厭氧氨氧化生物除氮技術(shù)在水處理工藝中的研究進(jìn)展

朱米家，王 成，雷夢瑩

(1.長江大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012； 3.中國石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580)

隨著中國工業(yè)化、城市化程度不斷提升，水污染問題日趨嚴(yán)重。尤其是人類對生態(tài)資源的過度開發(fā)，打破了自然界原有平衡，大量含氮污染物進(jìn)入水體，出現(xiàn)了水體富營養(yǎng)化和水體黑臭等現(xiàn)象。若不及時解決水體問題，污染會隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)而愈加嚴(yán)重，負(fù)面影響也愈加惡劣。水中氮污染物的去除方法有物理法、化學(xué)法和生物法。與物理、化學(xué)法相比，生物法成本低廉、易操作、不產(chǎn)生二次污染。其中厭氧氨氧化生物脫氮技術(shù)在處理高含氮廢水時具有效率高、無需外加碳源、污泥產(chǎn)量低等特點(diǎn)而備受推崇。

厭氧氨氧化技術(shù)是指在厭氧或缺氧的條件下，微生物以CO2或H2CO3為碳源，以NH4+和NO2-為基質(zhì)并將其轉(zhuǎn)化為N2而排入大氣的一種脫氮方法。隨著國內(nèi)外科技工作者對該方法的深入研究，從機(jī)理機(jī)制和工藝運(yùn)行上都有相關(guān)的文獻(xiàn)報道，并且逐步試用于污水處理，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。本文結(jié)合厭氧氨氧化的國內(nèi)外研究最新進(jìn)展，探討厭氧氨氧化技術(shù)在水處理中的應(yīng)用。

1 厭氧氨氧化作用機(jī)理

1.1 厭氧氨氧化微生物的推測與發(fā)現(xiàn)

Allgeier等人[1]于1932年首次在美國Mendota湖觀察到湖底污泥發(fā)酵過程中不斷有氮?dú)猱a(chǎn)生；30年后日本Kizakiko湖中也有類似的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)[2]。對于這種奇怪現(xiàn)象，研究者無法解釋原因。直到1977年，奧地利理論化學(xué)家Engerbert Broda根據(jù)吉布斯自由能的計(jì)算結(jié)果預(yù)測，世界上可能存在一種自養(yǎng)型微生物，能以亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮為電子受體，將氨氧化成為氮?dú)?。之前的湖底奇特現(xiàn)象和Broda理論計(jì)算的預(yù)言，激發(fā)了人們對于這種未知的微生物的好奇與探索[3]。

1989年，Strous等人[4]在間歇曝氣活性污泥反應(yīng)器(SBR)中連續(xù)運(yùn)行200天，成功富集到含量高達(dá)70%的厭氧氨氧化細(xì)菌。根據(jù)物質(zhì)平衡的計(jì)算方式推測該細(xì)菌一方面可將氨氮和亞硝酸氮(比例1∶1)轉(zhuǎn)化成氮?dú)?，另一方面將反?yīng)過程中產(chǎn)生的能量用于自身生長。培養(yǎng)物中的碳酸氫鹽將以CO2形式通過乙酰輔酶A合成細(xì)胞骨架(CH2O0.5N0.15)，進(jìn)行菌體自養(yǎng)，其中CO2還原的能量來自NO2-氧化為NO3-的過程。

1.2 厭氧氨氧化菌的結(jié)構(gòu)與種類

厭氧氨氧化細(xì)菌的細(xì)胞壁具有特殊結(jié)構(gòu)，從化學(xué)成分來看不含肽聚糖。從微觀構(gòu)造上看，菌體內(nèi)被三層結(jié)構(gòu)分隔開來，從外到內(nèi)依次為：緊貼細(xì)胞壁內(nèi)側(cè)的細(xì)胞質(zhì)膜(CM)、細(xì)胞質(zhì)內(nèi)膜(IM)和厭氧氨氧化體膜(M)。由此，細(xì)菌的細(xì)胞質(zhì)也被分成三部分：外室細(xì)胞質(zhì)(P)、核糖細(xì)胞質(zhì)(R)和厭氧氨氧化細(xì)胞質(zhì)(A)[5]。

1.3 厭氧氨氧化的生物反應(yīng)機(jī)制

基于厭氧氨氧化的生物現(xiàn)象，Vande Graaf等人[7]進(jìn)一步利用15N同位素標(biāo)記法推斷其可能產(chǎn)生的反應(yīng)途徑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測反應(yīng)過程中銨根離子可能利用NO2-的還原產(chǎn)物NH2OH作為電子受體生成中間介質(zhì)N2H4，然后進(jìn)一步反應(yīng)生成最終產(chǎn)物N2。然而隨著相關(guān)研究的不斷深入，Strous等[8]人于2006年又提出了與之前相反的厭氧氨氧化反應(yīng)機(jī)理，并確立了相應(yīng)的生化反應(yīng)模型。該研究團(tuán)隊(duì)利用基因測序的結(jié)果證明菌體中并不存在將NO2-還原成NH2OH的基因。其結(jié)果表明細(xì)菌中存在將轉(zhuǎn)化為NO的基因(Nirs，kuste4136)。因此可確定該厭氧氨氧化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的中間介質(zhì)為NO而非NH2OH。

厭氧氨氧化菌一直被認(rèn)為是一種化能自養(yǎng)型微生物。很多化能自養(yǎng)型微生物都有混合營養(yǎng)代謝方式。隨著對厭氧氨氧化菌的深入研究發(fā)現(xiàn)，該細(xì)菌的代謝過程除了存在典型的氮代謝途徑外，也具有其他的代謝途徑，如：有機(jī)物代謝、硫酸鹽代謝、鐵氧化代謝和鐵還原代謝等多種方式[9]。這種混合營養(yǎng)代謝方式有利于提高微生物的生長速率、適應(yīng)多種代謝環(huán)境。

2 厭氧氨氧化技術(shù)的污水處理工藝及其應(yīng)用

傳統(tǒng)的污水處理過程采用硝化-反硝化工藝，由于受到微生物和運(yùn)行條件等限制，硝化與反硝化兩個過程在時間與空間上呈現(xiàn)相對獨(dú)立的狀態(tài)。雖然這類工藝在廢水生物處理領(lǐng)域依舊占據(jù)主導(dǎo)地位，但其本身存在諸多不可忽視的問題，如：工藝流程長、占地面積大、基建成本高，而且高濃度的NH4+與NO2-會抑制硝化菌的生長。相比而言，厭氧氨氧化菌可利用NH4+與NO2-為基質(zhì)，進(jìn)行代謝活動，將其轉(zhuǎn)化為N2。這一氨氧化過程減少了物質(zhì)和能量的消耗，為生物脫氮技術(shù)提供了新的發(fā)展思路。厭氧氨氧化反應(yīng)易受到pH、水溫、溶解氧、基質(zhì)含量、微生物類型特征等多方面的影響，為達(dá)到更好的污水處理效果，多位科研人員對厭氧氨氧化技術(shù)引入污水處理過程做了諸多有效地嘗試。

2.1 厭氧氨氧化技術(shù)在污水處理中的工藝形式

2.1.1 SHARON-ANAMMOX工藝

SHARON工藝是利用好氧、厭氧間隔處理高濃度氨氮廢水的方法。在該工藝的好氧段，為將氨氮的氧化過程控制在亞硝化階段，可適度調(diào)節(jié)廢水的溶解氧量、酸堿性和水溫等關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)[10]，其反硝化過程可通過人為外加碳源的方式實(shí)現(xiàn)，在一定程度上增加了運(yùn)行成本。隨著厭氧氨氧化技術(shù)的應(yīng)用，逐步形成了SHARON-ANAMMOX工藝組合，利用厭氧氨氧化反應(yīng)替代好氧段的反硝化過程，可進(jìn)一步節(jié)省運(yùn)行成本[11]。

2.1.2 CANNON工藝

CANNON工藝是Third等人[12]提出的一種生物膜內(nèi)自養(yǎng)脫氮技術(shù)，其關(guān)鍵控制參數(shù)是溶解氧含量(<0.05%飽和空氣)，將氨氧化過程維持在亞硝化階段，然后細(xì)菌將污水中的銨根離子與亞硝基離子轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退Ｅc之前的SHARON-ANAMMOX工藝相比，其運(yùn)營成本上更低廉，因?yàn)檎麄€反應(yīng)過程可在一個反應(yīng)器中完成，而且參與氧化過程的細(xì)菌均來為自養(yǎng)菌，無需人工外加碳源。

2.1.3 DEAMOX工藝

3) 母竹選擇：選擇1～2年生、發(fā)枝低、胸徑1.5～4.0 cm的母竹，保留稈高3.0～3.5 m，留枝3～4盤。

針對SHARON-ANAMMOX工藝中產(chǎn)生的硝酸鹽二次污染問題， Kalyuzhnyi等人[13]于2006年提出一種利用硫酸鹽為電子受體，將硝酸氮還原為亞硝酸氮，然后通過厭氧氨氧化反應(yīng)脫氮的方法，被稱為DEAMOX工藝。工藝的關(guān)鍵在于控制進(jìn)水硝酸氮和亞硝酸氮與氨氮的比例(>1.2)，硫氮比例(H2S-S/NO3--N >0.57)。與CANON工藝相似，本工藝的優(yōu)勢在于將脫氮過程集中在一個反應(yīng)器內(nèi)完成，既節(jié)省了占地面積和建設(shè)費(fèi)用，又實(shí)現(xiàn)了氮和硫酸鹽的同時去除。

2.1.4 SAD工藝

針對實(shí)際廢水無法提供厭氧氨氧化菌所需的穩(wěn)定氨氮與亞硝酸氮比例的問題，Sumino等人[14]于2006年提出了SAD工藝。本工藝的關(guān)鍵是控制碳氮(C/NO3--N)比率在指定范圍內(nèi)(2.5～5)，從而限制反硝化過程，使其反應(yīng)不充分。與此同時將反硝化細(xì)菌控制在厭氧氨氧化細(xì)菌數(shù)量的10～1000倍之間，從而確保反硝化反應(yīng)與厭氧氨氧化反應(yīng)達(dá)到平衡。該方法將硝化、短程反硝化過程與ANAMMOX工藝置于同一體系，通過設(shè)定運(yùn)行參數(shù)有效調(diào)控反應(yīng)類型達(dá)到除氮目的。

2.1.5 SNAP工藝

SNAP工藝是Furukawa等人[15]提出的將短程硝化與厭氧氨氧化過程聯(lián)合的水處理方法。該工藝是通過形成表面覆蓋氨氧化細(xì)菌(Ammonium oxidation bacteria，AOB)，內(nèi)核為厭氧氨氧化菌體顆粒，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定脫氮。菌體表面的AOB細(xì)菌一方面將銨根離子轉(zhuǎn)化為亞硝基離子，提供營養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)菌體新陳代謝，另一方面通過營造厭氧微環(huán)境，降低氧氣對菌體生長的干擾。2012年Qiao等人[16]使用該項(xiàng)技術(shù)處理模擬廢水，結(jié)果表明，處理的氮負(fù)荷最高可達(dá)到0.92 kg-N/m3d-1。

2.1.6 厭氧氨氧化-甲烷化-反硝化工藝

厭氧氨氧化、甲烷化和反硝化過程這三類廢水的生化反應(yīng)均是在厭氧條件下進(jìn)行的，若置于同一體系內(nèi)運(yùn)行，可望實(shí)現(xiàn)進(jìn)水中碳源及氮素的同時去除?；诖嗽?，Jetten等人[17]通過污泥消化反應(yīng)去除廢水中的碳源物質(zhì)，同時產(chǎn)生可供利用的甲烷，而后通過厭氧氨氧化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)脫氮。該工藝一方面可降低好氧曝氣過程產(chǎn)生的運(yùn)行成本，另一方面還能將部分碳源轉(zhuǎn)化為甲烷，提高資源的有效利用效率。

2.2 厭氧氨氧化技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

2.2.1 厭氧氨氧化-甲烷化-反硝化處理養(yǎng)豬場沼液

顧平等人[18]針對豬場沼液的脫氮問題，在31～35℃條件下，在升流式厭氧生物反應(yīng)器(UASB)中接種污泥，啟動并連續(xù)運(yùn)行90天，逐步實(shí)現(xiàn)同步厭氧氨氧化反硝化，使沼液總氮和氨氮去除率分別達(dá)到50%～60%與8%～24%。

2.2.2 短程硝化-厭氧氨氧化耦合技術(shù)處理裂化催化劑產(chǎn)生廢水

葉芳芳等人[19]先通過裂化催化劑產(chǎn)生的廢水對厭氧氨氧化菌進(jìn)行馴化，然后采用短程硝化-厭氧氨氧化工藝處理工業(yè)廢水(初始氨氮86～127 mg/L，總氮115～150 mg/L)，最終氨氮去除率高達(dá)90%，總氮去除率達(dá)到83%。出水的氨氮質(zhì)量≤6 mg/L，總氮≤20 mg/L。

2.2.3 吸附-全程自養(yǎng)脫氮工藝處理市政廢水

史勤等人[20]以上海某污水處理廠市政污水為對象，在25℃條件下先經(jīng)過吸附段去除部分碳源，而后利用全程CANON工藝處理污水，出水總氮和氨氮濃度分別低于15 mg/L和5 mg/L，達(dá)到城市污水廠一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。

3 研究展望

雖然厭氧氨氧化工藝與傳統(tǒng)硝化、反硝化工藝相比，具有建設(shè)、運(yùn)行成本低廉、污泥排放量少等優(yōu)點(diǎn)。但是，該工藝仍然存在許多問題，制約了在實(shí)際應(yīng)用中的推廣。首先，厭氧氨氧化菌體難以高效快速富集培養(yǎng)，啟動工藝耗時；其次，菌體在自然環(huán)境中的豐度很低，需要設(shè)計(jì)高特異性的引物，為細(xì)菌的多樣性分析提供準(zhǔn)確而可靠的信息；此外，在一些工藝的生化反應(yīng)器中，存在厭氧氨氧化菌和其他微生物共生的現(xiàn)象，這些較為復(fù)雜的生物特性有待進(jìn)一步研究。

厭氧氨氧化除氮技術(shù)的研究大都還處在實(shí)驗(yàn)室探索階段，真正投入實(shí)際運(yùn)行的不多。這需要從多個角度、多學(xué)科領(lǐng)域深入挖掘和解決科學(xué)問題，不斷完善工藝運(yùn)行條件，使厭氧氨氧化細(xì)菌在污水處理中發(fā)揮更大的作用。