同步亚硝化-厌氧氨氧化与反硝化工艺(simultaneous partial nitrification, anaerobic ammonium oxidation and denitrification，SNAD)(反应式(3))是在全程自养脱氮工艺(completely autotrophic nitrogen removal over nitrite，CANON)(反应式(1))的基础上，引入异养反硝化(反应式(2))，即

$ \begin{align} & \text{NH}_{4}^{+}+{{0.790}_{2}}+1.6\text{HCO}_{3}^{-}+0.056{{\text{H}}^{+}}\xrightarrow{\text{AOB+AnAOB}} \\ & 0.44{{\text{N}}_{2}}+0.111\text{NO}_{3}^{-}+1.46{{\text{H}}_{2}}O+1.08{{\text{H}}_{2}}\text{C}{{\text{O}}_{3}}+ \\ & 0.01{{\text{C}}_{5}}{{\text{H}}_{7}}\text{N}{{\text{O}}_{2}}+0.028\text{C}{{\text{H}}_{2}}{{\text{O}}_{0.5}}{{\text{N}}_{0.15}}, \\ \end{align} $

(1)

$ \begin{align} & \text{NO}_{3}^{-}+1.08\text{C}{{\text{H}}_{3}}\text{OH}+0.24{{\text{H}}_{2}}\text{C}{{\text{O}}_{3}}\xrightarrow{反硝化} \\ & 0.06{{\text{C}}_{5}}{{\text{H}}_{7}}\text{N}{{\text{O}}_{2}}+\text{HCO}_{3}^{-}+1.68{{\text{H}}_{2}}\text{O}+0.47{{\text{N}}_{2}},\ \\ & \text{NH}_{4}^{+}+0.79{{\text{O}}_{2}}+1.05\text{HCO}_{3}^{-}+0.12\text{C}{{\text{H}}_{3}}\text{OH}+0.056{{\text{H}}^{+}}\to \\ \end{align} $

(2)

$ \begin{array}{l} 0.49{{\rm{N}}_2} + 1.05{{\rm{H}}_2}{\rm{C}}{{\rm{O}}_3} + 3.31{{\rm{H}}_2}{\rm{O}} + 0.017{{\rm{C}}_5}{{\rm{H}}_7}{\rm{N}}{{\rm{O}}_2} + \\ 0.028{\rm{C}}{{\rm{H}}_2}{{\rm{O}}_{0.5}}{{\rm{N}}_{0.15}}, \end{array} $

(3)

从而实现自养厌氧氨氧化菌和异养反硝化菌耦合脱氮的新型工艺.解决了传统全程硝化反硝化工艺能源消耗量高、需外加有机碳源、污泥产量高等问题，也解决了CANON工艺出水硝酸盐氮含量高(理论上占氨氮去除量的11%)、无法去除有机物的缺点，成为研究热点.目前，SNAD工艺已经在污泥消化液、垃圾渗滤液、养猪废水、光电废水、化工废水等高温、高氨氮废水处理领域得到应用^[1-5]，并且实现了较高的总氮去除率和总氮去除负荷.对于城市生活污水处理，国际上研究的主流趋势是采用厌氧消化与SNAD的工艺流程实现脱氮除碳，该工艺可有效提高污水处理厂的能源自给率^[6]，然而，目前关于将SNAD工艺应用于城市生活污水领域的研究报道很少.在SNAD工艺运行过程中，常常面临由于亚硝酸盐氧化菌(NOB)活性升高致使出水硝酸盐氮积累的难题，同时有机物的存在会抑制好氧氨氧化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌(AnAOB)的活性，导致AOB缺乏溶解氧，AnAOB缺乏足够的基质亚硝酸盐氮，使得AnAOB的竞争优势逐渐被反硝化菌取代直至系统崩溃^{[3, 7]}.当SNAD系统向全程硝化反硝化途径转变时，采用常规手段难以有效恢复^{[4, 8-10]}.

无机碳作为AOB、NOB、AnAOB等自养菌细胞合成的碳源，对于自养菌的活性具有重要影响.先前研究^[11-13]主要集中于碱度(OH^-、HCO₃^-、CO₃^2－)对于亚硝化过程的影响，碱度的作用主要是调节反应器内的pH，继而影响游离氨和游离亚硝酸的质量浓度；但是Guisasola A等^[14]的研究表明，碱度中的无机碳(HCO₃^-、CO₃^2-)可以促进AOB的活性，对于NOB的活性几乎无影响.因此，利用无机碳对于AOB和NOB活性影响的差异性，通过供给充足的无机碳来促进AOB的活性，以形成对NOB的竞争优势，实现将硝化反应控制在亚硝酸盐氮阶段对于SNAD工艺的恢复与稳定运行具有重要意义，但是利用该方式实现NOB抑制的报道不多.此外，相关研究表明^[15-18]，无机碳可以有效促进AnAOB的活性，这或许可以为解决由于有机物过高或亚硝酸盐氮质量浓度过高导致AnAOB活性受到抑制的难题提供思路.目前通过投加无机碳促进AnAOB活性，继而使SNAD系统发挥出最大的脱氮效能的研究还鲜见报道.本文通过在由于设备故障等原因造成出水硝酸盐氮积累的SNAD反应器中投加充足无机碳的方式，研究无机碳对于生活污水SNAD工艺硝酸盐氮积累问题恢复的影响.

1 实验 1.1 实验装置

实验采用由有机玻璃精加工而成的SBR反应器(如图 1)，有效容积5.4 L，高100 cm，内径9 cm.底部安装直径为7 cm的微孔曝气环，使用气泵和气体流量计控制表观气速为0.091 7 cm/s，反应器内溶解氧为0.1~1.0 mg/L.反应器内部安装搅拌机，转速为150 r/min.反应器通过水浴控制在(30±1)℃.pH、DO、温度通过在线测定仪监测.

1.2 实验水质与污泥

实验前，反应器在生活污水中稳定运行，出水达一级A标准.但由于仪器故障等原因导致反应器内NOB大量增殖，出水硝酸盐氮大幅增加，系统脱氮性能显著下降.本实验在前期运行的基础上，对反应器的脱氮性能进行恢复.初始污泥质量浓度2.74 g/L，污泥粒径305.6μm.

整个实验过程以某大学生活小区化粪池出水为原水(水质见表 1，对于其他氨氮质量浓度的生活污水，可以通过调节容积交换率的方式，使得各反应周期初始氨氮质量浓度与本实验相近).反应器采用间歇运行模式，容积交换率为50%，每周期包括进水(3 min)、反应(反应时间根据周期实验结果确定)、沉淀(5 min)、排水(2 min)等4个阶段.每周期结束后，洗泥3次以去除上一周期反应结束残留的物质.实验共进行91 d，分为崩溃阶段、恢复阶段、稳定运行3个阶段.其中崩溃阶段完全以生活污水为进水，恢复阶段和稳定运行通过外加NaHCO₃的方式提高无机碳质量浓度.各阶段参数见表 2.

1.3 分析项目与方法

NH₄⁺-N：纳氏试剂分光光度法；NO₂^--N：N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；NO₃^--N：紫外分光光度法；COD：5B-3B型COD测定仪；粒径：Mastersize2000型激光粒度仪；MLSS：重量法；TIC：非色散红外吸收TOC测定仪；DO、pH、t：WTW在线测定仪.脱氮途径计算时依据模型^{[8, 19-20]}假定:1)硝化过程氧化的NH₄⁺-N全部转化为NO₂^--N；2)厌氧氨氧化过程消耗的NH₄⁺-N与NO₂^--N比为1∶1.32，同时每消耗1 mg/L NH₄⁺-N生成0.26 mg/L NO₃^--N，生成的NO₃^--N可用于反硝化；3)反硝化过程每消耗1 mg/L NO₃^--N需要消耗2.86 mg/L的COD(模型假设中未考虑细胞合成作用).涉及的计算公式如下：

$\rho \left({TN} \right)=\rho \left({NH_4^ +-N} \right) + \rho \left({NO_2^--N} \right) + \rho \left({NO_3^--N} \right)$

总氮去除量

$ {\Delta _\rho }\left({TN} \right)={\rho _{\inf }}\left({TN} \right)-{\rho _{eff}}\left({TN} \right), $

反硝化途径氮去除量

$ \begin{array}{l} {\Delta _1} = {\rho _{\inf }}\left( {{\rm{NO}}_3^ - - {\rm{N}}} \right) - {\rho _{eff}}\left( {{\rm{NO}}_3^ - - {\rm{N}}} \right) + 0.11 \times \\ \left[ {{\rho _{\inf }}\left( {{\rm{NH}}_4^ + - {\rm{N}}} \right)} \right. + {\rho _{\inf }}\left( {{\rm{NO}}_2^ - - {\rm{N}}} \right) - {\rho _{eff}}\left( {{\rm{NH}}_4^ + - {\rm{N}}} \right) - \\ \left. {{\rho _{eff}}\left( {{\rm{NO}}_2^ - - {\rm{N}}} \right)} \right], \end{array} $

厌氧氨氧化途径氮去除量

$\begin{array}{l} \;\;\;\;\;\;{\Delta _2} = \Delta \rho \left( {{\rm{TN}}} \right) - {\Delta _1},\\ 总氮去除负荷 = \frac{{24 \times \Delta \rho \left( {{\rm{TN}}} \right)}}{{1000 \times {\rm{HRT}}}}, \end{array}$

好氧氨氧化活性

$ {R_{{\rm{AO}}}}=\frac{{24 \times \left[ {\left({{\rho _{\inf }}\left({{\rm{NH}}_4^ +-{\rm{N}}} \right)-{\rho _{{\rm{eff}}}}\left({{\rm{NH}}_4^ +-{\rm{N}}} \right)-{\Delta _2}/2.04} \right.} \right]}}{{1000 \times {\rm{HRT}} \times {\rho _{{\rm{MLVSS}}}}}}, $

厌氧氨氧化活性

$ {R_{AN}}=\frac{{24 \times {\Delta _2}/2.04}}{{1000 \times HRT \times {\rho _{MLVSS}}}}, $

特征比

$\gamma=\frac{{{\rho _{\inf }}\left({TN} \right)-{\rho _{eff}}\left({TN} \right)}}{{{\rho _{eff}}\left({NO_3^--N} \right)-{\rho _{\inf }}\left({NO_3^--N} \right)}}, $

$ \rho \left({FA} \right)=\frac{{17}}{{14}} \times \frac{{\rho \left({NH_4^ +-N} \right) \times {{10}^{pH}}}}{{{e^{\left[ {6344/\left({273 + T} \right)} \right]}} + {{10}^{pH}}}}, $

表观气速

$ {\nu _气}=\frac{Q}{S}. $

式中：ρ_inf(NH₄⁺-N)、ρ_inf(NO₂^--N)、ρ_inf(NO₃^--N)分别表示进水氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮质量浓度，mg/L；ρ_eff(NH₄⁺-N)、ρ_eff(NO₂^--N)、ρ_eff(NO₃^--N)分别表示出水氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮质量浓度，mg/L；HRT为水力停留时间，h；ρ_MLVSS为挥发性固体悬浮物质量浓度，g/L；Q为曝气量，cm³/s；S为反应器横截面积，cm².

2 结果与讨论

实验采用的反应器前期曾在生活污水条件下稳定运行，但是由于实验室仪器故障未对反应器的运行状况进行监测，待故障排除后反应器出水硝酸盐氮大幅升高，总氮去除负荷降低，若不及时恢复SNAD系统将向全程硝化反硝化路径转变.仪器故障排除后反应器经历了崩溃阶段(I)、恢复阶段(II)以及稳定运行阶段(III)3个过程.各反应周期开始前氨氮质量浓度始终维持在40 mg/L左右，COD维持在90 mg/L左右.

2.1 投加无机碳前后SNAD反应器脱氮除碳性能的变化

投加无机碳前后SNAD反应器运行效果如图 2所示.从仪器故障排除后的第1～13天为崩溃阶段，此阶段完全以生活污水为进水基质，反应开始前无机碳质量浓度介于30~50 mg/L(图 2(c)).第1～5天，依然按照先前的参数运行反应器，设置HRT为100 min(图 2(d))，发现总氮去除率仅为23.9%(图 2(a))，COD去除率为45%(图 2(b))，出水无机碳质量浓度约10 mg/L；为提高总氮去除率，在第6～13天将HRT延长至190 min.由于反应时间的增加，总氮去除率也随之升高至53.0%，COD去除率升高至65%，但是作为自养菌细胞合成碳源的无机碳质量浓度已经不足5 mg/L，这可能会影响自养菌的脱氮效果.接下来的第14～49天为恢复阶段，在生活污水中投加100 mg/L的无机碳以促进AOB和AnAOB的活性，从而逐渐形成AOB和AnAOB对NOB的竞争优势，并将NOB淘汰出反应器.投加无机碳后的第15～28天，总氮去除率迅速由53.2%升至69.7%，总氮去除负荷也由崩溃阶段的0.178 g/(L·d)升至0.224 g/(L·d)；随后的第29～49天缩短HRT至160 min以继续提高总氮去除负荷，至第49天结束时总氮去除负荷已达0.299 g/(L·d)，总氮去除率达73.9%，COD去除率为61%.此阶段反应周期结束时，反应器内始终保持着40 mg/L以上的无机碳质量浓度，以避免无机碳源缺乏对反应器脱氮性能的限制.第50～91天为稳定运行阶段，将外加无机碳质量浓度降为60 mg/L，研究降低无机碳质量浓度后反应器能否稳定运行.此阶段，反应器出水无机碳始终保持在25 mg/L以上，反应器的脱氮除碳效果稳定，通过不断降低HRT以提高总氮去除负荷，最终在HRT=150 min的情况下，总氮去除率达74.9%，COD去除率为51%，总氮去除负荷达0.307 g/(L·d).目前已有应用于高氨氮废水领域的SNAD工艺(见表 3)，本实验无需高氨氮淘洗NOB，而是借助于高无机碳所形成的AOB对于NOB的竞争优势，实现了SNAD反应器在低氨氮条件下的稳定运行，且实现了较高的总氮去除负荷和总氮去除率.

2.2 无机碳对SNAD反应器内各菌群活性的影响

异养菌在降低SNAD出水硝氮过程中有重要作用，但是影响异养菌活性的主要因素是COD与氮比，而实验过程中COD与氮比几乎不变，因此，反硝化菌对于SNAD脱氮性能的提升影响不大.无机碳对于SNAD系统的影响主要是AOB、NOB以及AnAOB等自养菌的活性.

2.2.1 无机碳对AOB和NOB的影响

实验期间AOR的变化如图 3所示.阶段Ⅰ中进水无机碳仅为30~50 mg/L(为理论需要量的80%~130%)，致使出水无机碳不足，AOB的活性受到限制，AOR平均值仅为0.061 4 g/(g·d)，AOR较低导致亚硝化过程受阻，氨氮转化率仅为68.2%(图 4)，中间产物亚硝酸盐氮生成量不足，无法为厌氧氨氧化反应提供足够的基质，这将严重制约反应器的脱氮效果.阶段II中将无机碳源质量浓度升高至120~150 mg/L(为理论需要量的350%~410%)，AOB的活性得到提高，平均值升至0.073 7 g/(g·d)，氨氮转化率也随之升至78.3%.阶段Ⅲ中降低无机碳源质量浓度至90~110 mg/L(为理论需要量的250%~310%)，由于出水中依然保有25 mg/L以上的无机碳，AOB活性依然很高，AOR平均值达0.081 1 g/(g·d)，氨氮转化率也升至83.1%，反应器脱氮效果稳定.Guisasola A等^[14]的研究表明，无机碳对于AOB活性的影响服从莫诺方程式，而无机碳对于NOB的活性几乎无影响.因此，利用无机碳对于AOB和NOB活性影响的差异，通过供给充足的无机碳促进AOB的活性，以形成AOB对NOB的竞争优势，从而将NOB不断淘汰使得硝化反应控制在亚硝酸盐氮阶段.

出水硝酸盐氮和特征比可以有效揭示反应器内的NOB是否大量繁殖.阶段Ⅰ，反应器出水硝酸盐氮质量浓度平均值高达9.63 mg/L，占出水总氮的55%(图 5)，特征比(图 3)平均为2.18，表明无机碳质量浓度不足时，反应器内的AOB活性较低，无法形成对于NOB的竞争优势，导致出水硝酸盐氮大幅升高.阶段II，随着充足无机碳的加入，出水硝酸盐氮不断下降至5.23 mg/L，仅占出水总氮的33%，仅仅36 d内特征比快速升高至20以上，表明AOB活性的升高导致其对于NOB的竞争优势不断增强，使得出水硝酸盐氮大幅减少.阶段Ⅲ，继续保持充足的无机碳质量浓度，在HRT=150 min情况下，反应器出水硝酸盐氮进一步降低至2.89 mg/L，特征比最终稳定在20左右并持续运行31 d，由此表明反应器在长期充足无机碳条件下运行后，AOB对NOB的竞争优势使得NOB被淘洗出反应器.

阶段Ⅰ中游离氨质量浓度平均为0.41 mg/L，阶段II与Ⅲ中游离氨质量浓度平均分别为0.54和0.31 mg/L，而Anthonisen A C等^[21]认为游离氨对NOB抑制而对AOB不抑制的范围是1～10 mg/L，因此，游离氨在NOB淘汰过程中的作用并不大；此外，整个实验期间温度和表观气速维持稳定，对于NOB活性的影响并不大.反应器性能恢复前后，只有无机碳质量浓度的增加，表明充足无机碳对于SNAD工艺中NOB的有效抑制具有显著作用.Ma Yiwei等^[22]在无机碳质量浓度为理论需要量350%时实现了对NOB的有效抑制，当无机碳质量浓度降为理论需要量40%时，反应器内NOB大量繁殖，总氮去除率由78%下降至46%，经过长时间的恢复，系统内依然存有较高比例的NOB，上述实验结果进一步证明了无机碳对于形成AOB对NOB竞争优势的重要作用.相关研究^[23-26]表明，亚硝化过程是整个脱氮过程的限制步骤，通过投加无机碳以提高AOB活性有助于降低亚硝化反应对于整个脱氮过程的限制作用，从而提高总氮去除能力.

2.2.2 无机碳对AnAOB的影响

实验期间ANR的变化如图 3所示.阶段Ⅰ中由于无机碳质量浓度较低，限制了AnAOB的活性，ANR平均值仅为0.040 6 g/(g·d)；阶段II与Ⅲ中，随着无机碳的加入，ANR的平均值分别升高至0.051 5和0.065 9 g/(g·d).AnAOB活性的升高使得其与异养菌竞争基质的能力提升，有利于减轻反应器内COD对于自养菌活性的抑制，维持自养菌在反应器内的竞争优势.Yang Jiachun等^[15]通过向厌氧氨氧化反应器中投加充足的无机碳，使得短短32 d内总氮去除负荷由5.2 g/(L·d)迅速升高至11.8 g/(L·d).廖德祥^[27]在厌氧氨氧化反应器中研究了无机碳对于AnAOB的影响，结果表明，无机碳为1.0 g/L时，AnAOB活性受到抑制，氨氮和亚硝酸盐氮去除率仅为41.6%和46.2%，当无机碳升高至1.5 g/L时，氨氮和亚硝酸盐氮去除率迅速提高至83.6%和100%.上述研究成果均进一步表明无机碳对于AnAOB活性的促进作用.

2.3 无机碳对SNAD工艺恢复与稳定运行的意义

实现SNAD工艺稳定运行的关键在于将硝化反应控制在亚硝酸盐氮阶段，即抑制NOB的活性，避免短程硝化反应向全程硝化方向转变.对于如何抑制NOB的活性，研究者们主要采用高游离氨(FA)或亚硝酸(FNA)、低溶解氧或高温等手段，但是以上方法在实际应用中均有其局限性：如高游离氨依赖于较高的氨氮质量浓度和较高的温度，常温低氨氮时难以实现，而且微生物会对游离氨产生适应性^[28]；可以利用AOB比NOB对氧亲和力强的特点，采用低溶解氧实现AOB对NOB的竞争优势，但是低溶解氧也同时限制了AOB的活性，导致氨氧化率降低；高温需要消耗巨大的能源，对于实际污水处理并不现实.对NOB长久有效抑制策略的缺失，导致SNAD工艺在实际运行中出水硝酸盐氮不断增加进而崩溃的现象时有发生，且采用常规手段难以迅速有效地恢复^{[4, 8-10, 29]}.

本实验在低氨氮条件下通过投加充足的无机碳抑制NOB, 实现了生活污水SNAD工艺的恢复与稳定运行(稳定运行阶段实际无机碳质量浓度为理论需要量的250%~310%).投加无机碳的恢复成本为0.9元/t水(NaHCO₃价格以1 300元/t计)；采用投加高氨氮恢复方式的成本为1.45元/t水(按游离氨质量浓度提高至10 mg/L计，(NH₄)₂SO₄价格以1 100元/t计)；采用高温恢复方式的成本为9.2元/t水(按水温升高10℃计算，电费按0.8元/(kW·h)计).显然与高游离氨或高温的恢复方式相比，投加无机碳的恢复方式可以省去投加高氨氮造成的恢复费用，还可以大幅削减恢复过程中排入水体的氮负荷以及因加热水体而造成的巨大能源消耗.鉴于高游离氨、高温、低溶解氧等抑制策略在常温低氨氮污水处理领域的局限性，通过供给充足的无机碳实现AOB对NOB的竞争优势，继而将NOB淘洗的策略对于SNAD工艺应用于实际工程具有一定的经济价值和环保效益.

3 结论

1)向由于NOB增殖、出水硝酸盐氮升高而导致崩溃的SNAD反应器中投加无机碳，使得实际无机碳质量浓度为理论需要量的250%~410%.经78 d的恢复与稳定运行，总氮去除率由53%升高至75%，总氮去除负荷由0.176 g/(L·d)升至0.299 g/(L·d)，表明充足的无机碳有利于提高反应器的去除能力.

2)投加无机碳前后，好氧氨氧化活性(AOR)与厌氧氨氧化活性(ANR)分别由0.061 4和0.040 6 g/(g·d)升至0.081 1和0.065 9 g/(g·d)，表明无机碳可以有效促进AOB和AnAOB的活性.

3)在无机碳质量浓度为理论需要量的350%~410%的条件下运行36 d后，出水硝酸盐氮由12.1 mg/L下降至3.47 mg/L，特征比由2.31升高至20.77，表明充足的无机碳可以有效恢复由于出水硝酸盐氮升高而导致崩溃的SNAD系统.