0 引言

传统的生物脱氮技术即全程硝化-反硝化工艺，在硝化过程中需消耗大量的氧而在反硝化时需消耗大量的有机碳源，存在能耗大、时间长、有机负荷低等缺点。因此近年来的研究热点是以能耗低、时间短、能源回收为目标的可持续脱氮技术^[1,2,3]。

本课题组针对城市污水厌氧消化、短程硝化和厌氧氨氧化^[3,4,5]工艺的启动、稳定运行及其反应机理进行了多年的深入研究，结果表明对于城市污水尤其是低C/N比的污水，控制一定边界条件，可以稳定实现短程硝化-厌氧氨氧化。该自养脱氮技术为碳源日益匮乏的城市污水处理提供了一个新的思路。鉴于本工艺可以有效的去除污水中的TN，但缺乏对污水中有机物的有效利用，课题组将厌氧消化技术引入，实现了污水中有机物的甲烷化和自养脱氮双丰收。本文通过连续稳定运行的厌氧消化-短程硝化-厌氧氨氧化组合工艺的跟踪监测，对水处理系统中碳、氮的全程变化进行了解析。

本套处理流程是从污水自身能源开发利用和污水处理技术的革新两方面入手，以期实现污水处理的高效节能，从而高效利用污水中蕴含的大量清洁能源，降低城市污水处理能耗。试验装置及流程示意见图1所示。原污水先进入厌氧消化单元，在此将污水中的碳转化为甲烷并回收；而后出水进入中间水池，在此50%的出水进入下一处理单元—短程硝化；短程硝化出水与另外50%的厌氧消化出水同步进入厌氧氨氧化单元，实现自养脱氮。

本次试验所用的厌氧消化反应器（UASB）总高度2.5 m，其中反应区高度1.8 m，反应区体积200L。接种污泥采用成熟的厌氧消化污泥，接种污泥浓度为20g/L，分2次投加。进水为城市生活污水，并逐渐降低HRT直至驯化成功。运行中同步监测pH、COD、VFA、碱度以及产气的收集、测量、气体成分分析和反应器内污泥情况分布分析等。

本次试验所用的SBR短程硝化反应器高100cm、直径80cm，有效容积500L。试验所用污泥为前期已富集AOB菌种的活性污泥，AOB与NOB菌种数量比例为38∶1,SBR反应器运行周期为5.5h，污泥浓度为3 000mg/L。控制反应器内温度在30℃左右、进水pH为7.8～8。

本次试验所用的厌氧氨氧化反应器采用上向流滤池，内径100mm，高2m，有效容积为15.7L，填料为粒径2～5.5mm的火山岩滤料。反应器采用上向流生物滤池，试验所用菌种为已培养驯化成功的ANAMMOX菌种，ANAMMOX生物滤池反应器初始流速控制在2m/h，有效装填容积为15.7L。控制反应器内温度在30℃左右、进水pH 8左右。

试验用水采用城市生活污水，主要污染物浓度如下：COD 150～200 mg/L、NH₃-N 20～25mg/L、NO^-₃-N 0.03～0.30mg/L、pH 7.1～7.2。

水样分析项目的测定过程中：COD采用5B-3(C）型COD快速测定仪测量；NH₃-N质量浓度采用纳氏试剂光度法；NO₂^--N质量浓度采用N-(1-奈基）-乙二胺光度法；NO₃^--N质量浓度采用麝香草酚分光光度法；挥发性脂肪酸（VFA）及碱度采用VFA-碱度联合滴定法测定；气体成分采用气相色谱法测定；溶解氧DO采用WTW oxi330i多功能溶解氧在线测定仪测定；pH、温度采用在线pH和温度仪测定；MLSS采用TSS Portable便携式污泥浓度计测量；ORP采用HQ-40d测定仪。

图2为该组合工艺稳定运行30d后的进出水水质情况。由图2可见，在厌氧消化单元，COD去除率达到88.4%，出水VFAs含量较低，仅为1.5mg/L，未出现VFAs的积累，甲烷产率为0.122L/g，在正常范围内^[6]。

在短程硝化单元，NH₃-N去除率和NO₂-N累积率分别达到了94.4%和90.7%，是一个NH₃-N氧化率和NO₂^--N累积率实现“双高”的稳定短程硝化反应器；但同时出现了COD出水高于进水的现象，有别于传统硝化段被氧化为CO₂排出系统。这可能是由于短程硝化段控制了较低DO水平（<1mg/L），系统中可被利用的氧分子有限，而该反应器接种的是富含AOB菌种的活性污泥，从而出现氨氮对氧气的亲和力大于对有机物的；亦可能是由于DO和有机物的利用率较低，导致异养菌解体，出现了出水COD增高的现象。

在厌氧氨氧化单元，TN去除率达到89.6%，出水TN低至2.5 mg/L,NH₃-N和NO₂^--N的去除率分别为97.4%和94.8%。此段生化反应中，NH₃-N和NO₂^--N消耗量的比值为1∶0.98，低于厌氧氨氧化的理论值（1∶1.32）。这是由于反应器是个混培体系，存在多种反硝化菌种，有可能发生了同步硝化反硝化反应；另一方面，本流程处理的是城市生活污水，本单元进水中的NH₃-N和NO₂^--N浓度均为11.5mg/L，经厌氧氨氧化单元处理后，出水中的NH₃-N和NO₂^--N均已处于较低水平（出水NH₃-N和NO₂^--N分别为0.3mg/L、0.6mg/L）。

碳的平衡一般用COD的平衡来描述，对碳平衡的准确计算分析有助于评价系统碳排放水平、所需供氧量和自养脱氮消耗等水平，COD的平衡可用图3表示。

整个处理流程中，进水中的COD主要以3种形式离开系统：(1)出水；(2)转化为气体（CO₂/CH₄）排除；(3)生物氧化和反硝化作用去除。由图3中碳的物料平衡可以看出，COD主要是在厌氧消化段被去除，进水中88.4%的COD转化成CH₄排出系统。而短程硝化段由于其低溶解氧环境，微生物自溶等多种因素作用，出现液相中COD的增高（上升了16.9%）。厌氧氨氧化段液相中的COD仍有18.2%进一步被去除，这一阶段的主要是作用是厌氧氨氧化菌的自养脱氮反应需消耗碳源。

氮的平衡一般用TN的平衡来描述，脱氮的效率是该系统考察的重点，对氮平衡的准确计算分析有助于评价系统的反应效率，TN的平衡可用图4表示。由图4中氮的物料平衡可以看出，原污水中的TN主要在厌氧氨氧化段去除，该单元进水中89.6%的TN转化为N₂排出。而短程硝化段由于控制DO低于1.0mg/L、pH为偏碱性（7.99）的边界条件，致使部分NH₃-N(9.8%）发生了同步硝化反硝化和氨气吹脱等多种综合作用得以去除。此外，厌氧消化段由于其厌氧环境，进水中的TN不会被生物氧化转化为N₂逸出，但是污泥中的有机氮会被还原为NH₃-N，致使出水TN升高了5.1%。

本文采用分段式自养脱氮工艺，短程硝化段旨在控制边界条件实现最大化的亚氮积累，再通过调节厌氧氨氧化段的进水比例来控制进入反应器的NH₃-N与NO₂^--N比值，达到TN的高效去除。在该系统中TN经历了从NH₃-N氧化为NO₂^--N，再作为电子最终受体与剩余的NH₃-N进行反硝化产生N₂排出的反应路径。因此本文考察了每一个反应单元进出水中三氮（氨氮、亚氮和硝酸盐氮）的迁移转化规律，见图5。

由图5可以看出，进水经过厌氧消化段后，TN总量上升，但其氮素形态不变，仍以NH₃-N存在。在经过短程硝化段后，TN总量由于同步硝化反硝化和氨氮吹脱反应，有一定的损失。在经历短程硝化过程后，85%的NH₃-N被氧化为NO₂^--N、8.7%的NH₃-N被氧化为NO₃^--N，实现高效短程硝化。TN的去除主要发生在厌氧氨氧化段，此反应单元进水中的NH₃-N与NO₂^--N在厌氧氨氧化菌的作用下得以同步去除，同时产生少量的NO₃^--N，从而出现了89.6%的TN转化为N₂排出，出水中残余的TN浓度为2.5mg/L，且主要以NO₃^--N的形式存在。

由于氨氧化菌（AOB）、亚硝酸盐氧化细菌（NOB）和厌氧氨氧化菌（Anammox）存在生理特性的差异，使得短程硝化-厌氧氨氧化联合工艺运行过程中需严格控制各反应参数，才能实现高效稳定的脱氮^[7,8]。现有的研究表明^[9]pH是一个重要的动态参数，亚硝化过程是一个产生酸度的过程，厌氧氨氧化过程是一个产生碱度的过程，因此，需要控制各单元进水的pH浓度。

本文将短程硝化和厌氧氨氧化段的进水pH调至8左右，pH变化过程列于表1。由表1可见，pH在整个工艺过程中是呈现下降的趋势，为了保证反应速率，需对短程硝化段和厌氧氨氧化段进行了pH的调控，控制进水pH 8左右。

本文以城市生活污水为处理对象，用厌氧消化-短程硝化-厌氧氨氧化组合工艺稳态运行条件下的试验数据为基础，对组合工艺中的碳和氮素平衡情况进行了分析，得出如下结论。

原污水中的碳主要是在厌氧消化段（88.4%）被去除，且实现了高效甲烷化（甲烷化率达85.1%），部分COD在厌氧氨氧化段被自养消耗去除；氮主要是在厌氧氨氧化段被去除，原污水中89.6%的TN在此处被转化为N₂；在整个过程中，为了确保工艺的反应速率，对短程硝化段和厌氧氨氧化段进行了pH的调控，控制进水pH 8左右。

本套工艺采用厌氧消化实现了污水中碳源的能源化，同时为后段的厌氧氨氧化自养脱氮解除了COD的不利影响；通过只将部分厌氧消化的出水进行短程硝化，实现厌氧氨氧化单元进水中NH₃-N和NO₂-N浓度的合理配比，为自养脱氮提供更为适宜的反应基质，从而实现了整套工艺的高效自养脱氮。为城市污水中的能源再利用及污水的高效处理技术提供了一个新的思路。