根據2020年發布的《第二次全國污染源普查公報》，畜禽養殖業已成為農業源水污染物的主要排放源。通常畜禽養殖廢水多采用生物組合工藝處理，但傳統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，厭氧區有效容積為189m³；缺氧區分為缺氧1區和2區，有效容積均為472.5m³；好氧區有效容積為4972.5m³。好氧區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，采用分區進水策略，厭氧區、缺氧1區和缺氧2區的進水分配比約為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DO濃度為0.3~0.5mg/L；當鼓風機1停止工作后，好氧區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區混合液于100mL血清瓶中，控制氨氮和亞硝態氮濃度分別為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 常規水質指標測定方法
常規水質指標，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）的各反應區域（厭氧區、缺氧1區、缺氧2區和好氧區）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濃度并不穩定，但是由于其進水濃度下降，導致A2/O系統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，由于好氧區混合液回流和污泥回流的關系，導致高濃度硝態氮進入到厭氧區和缺氧區。通過投加外碳源，進水C/N值提高至2.83，強化了硝態氮的去除。由于投加的外碳源屬于可生物易降解類碳源，因此，第1階段厭氧區和缺氧區以反硝化脫氮為主。但在此區域發現有氨氮的去除，說明存在自養型脫氮。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%，說明自養型生物脫氮對總氮去除貢獻的占比得到了提高。
生豬養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型脫氮工藝而言，經厭氧處理后的畜禽養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，本研究通過調節風機頻率，減少曝氣量，維持好氧區的溶解氧濃度在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氮累積轉化為硝態氮。本研究通過嚴格控制好氧區溶解氧濃度，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，而低溶解氧的環境也使得厭氧氨氧化菌在好氧區進行自養脫氮成為可能。
2.2 工藝調控節能效果
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、缺氧1區、缺氧2區和好氧區的相對豐度分別為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勢，因此，人們常在污水處理廠發現此菌種。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和缺氧區微生物的全程反硝化脫氮作用，同時抑制了自養菌CandidatusBrocadia的活性，導致其在與反硝化菌競爭亞硝態氮底物時處于劣勢。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氮和進水中的氨氮進行脫氮，提高其在厭氧區和缺氧區的活性。在此基礎上，通過在好氧區調整鼓風機的啟停，使該區域處于間歇曝氣低溶解氧環境，這可以增強AOB的活性，抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的活性，產生的底物亞硝態氮可以迅速被厭氧氨氧化菌所利用，進而促進該區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，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等菌屬在厭氧區和缺氧區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。有研究發現，Ignavibacterium作為Chlorobi門中唯一的非光合營養性菌屬，可以在好氧或者缺氧環境中存活，并且在厭氧氨氧化脫氮過程中發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系統各反應區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中的短程硝化過程。此外，在好氧區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型脫氮，提高其活性，這也間接解釋了好氧區中自養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基因在厭氧區和缺氧1區的相對豐度都有所降低，而在缺氧2區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，以及厭氧區和缺氧區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180d的連續穩定運行表明，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：中國科學院生態環境研究中心環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室，中國科學院生態環境研究中心水污染控制實驗室，中國科學院大學資源與環境學院，安平縣弘嘉環保技術有限公司）
