好氧顆粒污泥NEREDA工藝的應用進展
http://www.water.hc360.com2016年02月20日10:01 來源：IWA國際水協(xié)會T|T
慧聰水工業(yè)網(wǎng) 針對傳統(tǒng)活性污泥法中污泥膨脹導致沉降性能下降這一難題，荷蘭TUDelft大學的MarkvanLoosdrecht教授從20世紀90年代起開始研究好氧顆粒污泥技術(shù)。目前，已經(jīng)有諸多的應用案例證明好氧顆粒污泥技術(shù)在很多方面優(yōu)于傳統(tǒng)活性污泥工藝。好氧顆粒污泥優(yōu)異的沉降性能有益于保持更多的微生物量、更高的微生物濃度、更合理的微生物群落結(jié)構(gòu)、更強的抗沖擊負荷能力、更小的占地面積。荷蘭公司DHV(RoyalHaskoningDHV)正在以Nereda作為技術(shù)品牌，對好氧顆粒污泥技術(shù)進行商業(yè)化推廣。
Nereda技術(shù)的第一個應用是在荷蘭的一家奶酪廠，將牛奶儲罐改造為污水池，日處理規(guī)模250立方米。在2008年，世界上第一個應用Nereda®工藝的市政污水廠是在南非的Gansbaai。隨著該技術(shù)的日漸成熟，目前DHV公司在全球擁有20多個在市政污水中應用Nereda工藝的合同。DHV公司已經(jīng)正在巴西獲得了多個合同，其中包括在Limeira設計規(guī)模為517,000PE(57,024m3/day)和在里約熱內(nèi)盧設計規(guī)模為480,000PE(86,400m3/day)的兩座污水廠。
1、南非Gansbaai污水處理廠
設計規(guī)模為5000立方米/天，出水經(jīng)過消毒后，作為灌溉用水回用。出水水質(zhì)見下表。
南非Gansbaai污水處理廠出水水質(zhì)
2、荷蘭Epe污水處理廠
設計規(guī)模為1500立方米/小時，在2011年投產(chǎn)。設計運行溫度范圍為8-25°C。該廠滿足荷蘭關(guān)于出水水質(zhì)、污泥處理、化學藥劑使用以及能耗等方面的所有標準。包括砂濾和污泥處理系統(tǒng)在內(nèi)，該廠已經(jīng)成為荷蘭全國能耗最低的市政污水廠，并完全滿足荷蘭總氮小于5mg/L,總磷小于0.3mg/L的出水濃度限值。該廠證明Nereda工藝能降低25%的投資和運行費用，有更強的抗沖擊負荷。在pH達到10的條件下（短期工業(yè)污水混入），也能穩(wěn)定運行。該廠的水質(zhì)見下表。
荷蘭Epe污水處理廠水質(zhì)
下面圖表中的數(shù)據(jù)表明，即使在平均水溫為10°C的冬季，Nereda好氧顆粒污泥系統(tǒng)也能正常平穩(wěn)地啟動。
NEREDA好氧顆粒污泥工藝在平均水溫為10°C的冬季也能正常平穩(wěn)地啟動
下面圖表顯示了冬季期間啟動Nereda系統(tǒng)時出水中氮和磷的變化。經(jīng)過近4個月的啟動達到平穩(wěn)后，出水中的氨氮和總磷均小于0.5mg/L。
冬季期間啟動Nereda系統(tǒng)時出水中氮和磷的變化
污水廠的運行數(shù)據(jù)表明Nereda工藝能顯著降低能耗。Epe污水廠基于傳統(tǒng)活性污泥法的原工藝能耗可達每天3500kWh,而使用Nereda工藝后，每日的能耗已經(jīng)降低到2000-2500kWh。
3、葡萄牙Frielas污水廠
設計處理規(guī)模為70000立方米/天。自1997年運行以來，一直為大里斯本地區(qū)的25萬人口提供服務。為了提高運行能力，在后期的改造升級中，將6個平行的活性污泥系統(tǒng)中的一個改造為好氧顆粒污泥Nereda工藝，池容1000立方。
葡萄牙Frielas污水廠
慧聰水工業(yè)網(wǎng) 針對傳統(tǒng)活性污泥法中污泥膨脹導致沉降性能下降這一難題，荷蘭TUDelft大學的MarkvanLoosdrecht教授從20世紀90年代起開始研究好氧顆粒污泥技術(shù)。目前，已經(jīng)有諸多的應用案例證明好氧顆粒污泥技術(shù)在很多方面優(yōu)于傳統(tǒng)活性污泥工藝。好氧顆粒污泥優(yōu)異的沉降性能有益于保持更多的微生物量、更高的微生物濃度、更合理的微生物群落結(jié)構(gòu)、更強的抗沖擊負荷能力、更小的占地面積。荷蘭公司DHV(RoyalHaskoningDHV)正在以Nereda作為技術(shù)品牌，對好氧顆粒污泥技術(shù)進行商業(yè)化推廣。
Nereda技術(shù)的第一個應用是在荷蘭的一家奶酪廠，將牛奶儲罐改造為污水池，日處理規(guī)模250立方米。在2008年，世界上第一個應用Nereda®工藝的市政污水廠是在南非的Gansbaai。隨著該技術(shù)的日漸成熟，目前DHV公司在全球擁有20多個在市政污水中應用Nereda工藝的合同。DHV公司已經(jīng)正在巴西獲得了多個合同，其中包括在Limeira設計規(guī)模為517,000PE(57,024m3/day)和在里約熱內(nèi)盧設計規(guī)模為480,000PE(86,400m3/day)的兩座污水廠。
1、南非Gansbaai污水處理廠
設計規(guī)模為5000立方米/天，出水經(jīng)過消毒后，作為灌溉用水回用。出水水質(zhì)見下表。
南非Gansbaai污水處理廠出水水質(zhì)
2、荷蘭Epe污水處理廠
設計規(guī)模為1500立方米/小時，在2011年投產(chǎn)。設計運行溫度范圍為8-25°C。該廠滿足荷蘭關(guān)于出水水質(zhì)、污泥處理、化學藥劑使用以及能耗等方面的所有標準。包括砂濾和污泥處理系統(tǒng)在內(nèi)，該廠已經(jīng)成為荷蘭全國能耗最低的市政污水廠，并完全滿足荷蘭總氮小于5mg/L,總磷小于0.3mg/L的出水濃度限值。該廠證明Nereda工藝能降低25%的投資和運行費用，有更強的抗沖擊負荷。在pH達到10的條件下（短期工業(yè)污水混入），也能穩(wěn)定運行。該廠的水質(zhì)見下表。
荷蘭Epe污水處理廠水質(zhì)
下面圖表中的數(shù)據(jù)表明，即使在平均水溫為10°C的冬季，Nereda好氧顆粒污泥系統(tǒng)也能正常平穩(wěn)地啟動。
NEREDA好氧顆粒污泥工藝在平均水溫為10°C的冬季也能正常平穩(wěn)地啟動
下面圖表顯示了冬季期間啟動Nereda系統(tǒng)時出水中氮和磷的變化。經(jīng)過近4個月的啟動達到平穩(wěn)后，出水中的氨氮和總磷均小于0.5mg/L。
冬季期間啟動Nereda系統(tǒng)時出水中氮和磷的變化
污水廠的運行數(shù)據(jù)表明Nereda工藝能顯著降低能耗。Epe污水廠基于傳統(tǒng)活性污泥法的原工藝能耗可達每天3500kWh,而使用Nereda工藝后，每日的能耗已經(jīng)降低到2000-2500kWh。
3、葡萄牙Frielas污水廠
設計處理規(guī)模為70000立方米/天。自1997年運行以來，一直為大里斯本地區(qū)的25萬人口提供服務。為了提高運行能力，在后期的改造升級中，將6個平行的活性污泥系統(tǒng)中的一個改造為好氧顆粒污泥Nereda工藝，池容1000立方。
葡萄牙Frielas污水廠
由于系統(tǒng)在冬季開始啟動，并且來水中有機物相對較低（COD小于300mg/L），啟動時間相對較長，達到穩(wěn)定較慢。在成功啟動并穩(wěn)定運行后，Nereda工藝的SVI30約40mL/g，SVI5小于60mL/g。顆粒污泥占比80%以上，污泥濃度可達6-8g/L。相比原傳統(tǒng)活動污泥系統(tǒng)，改造后的Nereda系統(tǒng)能顯著減低能耗。圖表四（Figure4）中對比了在相同曝氣系統(tǒng)設備的工況下，Nereda和傳統(tǒng)活性污泥法（AS）平行兩套工藝對鼓風機風量的需求。長期的運行結(jié)果表明，Nereda工藝能耗約為0.35kWh/kgCOD,比傳統(tǒng)工藝降低約30%。
在相同曝氣系統(tǒng)設備下，Nereda和傳統(tǒng)活性污泥法（AS）平行兩套工藝對鼓風機風量的需求
4、荷蘭Garmerwolde污水廠
Garmerwolde污水廠服務周邊37.5萬人口。自2005年，由于出廠水中營養(yǎng)鹽濃度無法達到當?shù)氐呐欧艠藴�，污水廠不得不進行擴建升級。Garmerwolde污水廠額外新增了處理能力為9500立方（15萬人口當量）的Nereda系統(tǒng)，使該廠日處理能力提高到30,000立方米，高峰時流量為4200立方米/小時。擴建工程自2013年開始運行投產(chǎn)。出水水質(zhì)完全滿足排放標準要求（TN小于7mg/L；TP小于1mg/L）。該污水廠Nereda系統(tǒng)比傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)的能耗降低了50-60%。
荷蘭Garmerwolde污水廠
為何快速擴張的Nereda好氧顆粒污泥工藝獨自繞開中國本土
前幾天文章，介紹了Nereda好氧顆粒污泥技術(shù)在巴西Rio de Janeiro - Deodoro WWTP的應用。實際上，對于Nereda而言，世界范圍內(nèi)已經(jīng)有大概30座不同規(guī)模的好氧顆粒污泥廠在運行或建設中。
大家目前無法想象也尚無法準確預測，未來幾年，這幅標志性的Nereda少女頭像會繼續(xù)飛舞在多少個國家。
可是，非常遺憾的是，早些年風風火火將卡魯塞爾氧化溝做遍全中國的擁有Nereda®技術(shù)的荷蘭DHV公司，面對中國這樣龐大的水務市場，為何不選擇中國?據(jù)接觸DHV的國內(nèi)行業(yè)專家透露，DHV堅決不會將Nereda技術(shù)推廣到中國大陸。
這里面有怎樣的故事和思考?令人費解?是因為專利壁壘還是因為DHV擔心此技術(shù)一旦進入中國會很快被復制?
也有很多業(yè)內(nèi)人士扼腕嘆息，唐唐偌大的中國污水處理市場，我們?yōu)楹尾荒茏约洪_發(fā)? !但是，我們中國，至少今天為止，很遺憾，我們的科技工作者尚沒有真正的成功建設一座國際公認的、穩(wěn)定運行的采用好氧顆粒污泥技術(shù)的污水廠。
實踐證明，在好氧顆粒污泥污泥技術(shù)的應用上，無可否認的現(xiàn)實，我們已經(jīng)被國際先進水平遠遠甩過不知道幾條街了。然而，中國污水處理并沒有停止自己的步伐，我們在另一條技術(shù)路線上飛奔，就是我們在鍥而不舍追隨主流厭氧氨氧化技術(shù)(Mainstream Deammonification;Mainstream partial nitritation and anammox )，這似乎成為了我們國內(nèi)頂尖級技術(shù)團隊的夢想。
荷蘭Delft大學的Mark Van Loosdrecht，世界公認的污水處理頂級權(quán)威，Sharon、Anammox、好氧顆粒污泥技術(shù)、上述可持續(xù)污水處理技術(shù)的開發(fā)及工程化幾乎成為了Mark的象征及代名詞，更被認為是這個領域最具想象力和天才的科學家。
Mark于2014年在《科學》雜志撰文，“Anticipating the next century of wastewater treatment”。
該文章高屋建瓴，展示了未來污水處理的發(fā)展方向，就是改善污水處理過程的能耗并進行資源回收。論文對好氧顆粒污泥(aerobic granular sludge)應用前后進行了相對較多的文字描述;而對于他的永遠一件紅色外套的象征符號Anammox技術(shù)，僅僅只是一句話提到了厭氧氨氧化 “With the recent advance of Anammox technology,a net energy-producing treatment plant, including effective nutrient removal, is becoming feasible.” 全文對主流厭氧氨氧化只字未提。這是否意味著，Mark對低水溫低氨氮濃度市政生活污水的主流厭氧氨氧化心中并沒有底兒，至少在此文發(fā)表之前，他還不敢斷論，以后主流厭氧氨氧化能實現(xiàn)穩(wěn)定的工程化應用、并能成為未來的污水處理的主流工藝?!
但是，Mark不知道自己是否意識到，他實際上不知不覺中，同時開啟并創(chuàng)造了面向下一個百年的污水處理工藝的兩條技術(shù)路線，一條是好氧顆粒污泥，另一條是主流厭氧氨氧化。然而，不知道他是否意識到，他自己已經(jīng)是“打左轉(zhuǎn)向卻右拐彎”了，而相當一部分Mark謎們已經(jīng)被他的紅色外衣迷惑了雙眼，全然沒有意識到Mark已經(jīng)調(diào)整了航向，Mark謎們卻還在主流厭氧氨氧化的技術(shù)路線上奮勇向前!
為何Anammox在側(cè)流取得成功，在主流尤其是低溫、低氨氮濃度下的生活污水處理領域為何這樣艱難呢?而科技工作者們卻為實現(xiàn)這個主流上的應用此樂此不疲呢?
或許就是因為，Mainstream Deammonification是人類目前技術(shù)視野內(nèi)的污水處理領域皇冠上之明珠!璀璨奪目，然而卻又看上去那么遙不可及，才那樣有魅力!但是，我們不能以藝術(shù)家的思維來解決工程技術(shù)問題。
看看荷蘭Delft大學在2016年發(fā)布的最新的技術(shù)報告《Developing Anammox for mainstream municipal wastewater treatment》里提及“【The main challenge for applying anammox in the main-stream of a wastewater treatment plant (WWTP) is to achieve a high rate process with good biomass retention and low effluent nitrogen concentration at low water temperatures. A very large decrease in specific anammox activity has been reported after lowering the temperature of reactors operated at warm temperatures (>25 °C)】現(xiàn)有的研究結(jié)果驗證，Anammox適合于相對較高的水溫環(huán)境，最好要不低于25攝氏度，低于此水溫后，其活性會驟降。看看其公布的研究數(shù)據(jù)：
可以看到水溫對Anammox生物活性的顯著影響。文章給出的結(jié)論【Overall these observations suggest that the conventional method to consider the effect of dynamic variations of the operative temperature on anammox activity cannot be reliably used when exploring the low temperature range (<15°C).】看來，這個15度水溫是一個不能再低的極限。顯然，這個水溫對應中國大多數(shù)地區(qū)，在冬季是無法滿足的，甚至即使在江淮流域，冬季水溫有時候甚至不可思議的在10度附近。按目前的技術(shù)水平，上述地域根本不具備實施主流厭氧氨氧化的現(xiàn)實條件，當然技術(shù)在快速發(fā)展，筆者不排除不久的將來，科學家們可以找出克服低水溫對Anammox的影響，但是，至少5年之內(nèi)，在中國尚看不到工程應用的希望，太多太多的Anammox主流實施涉及到的科學問題、工程技術(shù)問題還都是未知數(shù)。
很有意思的現(xiàn)象。我們看到通往未來可持續(xù)污水處理的發(fā)展之路，Mainstream Deammonification和Aerobic granular sludge，這兩條路始于一個出發(fā)點，但是卻似乎平行延伸至無限遠，實際技術(shù)發(fā)展中，我們已經(jīng)看到，這兩條路在很遠很遠的地方出現(xiàn)交叉和匯集，這2種技術(shù)的交融，不知道未來會為我們帶來什么樣的福音?
回到文章的開頭，有誰知道，這兩條路，是Mark在設計的迷宮，還是康莊大道?但是不管怎樣，他引領的好氧顆粒污泥已經(jīng)在世界范圍內(nèi)開始遍地開花之際，但是唯獨避開中國。
全球污水處理研發(fā)焦點之一：主流厭氧氨氧化工藝
時間：2015-11-06
來源：給水排水
摘要:側(cè)流厭氧氨氧化技術(shù)已經(jīng)相對成熟，在世界各地的污水處理廠得到了應用。介紹了厭氧氨氧化的基本原理、技術(shù)優(yōu)勢，分析了主流厭氧氨氧化面臨的挑戰(zhàn)，著重探討了主流厭氧氨氧化當前的技術(shù)進展，特別是NOB抑制的方法和對策。同時對奧地利Strass 污水處理廠的主流厭氧氨氧化探索進行了介紹，并對未來的發(fā)展提出了展望。
引言
污水處理生物脫氮工藝從20世紀60年代的硝化反硝化工藝為起點經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，逐步衍生出了多種形式的生物脫氮工藝，這些傳統(tǒng)工藝在穩(wěn)定可靠解決富營養(yǎng)化的同時，消耗了大量的能源和資源(碳源)。在強調(diào)污水處理資源化、能源化的今天，以厭氧氨氧化為核心的脫氮技術(shù)被業(yè)界普遍視為未來污水處理發(fā)展的一種重要技術(shù)，由此圍繞著城市污水處理主流工藝的厭氧氨氧化技術(shù)正成為當前全球污水處理研發(fā)的焦點之一。
1.厭氧氨氧化原理
厭氧氨氧化(Anammox)是指在厭氧或者缺氧條件下，厭氧氨氧化菌以NO2--N為電子受體，氧化NH3-N為氮氣的生物過程。
很多污水處理工藝的進步是在實踐中觀察到某些現(xiàn)象進而引發(fā)后續(xù)工藝的研發(fā)，如生物除磷工藝。但也有一些技術(shù)是在已有理論的基礎上而獲得突破，厭氧氨氧化工藝在某種程度上正是如此。1977年，奧地利化學家Broda發(fā)表了一篇題為“自然界中遺失的兩種自養(yǎng)微生物”的文章，文章通過化學熱力學推測自然界可能存在一種微生物能夠發(fā)生式(1)中的反應：
NH3-N+NO2--N→N2+H2O(1)
之后，Mulder在處理食品廢水和Siegrist對垃圾滲濾液的處理廠進行的氮平衡都證實了這種推測。目前被普遍接受的厭氧氨氧化脫氮的化學反應方程式是1998年Strous提出的式(2)：
實現(xiàn)厭氧氨氧化脫氮需要完成兩個過程，第一個過程是部分亞硝化，在這個過程中只有大約55%的氨氮需要轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮;第二個過程是厭氧氨氧化反應過程，氨氮在厭氧條件下，被厭氧氨氧化菌氧化，其中第一過程中產(chǎn)生的亞硝酸鹽氮作為電子受體。整個過程中，大約89%的無機氮都將被轉(zhuǎn)化產(chǎn)生氮氣，另外11%的無機氮被轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，與傳統(tǒng)硝化反硝化工藝相比，厭氧氨氧化工藝有著巨大的技術(shù)優(yōu)勢，其曝氣能耗只有傳統(tǒng)工藝的55%～60%;該工藝幾乎無需碳源，即使為了去除硝酸鹽產(chǎn)物需要在厭氧氨氧化過程中投加碳源，其投加量也比傳統(tǒng)工藝中碳源投加量低90%;厭氧氨氧化工藝可以減少45%堿度消耗量。同時，厭氧氨氧化工藝的污泥產(chǎn)量也遠低于傳統(tǒng)脫氮工藝，這將顯著降低剩余污泥的處理和處置成本。
2002年，世界上第一座厭氧氨氧化工程在荷蘭鹿特丹Dokhaven污水處理廠建成。經(jīng)過十余年的發(fā)展，截止到2014年全世界已有114座厭氧氨氧化工程(包括10座在建的工程和8座正在設計的工程)，其中75%應用于城市污水處理廠。圍繞著該工藝的基本原理，各種專利性的厭氧氨氧化工藝得到了蓬勃發(fā)展，如DEMON、ANITA Mox、ANAMMOX、DeAmmon、TERRANA、ELAN、Cleargreen等。
2.主流厭氧氨氧化的挑戰(zhàn)
在側(cè)流厭氧氨氧化技術(shù)不斷成熟的同時，很多研究者逐漸轉(zhuǎn)向了主流工藝的應用，因為從目前的認知來看，厭氧氨氧化菌大量存在于自然界，因此并沒有限制它在普通污水處理廠的主流工藝中用來脫氮。但與側(cè)流應用不同，主流厭氧氨氧化實現(xiàn)的前提條件明顯不同，主要體現(xiàn)在以下兩個方面。
(1)較低的進水氮濃度。
城市污水處理廠的進水總氮通常在20~75 mg/L，而其側(cè)流的濃度一般在800~3 000 mg/L。由于進水氮濃度較低會面臨以下的巨大挑戰(zhàn)：①側(cè)流中抑制NOB(亞硝酸鹽氧化菌)的游離氨條件不再存在;②在較低的出水氨氮濃度時(<2 mg/L)，由于生長速率的差異，AOB(氨氧化菌)將難以競爭過NOB。因此，在厭氧氨氧化系統(tǒng)中，如果沒有后續(xù)的進一步處理，出水氨氮難以獲得很低的濃度。
(2)較低的進水溫度。
很多污水處理廠主流工藝的水溫在冬天時為10～16℃，夏季時溫度升至24～30 ℃，而側(cè)流工藝中溫度相對較高，一般都在32～38 ℃。溫度對主流厭氧氨氧化的挑戰(zhàn)不僅是厭氧氨氧化菌在低溫情況下增長速率較慢，AOB的增長速率也較低。
3.主流厭氧氨氧化工藝應用的進展
主流工藝的上述特點引起了一系列具體的技術(shù)問題，這些具體技術(shù)問題包括如何有效地控制AOB與厭氧氨氧化菌的生長與截留、OHO(普通異養(yǎng)菌)的控制、NOB的抑制、出水氨氮、泥齡等。下文將圍繞這些進行展開論述。
3.1.AOB與Anammox菌的生長與截留
AOB的生長與截留主要有兩種方法，一種是利用側(cè)流高氨氮、高溫利于AOB生長的條件，從側(cè)流向主流工藝中補充微生物。另外一種方法是通過生物膜的方式或通過顆粒污泥的形式，這種方式主要是依靠Anammox菌附著于填料的最內(nèi)層，AOB附著在填料的外層。
Anammox菌的生長速率在低溫情況下非常慢，其世代時間需要1～2周，而硝化菌需要1 d。強化Anammox菌在主流工藝中的數(shù)量一種方法便是通過側(cè)流的生物強化補充。一個創(chuàng)新的技術(shù)是采用水力旋流器分離Anammox菌與AOB，這種技術(shù)的基本原理是利用Anammox菌密度較其他絮體微生物高的特點而開發(fā)的。圖1是DEMON工藝通過水力旋流器截留AOB與Anammox菌的示意圖，側(cè)流中的Anammox菌經(jīng)過旋流器后補充主流工藝，富含AOB的溢流也排入主流，主流工藝中的污泥在經(jīng)過旋流器后Anammox菌回到主流，溢流中的絮體微生物進入污泥處理單元。
采用DEMON®工藝的污水處理廠均采用旋流器分離Anammox菌，該技術(shù)已經(jīng)在奧地利Strass污水處理廠、瑞士Glanerland污水處理廠、美國Alexandria的污水處理廠等得到了應用(見圖2)。
奧地利Strass污水處理廠的運行經(jīng)驗表明側(cè)流向主流補充Anammox菌和AOB后，并沒有降低這些微生物在側(cè)流工藝中的活性，主流工藝中Anammox菌的豐度以及顆粒的尺寸都明顯提高。進一步的跡象還表明通過旋流器的循環(huán)運行有助于防止微生物附著于Anammox菌的表面，有助于減少基質(zhì)擴散阻力，維持微生物較高的活性。另外，從側(cè)流補充主流還可以克服Anammox菌對亞硝酸鹽氮親和力比NOB低的問題，使Anammox菌相對容易獲得亞硝酸鹽氮。
3.2.NOB的抑制
在傳統(tǒng)污水處理硝化系統(tǒng)中的NOB通常是Nitrobacter和Nitrospira，在應用現(xiàn)代生物分析工具之前，Nitrobacter通常被認為是優(yōu)勢菌種，因此很多設計和優(yōu)化污水處理廠的關(guān)鍵參數(shù)是基于對純培養(yǎng)基的Nitrobacter而獲得數(shù)據(jù)，而人們對Nitrospira的特性知之甚少。
通過對Nitrospira純培養(yǎng)基的研究，Blackburn報道了兩種微生物的不同之處，Nitrospira在低濃度時對亞硝酸鹽氮有更高的親和力，它的亞硝酸鹽氮半飽和系數(shù)更低，游離氨對其的抑制濃度更低(0.04～0.08 mg/L)。其他的一些研究也顯示Nitrobacter對基質(zhì)的親和力低、在基質(zhì)濃度高的環(huán)境中易于存在;而Nitrospira對基質(zhì)的親和力高、在基質(zhì)濃度低的環(huán)境中易于存在。這些研究結(jié)果顯示，在低氨氮、低亞硝酸鹽氮濃度的情況下，Nitrospira更易于控制亞硝酸鹽氮的氧化。在主流工藝中，由于Nitrospira較低的半飽和系數(shù)，低濃度的環(huán)境為其提供了生長的優(yōu)勢，而又能避免游離氨和游離亞硝酸的抑制。美國DC Water(哥倫比亞特區(qū)供水與污水管理局)、美國HRSD(漢普頓路衛(wèi)生管理局)及Strass污水處理廠的數(shù)據(jù)都傾向于支持這種理論。HRSD的中試結(jié)果還顯示Nitrospira可能是NOB的優(yōu)勢菌種，這樣在主流工藝中抑制其生長就更為困難。在這樣的背景情況下，出現(xiàn)了以下幾種基于上述理論的抑制NOB策略。
(1)控制出水氨氮。
Chandran的研究結(jié)果顯示，NOB比AOB對氮基質(zhì)親和力更強。AOB與NOB在不同氮濃度時的生長速率見圖3，從圖中可以看出，在基質(zhì)濃度較低時，NOB的生長速率要高于AOB的生長速率，因此通過維持出水氨氮在2 mg/L以上有助于使AOB的生長速率超過NOB。
上述結(jié)論在奧地利Strass污水處理廠得到了驗證，當時在冬季由于進水負荷的升高，出水氨氮有所升高，而此時NOB得到有效的抑制。
(2)SRT控制。
當溫度高于17 ℃時，通過嚴格控制泥齡可以淘汰NOB，但是溫度低于17 ℃時，NOB的生長速率開始超過AOB的生長速率，單純采用SRT的控制方式難以起到效果。此時，嚴格控制泥齡這種方式與DO控制、瞬時缺氧聯(lián)合控制時仍然會起到一定的效果。
(3)DO控制。
在基質(zhì)不受限制的條件下，Chandran的研究結(jié)果顯示NOB的生長速率低于AOB，進一步的研究結(jié)果顯示AOB對氧的半飽和系數(shù)高于NOB，如圖4所示。這樣當DO濃度高于1 mg/L時對抑制NOB非常關(guān)鍵。在DC Water的小試及Strass污水處理廠生產(chǎn)性規(guī)模的試驗都表明在低DO時NOB無法抑制，而當DO>1.5mg/L時NOB的抑制效應就會出現(xiàn)。
(4)瞬時缺氧。
瞬時缺氧指的是在曝氣狀態(tài)下突然從好氧轉(zhuǎn)為缺氧，瞬時缺氧目前被認為是抑制NOB的一種有效手段，這種方法背后的機理主要有兩種解釋：①曝氣開始后酶的活動會有一個滯后的時間;②間歇曝氣可能會擾亂生物代謝過程從而產(chǎn)生一些具有抑制性的中間產(chǎn)物，如一氧化氮。DC Water的研究結(jié)果顯示，當DO間歇地從高于1.5 mg/L瞬時轉(zhuǎn)為缺氧狀態(tài)可以成功地抑制NOB。這一結(jié)論后來在HRSD及Strass污水處理廠都得到了驗證。
(5)進水COD控制。
控制進水COD的負荷也是實現(xiàn)AOB生長速率最大化的一種方法，這種策略是建立在NOB和OHO對DO競爭的基礎上。這種控制策略對進水COD類型和數(shù)量都有要求，因為它會影響到NOB的淘汰和AOB的活性。當進水COD較高時，OHO不僅會與NOB競爭，而且會與AOB競爭DO和空間。當AOB的活性降低時，氧化氨氮的曝氣時間就需要延長，反硝化所需的COD就會減少。實際上，較為理想的進水COD組分是絕大多數(shù)都是溶解態(tài)的，這樣一方面不會影響到AOB的活性，另外一方面又可供OHO反硝化，抑制NOB。所以，在主流厭氧氨氧化工藝中需要優(yōu)化進水COD的分配。
4.奧地利Strass污水處理廠的先行實踐
奧地利的Strass污水處理廠的能量自給與利用在國際上一直以來都處在領先地位。Strass污水處理廠的獨到之處在于它真正實現(xiàn)了污水處理中的能量自給。該廠總能耗為0.314kW˙h/m3，而廠內(nèi)的總產(chǎn)能可達0.34kW˙h/m3，所以其能源自給率可達108%。
該廠位于奧地利西部，靠近因斯布魯克，處理奧徹恩塔爾和齊樂塔爾等地大約31個社區(qū)的污水處理，夏季人口當量為60000，冬季為旅游季節(jié)，人口當量250000。污水日處理規(guī)模根據(jù)季節(jié)變化為1.7萬～3.8萬m3，平均日處理量為2.65萬m3。
Strass污水處理廠采用AB工藝。A段的SRT和HRT分別設定為0.5 d和0.5 h。有機物在A段會快速被吸附，被吸附的有機物將通過污泥濃縮、消化等環(huán)節(jié)產(chǎn)生沼氣進行熱電聯(lián)產(chǎn)，A段的有機物去除率可以達到55%～65%。B段是耗能最集中的單元，僅電耗就占總能耗的47%。B段的SRT和HRT分別設定為10 d和10 h，池容為10456m3。圖5為Strass污水處理廠的工藝示意。
Strass污水處理廠于2004年首先在側(cè)流中采用了DEMON®工藝，側(cè)流的應用使處理廠的總體能耗降低了12%。在側(cè)流的基礎上，該廠于2011年開始探索主流厭氧氨氧化的應用，并參與到美國WERF(水環(huán)境研究基金)的主流厭氧氨氧化研究項目中，在國際上發(fā)揮了重要的影響力。其具體的措施是在主流工藝上安裝了旋流器，同時采取了一系列控制措施，側(cè)流中的Anammox菌補充主流工藝，主流工藝中的旋流器分離Anammox菌并使之不斷回流到主流工藝中。在曝氣控制方面， B段采用靈活的曝氣控制方式，該控制方式可以在滿足氧氣能耗需求前提下，將所需曝氣量控制在最低水平。這種控制方式是通過對過渡區(qū)進行間歇曝氣得以實現(xiàn)，而曝氣量和曝氣頻率則通過在線氨氮監(jiān)控儀上的兩個設置監(jiān)測點來控制操作，這兩個監(jiān)控點可以根據(jù)實際進水瞬時負荷自動調(diào)整，以實現(xiàn)良好的硝化和反硝化反應。
圖6、圖7反映的是Strass污水處理廠出水NO2--N、 NO3--N在近年的周平均值變化。在2011年的年末(圣誕節(jié)附近)出水 NO3--N明顯升高，而與此同時出水 NO3--N明顯低于上一年的同期水平，由此可見NOB得到了很好的抑制，圖8反映的是該廠脫氮率的變化。進一步的研究還證實主流工藝中厭氧氨氧化菌的活性較高。
5.展望
主流厭氧氨氧化的進步對未來污水處理脫氮方式的轉(zhuǎn)變具有重要的影響，這一領域的研究和探索已是當前國際污水處理發(fā)展最為引人注目之處，從目前的研究和應用進展來看，主流厭氧氨氧化技術(shù)在未來的發(fā)展可能會有如下幾個特點：
(1)主流厭氧氨氧化在脫氮方面具有巨大的優(yōu)勢，但在生物除磷方面尚缺乏足夠的報道。主流厭氧氨氧化工藝中生物除磷的實現(xiàn)可能會有兩個途徑，一個途徑是在A段的高負荷活性污泥工藝中;另一個途徑是在B段工藝，Strass污水處理廠在B段觀察到了明顯的釋磷和吸磷的現(xiàn)象，這必將會引起眾多研究者的興趣。
(2)對Anammox菌近些年的研究表明，這類微生物在合適的條件下能夠氧化某些有機物，同時去除NO-3-N。這種特性可能會在未來受到更多的關(guān)注，并加以利用控制出水的NO-3-N。
(3)雖然主流厭氧氨氧化工藝在認識上近年來取得了長足的認識，而且這種認識依然在不斷發(fā)展、不斷深化，但目前該技術(shù)仍然處于探索階段，尚不成熟。但當前的探索階段已經(jīng)不再停留于實驗室的小試、中試，更多的探索是通過污水處理廠的生產(chǎn)性規(guī)模的探索。目前，全球至少已有5座污水處理廠正在嘗試實踐主流厭氧氨氧化。可以預見，在未來相當長一段時間內(nèi)，將會有更多污水處理廠直接在工程尺度上去試驗和應用。
每一種技術(shù)都有其自身的特點和適應性，我們在為主流厭氧氨氧化工藝巨大優(yōu)勢吸引的同時，也需要清醒地看到它的適用性，在無碳分離、控制手段一般、出水水質(zhì)嚴格的情況下，該技術(shù)目前尚難有作為。當其在技術(shù)金字塔的頂端閃耀著耀眼光芒的同時，支撐其應用發(fā)展的必然是寬廣而堅實的基礎。
