研究回顾：短程硝化-厌氧氨氧化（PN/A）从侧流到主流实践的廿载征程

壹

  引言

上世纪九十年代末，厌氧氨氧化菌的横空出世，深刻地改变了学界对于全球氮循环的认识。在此基础上衍生出的短程硝化 - 厌氧氨氧化 （ PN/A ）工艺，更是被视为污水脱氮技术的变局者，引发了污水界一场广泛而深刻的革命。 PN/A 工艺与传统硝化 - 反硝化工艺相比，可以节省 60% 的需氧量。更重要的是， PN/A 过程完全自养，即不需要有机物的参与，这个特点直击污水脱氮领域“碳源不足”的痛点。因此 PN/A 技术首先被应用于碳源不足的高浓度氨氮废水，例如垃圾渗滤液，印染废水，以及污泥厌氧消化上清液。在污水处理厂，污泥厌氧消化上清液俗称“测流污水”。迄今， PN/A 测流污水脱氮已经发展成为一项较为成熟的技术，在世界各地有诸多 full-scale 实践案例。

然而，侧流污水中的氮，仅占市政污水氮负荷 ~20% 。与测流污水相对应，市政污水又俗称“主流污水”。不难联想，如若 PN/A 工艺应用于主流污水处理，由于主流的巨大体量， PN/A 的经济效益，也将相应放大数倍。事实上， PN/A 从侧流到主流这一步，不仅仅是一次简单的外推（ extrapolation ），更是一次革命性的范式转变（ paradigm shift ）。 PN/A 如能成功在主流污水处理应用，意味着主流污水脱氮不再需要有机物的参与。因而主流污水中的有机物将能被最大程度地捕集，用于厌氧消化转化成生物能源（甲烷）。百余年来一直被视为高能耗的污水处理行业，有希望实现能源自给，甚至能源输出。

与侧流 PN/A 的蓬勃发展形成鲜明对比的，是主流 PN/A 工艺的步履维艰。距主流 PN/A 概念首次提出，已走过十余个年头。迄今为止，世界上尚无稳定的长期实际应用案例。目前公认的主流 PN/A 的最大挑战之一，是抑制亚硝酸盐氧化菌（ NOB ）的活性。 NOB 会与 anammox 菌竞争亚硝酸盐（ NO ₂ ^- ） , 导 致 脱氮效率低下。

至此，相信读者也和笔者当年，产生了同样的困惑。侧流污水究竟有何显著区别于主流污水的特征，使得侧流 PN/A 中 NOB 可以得到有效的抑制？此特征，可以移植到主流 PN/A 工艺中吗？本文旨在围绕这两个问题，纵观回顾 PN/A 从侧流走向主流的廿载征程，以期为回答这两个问题，提供一二浅见。

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  NOB 抑制的动力学原理

二十余年来，文献中提出的 NOB 控制策略千千万万，从动力学角度究其本质，无非控制 NOB 净生长速率低于或等于 0 。如图 1 所示， NOB 净生长速率由三项组成，生长，衰亡，排泥。 NOB 的控制策略，也大体可以归入这三项，降低生长速率，增加衰亡速率，及增加排泥速率，最终的目的，都是为了将净生长速率控制在 0 以下。

根据 Monod 方程， NOB 生长速率取决于最大生长速率（ μ _m ）和基质浓度（图 1 ）。 μ _m 与环境因素相关（如 pH ，温度等），鉴于主流污水的巨大体量，改变环境因子的策略不太实际。故而控制 NOB 生长速率主要通过限制原位的基质浓度，即亚硝酸盐和氧气的浓度。控制 NOB 的氧气可得性可以通过精准曝气策略，例如基于溶解氧， pH ，氨氮浓度，氨氮 / 硝氮比值等指标控制曝气开关，控制 NOB 亚硝酸盐可得性可以通过引入亚硝酸盐竞争者，例如 anammox 菌，反硝化菌。

NOB 的衰亡速率可以通过多种方法增强。如 1 ）物理方法：超声处理； 2 ）化学处理：游离氨（ FA ），游离亚硝酸（ FNA ），硫化物等； 3 ）生物方法：饥饿处理等。

此外，也可以通过增加排泥速率降低 NOB 净生长速率，即使用较短的污泥停留时间（ sludge retention time, SRT ）。不过由于排泥的无差别化，移除 NOB 的同时，也会移除工艺所必须的细菌，如氨氧化细菌（ AOB ）。因而除非 AOB 生长速率显著大于 NOB ，短 SRT 的方法常常杀敌一千自损八百，得不偿失。

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  第一个十年 — 蓬勃发展的侧流 PN/A

2000-2010 见证了 PN/A 在侧流污水处理中第一个蓬勃发展的十年，侧流 PN/A 可通过两段式（ PN 与 anammox 在两个反应器中分别进行）和一段式（ PN 和 anammox 在同一个反应器中发生）。此处篇幅所限，仅列出提纲，读者如有兴趣，请参见文末原文。

1. 两段式 PN/A

连续流反应器（ CSTR ） --SHARON 工艺

NOB 控制原理：高温短 SRT

序批式反应器（ SBR ）

NOB 控制原理：自由氨（ FA ）和自由亚硝酸（ FNA ）的交叉抑制

2. 一段式 PN/A(OLAND, CANON, DEMON 等 )

NOB 控制原理：原位低溶解氧，低亚硝氮，降低 NOB 生长速率

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  第二个十年 — 步履维艰的主流 PN/A

自 Kartal 等于 2010 年首次提出主流 PN/A 概念以来，主流 PN/A 已经走过了十余个年头。这十年，在实验室小试和中试规模取得了瞩目的进展，但是 full-scale 的实践，却似乎依旧遥遥无期。本节将回顾主流 PN/A 工艺是如何一脉相承于侧流 PN/A ，又有哪些发展和创新。

1. 两段式 PN/A

基于 SHARON 短 SRT 的衍生工艺

仅适用于热带地区，对于广大温带地区不适用。

基于 SBR 中 FA/FNA 交叉抑制的衍生工艺

1 ）异位 FNA/FA 污泥处理

2 ）酸性短程硝化工艺（原位 FNA 抑制）

2. 一段式 PN/A

基于一段式侧流 PN/A 的衍生工艺

伍

  侧流与主流 PN/A 工艺对比

在早期的数篇文献奠定基础后，侧流 PN/A 很快投入 full-scale 实践。然而主流 PN/A 经历十余年的实验室小试研究，在 full-scale 依然举步维艰。本节围绕这一矛盾，尝试揭示，为何貌似相同的策略，在侧流 PN/A 可以稳定抑制住 NOB ，但是在主流却困难重重呢 ?

侧流污水与主流污水，就水质特征而言，有两大显著差别。一是氨氮浓度（侧流 500-1000versus 主流 20-60 mg N/L ） ; 二是温度（侧流 25-35 versus 15-25 °C ）。正是这两大显著差别，导致了同种策略在主流和侧流 PN/A 中的差别命运。

两段式 PN/A

首先，主流污水较低的温度直接导致了 SHARON 短 SRT 策略在主流 PN/A 中无法推广使用。如前文所述，短 SRT 伤敌一千，自损八百。只有在温度较高， AOB 生长速率较快时，才能达到有效保留 AOB 且移除 NOB 的效果。

其次，主流污水较低的氨氮浓度也决定了，在相同 pH 条件下，主流中 FA/FNA 无法达到侧流同等水平，故而侧流 SBR 中 FA/FNA 交叉抑制的策略也无法直接复制，除非通过巧妙的实验设计（如异位污泥处理单元的引入）或者新的生物过程（如酸性氨氧化过程）（参见 section4 ）。

一段式 PN/A

氨氮和温度对于一段式主流 PN/A 的影响，相对来说，更加隐晦一些。一段式 PN/A 的 NOB 控制策略大体是通过控制低溶解氧浓度，降低 NOB 的生长速率。由于一段式 PN/A 往往涉及生物膜的参与，真正决定 NOB 生长速率的因素，并非直接控制的溶解氧，而是渗透进入生物膜的氧气。

如图 2A 所示，生物膜大体可分为三个区域， 1 ）最外层（ 0-d ₁ ），此处由于强大的水力剪切，有效 SRT 较短，不适合 NOB 生存； 2 ）最内层（ d ₂ -d ₃ ），此处氧气无法渗透进入，亦不适合 NOB 生存； 3 ）中间层 （ d ₁ -d ₂ ）， NOB 可能生长的区间。

即便主流和侧流 PN/A 中 bulk liquid 中溶解氧控制在同一水平，在两种情况下，氧气能够渗透进入的深度也是不同的。侧流由于原位残余氨氮浓度更高，温度更高，因而 AOB 活性更高，消耗氧气速率更快，故此氧气渗透进入的深度更浅。当 d ₁ 与 d ₂ 重合时（图 2B ），也就是意味着，没有中间层供 NOB 生长。与之相对，主流污水中由于残余氨氮浓度低，温度低，氧气渗透深度更深，留给了 NOB 充裕的生长空间（图 2C ）。

Figure 2. (A) Kineticmechanisms of how oxygen penetration depth (OPD) within biofilms impacts thegrowth of nitrite-oxidizing bacteria (NOB). NOB are able to grow in the middleaerobic zone between d1 and d2. The span of this middle zone (d2–d1) is narrowerin sidestream biofilm (B) than mainstream biofilm (C).

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  主流 PN/A 工艺的未来展望

1. 一段式 or 两段式 ?

一段式由于技术就绪度上更加成熟， NOB 控制相对较为简单，占用空间小，过程控制更简单等优势，未来仍将是 PN/A 工艺的主要实践形式。

2. 絮状污泥 or 生物膜 ?

小孩子才做选择题， hybrid 是王道。絮状污泥 + 生物膜的混合工艺相比于纯生物膜工艺，速率更快，但是混合工艺需要多种策略（ combo-strategies ）多管齐下，控制 NOB 生长。

3. 新兴的方向与挑战

新型耐酸型氨氧化细菌如 Ca .Nitrosoglobus 给 PN/A 带来了新的机遇，同时，新型 NOB 的出现，如 Ca .Nitrotoga ，也给 PN/A 带来了新的挑战。此外，完全硝化菌（ comammox ）的发现也势必会给业已纷乱的局势，引入新的不确定性。

本文作者简介：

王志尧， 2016 年本科毕业于浙江大学， 2021 年博士毕业于澳大利亚昆士兰大学。现为昆士兰大学博士后研究员，研究方向包括主流短程硝化与厌氧氨氧化，污泥深度减量化与稳定化，硝化细菌生理生化生态特性等。

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