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為追求污水處理的低能耗和低碳耗，厭氧氨氧化工藝因其具有無需曝氣、污泥產量少、脫氮效率高且無需額外投加碳源等優點而受到廣泛關注。在走向工程化的道路上，高氮廢水的厭氧氨氧化得到廣泛研究甚至大量應用，而低氮廢水如市政污水的厭氧氨氧化仍面臨著諸多挑戰。除了高有機物濃度外，阻礙厭氧氨氧化在市政污水主流工藝應用的最重要限制因素還包括：①市政污水氮濃度較低，導致厭氧氨氧化菌（AnAOB）生物量富集和持留困難；②市政污水水溫變化幅度大，溫度降低會直接影響AnAOB胞內酶合成和代謝活性。因此，如何在溫度降低條件下實現低氮廢水厭氧氨氧化的穩定運行是該技術在市政污水主流工藝應用和推廣的瓶頸之一。

已有研究表明，生物膜途徑可以實現厭氧氨氧化菌的有效積累，生物濾柱反應器（BFR）是用于厭氧氨氧化脫氮的高效反應器之一，但厭氧氨氧化BFR（ABFR）在溫度降低過程中的運行特征目前研究較少。鑒于此，筆者分析了ABFR從（31±1）℃梯度下降至（22±1）℃時脫氮性能、沿程水質、沿程厭氧氨氧化比活性（SAA）的變化，旨在為ABFR的工程應用提供參考。

1、材料與方法

1.1 試驗裝置

ABFR裝置由有機玻璃制成，上部為內徑10cm、高115cm的圓柱體，下部為內徑10cm、高10cm的錐體，總有效體積為6.3L。錐體內填充直徑為25mm、高為10mm的有機懸浮填料K3，柱體內裝填相同材質但直徑為10mm、高為10mm的有機懸浮填料K1。ABFR進水口設置于107.5cm高度處，出水口位于反應器錐體底部，通過U型管出水。在反應器12.5、32.5、57.5及82.5cm處分別設置水樣采集口及填料取樣口各4個。ABFR柱體采用鋁箔紙包裹以保護厭氧氨氧化菌免受光照刺激；采用可調節功率加熱絲均勻纏繞以控制反應器內水溫在一定范圍。

1.2 進水水質

試驗進水為模擬含氮廢水，采用氯化銨與亞硝酸鈉提供氮源，使廢水NH4+-N濃度為（47±3）mg/L、NO2--N濃度為（53±4）mg/L。通過投加一定量的KHCO3維持pH在7.5~8.5范圍內。模擬廢水不添加碳源，但按以下投量添加常量元素：CaCl2·2H2O為0.01g/L、K2HPO4·3H2O為0.01g/L、MgSO4·7H2O為0.1g/L。此外，每升模擬廢水添加1mL微量元素Ⅰ及微量元素Ⅱ溶液。微量元素Ⅰ溶液組成：EDTA為5g/L、FeSO4·7H2O為5g/L；微量元素Ⅱ溶液組成：EDTA-2Na為15g/L、CuSO4·5H2O為0.25g/L、ZnSO4·7H2O為0.43g/L、NaMoO4·2H2O為0.22g/L、MnCl2·4H2O為0.99g/L、NiCl2·6H2O為0.19g/L、CoCl2·6H2O為0.24g/L、Na2SeO4·10H2O為0.21g/L、H3BO3為0.014g/L。

1.3 運行工況

試驗在31℃下通過縮短水力停留時間（HRT）的方式成功啟動ABFR，在保持HRT和氮負荷率（NLR）不變的條件下，ABFR從31℃梯度下降至22℃，具體運行條件見表1。

1.4 采樣分析

1.4.1 水樣的采集與測定

對于ABFR裝置，每3d采集水樣1次，每個工況運行穩定時沿水力流程分別在進水口、4個采樣口和出水口采集水樣。所有采集的水樣經0.45μm濾膜過濾后按照《水和廢水監測分析方法》（第4版）測定相關水質指標。NH4+-N、NO2--N及NO3--N均采用分光光度計測定，pH采用pH計測定，溫度采用溫度計測定，懸浮固體（SS）和揮發性懸浮固體（VSS）采用重量法測定。

1.4.2 微生物的采集與測定

ABFR在不同溫度下穩定運行后，采集0~25、25~50、50~75、75~107.5cm區段的生物膜進行厭氧氨氧化比活性（SAA）測定，具體方法如下：將采集的生物膜樣品置于NH4+-N與NO2--N濃度均為50mg/L的血清瓶中，通入N2使DO低于0.2mg/L并快速密封，然后用鋁箔紙包裹血清瓶并將其置于（31±1）℃的恒溫振蕩器中，每隔2h采集1次水樣并測定NH4+-N濃度，試驗結束后根據Zhang等的方法測定SS、VSS及相關氮濃度以計算SAA。試驗結束時分別采集0~25、25~50、50~75、75~107.5cm區段生物膜樣品，對不同區段生物膜上的微生物進行高通量測序。

2、結果與討論

2.1 ABFR的脫氮性能及沿程水質變化

2.1.1 降溫運行下ABFR的脫氮性能

啟動完成后的ABFR在（31±1）℃及NLR為1.62kg/（m3·d）條件下對TN的去除率可達86%以上，然后進入降溫運行階段，圖1為降溫運行期間氮濃度和氮去除率的變化。可知，ABFR在（31±1）℃下穩定保持著高效的氮去除率，對NH4+-N、NO2--N及TN的去除率分別為97.10%、97.60%和86.88%，平均出水NH4+-N、NO2--N及TN濃度分別為1.31、1.20和9.97mg/L，表明在該溫度下厭氧氨氧化菌群活性較好。與此同時，ΔNO2--N/ΔNH4+-N約為1.13，ΔNO3--N/ΔNH4+-N約為0.23，均低于理論值1.32與0.26，表明ABFR中除了厭氧氨氧化菌群主導外，其他菌群也協同發揮作用。

當溫度在第19天降低至（28±1）℃時，TN去除率持續下降6d后降低至82.11%，又經過6d恢復后，ABFR對TN的去除率達到86%且能穩定運行，此時ΔNO3--N/ΔNH4+-N接近0.26，表明（28±1）℃條件下厭氧氨氧化菌群在ABFR內保持優勢生長，該溫度對反應器的影響較小。當溫度在第43天繼續降低至（25±1）℃時，出水NH4+-N及NO2--N濃度分別為7.25和6.78mg/L，TN去除率降至74.5%。經15d恢復后TN去除率達到86%并穩定運行，此時ΔNO2--N/ΔNH4+-N為1.14，ΔNO3--N/ΔNH4+-N為0.25，均略低于相應理論值。當溫度在第70天降低至（22±1）℃時，TN去除率持續6d緩慢下降至78.01%，此時出水NH4+-N和NO2--N濃度分別為5.01和6.61mg/L。經過30d適應期后，ABFR對TN的去除率達到86.20%，出水NH4+-N和NO2--N濃度分別降低至0.96和1.39mg/L。可見，ABFR對溫度的適應性較好，在溫度梯度降低后其仍能恢復高效穩定的脫氮性能。盡管在溫度梯度降低的條件下ABFR對TN的去除均可達到86%以上，但是溫度越低反應器的適應期越長。

2.1.2 溫度對ABFR沿程水質的影響

圖2為不同溫度穩定期ABFR的沿程水質變化。可以看出，不同溫度下NH4+-N和NO2--N濃度均在距進水口25和50cm處大幅降低，而NO3--N濃度在這兩處明顯增加。經核算，不同溫度下0~25cm區段NH4+-N和NO2--N的平均去除率分別為61.6%和61.7%，0~50cm區段相應的去除率分別為85.6%和87.5%，因此，0~50cm區段為ABFR的主要厭氧氨氧化區域，其中0~25cm區段貢獻最大。

隨著溫度的降低，25cm處的NH4+-N和NO2--N濃度顯著上升，其中NH4+-N去除率由（31±1）℃時的71.94%分別降低到（28±1）℃的67.91%、（25±1）℃的56.66%和（22±1）℃的49.89%，NO2--N去除率由（31±1）℃時的73.62%分別降低到（28±1）℃的62.11%、（25±1）℃的56.84%和（22±1）℃的54.29%，表明0~25cm區段微生物菌群受溫度影響顯著，降低溫度導致該區段脫氮效率明顯降低。

然而，25~50cm區段的脫氮貢獻率隨著溫度的降低反而升高，當溫度由（31±1）℃降低至（22±1）℃時，TN去除率由11.33%升高至30.23%，且50~75cm區段的TN去除率也升高了8.13%，表明溫度降低激活了ABFR中25~75cm區段的脫氮效能，彌補了0~25cm區段微生物菌群受低溫影響造成的脫氮效率下降。但是，在溫度降低過程中，75~107.5cm區段脫氮貢獻率無明顯變化，表明ABFR尚有1/3空間因降溫而未被激活。因此，ABFR主功能區雖然在距離進水口最近的0~25cm區段，但是隨著溫度的下降，該區段對TN的去除率降低，而距離進水口較遠區域的脫氮能力反而被激活。

2.1.3 溫度對ABFR沿程SAA的影響

不同溫度下穩定運行的ABFR各區段生物膜SAA如圖3所示。

由圖3可以看出，同一位置溫度越高，SAA越大，如在25cm處（31±1）℃時SAA高達6.13mg/（gVSS·h），而（22±1）℃時僅為0.84mg/（gVSS·h），前者為后者的7.30倍；在107.5cm處（31±1）℃時的SAA為2.51mg/（gVSS·h），而（22±1）℃時為0.36mg/（gVSS·h），前者為后者的6.97倍。毋庸置疑，不同溫度下ABFR中微生物最高SAA均在前25cm處取得，隨著距離的增加，SAA均明顯降低。為了分析基質濃度與溫度對厭氧氨氧化生物活性的影響，比較不同區域SAA在溫度降低下的變化情況發現，不同區段的活性下降幅度較為一致。隨著溫度由（31±1）℃下降到（22±1）℃，0~25、25~50、50~75和75~107.5cm區段SAA沿程分別下降了86.30%、85.04%、85.81%和85.66%，平均為85.71%，表明溫度對厭氧氨氧化活性衰減的影響與距離無關，基質濃度是制約反應器中微生物SAA的重要因素。然而，溫度對ABFR同一位置處SAA的影響也是非線性的，例如在25、50、75和107.5cm處，在溫度從28℃下降到25℃的條件下，SAA分別下降了60.10%、55.52%、75.77%和80.48%，表明28℃降至25℃時對SAA的影響較大，這與圖1中降低溫度到25℃時TN去除率降幅最大相一致。總之，溫度和位置對ABFR中生物膜SAA均有明顯影響，離進水口近的位置生物膜SAA更高，因而在厭氧氨氧化脫氮過程中發揮著重要作用。隨著溫度的降低，離進水口遠的位置生物膜在厭氧氨氧化脫氮中的作用有望提高。

2.2 AFBR中生物量及微生物群落分布

2.2.1 生物量的分布

在（22±1）℃下對穩定運行的ABFR不同區段生物量分布進行測定。其中，不同區段的生物量分布并不均勻，反應器各區段的生物量沿高度逐級遞減，如0~25cm區段生物量達到11.28g/L，25~50cm區段的生物量為6.18g/L，50~75cm區段的生物量為4.25g/L，而75~107.5cm區段生物量僅為3.05g/L。其中，0~25cm區段是75~107.5cm區段生物量的3.70倍。如前所述，盡管（22±1）℃條件下運行的ABFR生物膜SAA較低，但是距離進水口0~25cm區段充足的生物量與后續區段低基質下穩定維持的生物量共同成為保障該反應器高效穩定脫氮的重要因素。因此，高生物量濃度是ABFR在較低溫度下應對SAA降低的關鍵。

2.2.2 ABFR高通量測序分析

ABFR歷經120d降溫運行后，對脫氮貢獻較大的0~25、25~50和50~75cm區段生物膜進行高通量測序，（22±1）℃下ABFR不同脫氮區的微生物在屬水平上的群落分布如圖4所示（相對豐度小于1%的菌種定義為“others”）。

從圖4可以看出，ABFR不同區段的微生物在屬水平上的相對豐度有所差異，但是菌群結構相似。CandidatusBrocadia是三個區段豐度最大的優勢厭氧氨氧化菌，其在0~25cm區段的相對豐度為19.25%。隨著水力沿程的增加，其在25~50和50~75cm區段的占比逐漸降低至11.23％和5.72%。Laureni等在MBBR中進行PN/A脫氮過程中發現，A段的優勢厭氧氨氧化菌屬為CandidatusBrocadia；Reino等在22℃條件下采用UASB處理實際城市污水時發現，厭氧氨氧化優勢菌屬為CandidatusBrocadia；Nejidat等報道了在13~17℃的條件下CandidatusBrocadia為實際污水處理廠中厭氧氨氧化優勢菌屬。以上結果與本研究一致。此外，從沿程豐度變化可以看出，CandidatusBrocadia具有一定的基質濃度響應，較高濃度的基質似乎更加有利于其增長累積。

厭氧氨氧化菌CandidatusJettenia在三個區段的占比分別為2.78%、1.20%和4.07%。具有厭氧氨氧化能力的SM1A02在三個區段的占比分別為2.00%、1.33%和0.89%。Liu等在低溫下使用UASB反應器培養的厭氧氨氧化優勢菌屬為CandidatusJettenia，表明其具備低溫適應特征。與CandidatusBrocadia相比，CandidatusJettenia的沿程變化規律并不明顯，表明其在低氮的條件下對基質濃度并不敏感，這與SM1A02和CandidatusBrocadia表現出的基質濃度響應完全不同。此外，在進行本試驗前課題組于同一反應器在31℃時多次檢測到CandidatusKuenenia，而在（22±1）℃時ABFR的三個區段均未檢測到，這表明CandidatusKuenenia菌群對低溫適應性差，而CandidatusBrocadia及CandidatusJettenia對溫度的適應性更強。分子從常態轉變為容易發生反應的活躍狀態所需的能量被稱為活化能，活化能越小，生化反應越容易進行。在廢水生物處理過程中，通常生化反應的活化能范圍為8.37~83.68kJ/mol。有研究表明，不同溫度下不同厭氧氨氧化菌群的活化能各不相同，10~20℃下CandidatusKuenenia的活化能為152.9kJ/mol，遠大于5~17℃下CandidatusBrocadia的活化能66kJ/mol，進一步證實了CandidatusKuenenia菌群對于低溫的適應性較差。

3、結論

①ABFR對溫度的適應性較好，歷經溫度從（31±1）℃梯度降低至（28±1）、（25±1）和（22±1）℃后反應器仍能恢復其高效穩定的脫氮性能。在HRT為1.5h、NLR為1.62kg/（m3·d）條件下，所有溫度下ABFR對總氮的去除率均可達到86%以上，出水總氮和氨氮均可達到城市污水處理廠排放標準，但是溫度越低反應器的適應期越長。

②溫度和位置對ABFR中生物膜SAA均有明顯影響，較高溫度時離進水口近的位置其生物膜擁有更高的SAA，隨著溫度的降低，距離進水口較遠處的貢獻明顯提高。因此，隨著溫度的下降，ABFR主功能區對TN的去除貢獻降低，而距離進水口較遠區域的脫氮能力反而被激活。

③高生物量濃度是ABFR在較低溫度條件下應對SAA降低的關鍵，其中CandidatusBrocadia、CandidatusJettenia及SM1A02是ABFR中對溫度適應性較強的厭氧氨氧化菌屬。