附着于填料的最内层，AOB附着在填料的外层。
Anammox菌的生长速率在低温情况下非常慢，其世代时间需要1～2周，而硝化菌需要1 d。强化Anammox菌在主流工艺中的数量一种方法便是通过侧流的生物强化补充。一个创新的技术是采用水力旋流器分离Anammox菌与AOB，这种技术的基本原理是利用Anammox菌密度较其他絮体微生物高的特点而开发的。图1是DEMON工艺通过水力旋流器截留AOB与Anammox菌的示意图，侧流中的Anammox菌经过旋流器后补充主流工艺，富含AOB的溢流也排入主流，主流工艺中的污泥在经过旋流器后Anammox菌回到主流，溢流中的絮体微生物进入污泥处理单元。
采用DEMON®工艺的污水处理厂均采用旋流器分离Anammox菌，该技术已经在奥地利Strass污水处理厂、瑞士Glanerland污水处理厂、美国Alexandria的污水处理厂等得到了应用(见图2)。
奥地利Strass污水处理厂的运行经验表明侧流向主流补充Anammox菌和AOB后，并没有降低这些微生物在侧流工艺中的活性，主流工艺中Anammox菌的丰度以及颗粒的尺寸都明显提高。进一步的迹象还表明通过旋流器的循环运行有助于防止微生物附着于Anammox菌的表面，有助于减少基质扩散阻力，维持微生物较高的活性。另外，从侧流补充主流还可以克服Anammox菌对亚硝酸盐氮亲和力比NOB低的问题，使Anammox菌相对容易获得亚硝酸盐氮。
3.2.NOB的抑制
在传统污水处理硝化系统中的NOB通常是Nitrobacter和Nitrospira，在应用现代生物分析工具之前，Nitrobacter通常被认为是优势菌种，因此很多设计和优化污水处理厂的关键参数是基于对纯培养基的Nitrobacter而获得数据，而人们对Nitrospira的特性知之甚少。
通过对Nitrospira纯培养基的研究，Blackburn报道了两种微生物的不同之处，Nitrospira在低浓度时对亚硝酸盐氮有更高的亲和力，它的亚硝酸盐氮半饱和系数更低，游离氨对其的抑制浓度更低(0.04～0.08 mg/L)。其他的一些研究也显示Nitrobacter对基质的亲和力低、在基质浓度高的环境中易于存在;而Nitrospira对基质的亲和力高、在基质浓度低的环境中易于存在。这些研究结果显示，在低氨氮、低亚硝酸盐氮浓度的情况下，Nitrospira更易于控制亚硝酸盐氮的氧化。在主流工艺中，由于Nitrospira较低的半饱和系数，低浓度的环境为其提供了生长的优势，而又能避免游离氨和游离亚硝酸的抑制。美国DC Water(哥伦比亚特区供水与污水管理局)、美国HRSD(汉普顿路卫生管理局)及Strass污水处理厂的数据都倾向于支持这种理论。HRSD的中试结果还显示Nitrospira可能是NOB的优势菌种，这样在主流工艺中抑制其生长就更为困难。在这样的背景情况下，出现了以下几种基于上述理论的抑制NOB策略。
(1)控制出水氨氮。
Chandran的研究结果显示，NOB比AOB对氮基质亲和力更强。AOB与NOB在不同氮浓度时的生长速率见图3，从图中可以看出，在基质浓度较低时，NOB的生长速率要高于AOB的生长速率，因此通过维持出水氨氮在2 mg/L以上有助于使AOB的生长速率超过NOB。
上述结论在奥地利Strass污水处理厂得到了验证，当时在冬季由于进水负荷的升高，出水氨氮有所升高，而此时NOB得到有效的抑制。
(2)SRT控制。
当温度高于17 ℃时，通过严格控制泥龄可以淘汰NOB，但是温度低于17 ℃时，NOB的生长速率开始超过AOB的生长速率，单纯采用SRT的控制方式难以起到效果。此时，严格控制泥龄这种方式与DO控制、瞬时缺氧联合控制时仍然会起到一定的效果。
(3)DO控制。
在基质不受限制的条件下，Chandran的研究结果显示NOB的生长速率低于AOB，进一步的研究结果显示AOB对氧的半饱和系数高于NOB，如图4所示。这样当DO浓度高于1 mg/L时对抑制NOB非常关键。在DC Water的小试及Strass污水处理厂生产性规模的试验都表明在低DO时NOB无法抑制，而当DO>1.5mg/L时NOB的抑制效应就会出现。
(4)瞬时缺氧。
瞬时缺氧指的是在曝气状态下突然从好氧转为缺氧，瞬时缺氧目前被认为是抑制NOB的一种有效手段，这种方法背后的机理主要有两种解释：①曝气开始后酶的活动会有一个滞后的时间;②间歇曝气可能会扰乱生物代谢过程从而产生一些具有抑制性的中间产物，如一氧化氮。DC Water的研究结果显示，当DO间歇地从高于1.5 mg/L瞬时转为缺氧状态可以成功地抑制NOB。这一结论后来在HRSD及Strass污水处理厂都得到了验证。
(5)进水COD控制。
控制进水COD的负荷也是实现AOB生长速率最大化的一种方法，这种策略是建立在NOB和OHO对DO竞争的基础上。这种控制策略对进水COD类型和数量都有要求，因为它会影响到NOB的淘汰和AOB的活性。当进水COD较高时，OHO不仅会与NOB竞争，而且会与AOB竞争DO和空间。当AOB的活性降低时，氧化氨氮的曝气时间就需要延长，反硝化所需的COD就会减少。实际上，较为理想的进水COD组分是绝大多数都是溶解态的，这样一方面不会影响到AOB的活性，另外一方面又可供OHO反硝化，抑制NOB。所以，在主流厌氧氨氧化工艺中需要优化进水COD的分配。
4.奥地利Strass污水处理厂的先行实践
奥地利的Strass污水处理厂的能量自给与利用在国际上一直以来都处在领先地位。Strass污水处理厂的独到之处在于它真正实现了污水处理中的能量自给。该厂总能耗为0.314kW˙h/m3，而厂内的总产能可达0.34kW˙h/m3，所以其能源自给率可达108%。
该厂位于奥地利西部，靠近因斯布鲁克，处理奥彻恩塔尔和齐乐塔尔等地大约31个社区的污水处理，夏季人口当量为60000，冬季为旅游季节，人口当量250000。污水日处理规模根据季节变化为1.7万～3.8万m3，平均日处理量为2.65万m3。
Strass污水处理厂采用AB工艺。A段的SRT和HRT分别设定为0.5 d和0.5 h。有机物在A段会快速被吸附，被吸附的有机物将通过污泥浓缩、消化等环节产生沼气进行热电联产，A段的有机物去除率可以达到55%～65%。B段是耗能最集中的单元，仅电耗就占总能耗的47%。B段的SRT和HRT分别设定为10 d和10 h，池容为10456m3。图5为Strass污水处理厂的工艺示意。
Strass污水处理厂于2004年首先在侧流中采用了DEMON®工艺，侧流的应用使处理厂的总体能耗降低了12%。在侧流的基础上，该厂于2011年开始探索主流厌氧氨氧化的应用，并参与到美国WERF(水环境研究基金)的主流厌氧氨氧化研究项目中，在国际上发挥了重要的影响力。其具体的措施是在主流工艺上安装了旋流器，同时采取了一系列控制措施，侧流中的Anammox菌补充主流工艺，主流工艺中的旋流器分离Anammox菌并使之不断回流到主流工艺中。在曝气控制方面， B段采用灵活的曝气控制方式，该控制方式可以在满足氧气能耗需求前提下，将所需曝气量控制在最低水平。这种控制方式是通过对过渡区进行间歇曝气得以实现，而曝气量和曝气频率则通过在线氨氮监控仪上的两个设置监测点来控制操作，这两个监控点可以根据实际进水瞬时负荷自动调整，以实现良好的硝化和反硝化反应。
图6、图7反映的是Strass污水处理厂出水NO2--N、 NO3--N在近年的周平均值变化。在2011年的年末(圣诞节附近)出水 NO3--N明显升高，而与此同时出水 NO3--N明显低于上一年的同期水平，由此可见NOB得到了很好的抑制，图8反映的是该厂脱氮率的变化。进一步的研究还证实主流工艺中厌氧氨氧化菌的活性较高。
5.展望
主流厌氧氨氧化的进步对未来污水处理脱氮方式的转变具有重要的影响，这一领域的研究和探索已是当前国际污水处理发展最为引人注目之处，从目前的研究和应用进展来看，主流厌氧氨氧化技术在未来的发展可能会有如下几个特点：
(1)主流厌氧氨氧化在脱氮方面具有巨大的优势，但在生物除磷方面尚缺乏足够的报道。主流厌氧氨氧化工艺中生物除磷的实现可能会有两个途径，一个途径是在A段的高负荷活性污泥工艺中;另一个途径是在B段工艺，Strass污水处理厂在B段观察到了明显的释磷和吸磷的现象，这必将会引起众多研究者的兴趣。
(2)对Anammox菌近些年的研究表明，这类微生物在合适的条件下能够氧化某些有机物，同时去除NO-3-N。这种特性可能会在未来受到更多的关注，并加以利用控制出水的NO-3-N。
(3)虽然主流厌氧氨氧化工艺在认识上近年来取得了长足的认识，而且这种认识依然在不断发展、不断深化，但目前该技术仍然处于探索阶段，尚不成熟。但当前的探索阶段已经不再停留于实验室的小试、中试，更多的探索是通过污水处理厂的生产性规模的探索。目前，全球至少已有5座污水处理厂正在尝试实践主流厌氧氨氧化。可以预见，在未来相当长一段时间内，将会有更多污水处理厂直接在工程尺度上去试验和应用。
每一种技术都有其自身的特点和适应性，我们在为主流厌氧氨氧化工艺巨大优势吸引的同时，也需要清醒地看到它的适用性，在无碳分离、控制手段一般、出水水质严格的情况下，该技术目前尚难有作为。当其在技术金字塔的顶端闪耀着耀眼光芒的同时，支撑其应用发展的必然是宽广而坚实的基础。
