厭氧氨氧化工藝的研究進(jìn)展

(山東建筑大學(xué) 山東 濟(jì)南 250101)

氮含量是水質(zhì)的重要指標(biāo)之一。氮素處理成為了近幾年水處理的重要任務(wù)，引起了人們的廣泛關(guān)注。在水處理中所需去除氮素的形式主要有無(wú)機(jī)氮和有機(jī)氮。傳統(tǒng)的生物脫氮一般采用硝化反硝化過(guò)程將氮素轉(zhuǎn)化為氮?dú)馊コ?。但現(xiàn)階段中，我國(guó)大部分城市污廢水C/N比較低，采用傳統(tǒng)生物脫氮需要大量曝氣和額外投加碳源。ANAMMOX是厭氧氨氧化菌，在厭氧條件下，以亞硝酸鹽作為電子受體，將氨轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻?/p>

一、工藝的提出和反應(yīng)機(jī)理

ANAMMOX 是荷蘭Delft大學(xué)于1995年在生物脫氮流化床運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的一種新型生物脫氮現(xiàn)象。

一直以來(lái)，人們認(rèn)為氨氮具有化學(xué)惰性的屬性，需要在好氧條件下通過(guò)多功能氧化酶作用才能被氧化。但是由反應(yīng)式可知其△G<0，而在好氧條件下硝化過(guò)程釋放的能量為315 KJ/mol，兩者的能量值是極為接近的，說(shuō)明氨氮作為反硝化的無(wú)機(jī)電子供體時(shí)，反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行。而產(chǎn)生的能量可以為微生物生長(zhǎng)提供能量。由此推測(cè)，脫氮流化床內(nèi)的氨是被細(xì)菌用作電子供體而還原成硝酸。

二、厭氧氨氧化反應(yīng)的生物特征

至今為止，已發(fā)現(xiàn)的厭氧氨氧化菌有6屬18種，構(gòu)成了其獨(dú)立的厭氧氨氧化菌科。

由于厭氧氨氧化細(xì)菌生長(zhǎng)十分緩慢，現(xiàn)有的微生物分離技術(shù)很難得到其純種菌。目前是通過(guò)反應(yīng)器的長(zhǎng)時(shí)間富集培養(yǎng)而獲得比例較高的菌株混合物，今后研究也許會(huì)有更新的發(fā)現(xiàn)。

三、厭氧氨氧化的工藝多樣性

ANAMMOX工藝形式豐富，一般可以分為分體式和一體式兩種。

分體式一般采用兩級(jí)系統(tǒng)，如SHARON工藝，即短程硝化-厭氧氨氧化工藝。這種工藝較為成熟，其特點(diǎn)是在兩個(gè)反應(yīng)器中分別實(shí)現(xiàn)部分硝化和厭氧氨氧化，能分別為兩類細(xì)菌提供合理的生存環(huán)境，優(yōu)化細(xì)菌性能，穩(wěn)定運(yùn)行性能。

一體式只有單級(jí)系統(tǒng)，如在SHARON工藝上發(fā)展而來(lái)的CANON工藝最近受到了廣泛關(guān)注。相比較分體式工藝，一體式工藝的成本低，占地面積小，運(yùn)行簡(jiǎn)單且避免了亞硝酸鹽的抑制作用。隨著工藝經(jīng)驗(yàn)的越來(lái)越豐富，一體式厭氧氨氧化工藝受到了更多的青睞。

四、厭氧氨氧化工藝應(yīng)用的多樣性

隨著厭氧氨氧化的研究與發(fā)展，到2017年底，全球范圍內(nèi)的厭氧氨氧化工程已超過(guò)100座大部分位于歐洲，目前也逐漸風(fēng)靡亞洲和南美。

目前ANAMMOX技術(shù)已成功用于多種廢水，如高氨氮比污泥液，廁所水，垃圾滲濾液等。

(一)垃圾滲濾液處理

垃圾滲濾液是一種成分復(fù)雜的廢水，其中有機(jī)物濃度高、含有大量重金屬等有毒物質(zhì)、水質(zhì)變化大、氨氮含量高和可生化性差是垃圾滲濾液的主要特點(diǎn)。如果不經(jīng)過(guò)處理直接排放會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。晚期的垃圾滲濾液中氨氮含量一般在1000 mg/L以上，COD一般低于3000 mg/L且BOD和COD的質(zhì)量濃度比值小于0.1[2]。因此采用傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝會(huì)有碳源不足的問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可采用了短程硝化聯(lián)合厭氧氨氧化工藝處理垃圾滲濾液。

(二)低氨氮污水處理

現(xiàn)階段我國(guó)很多城市污水中的C/N比偏低，因此傳統(tǒng)的脫氮工藝很難進(jìn)行下去。使用厭氧氨氧化，以亞硝酸鹽作為電子受體，以氨為電子供體，在厭氧條件下進(jìn)行脫氮，即可以節(jié)約耗堿量和供氧量，還無(wú)需設(shè)置額外碳源添加，且處理過(guò)程中減少了污泥產(chǎn)量。

(三)糞便污水處理

糞便污水占城市污水的比重較大，且其中含有大量有機(jī)物和氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。短程硝化-厭氧氨氧化工藝處理源分離糞便污水具有很大的優(yōu)勢(shì)，并且城市污水源分離是未來(lái)的趨勢(shì)，但是目前大規(guī)模實(shí)現(xiàn)其工程化還需要一定的時(shí)間和研究。

除上面提及的幾種應(yīng)用之外，厭氧氨氧化工藝對(duì)與處理污泥液、畜禽養(yǎng)殖廢水、味精廢水、焦化廢水、含鹽廢水以及其他類型的廢水均體現(xiàn)了良好的可行性，具有很高的研究?jī)r(jià)值和較好的前景。

五、厭氧氨氧化的影響因素

(一)光和溫度對(duì)厭氧氨氧化的影響

厭氧氨氧化菌的活性會(huì)受到光照的抑制，因此為了保證反應(yīng)順利進(jìn)行實(shí)驗(yàn)通常在黑暗遮光環(huán)境中進(jìn)行。厭氧氨氧化菌的細(xì)菌活動(dòng)都是由酶完成的，酶的活性受溫度影響很大，因此溫度是影響厭氧氨氧化的一個(gè)重要因素。李小霞等人[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，在HRT為12h，PH為7.5～8.5，進(jìn)水平均質(zhì)量濃度分別為的條件下，厭氧氨氧化的最適溫度范圍為30℃～35℃。

(二)pH對(duì)厭氧氨氧化的影響

pH對(duì)微生物的酶活性也有重要的活性，它可改變酶分子和底物分子的帶電狀態(tài)，影響酶和底物的結(jié)合；pH還會(huì)影響培養(yǎng)基中的基質(zhì)離子化作用，間接影響微生物的活性。另外，由于厭氧氨氧化反應(yīng)過(guò)程會(huì)有堿度的產(chǎn)生，因此隨著反應(yīng)的進(jìn)行pH會(huì)逐漸升高，因此pH是影響厭氧氨氧化的一個(gè)重要因素。

(三)溶解氧對(duì)厭氧氨氧化的影響

ANAMMOX是一個(gè)嚴(yán)格的厭氧反應(yīng)，厭氧氨氧化菌對(duì)氧氣非常敏感，因此控制反應(yīng)中的溶解氧是極為重要的。一般溶解氧超過(guò)2 umol/L就會(huì)對(duì)厭氧氨氧化菌產(chǎn)生抑制作用。

(四)底物濃度對(duì)厭氧氨氧化的影響

厭氧氨氧化的主要底物是亞硝酸鹽氮和氨氮，如果氨氮和亞硝酸鹽氮濃度過(guò)高反而對(duì)厭氧氨氧化細(xì)菌具有毒害作用，特別是亞硝酸鹽氮對(duì)厭氧氨氧化細(xì)菌的活性影響較大。

(五)其他因素對(duì)厭氧氨氧化的影響

厭氧氨氧化反應(yīng)所要求的環(huán)境極為嚴(yán)謹(jǐn)，除以上因素之外，還有一些因素也會(huì)對(duì)工藝進(jìn)程產(chǎn)生影響。比如:HRT、磷酸鹽、反應(yīng)器類型等。

六、工藝前景和展望

ANAMMOX具有傳統(tǒng)生物脫氮所不具備的較多優(yōu)點(diǎn)，并且還有明顯的可持續(xù)的特點(diǎn)。但是其技術(shù)的進(jìn)程化有一定的限制條件，且運(yùn)行條件較為苛刻。實(shí)際污水處理中的廢水成分復(fù)雜，冬季溫度偏低和厭氧氨氧化菌的敏感度不同等都成為制約厭氧氨氧化技術(shù)應(yīng)用中的障礙。