厭氧氨氧化是一項極具前景的生物脫氮工藝，具有污水處理能源自給自足的潛能。目前，大多數(shù)厭氧氨氧化系統(tǒng)的建立需要通過接種厭氧氨氧化污泥實現(xiàn)，然而由于AnAOB生長緩慢，厭氧氨氧化污泥難以大量獲取，限制了該工藝的推廣應用。近期有研究發(fā)現(xiàn)，AnAOB廣泛存在于污水處理的各個系統(tǒng)，并且其對脫氮的貢獻不可忽視，這表明原位富集AnAOB是可行性的。并且，通過合適的運行條件，如缺/好氧交替運行模式形成的飽食/饑餓條件，可促進顆粒污泥的形成，而顆粒污泥也有利于AnAOB的有效持留和富集。因此，推測在傳統(tǒng)的污水處理系統(tǒng)中，如果通過合適的運行模式有望培養(yǎng)厭氧氨氧化顆粒污泥，從而實現(xiàn)AnAOB的原位富集，促進厭氧氨氧化工藝的應用和推廣。基于此，本研究探究了在傳統(tǒng)硝化-反硝化絮體污泥系統(tǒng)中原位培養(yǎng)厭氧氨氧化顆粒污泥強化污水脫氮的可行性，并分析了相關機理。

丹麥Unisense微電極分析系統(tǒng)應用：

一種尖端在5~25um的微型傳感器，可在不破壞污泥結構的同時,測定其內部物質濃度的連續(xù)分布特性，進而獲取微生物原位活性的分布規(guī)律。

微電極測試方案:從厭氧生物轉盤進水口處挑取粒徑約為5mm的顆粒,置于測試槽中的尼龍網(wǎng)上，并用昆蟲針固定.使用微控制器將微電極尖端緩慢刺入顆粒污泥中心，步長設定為100μm,信號由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄。微電極測定在20℃進行，測試槽中配置不同濃度溶液。每種濃度用微電極測定3次。

圖文導讀

脫氮性能與污泥特征變化

在運行初期，由于DO較低，系統(tǒng)硝化效果較差，出水NH4+-N約為100 mg N/L左右，并有一定的NO2--N積累。同時出水中NO3--N濃度較高（約為20 mg N/L），這可能是由于接種污泥中NOB活性較高。至階段I末期，出水NH4+-N逐漸降低至40±10 mg N/L，與此同時，系統(tǒng)出水NO3--N濃度也逐步降低至6 mg N/L左右，表明NOB受到了有效抑制。氨氮和TN去除率僅分別為66%和24%。在階段II（89-145天）將DO提高至0.12-0.14mg/L，系統(tǒng)出水NH4+-N由40-50 mg N/L逐漸降低至13 mg N/L左右，平均出水NO3--N濃度為11±5 mg N/L，脫氮性能明顯提高。經(jīng)過113天的運行后，系統(tǒng)實現(xiàn)了良好的氮去除效果，在進水碳氮比僅為1-1.3的條件下，TN去除率達到了84±4%，表明成功啟動了厭氧氨氧化工藝。

圖1系統(tǒng)氮去除效果變化

本試驗接種污泥為傳統(tǒng)硝化-反硝化絮體污泥，在運行后期，SBR中形成了部分紅色的顆粒污泥（粒徑>200μm），其與厭氧氨氧化顆粒污泥的表觀形態(tài)一致，表明系統(tǒng)中可能實現(xiàn)了AnAOB的原位富集。隨著系統(tǒng)運行，顆粒污泥的占比逐漸增加，最終穩(wěn)定在18%左右。

圖2(A)SBR中紅色顆粒污泥的形成，(B)顆粒污泥和絮體污泥質量占比的變化

微生物群落結構分析

Candidatus Brocadia為優(yōu)勢AnAOB菌屬，其豐度由“未檢出”（Day 1）增加至0.19%（Day 135），其在顆粒污泥中的豐度（0.57%）明顯高于絮體污泥（0.02%），進一步證實系統(tǒng)中成功培養(yǎng)了厭氧氨氧化顆粒。AOB（Nitrosomonas與Nitrosomonadaceae）的豐度由初始的0.11%增長至0.2%左右。相比而言，系統(tǒng)中的優(yōu)勢NOB菌屬Nitrospira的豐度在階段I明顯降低，由2.06%（Day 1）減少至0.23%（Day 135），這有利于促進PNA作用。此外，AOB與NOB主要分布在絮體中。隨著系統(tǒng)運行，反硝化菌的豐度也明顯增加，如Thauera、Candidatus Competibacter、Limnobacter、Denitratisoma等，其中Thauera與Candidatus Competibacter逐漸成為優(yōu)勢的反硝化菌，在第135天，其豐度分別為5.75%和2.45%，這兩種菌可發(fā)揮短程反硝化作用，從而為AnAOB提供反應基質NO2--N，并且進一步降低出水中的NO3--N，提高脫氮性能。Candidatus Competibacter還能促進多糖的分泌，而多糖在加速顆粒污泥的形成和維持顆粒污泥的穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要作用。作為一種典型的絲狀菌，Anaerolineaceae從0.86%增加到1.15-2.27%，它可以作為微生物附著的骨架，促進顆粒污泥的形成。此外，norank_f_norank__ SBR1031作為系統(tǒng)中的優(yōu)勢的菌屬，其豐度為18.01-62.67%，該菌屬在厭氧氨氧化系統(tǒng)中廣泛存在，并且在微生物聚集過程中發(fā)揮重要作用，這可能與SBR中顆粒污泥的形成密切相關。

圖3脫氮及污泥顆?；嚓P功能微生物相對豐度變化

為進一步探究SBR中功能微生物間潛在的相互作用，進行了微生物相關性網(wǎng)絡分析（ρ>0.5或<-0.5，p<0.05）。一些參與脫氮的功能微生物之間具有密切的正相關關系，例如Candidatus Brocadia、Candidatus Competibacter、Thauera和Limnobacter，這表明反硝化菌和AnAOB之間具有協(xié)同作用，有利于高效脫氮和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

圖4微生物相關性網(wǎng)絡

氮去除路徑分析

在整個運行周期中，TN濃度減少了78.0±1.0 mg N/L，而COD僅減少69.6±0.3 mg/L，根據(jù)化學計量分析計算可知，反硝化作用最多僅可去除24.3±0.1 mg N/L的TN，表明厭氧氨氧化自養(yǎng)脫氮是系統(tǒng)中主要的脫氮路徑，其脫氮貢獻率大于68.8±0.3%。此外，需要說明的是，系統(tǒng)中不僅存在PNA作用，還存在短程反硝化反應，其可為AnAOB提供更多的NO2--N基質，從而強化系統(tǒng)脫氮性能。

圖5第115天典型周期內COD和氮濃度的變化

AnAOB原位富集和污泥顆?；臋C制

原位富集AnAOB、形成厭氧氨氧化顆粒污泥的原因可能有以下幾點：首先，試驗前期系統(tǒng)在A/O/A交替模式下運行，并且結合極低的DO（0.04±0.01 mg/L），可以有效抑制NOB活性，這有利于短程硝化作用，隨后在階段II通過適當提高DO濃度，強化AOB活性，可為AnAOB提供充足的NO2--N基質，從而促進其生長；其次，A/O/A的運行模式也有利于AnAOB的生長富集。通過這種運行方式，系統(tǒng)中富集了部分內源反硝化菌，如：Comamonadaceae unclassified（0.33%）、Candidatus Competibacter（2.45%）和Thauera（5.75%），可將進水中有機物儲存為內碳源，減少有機物對AnAOB的抑制，促進好氧段的自養(yǎng)脫氮作用，并且可以強化后置缺氧段的內源短程反硝化作用，進一步促進了AnAOB的生長。

顆粒污泥的形成也有利于AnAOB的富集，顆粒污泥為AnAOB提供了適宜的缺氧微環(huán)境并增強了系統(tǒng)污泥持留能力。系統(tǒng)內顆粒污泥的形成與A/O/A交替運行模式有關。這種飽食/饑餓的運行方式刺激了EPS的分泌，通過增強微生物之間的聚合作用來促進顆粒污泥的形成。系統(tǒng)中EPS含量由初始的123.9±1.5（Day 1）增長到177.0±2.5 mg/L（Day 145），其中蛋白質與多糖的比值由1.6±0.0增長到2.4±0.1，這有利于微生物聚集與顆粒污泥的形成。此外，系統(tǒng)中也富集了一些與微生物聚集和附著有關的菌屬，比如norank_f_SBR1031和Anaerolineaceae，其可能與污泥顆粒化有關。

圖6 EPS含量變化

小結

本試驗成功原位培養(yǎng)了厭氧氨氧化顆粒污泥，顆粒質量占比約為18%。顆粒污泥中AnAOB的活性和豐度分別為29.4±0.7 mg N/(g MLVSS?h)和0.57%。在低C/N（1-1.3）的污水系統(tǒng)中，實現(xiàn)了良好的脫氮效果，平均脫氮率為84±4%。厭氧氨氧化作用在脫氮貢獻中占主導地位，對脫氮的貢獻率超過68.8±0.3%。A/O/A交替運行模式對厭氧氨氧化顆粒污泥的形成發(fā)揮了重要作用。該運行模式可有效抑制NOB，促進反硝化菌與AnAOB的協(xié)同作用，并且有利于AnAOB的富集和顆粒污泥的形成。