厭氧氨氧化（Anammox）作為一種自養脫氮技術具有曝氣能耗低、無需外加碳源、污泥產量少等優勢，被認為是實現城市污水碳中和的關鍵技術。然而，厭氧氨氧化細菌（AnAOB）細胞產率低、易流失的特點導致AnAOB富集培養困難，尤其在主流條件下，低氮濃度進一步降低了AnAOB的生長速率，水量大更易引起生物質沖刷。通過對Anammox污泥顆粒化有助于在反應器中保留生物量，然而，與側流厭氧消化液相對較高且穩定的溫度不同，主流的溫度隨著季節的變化而波動，不僅顯著影響著AnAOB的活性，而且還容易導致顆粒污泥崩解。低溫條件下，機械強度低的厭氧氨氧化顆粒污泥很容易被水力剪切力破碎成絮體隨出水流出，進而降低反應器內的生物質濃度和脫氮性能。以羥基磷灰石（HAP）為內核的Anammox-HAP顆粒顯著增強了顆粒污泥的機械性能，尤其在低溫條件下，該技術使系統具有更高的生物質截留和抵抗環境沖擊的能力，有利于維持高污泥濃度。Anammox-HAP已經被證明可以在低溫下處理含有高濃度氮、磷的厭氧消化出水，在15℃下氮去除速率（NRR）為（8.45±0.49）g/（L·d），即使在7℃的極低溫下，Anammox-HAP顆粒污泥依然表現出優異的脫氮性能，氮負荷率（NLR）達到了3.6g/（L·d），脫氮效率高達84%～92%，這為Anammox技術在主流低濃度、低溫條件下的應用提供了可能。鑒于此，通過利用Anammox-HAP處理低氮濃度污水，考察不同溫度條件下Anammox-HAP顆粒污泥的脫氮性能及顆粒特性，以評估Anammox-HAP技術用于城市污水主流處理的可行性。
1、材料與方法
1.1 實驗裝置
本研究采用的反應器如圖1所示，為膨脹顆粒污泥床（EGSB），有效容積為2L，頂端設有三相分離器，用于固液氣三相分離，防止絮狀污泥流失。反應器進水由蠕動泵連續泵入底部進水口，并從頂部回流部分出水來提供上升流速，使反應器達到流化狀態。此外，反應器主體設有水浴層，以模擬主流城市污水因季節更替的水溫變化過程。
1.2 原水水質和接種污泥
反應器的進水采用人工配水，以氯化銨（NH4Cl）與亞硝酸鈉（NaNO2）作為進水基質，采用1.25g/L的KHCO3提供無機碳源和堿度，并添加0.1g/L的MgSO4·7H2O、0.017g/L的FeSO4·7H2O、0.024g/L的Na2EDTA和0.4mL/L的微量元素。進水需要額外添加KH2PO4和無水CaCl2以促進形成HAP，反應器中添加的無水CaCl2濃度始終為0.3g/L（Ca2+=100mg/L），KH2PO4濃度為0.04g/L（磷濃度為10mg/L）。在運行階段通過添加HCl和NaOH來調節進水pH，確保反應器正常運行。
EGSB反應器的接種污泥來自本課題組培養成熟的Anammox-HAP顆粒污泥，接種污泥體積為1.4L（VSS為49.1g/L）。
1.3 反應器運行條件
EGSB反應器從啟動至研究結束共運行了176d，表1為反應器在各個階段的運行操作條件。在整個運行期間，首先將總氮濃度從400mg/L降到70mg/L，模擬主流低濃度條件，并通過逐步降低HRT保持反應器的NLR為3.2g/（L·d），逐步降低溫度考察溫度變化對反應器性能的影響。隨后提高溫度以恢復活性，將NLR從3.2g/（L·d）降低至1.7g/（L·d），直至活性恢復，最終提升NLR至降溫前水平，考察低溫對反應器性能的影響是否可逆。根據反應器的實際運行情況控制進水NO2--N/NH4+-N值在1.1~1.3之間。
1.4 分析項目及方法
每天取反應器出水，經0.45μm濾膜過濾后采用國家標準方法測定氨氮、硝態氮、亞硝態氮、磷酸鹽等濃度。為測得不同溫度條件下顆粒污泥特性的變化，在EGSB反應器不同高度的取樣口收集相同體積的顆粒污泥，完全混合后進行顆粒污泥特性分析。采用標準方法測定顆粒污泥的揮發性懸浮固體（VSS）和總懸浮固體（TSS）濃度，顆粒污泥的沉降速度通過沉降實驗獲得。
2、結果與討論
2.1 不同溫度下Anammox-HAP的脫氮性能
前19d（階段Ⅰ）將進水總氮濃度從400mg/L逐漸降低至70mg/L，同時縮短HRT，維持NLR在3.2g/（L·d），以模擬處理主流城市污水的長期運行性能。在該階段出水氨氮和亞硝態氮濃度穩定在5mg/L以下，TN平均去除率達到85%，平均NRR達到2.7g/（L·d）。階段Ⅱ開始保持進水總氮濃度為70mg/L，逐步降低反應器溫度，直至第100天，反應體系溫度從35℃降低至18℃，出水氨氮和亞硝態氮的濃度始終低于5mg/L，TN平均去除率為85.8%，反應器運行依然保持穩定，在主流的低氮濃度條件下保持優異的脫氮性能。兩個階段的出水TN濃度均低于15mg/L，滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）的一級A標準。可見，溫度的降低對反應器的脫氮性能沒有造成影響，然而有研究者報道，溫度變化對厭氧氨氧化過程的氮去除效率影響顯著。分析產生這種現象的主要原因可能是反應器內的Anammox-HAP顆粒污泥生物量充足，較高的污泥濃度可以抵消溫度對AnAOB活性造成的負面影響，從而使得反應器在低溫下仍能保持高效的脫氮性能。
2.2 低溫對Anammox-HAP性能的影響及恢復
考慮到主流城市污水冬季水溫通常低于15℃，進一步考察了更低溫度條件下Anammox-HAP反應器的脫氮性能，結果見圖2。
在第101~124天，將反應器溫度從18℃降低至13℃，TN去除率在初期變化不大，隨著溫度的進一步降低，去除效果迅速惡化，在13℃時降至46.4%。從第125天開始（階段Ⅳ），通過逐漸提升溫度來恢復AnAOB的活性，從而恢復反應器的脫氮性能。當反應器溫度提升至30℃時，TN去除率最高可以達到77.8%，表明低溫導致的AnAOB活性下降可逆[12]。但是，TN去除率依然未達到降溫前的水平，主要原因可能是降溫過程中污泥的流失導致反應器內生物量減少，或者AnAOB活性只有部分被恢復[13]。
如表2所示，Anammox-HAP顆粒污泥已被廣泛應用于厭氧消化液和主流城市污水的研究，相較于絮體污泥和普通的顆粒污泥，Anammox-HAP顆粒污泥具有更高的機械強度，緩解了處理過程中生物質流失的風險，同時獨特的顆粒結構也有利于抵御低溫等惡劣環境。在已有的報道中，Anammox-HAP顆粒污泥即使在7℃的極低溫條件下，依然表現出優異的脫氮性能且長期保持穩定，將AnammoxHAP和短程硝化耦合的一段式PNA-HAP工藝在主流低濃度條件下的氮去除速率高達0.87g/（L·d）。在本研究中，溫度降低至18℃后實現了2.7g/（L·d）的高NRR以及優異的氮去除率（85.8%），盡管進一步降低溫度至13℃，脫氮性能迅速發生惡化，但是通過升溫可以使AnAOB活性逐漸恢復，進一步證明了Anammox-HAP顆粒污泥用于主流城市污水脫氮具有可行性。
2.3 Anammox-HAP顆粒污泥的穩定性
2.3.1 磷濃度變化
圖3為反應器長期運行過程中進出水磷濃度及其去除率的變化。運行初期（前10d），將進水磷濃度從40mg/L降至10mg/L，并在后續維持不變。前10d反應器的磷去除率從63%降至22%，主要歸因于總氮濃度的降低使得反應器內pH下降，而HAP結晶過程需要較高的pH，進而導致磷的去除率降低。第10天以后，反應器在運行過程中磷的平均去除率為20.2%。磷的減少可能并不是由于鈣磷礦化，羥基磷灰石在形成過程中主要受到pH和溫度的影響（兩者影響著HAP的Ksp值），該反應體系的pH平均值為7.8，溫度處于較低水平，該反應條件下不易形成HAP。雖然HAP可以在沒有任何前體的情況下直接在低磷酸鹽濃度下形成，但其形成之前通常會出現其他更可溶性的礦物相，具體取決于pH和水質情況。反應器中減少的磷可能來源于微生物的消耗，磷不僅是微生物生長繁殖所必需的元素，同時也是細胞膜及遺傳物質的重要組成元素。值得注意的是，反應器在長期運行過程中，沒有出現出水磷濃度高于進水磷濃度的現象，說明反應器中的顆粒污泥并未受到溫度的影響釋放無機組分。HAP作為一種化學性質穩定、溶解性低的無機礦物，解體過程需要低pH、高反應溫度以及較長的反應時間，本研究體系的環境條件并不利于HAP的溶解。
2.3.2 顆粒污泥表觀形態變化
圖4顯示了在不同溫度條件下Anammox-HAP顆粒污泥系統運行過程中表觀形態的變化。運行初期，接種的具有高脫氮性能的Anammox-HAP顆粒污泥呈血紅色，污泥顆粒飽滿且輪廓清晰。從階段Ⅱ開始，溫度從35℃降至30℃，運行10d后，顆粒污泥的顏色和形狀并未發生明顯變化。在25℃下運行25d后，顆粒污泥的紅色明顯減弱，輪廓開始模糊，部分顆粒表面的生物膜厚度減小。反應器運行至13℃時，顆粒污泥的顏色由原來的血紅色變為橘黃色，且反應器內出現大量的絮狀污泥，顆粒污泥上的微生物大部分脫落，顆粒污泥轉而以HAP沉淀物的無機形式存在。這表明在低溫低濃度條件下，AnAOB的活性降低，微生物的新陳代謝速率減慢，顆粒上的部分微生物逐漸溶解死亡，進而導致顆粒表面的生物膜變薄。此外，低溫條件下微生物的活性和胞外聚合物（EPS）分泌量降低，影響了厭氧氨氧化菌的聚集，導致顆粒污泥的穩定性變差，反應器的上升流速則加速了生物膜的脫落過程。
2.3.3 Anammox-HAP顆粒污泥濃度變化
圖5為不同溫度條件下Anammox-HAP顆粒污泥的TSS及VSS變化情況。與較高溫條件下的Anammox-HAP顆粒污泥相比，隨著水溫的降低，Anammox-HAP顆粒污泥的TSS和VSS明顯降低，而VSS受到溫度的影響更顯著。在溫度從35℃降低至15℃的過程中，顆粒污泥TSS濃度從272.49g/L減少至208.94g/L，但是顆粒污泥中HAP無機組分在不同溫度下的濃度變化并不顯著，即使在低溫低濃度下，顆粒污泥中的HAP內核不易溶解，在13℃的條件下反應器內顆粒污泥的平均沉降速度為317.3m/h，說明低溫下顆粒污泥的沉降性能良好。Anammox-HAP顆粒污泥濃度的變化主要體現在低溫條件下生物質持留能力的減弱。在35℃下，Anammox-HAP顆粒污泥的VSS為47.09g/L，而隨著溫度的逐步下降，反應體系內的VSS顯著減少，在15℃下僅為16.39g/L。這表明在低溫低濃度條件下，AnAOB的新陳代謝速率變慢，部分微生物逐漸溶解死亡，顆粒污泥表層生物膜的厚度變薄，EPS含量也顯著降低，導致微生物的聚集性能變差，反應器較大的上升流速（4.8m/h）導致了生物膜的進一步脫落。隨著溫度的降低，顆粒污泥的VSS/TSS值從17%降到了8%，表明反應器對生物量的持留能力逐漸降低。在后續恢復溫度的過程中，由于降溫導致了反應器內生物質濃度只有降溫前的34.8%，因此在相同氮負荷條件下，反應器經過低溫后處理能力無法恢復到降溫前水平，在實際應用中需考慮補充污泥或降低負荷以滿足處理要求。
2.4 Anammox-HAP用于主流城市污水處理優勢
自然界中可以檢測到Anammox細菌生存的溫度范圍非常廣泛，甚至在-5~4℃的河流和海洋沉積物中（主要菌屬為Kuenenia、Brocadia、Jettenia），以及60~80℃的溫泉等極端環境中均有發現（主要菌屬為Kuenenia、Brocadia、Scalindua）。然而，溫度對厭氧氨氧化菌的活性影響顯著，以Kuenenia菌屬為例，其最佳生長溫度為35℃，當溫度降至10℃和7℃時，僅剩下7.5%和4.2%的最大比厭氧氨氧化菌活性。考慮到城市污水的溫度隨著季節的變化而波動以及實際處理效率需求，在污水處理工藝中對厭氧氨氧化菌活性有著更高的要求，研究表明從污水處理廠污泥中富集得到的7個厭氧氨氧化菌屬中有4個（Kueneniastuttgartiensis、Brocadia、Jettenia和Anammoxoglobus）可以在10~35℃的溫度范圍內運行，但它們的最佳生長溫度通常在30~40℃，意味著在污水溫度較低的條件下只能保留較低的活性。在本研究中，用于處理不同溫度低濃度含氮廢水的接種污泥中的厭氧氨氧化菌屬以unclassifiedBrocadiaceae為主，相對豐度到達了82.80%，該厭氧氨氧化菌屬對低溫的適應能力尚不明確，但考慮到接種污泥的母反應器在35℃條件下運行，且有關低溫條件下運行厭氧氨氧化的研究中尚未發現unclassifiedBrocadiaceae屬為優勢菌屬，因此在城市主流污水低溫條件下，其活性可能和其他常見的厭氧氨氧化菌屬一樣無法滿足實際處理需求。眾多研究已經證明了低溫下厭氧氨氧化菌雖然活性低，但是通過足夠的生物質保留時間可以補償低溫引起的厭氧氨氧化菌活性損失。造粒是一種顯著提升污泥持留能力的有效措施，但是在10℃和12.5℃的低溫下長期運行，除了導致污泥活性受到相當大的抑制，還會引起顆粒崩解。通過將具有高無機組分的Anammox-HAP顆粒代替純Anammox顆粒污泥可以顯著增強顆粒的機械性能，更好的沉降性能意味著污泥不易隨出水流出而導致生物質減少，減少低溫引起的脫氮性能惡化。本研究在溫度從35℃降至18℃時，對Anammox的脫氮性能沒有明顯的影響，而當溫度從18℃降至13℃時，TN去除率從85%降至46.4%。表明較多的生物量可以抵消溫度降低對AnAOB活性造成的不利影響，從而確保反應器的穩定性。然而溫度過低，AnAOB活性的進一步下降引起EPS減少，EPS就像膠水一樣，在微生物聚集過程中起到重要作用，低溫下可能無法維持Anammox顆粒的結構和大小，同時使顆粒污泥自身的穩定性下降，導致了在較高的上升流速下，顆粒污泥中的生物質在水力剪切力下變為絮狀污泥，并隨出水流出反應器造成污泥流失。可見，顆粒污泥強度對于保持、減輕或防止崩解至關重要，尤其在冬季低溫條件下，利用Anammox-HAP顆粒代替純Anammox顆粒污泥是一種保持Anammox穩定運行的有效途徑。
3、結論
①在18~35℃以及3.2g/（L·d）的高負荷條件下反應器出水TN濃度<15mg/L，滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）的一級A標準。
②在13~18℃，反應器的TN去除率明顯降低，在13℃降至46.4%。隨著溫度提升至30℃，TN去除率最高達到77.8%。表明由低溫導致的AnAOB活性下降是可逆的。
③Anammox-HAP反應器在降溫的過程中磷平均去除率為20.2%。在低溫條件下，HAP內核不易形成和溶解，顆粒污泥性質穩定，但低溫導致了反應器對生物量的持留能力逐漸降低。（來源：滄州市供水排水集團有限公司，上海大學環境與化學工程學院）
