溶解氧对主流厌氧氨氧化工艺的影响：新加坡樟宜再生水厂6年运行经验
樟宜再生水厂是新加坡最大的再生水厂，采用分段进水活性污泥脱氮除磷工艺法，日处理量高达800,000 m³/d。该污水厂共有四条平行处理线，每条的日处理量为200,000 m³/d，其中三条包含COD去除和生物脱氮除磷工艺（BNR），剩下的一条只去除COD。
樟宜再生水厂的BNR分段进水活性污泥工艺图：R-回流污泥; P-初沉池出水;*-采样点
从2011年1月至2016年7月，研究团队对水厂的工艺表现和微生物群落开展了综合性研究。上图是其工艺布局细节及采样点设置所示。为避免不理想的混合带来的干扰，同时加快初始反应速率，缺氧区的进水浓度是根据流量、初沉池出水（primary effluent-PE）和回流污泥（仅限第一个缺氧区域）的测量浓度数据、前一个好氧区的采样点和其余PE缺氧部分的取样点等数据计算出来的。考虑到时间序列作为水流的函数，所有样品也进行了排序。PE和最终出水的流量及成分组成数据来自工厂的定期抽样计划。由于篇幅关系，对其微生物的丰富和群落分析的具体操作不再详述，感兴趣的读者可参阅原文。
1.DO控制/曝气策略
团队在研究期内实施了两种不同的曝气策略，即2014年3月前维持较高的好氧区DO浓度；2014年3月后减少曝气，原因是此时施行了在线基于氨氮的曝气控制。这次调整的主要目的是节能，而且使最终出水氨氮远低于NEWater的进水标准（5mg NH4-N/L）。平均曝气量也因此从第一阶段的660,814 m³/d减少到第二阶段的605,130 m³/d。
相应的曝气量与初沉出水流量的体积比（air/PE）从第一阶段的3.4±0.5 m³/m³减少到3.2±0.2 m³/m³（如下图所示）。与之对应的是，好氧区的DO也明显下降，平均值从1.7±0.5mg O2/L减少到1.0±0.4mg O2/L。虽然从第一阶段到第二阶段COD负荷率减少了6％，而总氮和氨氮负荷率增加了9％，总的需氧量没有实质性变化。同时其他相关参数，如温度、pH、碱度、SRT、回流比等在此期间也无明显变动。因此他们认为DO值的减少改变工艺表现和微生物群落的主要参数。
Air/PE值（橙色）和2号处理线中好氧区DO值（绿色）的变化情况
2.初沉池出水及最终出水水质
下表1列出了初沉池出水和最终出水水质的对比情况和去除效率。
该工艺的SRT为5天，缺氧和好氧区各占2.5天。污水温度全年保持在28-32°C。进水的COD/N比为8.2 （BOD/N为3.7），在无额外添加碳源的情况下，历史年平均总氮去除率为86%，氨氮去除率为92.7%，总磷去除率为66%。
表1. 2011-2016年期间初沉池出水和最终出水水质对比
出水总氮为5.7 mg/L（2011年为4.0 mg/L），相比新加坡其他再生水厂使用传统的Ludzack–Ettinger改进工艺，总氮减少6-10mg/L，这显示了PN/A工艺的优势。
下图和表2显示研究期间的出水氨氮，亚硝态氮和硝态氮的浓度变化情况。总体趋势是在第一阶段氨氮和硝态氮浓度较低，亚硝态氮较高，第二阶段则正好相反。关于TIN（即氨氮+亚硝态氮+硝态氮的总和）年均值在第二阶段比第一阶段高2.4mg/L。
最终出水的氨氨，亚硝态氮和硝态氮的浓度变化
表2. 氨氮，亚硝态氮和硝态氮的年平均值(mg/L)/、pH及碱度（mg/L）变化
3.部分亚硝化/厌氧氨氧化
下图是研究团队基于六组现场测量数据的平均值绘制的复合的原位氮分布情况。
基于好氧区入口和出口处的水力流量和氨氮浓度计算得出好氧区的氨氮去除率约为70%。进一步的去除则发生在缺氧区，表明厌氧氨氧化菌在该区发生反应。
亚硝态氮和硝态氮在缺氧区几近全部去除。根据物料平衡计算，反硝化消耗的COD为56.5 mg/L。
2011-2016年缺氧区(Ano)和好氧区(Ae)的平均氮分布（条形表示标准偏差）
4.亚硝态氮和硝态氮
研究期间好氧区的亚硝态氮浓度始终比硝态氮高（如上图所示）。在第五个好氧区末端测得的亚硝态氮积累率（NAR）如下图显示：第一阶段值为79％。远高于第二阶段的10％。非原位的测试结果分别为76％（阶段I）和29％（阶段II）。在第一阶段观察到的NOB抑制现象虽然在第二阶段明显减弱，但仍有存在。第一阶段较高的亚硝态氮浓度（高至约6mg/L）没有导致污泥沉降性能的恶化，也没对反硝化的PAO菌（DPAO）产生抑制作用。研究团队表示有需要对DPAO和anammox之间对亚硝态氮的竞争机理进行量化研究，以及DPAO对整个碳循环的影响。
2011-2016年间在第五个缺氧区末端原位NAR测量值
研究团队通过污水厂的常规监测数据，包括初沉出水和最终出水的氮、TN/TSS比、剩余污泥量、平均原位硝化率和NAR等数值，对氮的转化和去向进行计算。
结果显示在第一阶段，基于Anammox的自养脱氮占总氮的37.5％，比传统反硝化的贡献值（27.1％）要高。这与第一阶段观察到的较高的异位NAR相符（79％）。在第二阶段，自养脱氮只占总氮的25.4％，低于异养脱氮的37.2％。第二阶段的异位NAR比率较低，仅为29％，说明该阶段NOB抑制较少和更多的异养反硝化作用。
在新加坡生物脱氮工艺的能耗约为0.15-0.19kWh/m³，研究期间的平均曝气能耗仅为0.13 kWh/m³。与此同时，86%的总氮去除率远高于传统的60％，这两个数值展示了PN/A工艺在节能和性能表现的优势。
表3显示第二阶段的AOB 的显着减少（特别是Nitrosomonas），可能是由于DO降低所致。然而，尽管AOB丰度减少了30倍，其活性只减少了13％，并且在第二阶段亚硝化作用仍保持高效运作。第二阶段的平均出水氨氮仅增加了1.1 mg/L。这表明第二阶段中AOB特定细菌活性增加了，对此研究团队认为需要进一步的研究来解释。同时也反映在研究NOB抑制作用时，AOB/NOB活性比是更有指导意义的参数。
表3. AOB、NOB和Anammox的丰度及活性（rRNA拷贝数基于q-PCR数据）
q-PCR测试显示其Anammox优势菌种为Candidatus Brocadia sp. 40。尽管它常被认为是种生长极慢的细菌，但最近的研究显示在30℃条件下其单位生长速率可达0.33/d，也就是说其增倍时间约为2.1天，而樟宜再生水厂的SRT为5天，这些数据都支持系统存在厌氧氨氧化菌。
研究人员一方面认为低DO值是导致AOB和NOB群落组成变化的因素之一，但也表示其他研究对低DO的影响有不同的看法。虽然大家都建议低DO的曝气策略，但实际运行会涉及许多复杂因素，例如DO、温度和pH值，这给不同的AOB和NOB创造了有利的小生境。鉴于絮体中AOB和NOB竞争的复杂微环境，传统的悬浮生长系统的研究方法因忽略了絮体内的物质传递而显得过于简化，而AOB和NOB动力学参数显然与它们的分布模式和菌落大小、颗粒形态有关。这些方面都有待进一步的探索。
对于单阶主流PN/A生物膜工艺，较低的DO可能降低AOB活性；而对于混合PN/A工艺，较低的DO尽管可保护厌氧氨氧化菌免受氧气的影响，但由于液相中的异养反硝化作用，可能导致亚硝酸盐进入生物膜的通量降低。液相的高DO可抵消这些缺点，但又需要培养出更厚的生物膜，从而在膜深处积累更多活性Anammox菌（尤其是在低温环境下）。因此可能有必要对AOB和NOB的属（genus）甚至是种（species）层面的内在动力学进行研究。
该研究是业内首次展示了DO的减少对氮转化、微生物群落结构以及悬浮生长系统的PN/A工艺性能的影响。研究结果显示DO是影响主流PN/A工艺表现的重要参数。对于悬浮生长的主流PN/A工艺，好氧区DO的降低虽然减少能耗，但也可能不利于NOB的抑制，致使尽管有其他有利条件的支持，仍会降低PN/A表现。虽然研究展示了PN/A的工艺优势，但仍有许多未知问题尚待解决。
参考资料：
The influence of dissolved oxygen on partial nitritation/anammox performance and microbial community of the 200,000 m³/d activated sludge process at the Changi water reclamation plant (2011 to 2016), Yeshi Cao, Bee Hong Kwok, Mark C. M. van Loosdrecht, Glen Daigger, Hui Yi Png, Wah Yuen Long and Ooi Kian Eng, Water Science & Technology | 78.3 | 2018
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