亞硝化-厭氧氨氧化處理生活污水的研究進(jìn)展

任玉輝

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 上海 200092）

引言

城市污水處理廠中傳統(tǒng)的脫氮工藝是在生反池中通過(guò)充足曝氣將氨氮和亞硝酸鹽氮盡量多地轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，然后在反硝化構(gòu)筑物中投加一定量碳源，將硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)?。近年?lái)基于實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的某些新現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了一些新型生物脫氮工藝并形成了生物脫氮新理論，其中主要包括亞硝化和厭氧氨氧化等。

1 新型生物脫氮理論

1.1 亞硝化

相比于全程硝化反硝化工藝，短程硝化反硝化可節(jié)約1/4的曝氣量，降低污泥產(chǎn)量，并減少堿度和碳源投加量，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

在常規(guī)的生態(tài)系統(tǒng)中，亞硝酸菌和硝酸菌處于共生狀態(tài)，亞硝酸菌產(chǎn)生的亞硝酸鹽氮會(huì)被硝酸菌迅速地轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，這個(gè)過(guò)程中很難形成亞硝酸鹽氮的積累，因此短程硝化工藝的控制難點(diǎn)在于，如何提高亞硝酸菌的活性和抑制硝酸菌的活性，將硝化反應(yīng)產(chǎn)物停留在亞硝酸鹽氮形式，而阻止亞硝酸鹽氮被繼續(xù)氧化，進(jìn)而可以將亞硝酸鹽氮直接進(jìn)行反硝化反應(yīng)或厭氧氨氧化反應(yīng)。這就需要控制硝化反應(yīng)的影響因素，根據(jù)2種硝化細(xì)菌對(duì)環(huán)境因素耐受能力的不同來(lái)盡量抑制硝酸菌的活性和/或減少硝酸菌在反應(yīng)器中的數(shù)量，從而達(dá)到亞硝酸鹽氮大量積累的目的。

影響亞硝化工藝的主要因素有：

（1）溫度

常溫下硝化反應(yīng)產(chǎn)生的亞硝酸鹽氮可以迅速地被氧化，但在30oC以上時(shí)會(huì)產(chǎn)生亞硝酸鹽氮的明顯積累。作為比較簡(jiǎn)單的控制條件，研究人員可以將反應(yīng)器溫度控制在低溫（≤15℃）或高溫階段（30～40℃），這樣硝化反應(yīng)中獲得的產(chǎn)物大部分是亞硝酸鹽氮。但對(duì)于城市污水處理廠，控制污水低溫或高溫的措施顯然不宜進(jìn)行。

（2）pH 值

一般認(rèn)為，亞硝酸菌的最適pH值為7.9～8.2，硝酸菌的最適pH值為7.2～7.6，當(dāng)pH值小于6.5時(shí)，亞硝酸菌和硝酸菌的生長(zhǎng)都會(huì)受到抑制，而當(dāng)pH值大于8時(shí)，硝酸菌的生長(zhǎng)受到抑制，故工藝出水中的亞硝酸鹽氮濃度較高。

（3）溶解氧

亞硝酸菌和硝酸菌對(duì)于溶解氧的親和力不同，可以利用這種差異來(lái)實(shí)現(xiàn)亞硝化。而且根據(jù)筆者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，控制適宜的溶解氧濃度是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的亞硝化必須要采取的手段之一。溶解氧濃度過(guò)高會(huì)使亞硝酸鹽氮迅速被氧化，不利于其積累，但溶解氧濃度也不能過(guò)低，如供氧不足也會(huì)降低亞硝酸菌的活性。

（4）游離氨

較高濃度的游離氨對(duì)2種硝化細(xì)菌的活性都有一定的抑制，但對(duì)硝酸菌來(lái)說(shuō)其敏感度更強(qiáng)，也就是說(shuō)稍高濃度的游離氨就可達(dá)到抑制硝酸菌活性的目的。Anthonisen[1]發(fā)現(xiàn)，游離氨對(duì)亞硝酸菌的抑制濃度為10～150mg/L，而對(duì)硝酸菌的抑制濃度為0.1～1.0mg/L。

（5）污泥齡

由于在中高溫條件下，亞硝酸菌的世代周期較硝酸菌短，可以通過(guò)控制污泥齡，使其介于亞硝酸菌和硝酸菌的最小停留時(shí)間之間，逐漸地將硝酸菌從生反池中淘汰掉，而亞硝酸菌則越來(lái)越富集于生反池中，從而實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽氮的積累。這種現(xiàn)象在部分污水處理廠實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中也有發(fā)現(xiàn)。

1.2 厭氧氨氧化

厭氧氨氧化是指在缺氧條件下，微生物以氨氮為電子供體，以亞硝酸鹽氮為電子受體，將它們同時(shí)轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^(guò)程[2]。相比與傳統(tǒng)脫氮工藝，厭氧氨氧化工藝不需外加碳源，減少藥劑消耗，污泥產(chǎn)量低，無(wú)需供氧，節(jié)省動(dòng)力消耗，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

影響厭氧氨氧化工藝的主要因素有：

（1）基質(zhì)濃度

適量的氨氮和亞硝酸鹽氮作為底物為厭氧氨氧化菌提供營(yíng)養(yǎng)和能源。但是，當(dāng)氨氮和亞硝酸鹽氮的濃度超過(guò)一定值，也會(huì)對(duì)厭氧氨氧化菌的活性產(chǎn)生抑制。鄭平等[3]的研究結(jié)果表明，氨氮對(duì)亞硝酸鹽氮的抑制常數(shù)為5.4～12.0mmol/L，對(duì)厭氧氨氧化菌的抑制常數(shù)為38.0～98.5mmol/L。

（2）pH 值

氨氮和亞硝酸鹽氮在水中都存在著電離平衡，pH值可通過(guò)影響游離氨和游離亞硝酸的濃度來(lái)影響厭氧氨氧化過(guò)程。van Dongen[4]認(rèn)為，當(dāng)pH值為6.7～8.3時(shí)，厭氧氨氧化反應(yīng)可以較好地進(jìn)行，其最適pH值約為8.0。

（3）溶解氧

水中高濃度的溶解氧會(huì)對(duì)厭氧氨氧化菌的活性產(chǎn)生明顯的影響。雖然氧氣對(duì)厭氧氨氧化菌的活性有明顯的抑制，但解除氧毒時(shí)，厭氧氨氧化菌的活性又可以得到恢復(fù)。

（4）溫度

厭氧氨氧化菌對(duì)溫度的變化較為敏感。一般認(rèn)為，厭氧氨氧化菌的適宜溫度為33～40℃。近年來(lái)，研究人員開(kāi)始轉(zhuǎn)向中低溫條件下厭氧氨氧化工藝的研究，筆者采用生物陶粒濾柱，在20±2℃、15±1℃、10±1℃時(shí)，平均總氮去除負(fù)荷分別達(dá)到 1.00g/(L·d)、0.89g/(L·d)、0.74g/(L·d)，平均總氮去除率分別為 87.6%、82.5%、73.0%。

（5）光

厭氧氨氧化菌屬于光敏性細(xì)菌，光照作用下會(huì)降低其30～50%的氨氮去除率。污水處理廠構(gòu)筑物一般為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，如在其頂板開(kāi)孔處覆以不透明蓋板，基本可以避免光照對(duì)構(gòu)筑物脫氮效果的影響。

（6）有機(jī)物

厭氧氨氧化菌是化能自養(yǎng)厭氧菌，其倍增速率緩慢，在水中存在有機(jī)碳源情況下，異養(yǎng)菌倍增速率較快，就會(huì)導(dǎo)致厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)受到影響。因此，厭氧氨氧化工藝比較適合置于微曝氣的生反池流程后端，生反池出水中含有較低濃度的有機(jī)物和相對(duì)較高濃度的沒(méi)有被氧化的氨氮，這樣可以達(dá)到較好的脫氮效果。

2 亞硝化-厭氧氨氧化工藝特點(diǎn)

亞硝化工藝中，亞硝酸菌只是將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮，并不能繼續(xù)將其轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻Ｒ獙?shí)現(xiàn)污水的高效脫氮，亞硝化還需結(jié)合其他工藝，而厭氧氨氧化就是其最理想的搭配。目前有兩種新型脫氮工藝受到較多研究者的青睞：一種是單級(jí)反應(yīng)，以CANON為代表；另一種是兩級(jí)反應(yīng)，以SHARON-ANAMMOX為代表。

CANON工藝的特點(diǎn)是，亞硝酸菌與厭氧氨氧化菌共存于同一反應(yīng)器中，位于生物膜外層的亞硝酸菌，先將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮，然后通過(guò)傳質(zhì)作用，位于生物膜內(nèi)層的厭氧氨氧化菌，將亞硝酸鹽氮和剩余的氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻?/p>

SHARON工藝的特點(diǎn)是，在30～35℃下，控制反應(yīng)器污泥齡，使其介于亞硝酸菌和硝酸菌最小停留時(shí)間之間，逐步將硝酸菌從反應(yīng)器中淘汰。隨后又開(kāi)發(fā)出了SHARON-ANAMMOX工藝，在前段反應(yīng)器中，將一半左右的氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮，然后在后段反應(yīng)器中，將亞硝酸鹽氮和剩余一半的氨氮轉(zhuǎn)化成氮?dú)狻?/p>

目前適合厭氧氨氧化工藝的反應(yīng)器類(lèi)型主要包括EGSB、生物轉(zhuǎn)盤(pán)、SBR、固定床等，它們都具有較好的微生物截留作用。

3 亞硝化-厭氧氨氧化工藝應(yīng)用于生活污水處理的可能性

兩級(jí)亞硝化-厭氧氨氧化工藝中，亞硝酸菌和厭氧氨氧化菌可分別在自己最有利的環(huán)境中生長(zhǎng)，相比單級(jí)工藝來(lái)說(shuō)，其操作可靠性高，啟動(dòng)時(shí)間較短，脫氮效率高，具有一定的優(yōu)勢(shì)。但是，在我國(guó)污水排放量逐年增長(zhǎng)的形勢(shì)下，將亞硝化-厭氧氨氧化工藝應(yīng)用于生活污水處理還存在著一定的限制。一方面，厭氧氨氧化反應(yīng)需要前段亞硝化反應(yīng)出水保持穩(wěn)定的NH4+/NO2-，另一方面，在以往研究成果中，亞硝化-厭氧氨氧化工藝進(jìn)水普遍采取很高的氨氮濃度（>500mg/L），且反應(yīng)器溫度也很高（30～40℃），這二者對(duì)于常溫低基質(zhì)的生活污水來(lái)說(shuō)很難維持，也需要消耗巨大的能量。近年來(lái)研究人員開(kāi)始在常溫條件下研究厭氧氨氧化工藝的進(jìn)行。

采用上向流高負(fù)荷生物濾池-CSTR亞硝化反應(yīng)器-上向流厭氧氨氧化濾柱處理實(shí)際生活污水。系統(tǒng)穩(wěn)定后，出水氨氮平均濃度為0.02mg/L，出水COD濃度為41.4±2.3mg/L，出水總氮濃度為11.9±2.7mg/L，優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)語(yǔ)

基于亞硝酸菌和硝酸菌對(duì)各種基質(zhì)或因素的耐受力不同，通過(guò)控制這些反應(yīng)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)較穩(wěn)定的亞硝化。但是目前對(duì)于某些反應(yīng)參數(shù)的合理調(diào)控范圍，不同研究人員得出的結(jié)論也不盡相同。

另外雖然目前將亞硝化-厭氧氨氧化工藝應(yīng)用于實(shí)際生活污水處理中，仍有許多問(wèn)題亟待解決，但其應(yīng)用前景和效益也是巨大的，可積極促進(jìn)城市生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，值得廣大科研人員去深入研究。