厭氧氨氧化菌脫氮機(jī)理及其在污水處理中的應(yīng)用

陳育明

（蘇州市排水有限公司 江蘇蘇州 215000）

1 引言

1.1 厭氧氨氧化菌概述

1932年，Allgeier等研究發(fā)現(xiàn)位于美國(guó)的Mendota湖的低質(zhì)在發(fā)酵過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氮?dú)猓遣⑽磳?duì)機(jī)理有明確闡述；1965年，日本學(xué)者Koyama等研究發(fā)現(xiàn)Kizakiko湖低質(zhì)中所產(chǎn)生的氮?dú)馐怯砂钡苯影l(fā)酵而形成的；1977年，Broda等基于熱力學(xué)反應(yīng)的自由能等進(jìn)行了計(jì)算和推測(cè)，認(rèn)為在自然界中存在著能夠進(jìn)行厭氧氨氧化作用的反硝化氨氧化菌。1995年Mulde等在荷蘭某酵母生產(chǎn)企業(yè)的污水處理系統(tǒng)中對(duì)高氨廢水進(jìn)行處理時(shí)發(fā)現(xiàn)了Aammox細(xì)菌的存在，指出厭氧氨氧化菌在厭氧條件下以羥胺等作為中間產(chǎn)物，可以實(shí)現(xiàn)將亞硝酸鹽和氨氮氧化還原轉(zhuǎn)化形成氮?dú)鈁1]。隨后大量的學(xué)者對(duì)厭氧氨氧化菌開(kāi)展了深入研究，發(fā)現(xiàn)Aammox細(xì)菌在淡水湖泊、厭氧水體、溫泉以及海洋水體和沉積物等多種自然環(huán)境中廣泛存在。

1.2 厭氧氨氧化菌的生理生化特點(diǎn)

Anammox細(xì)菌的世代周期約為10天，其生長(zhǎng)較為緩慢，菌體呈球菌狀，直徑很小，對(duì)光、氧氣等等較為敏感。對(duì)厭氧氨氧化菌進(jìn)行富集培養(yǎng)時(shí)，其污泥顏色會(huì)由棕色轉(zhuǎn)變成深紅色，但目前尚未獲得該細(xì)菌的純培養(yǎng)菌株[2]。

Anammox細(xì)菌與其他細(xì)菌相比較而言具有明顯不同的一些生理生化特點(diǎn)，具體如下:第一，該細(xì)菌的脂質(zhì)呈環(huán)形階梯狀，是一種獨(dú)特的梯形膜脂質(zhì)，目前僅在該細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)存在有這種梯形膜脂質(zhì)，其組成成分主要為酯-脂肪酸、醚-脂肪酸兩類(lèi)脂肪酸；第二，該細(xì)菌具有厭氧氨氧化體，這是一種非常獨(dú)特的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，是進(jìn)行厭氧氨氧化作用以及能量代謝的場(chǎng)所，在厭氧氨氧化體的膜上附著進(jìn)行氧化還原反應(yīng)所需的酶。

2 厭氧氨氧化菌脫氮機(jī)理在污水處理中的應(yīng)用

厭氧氨氧化菌的存在能夠?qū)钡趸€原成為氮?dú)獾倪^(guò)程大大縮短，有效減少了在脫氮過(guò)程中對(duì)物質(zhì)和能量的損耗。

2.1 ANAMMOX工藝及其反應(yīng)機(jī)理

厭氧氨氧化工藝是指以NO2-作為氧化劑，將NH4+-N氧化為氮?dú)?，也可以是以NH4+-N作為還原劑將NO2-還原為氮?dú)獾囊环N生物脫氮反應(yīng)[3]。目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)厭氧氨氧化的反應(yīng)機(jī)理開(kāi)展了大量的研究，其中主要研究?jī)?nèi)容包括反應(yīng)過(guò)程中氮素轉(zhuǎn)化途徑、主要的中間產(chǎn)物以及參與反應(yīng)的酶等方面。據(jù)報(bào)道，厭氧氨氧化脫氮技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室不同的反應(yīng)器中的應(yīng)用方面均已經(jīng)獲得良好的運(yùn)行效果，例如上流式反應(yīng)器、混合床SBR反應(yīng)器等，但與此同時(shí)在應(yīng)用的過(guò)程中也存在很多問(wèn)題，例如由于Anammox細(xì)菌生長(zhǎng)較為緩慢從而致使反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間和響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者通過(guò)N示蹤試驗(yàn)對(duì)厭氧條件下的氨氧化機(jī)理開(kāi)展了大量的研究，結(jié)果顯示可能的厭氧氨氧化菌脫氮機(jī)理如下：Anammox細(xì)菌將NO2-作為氧化劑，以羥胺、聯(lián)氨等作為中間產(chǎn)物從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)NH4+-N的轉(zhuǎn)化、脫除。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，Anammox細(xì)菌消耗底物(NH4+-N和NO2-）的比例為1:1.32，這其中多出的亞硝酸鹽在厭氧條件下被氧化成硝酸鹽，氧化還原過(guò)程中所產(chǎn)生的電子用于CO2的合成，具體反應(yīng)式如下:

2.2 SHANON-ANAMMOX工藝及其反應(yīng)機(jī)理

由上述反應(yīng)式中可知:在厭氧氨氧化過(guò)程中進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的反應(yīng)底物NH4+-N和NO2-的比例大致相等，因此在高NH4+-N、低NO2-的污水處理前期過(guò)程中必須將部分NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO2-，即所謂的硝化階段，從而有效保證厭氧氨氧化過(guò)程中的反應(yīng)底物比例保持大致相等。SHARON-ANAMMOX工藝正是為適應(yīng)這種需要而產(chǎn)生的，其機(jī)理大致如下：在大約一半的氨氮被氧化之后，由于pH的降低、溶氧受限等會(huì)抑制剩余氨氮繼續(xù)氧化，從而SHARON反應(yīng)器就能夠成功使厭氧氨氧化所需要的反應(yīng)底物保持大致相等的濃度比。其反應(yīng)式如下:

2.3 厭氧氨氧化技術(shù)在污水處理領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)

厭氧氨氧化脫氮技術(shù)在污水處理的應(yīng)用中相對(duì)于傳統(tǒng)的硝化-反硝化脫氮技術(shù)來(lái)說(shuō)，表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，因而該技術(shù)在污水處理中具有極其廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。ANAMMOX反應(yīng)底物為NH4+和NO2-，但是實(shí)際上在污水中的氮素大部分以有機(jī)氮、氨氮的形態(tài)存在，很少存在有亞硝態(tài)氮，因此如何為厭氧氨氧化反應(yīng)提供穩(wěn)定的NO2-來(lái)源成為厭氧氨氧化技術(shù)在污水處理的應(yīng)用中必須解決的主要問(wèn)題，也是該技術(shù)未來(lái)研究和應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。目前，許多研究者為了解決這一問(wèn)題，基于厭氧氨氧化技術(shù)開(kāi)發(fā)出了許多類(lèi)型的脫氮工藝，例如亞硝化-厭氧氨氧化工藝、硫酸型厭氧氨氧化工藝等。這些為數(shù)眾多的新型工藝的研究與應(yīng)用極大地促進(jìn)了ANAMMOX技術(shù)在污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的低能耗處理。

[1]王惠,劉研萍,陶瑩,劉新春.厭氧氨氧化菌脫氮機(jī)理及其在污水處理中的應(yīng)用[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2011,(07）:2019-2028.

[2]祖波,張代鈞,白玉華.厭氧氨氧化菌特性及其在生物脫氮中的應(yīng)用[J].微生物學(xué)通報(bào),2006,(01）:149-153.