低温条件下主流厌氧氨氧化稳定性：瑞士EAWAG团队400天的研究成果
位于美国弗吉尼亚州的 Chesapeake Elizabeth 污水厂进行了多段主流厌氧氨氧化中试实验
虽然目前美国和欧洲几个污水厂都在进行着主流厌氧氨氧化的规模化中试和示范项目，但是主流厌氧氨氧化工艺直接处理市政污水是否能在大规模工程应用上取得成功仍需要时间验证。总体来说，目前有五个问题有待回答：
1.能否适用于氨氮浓度偏低的污水？
2. 能否应对氮负荷的变化？
3. 能否适应低温环境？
4. 能否满足更高的出水要求(包括对微量污染物的去除)？
5. 长期运行的稳定性如何？
一些实验显示Anammox菌能在温带的低温环境下（10-15℃）生长，并且有实验使用不含COD的合成污水成功展示了主流厌氧氨氧化的可行性，但是：
1. 在这些条件下的总氮去除率都不太理想(<45%)
2. 很少有人做过实验去探究真实污水在低温条件下的部分硝化+厌氧氨氧化的表现情况
3. 关于厌氧氨氧化对有机微量污染物的去除效果也很有限
在这些背景之下，一支由瑞士EAWAG主导的欧洲团队对主流厌氧氨氧化的长期运行稳定性以及其对低温环境的适应性进行了长达400天的测试。
研究人员选用了两个基于SBR的12L反应器，一个使用MBBR，一个使用保留了悬浮污泥的混合式MBBR(Hybrid-MBBR)，接种污泥来自于在两个实验室规模的测流MBBR消化罐上清液中形成的生物膜填料载体（AnoxKaldnes的K5）。进水来自经过预处理的污水厂污水。其中MBBR反应器运行400天，而Hybrid-MBBR运行了360天，低温环境超过5个月。曝气方面采取微曝气的方式，小于0.2 mg/L，两个反应器根据各自情况有细小差别。温度方面，实验采取了逐步降温的方式，从中温的29±2℃降至低温的15±1℃。
每个SBR的周期包括了5个步骤：
1. 沉置 (MBBR10分钟，Hybrid-MBBR 60分钟，因为后者含悬浮污泥)
2. 同步进料和排水 (6L)
3. 搅拌 (10分钟)
4. 曝气 (时长视乎DO值和氨氮浓度)
5. 搅拌 (40分钟)
每个周期时长约为4-6小时，视实际微生物反应活性而定。在15℃的条件下，MBBR和Hybrid-MBBR的曝气时间约占整个周期的72±9%和61±10%。另外研究人员还增设一个12L的MBBR反应器来研究Anammox菌在温度急剧变化和持续低温的环境下的活性（17-11℃），并会对反应系统的微生物群落进行分析。
下表结果显示了两个反应器在长时间的运行条件下，系统表现还是很稳定的。
从上图可以看出，温度从25℃降到15℃之后，Anammox菌的活性明显下降。不过，在MBBR反应器里，氮去除率受到的影响并不大，硝态氮的百分比也维持在16±5%的水平；而Hybrid-MBBR反应器中则不太稳定，硝态氮的百分比也较高（27%）。值得注意的是，一些偶然的干扰，例如进料暂停、曝气延长而且超过3mg/L、进水COD的升高（150-230mg/L）并没有对工艺的长期运行造成影响。
研究人员还对SBR一个周期的各种氮形态的浓度进行分析（如下图），图中b说明了在曝气阶段异养反硝化的影响可以忽略。
总体来说，MBBR的脱氮速率在中温条件（20℃-30℃）下为47 mg/L/d ，低温（15℃）时为30 mg/L/d，这跟一般污水厂的脱氮速率典型值吻合。氨氮和总氮的去除率分别超过90%和70%，而且相当稳定。两个反应器的出水的总氮浓度均低于10mg/L，MBBR更是低至6mg/L，氨氮出水浓度则为2mg/L，COD出水在40mg/L。这些结果都是符合中国城镇污水的一级A标准的。
微量污染物方面，两个反应器的去除效果跟其他脱氮工艺相当，而且这个测试也反映了AB工艺里的A段吸附对微量污染物的转移作用相当有限。
增设的第三个MBBR反应器的结果显示，温度迅速降至11℃，并维持近一个月的时间，Anammox菌的活性快速下降，然后就几乎不能被检测出来。在有氧的情况下，加入的氨氮和亚硝态氮几乎完全转化为硝态氮。但温度一旦回升至15℃后，Anammox菌活性能在一周左右的时间后恢复到之前水平。
下图是微生物群落组成分析的结果。研究人员使用的16S rRNA目标基因扩增子测序结果显示，对应的Anammox、AOB和NOB的菌种种属分别为Candidatus Brocadia、Nitrosomonas和Nitrospira。可以看出，在Hybrid-MBBR反应器中，AOB菌比较平均地分布在了生物膜和悬浮污泥中。
而在定量分析上，研究人员使用了qFISH-CLSM激光共聚焦扫描显微镜技术，结果显示在两个反应器里，Anammox菌都占了生物膜微生物群落总量的15-16%。具体分布情况可参照下边彩图：
Anammox菌用紫红色标记；AOB菌则用白色标记；NOB菌为绿色标记；DAPI染色液为蓝色(右下角的刻度是20um)
上述的实验结果进一步有力地支持了主流厌氧氨氧化的可行性：系统能长期稳定运行，脱氮速率和效率以及对微量污染物的去除表现上都跟现有工艺相当，出水的COD、总氮和氨氮都满足排放标准。
下一步需要验证的就是它在中试规模下，还能否适应水力负荷和氮负荷的变化。另外一个有待解决的挑战就是在冬季温度长期低于10℃的条件下Anammox的活性骤降，这个问题在实际应用中应该如何应对？这也是诸如荷兰的CINIRELTA低温Anammox研究项目想要攻克的难题。
而在NOB菌的抑制方面，NOB菌活性在缺氧条件下（0.18mg/l）的MBBR系统中可以被稳定抑制；而在混合型MBBR (Hybrid MBBR)中则需要适当控制悬浮污泥的比例变化，以防止亚硝态氮的氧化。值得注意的是，实验中所使用的混合型MBBR并不是严格意义上的IFAS复合固定膜活性工艺，有观点认为结合了生物膜和絮状悬浮污泥的系统理论上能更好地控制NOB菌的生长，因此这方面的问题还需要更多的实验来验证。
参考资料
Michele Laureni, Per Falås, Orlane Robin, Arne Wick, David G. Weissbrodt, Jeppe Lund Nielsen, Thomas A. Ternes, Eberhard Morgenroth, Adriano Joss, Mainstream partial nitritation and anammox: Long-term process stability and effluent quality at low temperatures. Water Research 101 (2016), 628-639.