随着水体中氮素污染日益严重，已经影响到了人类健康，我国控制N、P的排放也越来越严格.新的排放标准对脱氮工艺提出了更高的要求，传统脱氮工艺已无法满足可持续发展的要求，经济高效的新型脱氮工艺亟需开发.厌氧氨氧化^[1](anaerobic ammonium oxidation, ANAMMOX)反应是指在厌氧或缺氧条件下，厌氧氨氧化微生物以NO₂^--N为受体，氧化NH₄⁺-N为氮气的过程，凭借工艺流程简短、无需外加有机碳源、曝气能耗低、污泥产量低等优势，成为污水生物脱氮领域的研究热点^[2~5].近年来，国内外研究开发了多种以厌氧氨氧化为主体的污水处理工艺，其中最为广泛的为亚硝化-厌氧氨氧化工艺(Sharon-ANAMMOX)^[4~6].该工艺在亚硝化阶段将原废水中50%~60%的NH₄⁺-N转化为NO₂^--N，在ANAMMOX阶段，ANAMMOX菌将剩余的NH₄⁺-N与在亚硝化生成的NO₂^--N进行厌氧氨氧化反应生成氮气^[7~9].

目前亚硝化-厌氧氨氧化工艺已在高氨氮废水领域得到了广泛应用，而在低氨氮废水处理领域的应用尚不成熟.本课题组基于前期的研究成果^{[10, 11]}，构建连续流完全混合反应器(CSTR)亚硝化-膜生物反应器(MBR)厌氧氨氧化系统，且为减少有机碳源对亚硝化及厌氧氨氧化的影响，在CSTR-MBR前端设置ABR除碳系统，将三者耦合成一体化ABR除碳-CSTR亚硝化-MBR厌氧氨氧化工艺处理生活污水，同时采用MiSeq高通量测序技术对系统内微生物进行检测，从分子生物学角度分析菌群结构变化，以期为ABR除碳-亚硝化-厌氧氨氧化工艺处理城市生活污水提供宏观和微观依据.

本实验装置由有机玻璃制成，如图 1，总有效体积16.24 L，反应器长63 cm，宽8 cm，有效高度30 cm，由ABR除碳系统、CSTR亚硝化和MBR厌氧氨氧化系统组成. ABR系统每隔室升流区和降流区隔间宽度比为4:1，折流板导向角为45℃，有效容积为8.8 L.亚硝化系统为连续流完全混合式反应器，分为曝气池和沉淀池两部分组成，有效容积分别为2.64 L和0.96 L.厌氧氨氧化反应器中设置帘式中空纤维微滤膜组件，膜孔径0.1 μm，膜面积为0.2 m²，有效容积为3.84 L. MBR厌氧氨氧化进水由ABR除碳系统出水和亚硝化出水两部分组成，以此保证厌氧氨氧化进水NH₄⁺-N:NO₂^--N浓度在1:1左右.一体式反应器通过蠕动泵连续进水，由蠕动泵经中空纤维微滤膜间歇抽吸出水，抽吸周期为10 min(8 min抽吸和2 min反冲洗).整个反应器始终置于恒温水浴箱中，温度控制在(30±1)℃.

图 1

Fig. 1

图 1 实验装置示意 Fig. 1 Experimental apparatus

ABR除碳污泥取自苏州某生活污水处理厂缺氧池污泥，ABR反应器各隔室接种污泥约占各隔室容积的2/3，污泥浓度(MLSS)为7.9 g·L^-1.亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥均来源于实验室的亚硝化反应器和厌氧氨氧化反应器，MLSS分别为4.5 g·L^-1和6.9 g·L^-1.

采用人工配水模拟城市污水，以(NH₄)₂SO₄为氮源(NH₄⁺-N浓度为50 mg·L^-1左右)，以乙酸钠为碳源(COD浓度为300~400 mg·L^-1)，加碳酸氢钠以调节pH至7.5左右.另外还包括生物所需的其他营养元素氯化钙(10 mg·L^-1)、硫酸镁(10 mg·L^-1)、磷酸氢二钾(4 mg·L^-1 )及微量元素.微量元素分为微量元素Ⅰ和微量元素Ⅱ，微量元素按照1 mL·L^-1添加.微量元素Ⅰ组分(g·L^-1)：EDTA 5，FeSO₄ 5；微量元素Ⅱ组分(g·L^-1)：EDTA 15，ZnSO₄·7H₂O 0.43，CoCl₂·6H₂O 0.24，MnCl₂·4H₂O 0.99，CuSO₄·5H₂O 0.25，NaMoO₄·2H₂O 0.22，NiCl₂·6H₂O 0.19，NaSeO₄·10H₂O 0.21，H₃BO₄0.014.

本实验过程中每隔1 d取水样测定，测定项目主要包括：NH₄⁺-N；纳氏试剂分光光度法；NO₂^--N:N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；NO₃^--N：紫外分光光度法；MLSS、MLVSS：标准重量法；SVI：30 min沉降法；pH：pHS-9V数显酸度计；溶解氧：YSI550A溶氧仪.

分别将实验前后的CANON系统中污泥采集送样，采用FastPrep DNA提取试剂盒(QBIOGENE，USA)DNA，完成基因组DNA抽提后，利用1%琼脂糖凝胶电泳检测抽提的基因组DNA.用16S rRNA基因引物338F(ACTCCTACGGGAGGCAGCAG)和806R(GGACTACHVGGGTWTCTAAT)对细菌16S rRNA基因进行PCR扩增，PCR仪采用ABI GeneAmp^®9700型，采用TransGen AP221-02;TransStart Fastpfu DNA Polymerase，20 μL反应体系.反应程序为95℃预变性3 min，95℃变性30 s，55℃退火30 s，72℃延伸45 s，27个循环后，72℃延伸10 min，每个样品重复3次.

使用AxyPrepDNA凝胶回收试剂盒(AXYGEN公司)切胶回收PCR产物，委托上海美吉生物医药科技有限公司完成对PCR扩增产物的高通量测序，微生物多样性分析于上海美吉医药生物科技有限公司所提供的I-Sanger生信分析云平台上完成.

因为厌氧氨氧化反应的基质配比NH₄⁺-N:NO₂^--N浓度为1:1左右，所以亚硝化和厌氧氨氧化的联合工艺的关键在于如何实现稳定的部分亚硝化^[12]，而实现长期稳定的部分亚硝化十分困难.本实验废水先经ABR除碳系统除碳后，一部分ABR除碳出水进入亚硝化进行完全亚硝化，另一部分ABR出水直接进入厌氧氨氧化系统中与亚硝化出水合并作为厌氧氨氧化进水，工艺路线如图 2.本工艺路线同样可以保证厌氧氨氧化的进水中NH₄⁺-N和NO₂^--N浓度比为1:1，而控制完全亚硝化比部分亚硝化要容易得多.

图 2

Fig. 2

图 2 一体式亚硝化-厌氧氨氧化工艺路线 Fig. 2 Integrated nitrosation-ANAMMOX process route

在ABR除碳-亚硝化耦合厌氧氨氧化一体式工艺启动过程中，人工模拟城市污水，控制一体式反应器进水COD浓度300~400 mg·L^-1、NH₄⁺-N浓度50 mg·L^-1、pH值7.5左右，一体式反应器HRT 18 h.此时ABR除碳系统出水COD浓度为120 mg·L^-1，不会对后续亚硝化系统产生不利影响^{[13, 14]}.如图 3，控制亚硝化系统HRT为3 h、DO浓度为0.8~1.2 mg·L^-1，亚硝化系统出水NH₄⁺-N浓度在前5d后迅速降低至10 mg·L^-1以下，这与李田等^[15]接种储存亚硝化污泥实验结果一致，出水NO₂^--N逐步由20 mg·L^-1以下提升至35 mg·L^-1左右，出水NO₃^--N浓度始终在6 mg·L^-1以下，出水COD浓度在40 mg·L^-1左右.在接下来的70 d的一体式反应器启动过程中，亚硝化系统出水NH₄⁺-N浓度维持在6~10 mg·L^-1，氨氮去除率在80%~90%，氨氮去除率并未进一步提高，是因为NH₄⁺-N出水浓度过低，会降低亚硝化系统中游离氨(free ammonia，FA)浓度.有研究发现^{[16, 17]}，FA对氨氧化细菌(ammonia oxidizing bacteria, AOB)和亚硝酸盐氧化菌(nitrite oxidizing bacteria, NOB)产生抑制的浓度分别为10~150 mg·L^-1和0.1~1.0 mg·L^-1，本实验亚硝化系统出水NH₄⁺-N浓度维持在6~10 mg·L^-1，FA浓度控制在2~10 mg·L^-1，这也是本实验亚硝化系统出水NO₃^--N较低的原因之一，亚硝累计率(NAR)在85%~93%.

图 3

Fig. 3

图 3 亚硝化出水氮浓度变化 Fig. 3 Change of effluent nitrogen concentration during nitrosation

值得一提的是，在亚硝化系统的整个启动过程中，始终有10%~15%的氮损存在，这是因为亚硝化反应器存在局部死区，造成局部厌氧环境，且亚硝化系统中同时有氨氮和亚硝态氮的存在，为厌氧氨氧化菌的生存提供了条件，发生了厌氧氨氧化反应^[18]，故而出现氮损的现象.在启动的前5 d，甚至出现了出水总氮大于进水总氮的现象，这是由于部分接种的亚硝化污泥，不能适应所在环境的改变而发生细胞自溶，释放出大量的NH₄⁺-N.

厌氧氨氧化系统的进水由亚硝化系统出水和ABR除碳系统出水两部分组成，在一体式反应器启动的前37 d中，控制亚硝化系统出水和ABR除碳系统出水比例为(1.5:1)、厌氧氨氧化系统HRT 4.5 h，如图 4，此时厌氧氨氧化系统出水即一体式ABR除碳-亚硝化-厌氧氨氧化反应器出水NH₄⁺-N呈现先下降后上升的变化，出水NO₂^--N一直处于较低水平(1~3 mg·L^-1).这是因为本实验厌氧氨氧化系统中接种的是培养成熟的厌氧氨氧化污泥，污泥活性良好，故接种后一体式反应器出现出水NH₄⁺-N浓度迅速下降的现象；而ABR除碳系统出水中NH₄⁺-N浓度为50 mg·L^-1，NO₂^--N浓度为0 mg·L^-1，而厌氧氨氧化系统进水中虽然亚硝化出水所占比例为ABR除碳系统的1.5倍，但是亚硝化出水中NO₂^--N浓度只有35 mg·L^-1左右，且还存在6~10 mg·L^-1左右的NH₄⁺-N，经计算此时厌氧氨氧化进水中NO₂^--N:NH₄⁺-N浓度为0.6~0.8:1，而目前，学术界普遍接受的厌氧氨氧化反应方程式如式(1)所示^[19].从中可知，该反应NO₂^--N和NH₄⁺-N消耗量的理论比为1.32:1^[20]，而本实验厌氧氨氧化系统进水中NO₂^--N浓度所占比例较小，ANAMMOX菌长期得不到均衡的基质，故而出水NH₄⁺-N浓度又出现上升的现象.

图 4

Fig. 4

图 4 厌氧氨氧化进出水氮浓度变化 Fig. 4 Change of influent and effluent nitrogen concentration during ANAMMOX

(1)

在一体式反应器运行37 d后，将厌氧氨氧化系统进水比例中亚硝化系统出水:ABR除碳系统出水(1.5:1)调整为2:1.经计算，此时厌氧氨氧化系统进水NO₂^--N:NH₄⁺-N浓度为1:1左右，基本满足厌氧氨氧化反应所需基质，在之后40 d的实验运行中，厌氧氨氧化系统出水即一体式反应器出水NH₄⁺-N、NO₂^--N浓度稳定在3 mg·L^-1以下，出水NO₃^--N浓度在4 mg·L^-1左右，总氮去除率在86%~92%.

此外，如图 5，厌氧氨氧化系统进水经亚硝化系统出水和ABR除碳系统出水混合后COD浓度在60~80 mg·L^-1，出水COD浓度在20~40 mg·L^-1，有机物并未对厌氧氨氧化产生不良影响.近年来，研究者在有机物对ANAMMOX影响方面展开了大量研究^[21~23]，150 mg·L^-1以下有机物浓度可使异养菌与ANAMMOX菌共存，并达到相互促进的作用，这也是本实验厌氧氨氧化系统能够稳定运行的原因.

图 5

Fig. 5

图 5 一体式反应器各系统COD浓度变化 Fig. 5 Change of COD concentration in different systems of the integrated reactor

利用MiSeq高通量测序平台对实验前后亚硝化系统和厌氧氨氧化系统污泥中微生物多样性进行分析，本次研究中4个样品的覆盖度均大于99.99%，可确保本次测序结果能够代表样本中微生物群落组成.如表 1所示，ACE指数和Chao1指数表征菌群丰度^[24]，实验后亚硝化系统和厌氧氨氧化系统的Chao1和ACE指数均有所增加，表明实验后亚硝化系统和厌氧氨氧化系统均拥有更高的微生物物种丰度. Shannon指数和Simpson指数表征菌群多样性，Shannon值越大则表征微生物菌群组成复杂程度越高^[25]，亚硝化系统和厌氧氨氧化系统实验后Shannon指数均略有增加，是因为在一体式ABR除碳-亚硝化-厌氧氨氧化反应器启动过程中，前置系统中有部分微生物随水流至下一系统中，从而造成微生物组成复杂程度变高.而Simpson指数表征微生物多样性，Simpson指数越大，则表明优势菌群占微生物量的比重越大，反应器性能提升的重要原因是反应器中功能菌群不断淘汰弱势菌群成为反应器的优势菌群，实验后亚硝化系统和厌氧氨氧化系统Simpson指数均得到提升，这也从微生物角度表征了亚硝化系统和厌氧氨氧化系统功能得到提升.

表 1 (Table 1)

表 1 实验前后微生物多样性变化 Table 1 Variation of microbial diversity before and after the experiment 样品 Chao1指数 ACE指数 Shannon指数 Simpson指数 覆盖度/% 亚硝化实验前 64   64.07 1.95 0.24 99.99 亚硝化实验后 82.5 84.78 2.01 0.26 99.99 ANAMMOX实验前 72   73.41 2.81 0.08 99.99 ANAMMOX实验后 96   94.24 3.05 0.11 99.99

表 1 实验前后微生物多样性变化 Table 1 Variation of microbial diversity before and after the experiment

图 6为亚硝化系统实验前后各菌群在纲水平上的相对丰度，从中可以看出γ-Protebacteria纲得到显著提升，而Protebacteria门几乎涵盖了所有类型的AOB，且γ-Protebacteria纲包含兼具呼吸、发酵代谢方式的兼性异养菌^[26]，它们是COD降解的主要参与者，这也从微生物角度解释了亚硝化系统降解COD的原理，且γ-Protebacteria纲与反硝化密切相关，反硝化菌消耗有机物将亚硝化系统中NO₂^--N、NO₃^--N氧化为N₂，这也解释了亚硝化系统中存在氮损的原因. Sphingobacteria(鞘脂杆菌纲)数量有所减少，Sphingobacteria纲与分泌EPS有关，这可能与亚硝化污泥接种前后生存环境变化有关，接种前亚硝化污泥所在种泥反应器更容易形成颗粒状，而颗粒污泥与EPS密切相关，故Sphingobacteria纲在实验后有所减少.

图 6

Fig. 6

图 6 实验前后，亚硝化系统中各菌群在纲级别上的相对丰度 Fig. 6 Relative abundance of different microbial classes in the nitrosation system before and after the experiment

如图 7，厌氧氨氧化系统实验前后主要菌群均为Anaerolineae(厌氧绳菌纲)、norank_p_WWE3、β-Proteobacteria和Sphingobacteria纲. Anaerolineae纲是厌氧生物反应器中常见的微生物菌群，对比实验前，实验后厌氧氨氧化系统中Sphingobacteria纲有显著增加，有研究表明^[27]Sphingobacteria纲具有提高微生物生长速率和脱氮速率的功能，故从微生物角度解释了实验后厌氧氨氧化系统脱氮性能提高的原因.

图 7

Fig. 7

图 7 实验前后，厌氧氨氧化系统中各菌群在纲级别上的相对丰度 Fig. 7 Relative abundance of different microbial classes in the ANAMMOX system before and after the experiment

(1) 控制亚硝化系统HRT为3h、DO为0.8~1.2 mg·L^-1，FA浓度2~10 mg·L^-1，亚硝化系统出水NH₄⁺-N浓度6~10 mg·L^-1，氨氮去除率80%~90%，NAR 85%~93%，出水COD浓度在40 mg·L^-1左右，不会对后续ANAMMOX系统产生不良影响.

(2) 控制亚硝化系统出水和ABR除碳出水比例为2:1作为厌氧氨氧化系统进水，满足ANAMMOX所需NO₂^--N和NH₄⁺-N基质比1:1左右.一体式反应器出水NH₄⁺-N、NO₂^--N浓度稳定在3 mg·L^-1以下，出水NO₃^--N浓度在4 mg·L^-1左右，出水COD浓度在20~40 mg·L^-1，总氮去除率在86%~92%，COD去除率85%以上，ABR除碳-亚硝化耦合厌氧氨氧化工艺能够有效用于处理城市污水脱氮除碳.

(3) 实验后，亚硝化系统和厌氧氨氧化系统均拥有更高的微生物物种丰度，亚硝化系统中与反硝化密切相关的γ-Protebacteria纲有所增加，厌氧氨氧化系统中具有较高微生物生长速率和增强脱氮速率功能的Sphingobacteria纲显著增加，从微生物角度解释了实验后一体式反应器脱氮性能提高的原因.