廢水生物脫氮技術主要包括傳統的硝化反硝化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化（Anammox）和硫自養反硝化技術等，其中Anammox是在缺氧條件下，以氨氮為電子供體、亞硝酸鹽氮為電子受體，產生氮氣和少量硝酸鹽氮的過程。以此為基礎形成的短程硝化-厭氧氨氧化（PN/A）技術，能夠在不加碳源的條件下，實現高負荷自養脫氮，與傳統脫氮技術相比，具有低能耗、低成本、低污泥產量和高脫氮率的優勢。近年來，PN/A工藝已被廣泛應用于高氨氮廢水的處理。目前，PN/A工藝主要分為一體式和兩段式，一體式PN/A工藝可以在同一個反應器實現短程硝化和厭氧氨氧化脫氮，相比兩段式PN/A工藝，能夠節省基建投資且不容易產生底物抑制，受到研究者們的廣泛青睞。
餐廚發酵沼液、污泥厭氧發酵液、部分垃圾填埋場的廢水等，不僅含有高濃度的氨氮，還含有高濃度的有機物，這些有機物如果直接進入PN/A系統，容易導致異養菌大量繁殖，抑制厭氧氨氧化菌的活性，從而影響系統穩定性。此外，Anammox工藝過程會產生少量的硝酸鹽，PN/A工藝的理論TN去除率最高為89%，在進水NH4+-N濃度較高的情況下，出水NO3--N濃度仍較高，導致出水TN難以達標。如果將前置反硝化（DN）與一體式PN/A工藝結合用于處理此類高氨氮有機廢水，PN/A系統產生的NO3--N與原水中的COD進行反硝化反應，不僅有利于降低進水COD對PN/A系統的影響，在保證系統穩定性的同時還可以進一步提高TN去除率。此外，現有的一體式PN/A工藝多采用序批式反應器，不能連續運行，通常需增設中間池，控制比較復雜。筆者所在課題組前期開發的氣升環流一體式PN/A反應器可以實現氨氧化菌（AOB）和厭氧氨氧化菌（AnAOB）的快速富集以及亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的有效抑制，具有反應分離一體化、傳質效率高、脫氮效率快等優點，且能夠連續運行。
針對傳統一體式PN/A工藝處理高氨氮有機廢水時存在有機物抑制、傳質效率低、運行控制復雜等問題，筆者提出一種耦合前置反硝化的一體式PN/A（DN-PN/A）工藝，并將其用于某垃圾填埋場綜合廢水的處理，在不同回流比條件下運行91d，考察該工藝的脫氮除碳性能和運行穩定性，并通過碳氮去除貢獻、氮平衡計算以及微生物分析探究該工藝的脫氮路徑和過程，旨在為高氨氮有機廢水處理提供一種節能、高效、經濟且運行穩定的技術路線，并為該技術的實際工程應用提供參考。
1、材料與方法
1.1 實驗裝置及運行方式
實驗裝置見圖1，主要包括DN反應器和一體式PN/A反應器。DN反應器材質為高密度聚乙烯（HDPE），有效容積為35L，內置固定化聚酯纖維生物膜填料，填充率為30m2/m3。一體式PN/A反應器材質為有機玻璃，直徑為0.3m、高為1.0m，有效容積為70L。PN/A反應器底部設有曝氣器，頂部設有環流澄清器以實現同步沉淀分離及出水，中部設有擋板可以形成環流反應區以加強傳質效果。廢水先通過蠕動泵進入DN反應器底部，再經由DN反應器頂部進入PN/A反應器底部，最后通過PN/A反應器頂部旁路通道溢流出水，其中一部分出水回流至DN反應器，回流比可通過蠕動泵調節。
系統進水流量為60L/d，DN反應器和一體式PN/A反應器的水力停留時間（HRT）分別為14h和28h。DN-PN/A耦合工藝系統共運行91d，分為2個階段，每個階段的運行參數如表1所示。階段Ⅰ（1~76d）的回流比為200%，在進水NH4+-N濃度較高的條件下，通過精準控制曝氣逐漸提升PN/A反應器中厭氧氨氧化活性，并通過回流促進DN反應器內反硝化的進行；在該階段的第14~22天由于實際廢水不足，采用自配水作為進水。階段Ⅱ（77~91d）的回流比為300%，探究不同回流比對DN-PN/A耦合工藝脫氮效率和運行穩定性的影響。
1.2 實驗用水和接種污泥
實驗用水為深圳市某垃圾填埋場綜合廢水，其氨氮濃度較高且含有一定量的有機物，COD為194~563mg/L、NH4+-N為639~766mg/L、TN為644~776mg/L、TP為2.45~2.70mg/L、pH為7.6~8.0。
DN反應器接種污泥取自深圳市某污水處理廠生化池絮狀污泥，接種后污泥掛膜量為177.3g/m2。一體式PN/A反應器接種污泥為實驗室培養的Anammox污泥和某污水處理廠生化池絮狀污泥，接種后Anammox顆粒污泥濃度為1263mg/L，絮狀污泥濃度為1182mg/L，總污泥濃度為2445mg/L。
1.3 分析項目與檢測方法
NH4+-N：納氏試劑分光光度法；NO2--N：N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法；NO3--N：紫外分光光度法；TN：堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；COD：重鉻酸鹽法；MLSS：重量法；pH：pH計；DO：溶解氧測定儀。
1.4 氮平衡計算方法
參照Zhang等提出的化學計量方程反應式對一體式PN/A系統進出水氮素指標進行氮平衡計算，以確定PN/A反應器的氮素轉化量和脫氮途徑。脫氮系統的氮素轉化主要考慮氮的氨氧化、亞硝鹽氧化、反硝化和厭氧氨氧化。
1.5 微生物群落結構及豐度測定
在系統每個階段運行后期，從一體式PN/A反應器采集不同階段的代表性污泥樣品，分析系統長期運行過程中微生物的群落結構變化。取階段Ⅰ（第71天）和階段Ⅱ（第89天）混合均勻的污泥樣品，使用恒溫高速離心機于3000r/min轉速下離心10min，去除上清液后寄送至上海美吉生物醫藥科技有限公司進行微生物多樣性分析。首先，利用DNA試劑盒提取污泥樣品的DNA，并選用16SrDNAV3-V4區域的引物進行PCR擴增，擴增產物通過IlluminaMiSeq平臺進行高通量測序，測序結果在美吉生物云平臺進行分析。
2、結果與討論
2.1 DN-PN/A耦合工藝的脫氮除碳性能
DN-PN/A耦合工藝進出水氮素濃度變化如圖2所示，氨氮去除率（ARE）、總氮去除率（NRE）和總氮負荷（NLR）、總氮去除負荷（NRR）如圖3所示。
階段Ⅰ，在系統的進水NH4+-N平均濃度為698.29mg/L、NLR平均為0.40kg/（m3·d）、回流比為200%條件下，系統運行初期（1~15d），出水NH4+-N濃度逐步降低，出水NH4+-N和TN濃度分別可達到20和70mg/L以下，說明DN-PN/A耦合工藝啟動良好。第31天，進水更換為從項目取回的新一批廢水，水質略有波動，導致系統未能及時適應，運行一周后，系統的ARE和NRE逐步恢復。42d后，ARE和NRE在較小范圍內變化，并逐漸趨于穩定，說明此時反應器中的微生物已基本適應了進水水質，能夠保持較穩定的脫氮效果。該階段后期（68~76d），ARE和NRE分別可以保持在96%和88%以上，NRR可達到0.37kg/（m3·d）以上。
為了進一步提高DN-PN/A耦合工藝的TN去除率，在階段Ⅱ將回流比增至300%，以提高DN對TN的去除效果。結果表明，在系統進水NH4+-N平均濃度為739.55mg/L、NLR平均為0.42kg/（m3·d）、回流比為300%的條件下，出水NH4+-N、NO2--N和NO3--N濃度分別可穩定在6、2和34mg/L以下，出水TN濃度穩定低于40mg/L，出水氮濃度滿足《生活垃圾填埋場污染控制標準》（GB16889—2008）。此階段平均ARE、NRE和NRR分別為95.84%、92.55%和0.39kg/（m3·d），穩定運行后期，ARE、NRE、NRR分別可達到99%、95%、0.40kg/（m3·d）左右，說明提高系統回流比能夠有效提升耦合工藝的脫氮效果。Miao等采用DN-PN-ANAMMOX工藝處理老齡垃圾滲濾液，NRE最高可以達到90%；Daverey等采用一體式SNAD工藝（SBBR反應器）處理高氨氮廢水，NRE和NRR最高可以達到88%和0.33kg/（m3·d）。該研究將DN反應器和一體式PN/A反應器串聯，充分利用原水中的有機物將回流液中的NOx--N通過前置反硝化去除，相比傳統的分段式DN-PN-ANAMMOX工藝和一體式PN/A序批式工藝，可以實現更好的NH4+-N和TN去除效果，達到深度脫氮目的。
圖4為DN-PN/A耦合工藝進出水COD濃度變化。在階段Ⅰ，第14~22天由于實際廢水不足，采用自配水作為進水，可生化性COD較多，因此，這段時間COD去除率大幅上升，之后采用實際廢水作為進水，系統逐漸恢復到原來的狀態，COD去除率穩定在20%左右。從階段Ⅰ到階段Ⅱ，進水COD有逐步上升趨勢，但出水COD基本穩定在200mg/L左右，說明DN-PN/A耦合工藝的COD去除率逐漸上升，從階段Ⅰ后期的48%提高至階段Ⅱ后期的58%，與上述氮素去除性能變化趨勢相一致，表明提高系統回流比能同時提高TN和COD的去除率。陳小珍等研究發現，在UASB-PN-ANAMMOX組合工藝中，系統對COD的去除主要是由于UASB反應器的反硝化作用，COD去除率約為40%~50%。本研究中DN-PN/A耦合工藝系統在穩定運行階段能夠達到較高的COD去除率，說明DN反應器能夠充分利用原水中的易降解COD進行反硝化反應，另外通過增加回流比可以強化反硝化作用，進一步提高ARE、NRE和NRR。
2.2 DN和PN/A反應器的碳氮去除貢獻
在本研究中，PN/A反應器主要用于生物脫氮，DN反應器主要用于去除COD。從階段Ⅰ到階段Ⅱ，DN-PN/A耦合系統的TN和COD平均去除率整體呈上升趨勢。其中，DN反應器在階段Ⅰ和階段Ⅱ的TN平均去除率分別為9.84%和12.35%，COD平均去除率分別為20.80%、35.52%，對TN和COD的去除貢獻率分別由階段Ⅰ的11.59%和61.60%增加至階段Ⅱ的13.18%和64.87%，說明提升回流比有利于增強DN反應器的反硝化脫氮除碳性能，進而提高DN-PN/A耦合系統的TN和COD去除率。PN/A反應器在階段Ⅰ和階段Ⅱ的TN平均去除率分別為75.31%和81.34%，COD平均去除率分別為11.71%、19.24%，TN去除效果逐漸增強，說明DN反應器的反硝化作用增加，減少了進水COD對后續PN/A的影響，有助于促進PN/A系統AnAOB活性的提高，從而提升PN/A系統的TN去除率。
2.3 一體式PN/A反應器的脫氮機理
2.3.1 脫氮路徑
為了更清晰地了解PN/A反應器的脫氮效果及穩定性，分別選取階段Ⅰ和階段Ⅱ中PN/A反應器的進出水氮素平均濃度進行氮平衡分析，得出不同階段一體式PN/A反應器的氮素轉化路徑，結果見圖5。在階段Ⅰ和階段Ⅱ分別約有52.38%和51.87%的進水NH4+-N（135.72和96.94mg/L）通過AOB的短程硝化作用轉化為NO2--N，同時伴隨著低活性NOB的硝化作用，分別約有1.92和15.99mg/L的NO2--N轉化為NO3--N；在反硝化菌（DNB）的異養反硝化作用下，分別約有0.11和15.60mg/L的NO3--N轉化為NO2--N，最終分別約有8.13和0.16mg/L的NO2--N通過反硝化生成N2而被去除。另外，通過AnAOB的厭氧氨氧化作用，在階段Ⅰ約有93.75mg/L的NH4+-N和123.75mg/L的NO2--N發生反應生成N（2191.25mg/L）和NO3--N（24.38mg/L）；在階段Ⅱ約有71.41mg/L的NH4+-N和94.26mg/L的NO2--N發生反應生成N2（145.68mg/L）和NO3--N（18.57mg/L）。此外，在氮素轉化過程中，階段Ⅰ和階段Ⅱ分別約有一小部分的NH4+-N（7.60和5.68mg/L）被AOB、NOB、AnAOB和DNB同化，以有機氮的形式儲存于微生物體內，用于其自身生長。
綜合以上氮素質量平衡分析結果，可以得出以下結論：①PN/A反應器中進水TN最終包括3個去向，分別是以N2形式被微生物去除、以有機氮形式被微生物同化和在出水中殘留，階段Ⅰ中3種形式的TN去向占比分別為76.94%、2.93%和20.13%，階段Ⅱ中3種形式的TN去向占比分別為78.04%、3.04%和18.92%。②PN/A反應器生物脫氮過程中，階段Ⅰ有95.92%的TN通過Anammox去除，4.08%的TN通過反硝化作用去除；階段Ⅱ有99.9%的TN通過Anammox去除，0.1%的TN通過反硝化作用去除。從階段Ⅰ到階段Ⅱ，PN/A反應器的厭氧氨氧化脫氮貢獻率增加，反硝化脫氮貢獻率降低，說明提升系統回流比有利于降低進水中可生化COD對PN/A反應器的影響，抑制PN/A反應器中反硝化反應的進行，保障PN/A系統穩定性的同時提高厭氧氨氧化脫氮效率。
2.3.2 微生物群落結構變化
一體式PN/A反應器不同階段微生物群落在屬水平上的相對豐度變化如圖6所示。
一體式PN/A反應器中存在兩種AOB，分別是Nitrosomonas和Ellin6067，在階段Ⅰ中的相對豐度分別為0.98%和0.40%，在階段Ⅱ中的相對豐度分別為0.82%和0.92%；相比階段Ⅰ，階段Ⅱ的AOB總相對豐度有所上升，由1.38%升至1.74%。反應器中存在的NOB主要為Nitrospira，從階段Ⅰ至階段Ⅱ，NOB的相對豐度有所下降，由0.89%降低至0.44%。以上結果表明，在一體式PN/A反應器中AOB活性增強，而NOB被有效抑制，因此PN/A系統在階段Ⅱ可以實現比較穩定的短程硝化過程，從而提高厭氧氨氧化反應效率。
厭氧氨氧化反應器中常見的AnAOB屬主要為Candidatus_Brocadia和Candidatus_Kuenenia，從圖6可以看出，一體式PN/A反應器中檢出的AnAOB屬僅有Candidatus_Kuenenia，其相對豐度呈現上升趨勢，由階段Ⅰ的2.14%增至階段Ⅱ的2.85%，說明隨著反應器的運行，AnAOB逐漸適應實際廢水水質，得到有效富集，發揮厭氧氨氧化活性，因此反應器在階段Ⅱ表現出較好的脫氮效果和穩定性。
PN/A反應器內還存在具有反硝化脫氮功能的Denitratisoma和Thauera，在階段Ⅰ中的相對豐度分別為9.72%和2.88%，在階段Ⅱ中的相對豐度分別為5.49%和0.48%，可以看出，從階段Ⅰ至階段ⅡDNB整體豐度明顯下降，說明提高回流比有助于降低PN/A反應器內異養菌活性，促使厭氧氨氧化自養菌處于競爭優勢，提高厭氧氨氧化脫氮效率。
另外，PN/A反應器內同時還存在較高豐度的其他異養菌（OHO），主要為Limnobacter。研究發現，Limnobacter屬于Proteobacteria菌門，可與AnAOB共生，并且可以保護AnAOB免受外界干擾，因此反應器內Limnobacter的存在一定程度上能夠增強系統穩定性，從階段Ⅰ至階段ⅡLimnobacter的相對豐度由0.91%升至2.21%，這可以解釋PN/A反應器在階段Ⅱ表現出更穩定高效的脫氮性能。
綜上，結合一體式PN/A反應器的脫氮路徑可以得出，PN/A反應器主要通過AOB（Nitrosomonas和Ellin6067）和AnAOB（Candidatus_Kuenenia）的協同作用實現對廢水中TN的穩定去除。在階段Ⅱ提升系統回流比，PN/A反應器內的厭氧氨氧化自養菌活性增強，反硝化異養菌處于競爭劣勢，因此在該階段PN/A反應器實現了較高的厭氧氨氧化脫氮貢獻率，說明前置DN反應器能夠有效降低進水中可生化COD對PN/A反應器的影響，保障PN/A反應器厭氧氨氧化脫氮反應的穩定運行，強化厭氧氨氧化脫氮效率，這印證了2.2節的結果。
2.4 DN-PN/A耦合工藝的優勢分析
深圳市某垃圾填埋場綜合廢水現有處理工藝為A/O+A/MBR，由于垃圾填埋場綜合廢水的C/N值較低，因此實際處理過程中需要投加大量碳源以維持硝化反硝化脫氮過程的進行。根據調研，A/O+A/MBR工藝處理垃圾填埋場綜合廢水，每天需投加復合碳源5kg/m3，碳源消耗成本為12.5元/m3；另外，該工藝采用浸沒式MBR工藝，在運行過程中容易發生膜污染，需要定期沖刷清洗膜表面，同時膜組件需定期更換，這都需要額外的藥劑費用和膜組件更換費用。
本研究采用DN-PN/A耦合工藝處理垃圾填埋場綜合廢水，能夠實現TN的高效穩定去除，出水水質可穩定達到《城市生活垃圾填埋場污染控制標準》（GB16889—2008），相比現有A/O+A/MBR工藝，DN-PN/A耦合工藝無需外加碳源，運行維護簡單，節省碳源費用的同時可大幅降低整體運營成本，為高氨氮有機廢水的處理提供了一種經濟、低碳、高效的工藝路線。
3、結論
①開發了一種DN-PN/A耦合工藝，用于垃圾填埋場綜合廢水的處理，出水NH4+-N和TN濃度可穩定低于25和40mg/L，符合《生活垃圾填埋場污染控制標準》（GB16889—2008），TN去除率可以達到95%，TN去除負荷可達到0.40kg/（m3·d）左右。
②在DN-PN/A耦合工藝中，前置DN反應器主要實現COD的去除，提高回流比可有效增強DN反應器的反硝化，減少進水COD對PN/A反應器的影響，保障PN/A反應器中厭氧氨氧化穩定運行的同時，有效提高系統的TN和COD去除率；PN/A反應器主要實現高效生物脫氮，通過AOB（Nitrosomonas和Ellin6067）和AnAOB（Candidatus_Kuenenia）的協同作用實現TN的穩定高效去除。
③相比現有的A/O+A/MBR工藝，DN-PN/A耦合工藝能夠在無需外加碳源、節省運行成本的基礎上實現垃圾填埋場綜合廢水處理出水的穩定達標，具有較好的應用前景。（來源：哈爾濱工業大學<深圳>生態環境學院，清研環境科技股份有限公司，深圳市下坪環境園，深圳市利賽環保科技有限公司）
