根據2020年發(fā)布的《第二次全國污染源普查公報》，畜禽養(yǎng)殖業(yè)已成為農業(yè)源水污染物的主要排放源。通常畜禽養(yǎng)殖廢水多采用生物組合工藝處理，但傳統(tǒng)生物脫氮處理技術存在處理能耗高、占地面積大、污泥負荷低等問題。厭氧消化液具有高氨氮、高有機物、低碳氮比等特點，與傳統(tǒng)生物脫氮技術相比，厭氧氨氧化技術具有無需額外投加碳源、污泥產量少、耗氧量低等優(yōu)勢，更適合處理低碳氮比廢水。但由于厭氧氨氧化菌倍增速度緩慢，易受基質濃度、溶解氧和有機碳源等因素影響，導致厭氧氨氧化工藝運行不穩(wěn)定、處理效果差、工程應用難度較大。鑒于此，筆者以河北省某養(yǎng)豬場廢水厭氧消化液處理廠的A2/O工藝為例，通過調控工藝關鍵參數，考察工藝運行的穩(wěn)定性和脫氮效果，并評估厭氧氨氧化脫氮貢獻比例，旨在為厭氧氨氧化的工程應用提供技術支撐。
1、材料與方法
1.1 試驗裝置
河北省某養(yǎng)豬場廢水厭氧消化液處理流程見圖1，采用A2/O工藝，厭氧區(qū)有效容積為189m³；缺氧區(qū)分為缺氧1區(qū)和2區(qū)，有效容積均為472.5m³；好氧區(qū)有效容積為4972.5m³。好氧區(qū)采用兩臺鼓風機用于供氧和泥水混合，微孔曝氣管交替排列布置，通過氣提方式實現污泥回流和混合液回流。
厭氧消化液處理廠日處理水量為600~900m3，進水水質見表1，采用分區(qū)進水策略，厭氧區(qū)、缺氧1區(qū)和缺氧2區(qū)的進水分配比約為4∶4∶1，水力停留時間（HRT）為7~10d，整個處理過程不排泥。
1.2 A2/O工藝運行調控試驗設計
根據A2/O工藝中碳源投加和鼓風機啟停情況，將試驗過程分為兩個階段。
第1階段（0~90d）：平均進水COD/TN值為2.83±0.6，通過在進水中投加碳源（工業(yè)碳源，COD為240~260g/L）來提高脫氮效率。隨著脫氮效率的提高，逐步降低碳源投加量。鼓風機1和2每天同時運行24h，好氧區(qū)DO濃度保持在0.3~0.5mg/L。
2階段（91~180d）：平均進水COD/TN值為1.93±0.4，停止外加碳源。鼓風機1每天僅運行1h，鼓風機2每天運行24h。當兩個鼓風機同時運行時，好氧區(qū)DO濃度為0.3~0.5mg/L；當鼓風機1停止工作后，好氧區(qū)DO濃度降到0.1mg/L以下。
1.3 生物脫氮測試方法與計算
取缺氧1區(qū)混合液于100mL血清瓶中，控制氨氮和亞硝態(tài)氮濃度分別為40、50mg/L，氮吹除氧，將血清瓶置于搖床上，溫度控制在（30±2）℃。每隔1h取一次樣，試驗時長為7h。之后用0.45μm濾膜過濾，測定NH4+-N、NO2--N、NO3--N濃度。
厭氧氨氧化脫氮比例（An）的計算方法：
反硝化脫氮比例（De）的計算方法：
1.4 污水處理能耗計算方法
單位體積污水處理能耗（ESq）計算方法：
式中：E為處理污水所消耗的電量，kW·h；Q為污水處理量，m³。
單位質量污染物去除能耗（ESN）計算方法：
式中：C進、C出分別為污染物的進水濃度和出水濃度，mg/L。
1.5 常規(guī)水質指標測定方法
常規(guī)水質指標，如COD、TN、NH4+-N、NO2--N、NO3--N等，均采用國家標準方法進行測定；MLSS采用過濾稱重法進行測定；氧化還原電位（ORP）、pH值和DO濃度采用HACH在線電極進行測定。
1.6 DNA提取和高通量測序
分別在第1階段（第90天）和第2階段（第166天）的各反應區(qū)域（厭氧區(qū)、缺氧1區(qū)、缺氧2區(qū)和好氧區(qū)）采集污泥混合液樣品。樣品混合均勻后取1~5mL，10000r/min離心10min，棄上清液，使用試劑盒FastDNASpinKitforSoil提取DNA。然后采用IlluminaMiSeq平臺測序分析。優(yōu)化測序數據，樣品經均一化后均含有40875條序列，有效序列采用RibosomalDatabaseProject（RDP）進行物種分類。
1.7 熒光定量PCR(qPCR)分析
對提取的DNA樣品，采用qPCR法測定其中的細菌總量和氮轉化功能基因，所測定的氮轉化功能基因主要是硝化、反硝化和厭氧氨氧化過程涉及的相關功能基因，包括amoA、hao、nxrB、narG、nirS、norB、nosZ、hzo、hzsA。本研究通過溶解曲線和瓊脂糖凝膠電泳分析確保qPCR法的準確性。
2、結果與討論
2.1 A2/O工藝的處理效果
A2/O工藝對厭氧消化液的處理效果見圖2。
在第1階段，為保證TN去除率，在進水中投加工業(yè)碳源，進水COD平均濃度由1393mg/L提升至1955mg/L，出水平均濃度為273mg/L，去除率為86%；TN的進水和出水平均濃度分別為688、230mg/L，去除率為66.6%；氨氮的進水和出水平均濃度分別為575、58.8mg/L，去除率為89.9%。在第2階段，隨著TN去除效果的提升，進水停止投加碳源，COD的進水、出水平均濃度分別為1074、194mg/L，與第1階段相比，其出水COD濃度波動較大，導致去除率不穩(wěn)定，平均去除率降為81.9%；進水TN平均濃度降至454mg/L，出水平均濃度降至75mg/L，平均去除率升至83.48%；氨氮的進水和出水平均濃度分別為373、30mg/L，雖然氨氮去除率波動較大，但是整體平均去除率維持在91.95%。與第1階段相比，雖然第2階段的出水COD、氨氮和TN濃度并不穩(wěn)定，但是由于其進水濃度下降，導致A2/O系統(tǒng)整體的進水負荷也呈現降低趨勢，在相同的處理條件下，A2/O系統(tǒng)在第2階段的污泥負荷低于第1階段，所以第2階段對污染物的去除效率高于第1階段。
在第1階段，由于好氧區(qū)混合液回流和污泥回流的關系，導致高濃度硝態(tài)氮進入到厭氧區(qū)和缺氧區(qū)。通過投加外碳源，進水C/N值提高至2.83，強化了硝態(tài)氮的去除。由于投加的外碳源屬于可生物易降解類碳源，因此，第1階段厭氧區(qū)和缺氧區(qū)以反硝化脫氮為主。但在此區(qū)域發(fā)現有氨氮的去除，說明存在自養(yǎng)型脫氮。第2階段，隨著總氮去除率的提高，進水停止投加碳源，進水C/N值由2.83降至1.93，但相比第1階段，總氮平均去除率提高了16.88%，說明自養(yǎng)型生物脫氮對總氮去除貢獻的占比得到了提高。
生豬養(yǎng)殖廢水經過厭氧處理后可以回收其中的能源，但產生的厭氧消化液由于氨氮濃度高、有機物濃度高、碳氮比值較低等特點，導致傳統(tǒng)生物脫氮工藝需要額外補充碳源、堿等藥劑，運行費用頗高。對于厭氧氨氧化自養(yǎng)型脫氮工藝而言，經厭氧處理后的畜禽養(yǎng)殖廢水可生物降解性已大幅降低，其存在的少量可生化降解有機物不會對厭氧氨氧化菌產生明顯抑制。另一方面，由于低濃度可生化降解有機物導致異養(yǎng)反硝化菌的活性降低，從而降低了其與厭氧氨氧化菌對底物亞硝酸鹽基質的競爭能力。因此，在本研究的第1階段，為了維持總氮去除率，投加外碳源以促進反硝化脫氮。隨著厭氧氨氧化脫氮比例的逐步提高，從第1階段的39%提升至第2階段的78%，第1階段逐步減少外加碳源投量，直至第2階段不再投加碳源，促進了厭氧氨氧化菌的活性，使其成為第2階段的主要生物脫氮方式。
過高的溶解氧對厭氧氨氧化菌有明顯的抑制作用。因此，本研究通過調節(jié)風機頻率，減少曝氣量，維持好氧區(qū)的溶解氧濃度在0.1~0.5mg/L之間。有研究表明，當溶解氧濃度控制在0.3mg/L以下時，可防止由多余亞硝態(tài)氮累積轉化為硝態(tài)氮。本研究通過嚴格控制好氧區(qū)溶解氧濃度，使氨氧化菌（AOB）消耗溶解氧為厭氧氨氧化菌提供亞硝酸鹽基質，而低溶解氧的環(huán)境也使得厭氧氨氧化菌在好氧區(qū)進行自養(yǎng)脫氮成為可能。
2.2 工藝調控節(jié)能效果
不同階段的生物脫氮所需電量分析結果表明，在第1階段，隨著總氮去除率的穩(wěn)定提高，外加碳源量逐步降低；在第2階段，由于減少了鼓風機的開啟時間，單位處理能耗由第1階段的1.93kW·h/m³降至第2階段的0.90kW·h/m³，單位脫氮能耗由4.18kW·h/kg降至2.57kW·h/kg，降幅分別達到53.4%和38.5%。在第1階段轉向第2階段的過程中，A2/O工藝脫氮途徑由以全程反硝化脫氮為主轉為以自養(yǎng)型生物脫氮為主，大幅降低了生物脫氮對碳源的需求和氨氮硝化所需的供氧量。
2.3 氮素轉化功能微生物的演替特征
A2/O工藝中微生物在屬水平上的群落結構如圖3所示。
A2/O工藝中檢測到的唯一厭氧氨氧化菌為CandidatusBrocadia，第1階段，其在厭氧區(qū)、缺氧1區(qū)、缺氧2區(qū)和好氧區(qū)的相對豐度分別為0.83%、0.50%、0.74%和0.98%；在第2階段，CandidatusBrocadia的相對豐度比第1階段有所增長，在上述各功能區(qū)的相對豐度分別為1.53％、3.02％、1.87％和0.98％，其整體的相對豐度從第1階段的0.76%提高至第2階段的1.85%。有研究表明，在有機物存在的條件下，CandidatusBrocadia比其他厭氧氨氧化菌更具有競爭優(yōu)勢，因此，人們常在污水處理廠發(fā)現此菌種。在本研究中，由于第1階段投加可生物降解型有機碳源，這極大地促進了厭氧區(qū)和缺氧區(qū)微生物的全程反硝化脫氮作用，同時抑制了自養(yǎng)菌CandidatusBrocadia的活性，導致其在與反硝化菌競爭亞硝態(tài)氮底物時處于劣勢。隨著第2階段停止外加碳源，進水中可以用于反硝化的碳源減少，使得異養(yǎng)微生物的反硝化脫氮作用減弱，而厭氧氨氧化菌則可以利用反硝化過程中產生的亞硝態(tài)氮和進水中的氨氮進行脫氮，提高其在厭氧區(qū)和缺氧區(qū)的活性。在此基礎上，通過在好氧區(qū)調整鼓風機的啟停，使該區(qū)域處于間歇曝氣低溶解氧環(huán)境，這可以增強AOB的活性，抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的活性，產生的底物亞硝態(tài)氮可以迅速被厭氧氨氧化菌所利用，進而促進該區(qū)域的厭氧氨氧化脫氮作用。
其他涉及氮轉化的典型微生物，如Nitrosomonas（AOB）、Nitrospira（NOB）和反硝化菌，在A2/O工藝中的相對豐度均比較高。在好氧區(qū)，Nitrosomonas和Nitrospira的相對豐度分別從1.43%和1.98%降到了1.19%和0.26%，但Nitrosomonas/Nitrospira的相對豐度比例卻從0.72升到了4.50，這表明盡管低溶解氧和間歇曝氣的策略同時降低了Nitrosomonas和Nitrospira的相對豐度，但Nitrospira受到的影響更大。反硝化菌如Proteobacteria門的Thermomonas、Pseudomonas和Thauera等菌屬在厭氧區(qū)和缺氧區(qū)的相對豐度均有所降低。據報道，該類反硝化菌屬易將NO3--N還原為NO2--N，并且只要存在NO3--N，便不會進一步還原NO2--N。
在A2/O中，Anaerolineaceae和Ignavibacterium的相對豐度均較高。在該A2/O工藝前設有水解酸化池作為進水的前處理工藝，Anaerolineaceae屬于水解酸化菌，可降解溶解性有機物，隨著進水一起進入A2/O系統(tǒng)。有研究發(fā)現，Ignavibacterium作為Chlorobi門中唯一的非光合營養(yǎng)性菌屬，可以在好氧或者缺氧環(huán)境中存活，并且在厭氧氨氧化脫氮過程中發(fā)揮著比較關鍵的作用。值得注意的是，一般認為Saprospiraceae菌屬可水解大分子有機物進而為反硝化菌提供更合適的碳源，其在A2/O中的相對豐度從第1階段到第2階段大幅增加，而與內碳源聚羥基脂肪酸酯（PHA）產生有關的Bacillus的相對豐度在第2階段幾乎為0。
2.4 氮素轉化功能基因變化
通過qPCR法測定A2/O系統(tǒng)各反應區(qū)域中氮轉化相關基因的相對豐度，結果如圖4所示。可以看出，好氧區(qū)中第2階段的硝化基因amoA、hao和nxrB的相對豐度略低于第1階段，這是因為長期低溶解氧條件可能會抑制AOB和NOB的活性。此外，間歇曝氣策略可以有效抑制NOB的生長，也會減少好氧區(qū)中amoA和hao的相對豐度，尤其是降低nxrB的相對豐度。有研究表明，低溶解氧濃度更有利于實現污水處理系統(tǒng)中的短程硝化過程。此外，在好氧區(qū)懸浮污泥中與厭氧氨氧化有關的hzo、hzsA和nirS等功能基因的相對豐度在第2階段得到了提高。與第1階段相比，第2階段hzo、hzsA和nirS的相對豐度分別增加了1.78、42.25和2.05倍。可以推測，好氧區(qū)中厭氧氨氧化菌可利用短程硝化途徑產生的亞硝酸鹽進行自養(yǎng)型脫氮，提高其活性，這也間接解釋了好氧區(qū)中自養(yǎng)型脫氮比例大幅提高的原因。
相比第1階段，第2階段編碼硝酸鹽還原的narG基因在厭氧區(qū)和缺氧1區(qū)的相對豐度都有所降低，而在缺氧2區(qū)的相對豐度略有提升，這是由于在第2階段停止外加碳源，導致進水碳源減少，進而影響反硝化脫氮，而與之相關的反硝化編碼基因相對豐度也隨之降低。由于第2階段的厭氧氨氧化菌活性提高，其脫氮比例逐步上升，與之相關的編碼基因hzsA和hzo的相對豐度也隨之提高。
通過對A2/O工藝進行不同的運行操作，以及厭氧區(qū)和缺氧區(qū)中氮轉化相關基因的相對豐度變化證明，較低的有機物濃度可以提高與編碼厭氧氨氧化相關基因的相對豐度，而高濃度的有機物則抑制厭氧氨氧化菌活性。本研究中，由于在第2階段停止向進水投加外碳源，引起進水碳源不足無法完成全程反硝化脫氮，降低了反硝化菌活性，其與厭氧氨氧化菌競爭亞硝酸鹽的能力也隨之降低，進而間接提高了厭氧氨氧化菌活性及與之相關的編碼基因相對豐度。
3、結論
①通過對A2/O系統(tǒng)進行溶解氧控制與底物調整，使得氨氮、總氮去除率分別由第1階段的89.9%和66.6%提高至第2階段的91.95%和83.48%，并且厭氧氨氧化脫氮比例由第1階段的39%提高到第2階段的78%。
②在A2/O系統(tǒng)中，CandidatusBrocadia是檢測到的唯一厭氧氨氧化菌，其整體相對豐度由第1階段的0.76%提高至第2階段的1.85%。與第1階段相比，第2階段的功能基因hzo、hzsA和nirS的相對豐度分別增加了1.78、42.25和2.05倍。
③A2/O系統(tǒng)180d的連續(xù)穩(wěn)定運行表明，通過降低進水碳氮比和間歇曝氣調控策略，可有效提高系統(tǒng)中厭氧氨氧化脫氮比例和總氮去除效率，降低污水處理成本。（來源：中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室，中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心水污染控制實驗室，中國科學院大學資源與環(huán)境學院，安平縣弘嘉環(huán)保技術有限公司）
