新型污水處理工藝研究進展

徐揚帆 王龍濤 陳文峰

摘 要：厭氧氨氧化（Anammox）工藝因具有無須曝氣、脫氮效率高、污泥產率低、運行成本較傳統(tǒng)脫氮工藝低的特點，在污水凈化方面擁有廣闊的應用前景。本文闡述了Anammox的原理、Anammox反應的影響因素以及目前耦合的主要工藝，并結合研究現狀進行了展望。

關鍵詞：厭氧氨氧化;生物脫氮;污水處理

中圖分類號：X703文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）03-0127-03

Research Progress of New Wastewater Treatment Technology

XU Yangfan1，2，3，4 WANG Longtao1，2，3，4 CHEN Wenfeng1，2，3，4

（1. CCCC Second Harbor Engineering Co.， Ltd.，Wuhan Hubei 430040;2. Key Laboratory of Large-span Bridge Construction Technology，Wuhan Hubei 430040;3. Research and Development Center of Transport Industry of Intelligent Manufacturing Technologies of Transport Infrastructure，Wuhan Hubei 430040;4. CCCC Highway Bridge National Engineering Research Centre Co.， Ltd.，Wuhan Hubei 430040）

Abstract： The Anammox process has the characteristics of no need for aeration， high denitrification efficiency， low sludge yield， and lower operating cost than traditional denitrification processes， so it has broad application prospects in sewage purification. This paper expounded the principle of Anammox， the influencing factors of Anammox reaction and the main coupling process at present， and prospected the research status.

Keywords： Anammox;biological denitrification;wastewater treatment

20世紀70年代，Broda就依據熱力學方程式（見式（1））推測自然環(huán)境下可能存在以亞硝酸鹽（NO2-）作為電子受體來氧化氨氮（NH4+）的反應。直到1995年，MULDER等人在生物脫氮流化床的研究中才證實了該反應的存在[1]，由于參與反應的微生物是在厭氧條件下對氨進行氧化，因此其被稱為厭氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation，Anammox）微生物。

[NO2-+NH4+→N2+2H2O ΔG=-358 kJ/mol]? ? ?（1）

1 Anammox的菌群種類分布

隨著分子生物學技術的快速發(fā)展，從種屬來看，現已發(fā)現的Anammox菌主要分為Scalindua屬（細分為Candidatus Scalindua profunda種、Candidatus Scalindua arabic種、Candidatus Scalindua wagneri種、Candidatus Scalindua brodae種）、Kuenenia屬（主要種為Candidatus Kuenenia stuttgartiensis）、Jettenia屬（主要種為Candidatus Jettenia asiatica）、Brocadia屬（細分為Candidatus Brocadia fulgida種、Candidatus Brocadia anammoxidans種、Candidatus Brocadia sinica種）、Anammoxoglobus屬（細分為Candidatus Anammoxoglobus propionicus種、Candidatus Anammoxoglobus sulfate種）。這些Anammox菌廣泛分布在河流、污水處理廠、垃圾滲濾液處理廠等環(huán)境中。這為Anammox菌作為主要的功能微生物處理高濃度氨氮廢水提供了依據，保證了其可行性。

2 Anammox反應的影響因素

目前，Anammox在工程應用方面主要存在以下問題：Anammox啟動慢;運行的工程條件苛刻。而影響Anammox反應的因素主要有溫度、基質濃度、pH和溶解氧（DO）等。

2.1 溫度

微生物的生長及活性受溫度的影響。Anammox菌生長的最適溫度為30～40 ℃，低溫會導致Anammox菌的活性降低，而溫度高于45 ℃，對Anammox菌產生的抑制作用不可逆。研究發(fā)現，NO2-在常溫下會迅速被轉化成NO3-，溫度高于30 ℃時，NO2-才會出現積累[2]。目前，污水處理設施均不能達到Anammox菌最適宜的生長要求，因此溫度是采用Anammox工藝時必須考慮的因素。

2.2 基質濃度

基質氨對Anammox的影響較小，只有當氨的質量濃度超過1 000 mg/L時才出現抑制作用，基質氨的抑制主要由游離氨（FA）產生。當FA濃度保持在35～40 mg/L時，厭氧氨氧化活性可降低50%甚至可以完全被抑制[3]。研究發(fā)現，亞硝態(tài)氮對Anammox的抑制作用是可逆的，而實際起抑制作用的是游離態(tài)亞硝酸（FNA），氨和亞硝態(tài)氮的濃度對Anammox的影響如圖1所示[3]。[c]為氨或亞硝態(tài)氮的濃度（mmol/L），[R]為Anammox反應速率（mmol/（gVS·d））。

2.3 pH

pH對Anammox菌的生長有重要影響，pH過高或過低均會影響Anammox菌酶的活性和穩(wěn)定性，進而影響Anammox菌的活性。同時，pH可以影響NH4+和FA以及NO2-和FNA之間的化學平衡，進而對微生物的活性也產生影響。研究發(fā)現，當環(huán)境中pH大于8.0時，化學平衡朝生成FA方向進行;當pH低于6.0時，化學平衡朝生成FNA方向進行[4]，STROUS等人[5]發(fā)現，Anammox菌的最適pH范圍為6.7～8.3。

2.4 DO

Anammox反應是在厭氧條件下進行的，因此Anammox菌對DO含量十分敏感。當環(huán)境中DO含量過高時，Anammox菌的生長及活性會受到抑制，但該過程是可逆的，即降低DO含量，Anammox菌活性可恢復。CARVAJAL-ARROYO等人[6]研究發(fā)現，當DO含量為8.0 mg/L時，Anammox菌活性受到嚴重抑制;而DO含量為1.0 mg/L時，活性受抑制的Anammox菌未超過20%。因此，為保證厭氧環(huán)境，厭氧氨氧化的反應器均為密閉性反應器，避免DO對Anammox菌反應產生影響。

3 Anammox耦合工藝技術

目前，市政污水中NO2-的含量通常較少，而NH4+濃度較高。單純應用Anammox工藝處理市政污水需要額外投入大量的NO2-，使工藝的總成本升高。因此，國內外許多學者致力于研發(fā)新型污水處理耦合工藝，其主要有全程自養(yǎng)脫氮工藝（CANON）、Sharon-Anammox工藝、限氧自養(yǎng)硝化反硝化工藝（OLAND）和短程反硝化耦合厭氧氨氧化工藝等。

3.1 CANON工藝

CANON工藝是由短程硝化和厭氧氨氧化組成的一體式新型組合工藝，其工作原理為氨氧化細菌將一部分NH4+氧化為NO2-，Anammox菌將反應器內剩余的NH4+與生成的NO2-分別作為電子供體和受體進行反應生成氮氣。

該工藝目前在垃圾滲濾液、污泥消化液等氨氮含量較高的廢水中已有研究，并且其脫氮效果顯著。孟了等人[7]利用SBR反應器處理垃圾滲濾液，其NH4+的去除率達到95%。

3.2 Sharon-Anammox工藝

Sharon-Anammox工藝是在兩個反應器中分別進行部分硝化和Anammox反應，這能優(yōu)化AOB和Anammox菌的生存環(huán)境，使設備的運行性能穩(wěn)定。Sharon段出水中的NO2-∶NH4+（濃度比）保持在1.32左右才能滿足Anammox段的要求，從而使工藝具有最佳的脫氮效果，因此如何控制Sharon段出水NO2-和NH4+的比例是近年來學者研究的熱點。

曹建平等人[8]采用該組合工藝在SBR反應器和氣提式反應器內處理淀粉廢水，工藝正常運行時，Sharon工藝出水NO2-∶NH4+約為1.04，已接近Anammox反應所能達到的理論值，該工藝對總氮（TN）的平均去除率為74.50%，去除負荷為0.83 kg/（m3·d）。王歡等人[9]使用序批式生物膜反應器處理畜禽廢水并實現了聯合脫氮，在反應器進水NH4+和NO2-濃度均為80～120 mg/L、水力停留時間24 h、溫度30℃的條件下，經過穩(wěn)定運行，TN和NH4+的平均去除率分別為84.1%、91.8%。

3.3 OLAND工藝

OLAND工藝是限氧亞硝化與厭氧氨氧化耦合的一種新型生物脫氮工藝，該工藝分為兩步，首先氨氧化細菌在限氧條件下將NH4+轉化成NO2-，之后在厭氧條件下生產的NO2-與剩下的NH4+發(fā)生Anammox反應，該工藝以生物轉盤反應器為基礎設計運行。相對于Sharon-Anammox工藝，OLAND工藝能節(jié)省37.5%的能耗，而且在較低的溫度下（22～30℃）仍可獲得較好的脫氮效果。張沙等人[10]在常溫下使用固定床生物膜反應器并啟動OLAND工藝，發(fā)現在水力停留時間為2 d時，TN和NH4+去除率最高可分別達到89.54%、95.45%。

3.4 短程反硝化耦合厭氧氨氧化工藝

短程反硝化工藝指反硝化將NO2-作為最終產物，而不進一步把NO2-還原為NO。該工藝最大的應用潛力就是與厭氧氨氧化耦合進行脫氮，而耦合工藝可互相為各自的反應提供基質，其耦合方式可分為一體式和分段式。

一體式短程反硝化耦合厭氧氨氧化工藝簡單有效，在同一個反應器內，反硝化菌原位將NO3--N還原成NO2--N，給Anammox菌提供反應的底物，進而同時去除系統(tǒng)中的NH4+-N和NO2--N。厭氧氨氧化菌反應活性與反硝化菌的活性呈正相關，短程反硝化和厭氧氨氧化在同一系統(tǒng)中相互促進，對系統(tǒng)TN的去除效果好。

分段式短程反硝化耦合厭氧氨氧化工藝是在兩個獨立的反應器內分別以反硝化微生物和Anammox菌為優(yōu)勢菌種進行NO2--N生成和系統(tǒng)氮素的去除，從而避免了反硝化菌和Anammox菌對NO2--N和生存空間的競爭作用，同時碳源被反硝化菌充分利用，可以有效減少流入后置厭氧氨氧化反應器內的有機物。分段式可以控制兩段工藝的運行條件，從而使脫氮效率更高。

4 結論

厭氧氨氧化工藝能有效克服傳統(tǒng)硝化反硝化脫氮工藝的劣勢，同時也符合現在可持續(xù)發(fā)展的要求，因而在污水脫氮領域擁有廣闊的應用前景。但是，這是一種新型的污水處理工藝，仍然有許多因素制約了其進一步的應用和發(fā)展。目前，國內對于厭氧氨氧化耦合工藝的研究仍處于小試和中試階段，工程應用較少。未來，人們可以從以下幾個方面進行研究：Anammox菌生長較為緩慢，因此要選擇Anammox菌的適宜生長條件，使Anammox菌快速生長，進而縮短厭氧氨氧化工藝反應器的啟動時間;Anammox相關耦合工藝需要在較為苛刻的條件下才能穩(wěn)定運行，因此要研究實際的工藝參數及相關工藝正常運行的邊界條件，提高工藝運行的穩(wěn)定性。

參考文獻：

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[8]曹建平，杜兵，劉寅，等.常溫亞硝化-厭氧氨氧化工藝對淀粉廢水生物脫氮的研究[J].給水排水，2008（11）：175-179.

[9]王歡，裴偉征，李旭東，等.低碳氮比豬場廢水短程硝化反硝化-厭氧氨氧化脫氮[J].環(huán)境科學，2009（3）：815-821.

[10]張沙，汪濤，劉鵬霄，等.常溫條件下OLAND工藝啟動研究[J].工業(yè)水處理，2016（12）：77-81.