废水生物脱氮技术主要包括传统的硝化反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化（Anammox）和硫自养反硝化技术等，其中Anammox是在缺氧条件下，以氨氮为电子供体、亚硝酸盐氮为电子受体，产生氮气和少量硝酸盐氮的过程。以此为基础形成的短程硝化-厌氧氨氧化（PN/A）技术，能够在不加碳源的条件下，实现高负荷自养脱氮，与传统脱氮技术相比，具有低能耗、低成本、低污泥产量和高脱氮率的优势。近年来，PN/A工艺已被广泛应用于高氨氮废水的处理。目前，PN/A工艺主要分为一体式和两段式，一体式PN/A工艺可以在同一个反应器实现短程硝化和厌氧氨氧化脱氮，相比两段式PN/A工艺，能够节省基建投资且不容易产生底物抑制，受到研究者们的广泛青睐。
餐厨发酵沼液、污泥厌氧发酵液、部分垃圾填埋场的废水等，不仅含有高浓度的氨氮，还含有高浓度的有机物，这些有机物如果直接进入PN/A系统，容易导致异养菌大量繁殖，抑制厌氧氨氧化菌的活性，从而影响系统稳定性。此外，Anammox工艺过程会产生少量的硝酸盐，PN/A工艺的理论TN去除率最高为89%，在进水NH4+-N浓度较高的情况下，出水NO3--N浓度仍较高，导致出水TN难以达标。如果将前置反硝化（DN）与一体式PN/A工艺结合用于处理此类高氨氮有机废水，PN/A系统产生的NO3--N与原水中的COD进行反硝化反应，不仅有利于降低进水COD对PN/A系统的影响，在保证系统稳定性的同时还可以进一步提高TN去除率。此外，现有的一体式PN/A工艺多采用序批式反应器，不能连续运行，通常需增设中间池，控制比较复杂。笔者所在课题组前期开发的气升环流一体式PN/A反应器可以实现氨氧化菌（AOB）和厌氧氨氧化菌（AnAOB）的快速富集以及亚硝酸盐氧化菌（NOB）的有效抑制，具有反应分离一体化、传质效率高、脱氮效率快等优点，且能够连续运行。
针对传统一体式PN/A工艺处理高氨氮有机废水时存在有机物抑制、传质效率低、运行控制复杂等问题，笔者提出一种耦合前置反硝化的一体式PN/A（DN-PN/A）工艺，并将其用于某垃圾填埋场综合废水的处理，在不同回流比条件下运行91d，考察该工艺的脱氮除碳性能和运行稳定性，并通过碳氮去除贡献、氮平衡计算以及微生物分析探究该工艺的脱氮路径和过程，旨在为高氨氮有机废水处理提供一种节能、高效、经济且运行稳定的技术路线，并为该技术的实际工程应用提供参考。
1、材料与方法
1.1 实验装置及运行方式
实验装置见图1，主要包括DN反应器和一体式PN/A反应器。DN反应器材质为高密度聚乙烯（HDPE），有效容积为35L，内置固定化聚酯纤维生物膜填料，填充率为30m2/m3。一体式PN/A反应器材质为有机玻璃，直径为0.3m、高为1.0m，有效容积为70L。PN/A反应器底部设有曝气器，顶部设有环流澄清器以实现同步沉淀分离及出水，中部设有挡板可以形成环流反应区以加强传质效果。废水先通过蠕动泵进入DN反应器底部，再经由DN反应器顶部进入PN/A反应器底部，最后通过PN/A反应器顶部旁路通道溢流出水，其中一部分出水回流至DN反应器，回流比可通过蠕动泵调节。
系统进水流量为60L/d，DN反应器和一体式PN/A反应器的水力停留时间（HRT）分别为14h和28h。DN-PN/A耦合工艺系统共运行91d，分为2个阶段，每个阶段的运行参数如表1所示。阶段Ⅰ（1~76d）的回流比为200%，在进水NH4+-N浓度较高的条件下，通过精准控制曝气逐渐提升PN/A反应器中厌氧氨氧化活性，并通过回流促进DN反应器内反硝化的进行；在该阶段的第14~22天由于实际废水不足，采用自配水作为进水。阶段Ⅱ（77~91d）的回流比为300%，探究不同回流比对DN-PN/A耦合工艺脱氮效率和运行稳定性的影响。
1.2 实验用水和接种污泥
实验用水为深圳市某垃圾填埋场综合废水，其氨氮浓度较高且含有一定量的有机物，COD为194~563mg/L、NH4+-N为639~766mg/L、TN为644~776mg/L、TP为2.45~2.70mg/L、pH为7.6~8.0。
DN反应器接种污泥取自深圳市某在线亚洲精品自拍,精品乱码一区二区三四区视频生化池絮状污泥，接种后污泥挂膜量为177.3g/m2。一体式PN/A反应器接种污泥为实验室培养的Anammox污泥和某在线亚洲精品自拍,精品乱码一区二区三四区视频生化池絮状污泥，接种后Anammox颗粒污泥浓度为1263mg/L，絮状污泥浓度为1182mg/L，总污泥浓度为2445mg/L。
1.3 分析项目与检测方法
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；TN：碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；COD：重铬酸盐法；MLSS：重量法；pH：pH计；DO：溶解氧测定仪。
1.4 氮平衡计算方法
参照Zhang等提出的化学计量方程反应式对一体式PN/A系统进出水氮素指标进行氮平衡计算，以确定PN/A反应器的氮素转化量和脱氮途径。脱氮系统的氮素转化主要考虑氮的氨氧化、亚硝盐氧化、反硝化和厌氧氨氧化。
1.5 微生物群落结构及丰度测定
在系统每个阶段运行后期，从一体式PN/A反应器采集不同阶段的代表性污泥样品，分析系统长期运行过程中微生物的群落结构变化。取阶段Ⅰ（第71天）和阶段Ⅱ（第89天）混合均匀的污泥样品，使用恒温高速离心机于3000r/min转速下离心10min，去除上清液后寄送至上海美吉生物医药科技有限公司进行微生物多样性分析。首先，利用DNA试剂盒提取污泥样品的DNA，并选用16SrDNAV3-V4区域的引物进行PCR扩增，扩增产物通过IlluminaMiSeq平台进行高通量测序，测序结果在美吉生物云平台进行分析。
2、结果与讨论
2.1 DN-PN/A耦合工艺的脱氮除碳性能
DN-PN/A耦合工艺进出水氮素浓度变化如图2所示，氨氮去除率（ARE）、总氮去除率（NRE）和总氮负荷（NLR）、总氮去除负荷（NRR）如图3所示。
阶段Ⅰ，在系统的进水NH4+-N平均浓度为698.29mg/L、NLR平均为0.40kg/（m3·d）、回流比为200%条件下，系统运行初期（1~15d），出水NH4+-N浓度逐步降低，出水NH4+-N和TN浓度分别可达到20和70mg/L以下，说明DN-PN/A耦合工艺启动良好。第31天，进水更换为从项目取回的新一批废水，水质略有波动，导致系统未能及时适应，运行一周后，系统的ARE和NRE逐步恢复。42d后，ARE和NRE在较小范围内变化，并逐渐趋于稳定，说明此时反应器中的微生物已基本适应了进水水质，能够保持较稳定的脱氮效果。该阶段后期（68~76d），ARE和NRE分别可以保持在96%和88%以上，NRR可达到0.37kg/（m3·d）以上。
为了进一步提高DN-PN/A耦合工艺的TN去除率，在阶段Ⅱ将回流比增至300%，以提高DN对TN的去除效果。结果表明，在系统进水NH4+-N平均浓度为739.55mg/L、NLR平均为0.42kg/（m3·d）、回流比为300%的条件下，出水NH4+-N、NO2--N和NO3--N浓度分别可稳定在6、2和34mg/L以下，出水TN浓度稳定低于40mg/L，出水氮浓度满足《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB16889—2008）。此阶段平均ARE、NRE和NRR分别为95.84%、92.55%和0.39kg/（m3·d），稳定运行后期，ARE、NRE、NRR分别可达到99%、95%、0.40kg/（m3·d）左右，说明提高系统回流比能够有效提升耦合工艺的脱氮效果。Miao等采用DN-PN-ANAMMOX工艺处理老龄垃圾渗滤液，NRE最高可以达到90%；Daverey等采用一体式SNAD工艺（SBBR反应器）处理高氨氮废水，NRE和NRR最高可以达到88%和0.33kg/（m3·d）。该研究将DN反应器和一体式PN/A反应器串联，充分利用原水中的有机物将回流液中的NOx--N通过前置反硝化去除，相比传统的分段式DN-PN-ANAMMOX工艺和一体式PN/A序批式工艺，可以实现更好的NH4+-N和TN去除效果，达到深度脱氮目的。
图4为DN-PN/A耦合工艺进出水COD浓度变化。在阶段Ⅰ，第14~22天由于实际废水不足，采用自配水作为进水，可生化性COD较多，因此，这段时间COD去除率大幅上升，之后采用实际废水作为进水，系统逐渐恢复到原来的状态，COD去除率稳定在20%左右。从阶段Ⅰ到阶段Ⅱ，进水COD有逐步上升趋势，但出水COD基本稳定在200mg/L左右，说明DN-PN/A耦合工艺的COD去除率逐渐上升，从阶段Ⅰ后期的48%提高至阶段Ⅱ后期的58%，与上述氮素去除性能变化趋势相一致，表明提高系统回流比能同时提高TN和COD的去除率。陈小珍等研究发现，在UASB-PN-ANAMMOX组合工艺中，系统对COD的去除主要是由于UASB反应器的反硝化作用，COD去除率约为40%~50%。本研究中DN-PN/A耦合工艺系统在稳定运行阶段能够达到较高的COD去除率，说明DN反应器能够充分利用原水中的易降解COD进行反硝化反应，另外通过增加回流比可以强化反硝化作用，进一步提高ARE、NRE和NRR。
2.2 DN和PN/A反应器的碳氮去除贡献
在本研究中，PN/A反应器主要用于生物脱氮，DN反应器主要用于去除COD。从阶段Ⅰ到阶段Ⅱ，DN-PN/A耦合系统的TN和COD平均去除率整体呈上升趋势。其中，DN反应器在阶段Ⅰ和阶段Ⅱ的TN平均去除率分别为9.84%和12.35%，COD平均去除率分别为20.80%、35.52%，对TN和COD的去除贡献率分别由阶段Ⅰ的11.59%和61.60%增加至阶段Ⅱ的13.18%和64.87%，说明提升回流比有利于增强DN反应器的反硝化脱氮除碳性能，进而提高DN-PN/A耦合系统的TN和COD去除率。PN/A反应器在阶段Ⅰ和阶段Ⅱ的TN平均去除率分别为75.31%和81.34%，COD平均去除率分别为11.71%、19.24%，TN去除效果逐渐增强，说明DN反应器的反硝化作用增加，减少了进水COD对后续PN/A的影响，有助于促进PN/A系统AnAOB活性的提高，从而提升PN/A系统的TN去除率。
2.3 一体式PN/A反应器的脱氮机理
2.3.1 脱氮路径
为了更清晰地了解PN/A反应器的脱氮效果及稳定性，分别选取阶段Ⅰ和阶段Ⅱ中PN/A反应器的进出水氮素平均浓度进行氮平衡分析，得出不同阶段一体式PN/A反应器的氮素转化路径，结果见图5。在阶段Ⅰ和阶段Ⅱ分别约有52.38%和51.87%的进水NH4+-N（135.72和96.94mg/L）通过AOB的短程硝化作用转化为NO2--N，同时伴随着低活性NOB的硝化作用，分别约有1.92和15.99mg/L的NO2--N转化为NO3--N；在反硝化菌（DNB）的异养反硝化作用下，分别约有0.11和15.60mg/L的NO3--N转化为NO2--N，最终分别约有8.13和0.16mg/L的NO2--N通过反硝化生成N2而被去除。另外，通过AnAOB的厌氧氨氧化作用，在阶段Ⅰ约有93.75mg/L的NH4+-N和123.75mg/L的NO2--N发生反应生成N（2191.25mg/L）和NO3--N（24.38mg/L）；在阶段Ⅱ约有71.41mg/L的NH4+-N和94.26mg/L的NO2--N发生反应生成N2（145.68mg/L）和NO3--N（18.57mg/L）。此外，在氮素转化过程中，阶段Ⅰ和阶段Ⅱ分别约有一小部分的NH4+-N（7.60和5.68mg/L）被AOB、NOB、AnAOB和DNB同化，以有机氮的形式储存于微生物体内，用于其自身生长。
综合以上氮素质量平衡分析结果，可以得出以下结论：①PN/A反应器中进水TN最终包括3个去向，分别是以N2形式被微生物去除、以有机氮形式被微生物同化和在出水中残留，阶段Ⅰ中3种形式的TN去向占比分别为76.94%、2.93%和20.13%，阶段Ⅱ中3种形式的TN去向占比分别为78.04%、3.04%和18.92%。②PN/A反应器生物脱氮过程中，阶段Ⅰ有95.92%的TN通过Anammox去除，4.08%的TN通过反硝化作用去除；阶段Ⅱ有99.9%的TN通过Anammox去除，0.1%的TN通过反硝化作用去除。从阶段Ⅰ到阶段Ⅱ，PN/A反应器的厌氧氨氧化脱氮贡献率增加，反硝化脱氮贡献率降低，说明提升系统回流比有利于降低进水中可生化COD对PN/A反应器的影响，抑制PN/A反应器中反硝化反应的进行，保障PN/A系统稳定性的同时提高厌氧氨氧化脱氮效率。
2.3.2 微生物群落结构变化
一体式PN/A反应器不同阶段微生物群落在属水平上的相对丰度变化如图6所示。
一体式PN/A反应器中存在两种AOB，分别是Nitrosomonas和Ellin6067，在阶段Ⅰ中的相对丰度分别为0.98%和0.40%，在阶段Ⅱ中的相对丰度分别为0.82%和0.92%；相比阶段Ⅰ，阶段Ⅱ的AOB总相对丰度有所上升，由1.38%升至1.74%。反应器中存在的NOB主要为Nitrospira，从阶段Ⅰ至阶段Ⅱ，NOB的相对丰度有所下降，由0.89%降低至0.44%。以上结果表明，在一体式PN/A反应器中AOB活性增强，而NOB被有效抑制，因此PN/A系统在阶段Ⅱ可以实现比较稳定的短程硝化过程，从而提高厌氧氨氧化反应效率。
厌氧氨氧化反应器中常见的AnAOB属主要为Candidatus_Brocadia和Candidatus_Kuenenia，从图6可以看出，一体式PN/A反应器中检出的AnAOB属仅有Candidatus_Kuenenia，其相对丰度呈现上升趋势，由阶段Ⅰ的2.14%增至阶段Ⅱ的2.85%，说明随着反应器的运行，AnAOB逐渐适应实际废水水质，得到有效富集，发挥厌氧氨氧化活性，因此反应器在阶段Ⅱ表现出较好的脱氮效果和稳定性。
PN/A反应器内还存在具有反硝化脱氮功能的Denitratisoma和Thauera，在阶段Ⅰ中的相对丰度分别为9.72%和2.88%，在阶段Ⅱ中的相对丰度分别为5.49%和0.48%，可以看出，从阶段Ⅰ至阶段ⅡDNB整体丰度明显下降，说明提高回流比有助于降低PN/A反应器内异养菌活性，促使厌氧氨氧化自养菌处于竞争优势，提高厌氧氨氧化脱氮效率。
另外，PN/A反应器内同时还存在较高丰度的其他异养菌（OHO），主要为Limnobacter。研究发现，Limnobacter属于Proteobacteria菌门，可与AnAOB共生，并且可以保护AnAOB免受外界干扰，因此反应器内Limnobacter的存在一定程度上能够增强系统稳定性，从阶段Ⅰ至阶段ⅡLimnobacter的相对丰度由0.91%升至2.21%，这可以解释PN/A反应器在阶段Ⅱ表现出更稳定高效的脱氮性能。
综上，结合一体式PN/A反应器的脱氮路径可以得出，PN/A反应器主要通过AOB（Nitrosomonas和Ellin6067）和AnAOB（Candidatus_Kuenenia）的协同作用实现对废水中TN的稳定去除。在阶段Ⅱ提升系统回流比，PN/A反应器内的厌氧氨氧化自养菌活性增强，反硝化异养菌处于竞争劣势，因此在该阶段PN/A反应器实现了较高的厌氧氨氧化脱氮贡献率，说明前置DN反应器能够有效降低进水中可生化COD对PN/A反应器的影响，保障PN/A反应器厌氧氨氧化脱氮反应的稳定运行，强化厌氧氨氧化脱氮效率，这印证了2.2节的结果。
2.4 DN-PN/A耦合工艺的优势分析
深圳市某垃圾填埋场综合废水现有处理工艺为A/O+A/MBR，由于垃圾填埋场综合废水的C/N值较低，因此实际处理过程中需要投加大量碳源以维持硝化反硝化脱氮过程的进行。根据调研，A/O+A/MBR工艺处理垃圾填埋场综合废水，每天需投加复合碳源5kg/m3，碳源消耗成本为12.5元/m3；另外，该工艺采用浸没式MBR工艺，在运行过程中容易发生膜污染，需要定期冲刷清洗膜表面，同时膜组件需定期更换，这都需要额外的药剂费用和膜组件更换费用。
本研究采用DN-PN/A耦合工艺处理垃圾填埋场综合废水，能够实现TN的高效稳定去除，出水水质可稳定达到《城市生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB16889—2008），相比现有A/O+A/MBR工艺，DN-PN/A耦合工艺无需外加碳源，运行维护简单，节省碳源费用的同时可大幅降低整体运营成本，为高氨氮有机废水的处理提供了一种经济、低碳、高效的工艺路线。
3、结论
①开发了一种DN-PN/A耦合工艺，用于垃圾填埋场综合废水的处理，出水NH4+-N和TN浓度可稳定低于25和40mg/L，符合《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB16889—2008），TN去除率可以达到95%，TN去除负荷可达到0.40kg/（m3·d）左右。
②在DN-PN/A耦合工艺中，前置DN反应器主要实现COD的去除，提高回流比可有效增强DN反应器的反硝化，减少进水COD对PN/A反应器的影响，保障PN/A反应器中厌氧氨氧化稳定运行的同时，有效提高系统的TN和COD去除率；PN/A反应器主要实现高效生物脱氮，通过AOB（Nitrosomonas和Ellin6067）和AnAOB（Candidatus_Kuenenia）的协同作用实现TN的稳定高效去除。
③相比现有的A/O+A/MBR工艺，DN-PN/A耦合工艺能够在无需外加碳源、节省运行成本的基础上实现垃圾填埋场综合废水处理出水的稳定达标，具有较好的应用前景。（来源：哈尔滨工业大学<深圳>生态环境学院，清研环境科技股份有限公司，深圳市下坪环境园，深圳市利赛环保科技有限公司）
